JP2020089077A

JP2020089077A - 電気車

Info

Publication number: JP2020089077A
Application number: JP2018220629A
Authority: JP
Inventors: 賢太小林; Kenta Kobayashi
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2020-06-04

Abstract

【課題】架線とパンタグラフとの間でアークが発生する可能性を低減する。【解決手段】本発明に係る電気車１０は、直流リンク部１８を介して負荷に電力を供給する車載電源１３と、架線２への接触により、直流リンク部１８を介して負荷に電力を供給するパンタグラフ１４と、直流リンク部１８の電圧である直流リンク電圧を検出する電圧検出器１５と、車載電源１３の出力電圧を制御する制御部１３１と、を備え、制御部１３１は、負荷への車載電源１３による電力供給から、架線２からの電力供給への切り替えのためにパンタグラフ１４が架線２に接触した際に電圧検出器１５により検出された直流リンク電圧に車載電源１３の出力電圧が一致するように、車載電源１３の出力電圧を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、電気車に関する。

特許文献１には、車載電源を搭載し、車両内の負荷への架線からの電力供給と、車載電源からの電力供給とが可能な電気車が記載されている。このような電気車によれば、非電化区間であっても、車載電源からの電力供給により電気車の運行が可能となる。

特開２０１４−６４３９８号公報

上述したような電気車は、パンタグラフを架線に接触させることで、架線からの電力供給を受ける。ここで、パンタグラフの保護のために、パンタグラフと架線との間でアークが発生しないことが望ましい。しかしながら、車載電源から直流リンク部を介して負荷への電力供給が行われるとともに、その直流リンク部を介して架線からも負荷への電力供給が行われる場合、すなわち、車載電源からの電力供給の経路と、架線からの電力供給の経路とが共有される場合、パンタグラフと架線との間でアークが発生することがある。

より具体的に説明すると、一般に、パンタグラフと架線とを接触させる際に、パンタグラフと架線との衝突による跳ね返りにより、パンタグラフが細かく振動する、いわゆる「チャタリング」が発生する。車載電源により負荷に電力供給が行われる状態でパンタグラフを上昇させて、架線からの電力供給に切り替える場合、架線電圧と直流リンク部の電圧（以下、「直流リンク電圧」と称する）とが異なると、その電位差により架線とパンタグラフとが接するパンタ点に電流が流れて、パンタグラフと架線とが離れる際に、パンタグラフと架線との間でアークが発生する可能性がある。

上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、パンタグラフと架線との間でアークが発生する可能性を低減することができる電気車を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る電気車は、直流リンク部を介して負荷に電力を供給する車載電源と、架線への接触により、前記直流リンク部を介して前記負荷に電力を供給するパンタグラフと、前記直流リンク部の電圧である直流リンク電圧を検出する電圧検出器と、前記車載電源の出力電圧を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記負荷への前記車載電源による電力供給から、前記架線からの電力供給への切り替えのために前記パンタグラフが前記架線に接触した際に前記電圧検出器により検出された直流リンク電圧に前記車載電源の出力電圧が一致するように、前記車載電源の出力電圧を制御する。

また、本発明に係る電気車において、前記制御部は、前記パンタグラフと前記架線との接触により、前記架線から前記負荷に流れるパンタ電流の急変が所定時間以上発生しなくなると、前記電圧検出器により検出された直流リンク電圧に応じた前記車載電源の出力電圧の制御を停止することが好ましい。

本発明に係る電気車によれば、パンタグラフと架線との間でアークが発生する可能性を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る電気車の構成例を示す図である。従来の電気車における直流リンク電圧の制御例を示す図である。図１に示す電気車における直流リンク電圧の制御例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電気車１０の構成例を示す図である。

図１に示す電気車１０は、車両負荷１１と、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ：Variable Voltage Variable Frequency）インバータ１２と、車載電源１３と、パンタグラフ１４と、電圧検出器１５と、電流検出器１６，１７とを備える。車両負荷１１および可変電圧可変周波数インバータ１２は、電気車１０の負荷の一例である。

車両負荷１１は、電気車１０に搭載された補助電源、照明装置、冷暖房装置などの負荷である。

可変電圧可変周波数インバータ１２は、直流電圧を交流電圧に変換して、電気車１０を駆動する主電動機（不図示）に供給する。

車載電源１３は、電気車１０に搭載された電源装置（直流電源）である。車載電源１３は、車載電源１３の出力側である直流リンク部１８を介して電気車１０の負荷に電力を供給する。車載電源１３は、例えば、燃料電池、直流電源からの出力電圧を昇圧して出力する昇圧チョッパ回路などで構成される。車載電源１３は、制御部１３１を備える。制御部１３１は、車載電源１３の動作、例えば、車載電源１３の出力電圧を制御する。制御部１３１の動作の詳細については後述する。

パンタグラフ１４は、昇降可能であり、変電所などに設けられた直流電源１により直流電圧が印加された架線２と接触または非接触とすることができる。パンタグラフ１４は、上昇した状態で架線２と接触し、架線２への接触により、直流リンク部１８を介して電気車１０の負荷に電力を供給する。

車載電源１３からの電力供給またはパンタグラフ１４を介した電力供給により、電気車１０の負荷（車両負荷１１、可変電圧可変周波数インバータ１２）を動作させることができる。車両負荷１１および可変電圧可変周波数インバータ１２を流れた電流は、電気車１０の車輪１９およびレール３を経由して直流電源１に流れる。

電圧検出器１５は、直流リンク部１８の電圧（直流リンク電圧）を検出し、検出結果を制御部１３１に出力する。

電流検出器１６は、車載電源１３から直流リンク部１８に流れる電流を検出し、検出結果を制御部１３１に出力する。

電流検出器１７は、直流リンク部１８から負荷（車両負荷１１および可変電圧可変周波数インバータ１２）に流れる電流を検出し、検出結果を制御部１３１に出力する。なお、図１においては、簡略化のため、直流リンク部１８と車両負荷１１との間にだけ電流検出器１７を図示しているが、可変電圧可変周波数インバータ１２に流れる電流を検出する場合、直流リンク部１８と可変電圧可変周波数インバータ１２との間にも電流検出器１７が設けられる。

次に、制御部１３１の動作について説明する。

上述したように、車載電源１３により負荷に電力供給が行われる状態でパンタグラフ１４を上昇させて、架線２からの電力供給に切り替える場合、架線電圧と直流リンク電圧とが異なると、アークが発生する可能性がある。

そこで、制御部１３１は、負荷への車載電源１３による電力供給から、架線２からの電力供給への切り替えのためにパンタグラフ１４が架線２に接触した際に電圧検出器１５により検出された直流リンク電圧に車載電源１３の出力電圧が一致するように、車載電源１３の出力電圧を制御する。こうすることで、パンタグラフ１４と架線２との接触（衝突）後、衝突による離線の際に、直流リンク電圧と架線電圧とが一致するので、アークの発生を防止することができる。

図２，３を参照して、制御部１３１の動作についてより詳細に説明する。

図２は、従来の電気車における直流リンク電圧の制御について説明するための図である。また、図３は、本実施形態に係る電気車１０における直流リンク電圧の制御について説明するための図である。図２，３においては、架線電圧、パンタグラフ１４の位置、車載電源１３の出力電圧（直流リンク電圧）を指示する直流リンク電圧指令、直流リンク電圧、および、パンタ点から負荷に流れる電流（パンタ点電流）の時間変化を示している。なお、図２，３においては、初期状態では、車載電源１３による負荷への電力供給が行われ、パンタグラフ１４は架線２と接しない位置（パンタグラフ１４の位置：「車体」）にあるとする。また、図２，３においては、パンタ点電流が流れる方向について、架線２から電気車１０に向かう方向、すなわち、電気車１０が受電する方向を正方向とする。また、図２，３においては、架線電圧が時間の経過とともに直線的に低下している例を示しているが、これに限られるものではない。まず、従来の電気車における直流リンク電圧の制御について、図２を参照して説明する。

従来の電気車においては、直流リンク電圧指令は一定のままである。すなわち、車載電源１３からの出力電圧は一定となるように制御される。

時刻ｔ１１において、車載電源１３による電力供給から、架線２からの電力供給に切り替えるために、パンタグラフ１４が上昇を開始し、時刻ｔ１２において、パンタグラフ１４と架線２とが接触する位置（パンタグラフ１４の位置：「架線」）までパンタグラフ１４が上昇したとする。時刻ｔ１２においては、架線電圧が車載電源１３の出力電圧（直流リンク電圧）よりも高いとする。

パンタグラフ１４と架線２とが接触すると、架線電圧が車載電源１３の出力電圧よりも高いため、直流リンク電圧は上昇し、正方向のパンタ点電流が流れる。

時刻ｔ１２におけるパンタグラフ１４と架線２との接触（衝突）による跳ね返りにより、時刻ｔ１３において、パンタグラフ１４が架線２から離れたとする。時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの間は、架線電圧が徐々に低下しているため、直流リンク電圧およびパンタ点電流も徐々に減少する。

時刻ｔ１３において、パンタグラフ１４と架線２とが離れると、直流リンク電圧は直流リンク電圧指令に追従して所定値となり、パンタ点電流も減少する。ここで、時刻ｔ１３（パンタグラフ１４と架線２とが離れる瞬間）においては、架線２から電気車１０に向かってパンタ点電流が流れているため、パンタグラフ１４と架線２との間でアークが発生する可能性がある。

時刻ｔ１４において、パンタグラフ１４と架線２とが再び接触したとする。時刻ｔ１４においては、架線電圧が車載電源１３の出力電圧よりも高いとする。時刻ｔ１４においても、架線電圧が車載電源１３の出力電圧よりも高いため、直流リンク電圧は上昇し、正方向のパンタ点電流が流れる。

時刻ｔ１５において、パンタグラフ１４が架線２から離れたとする。時刻ｔ１４から時刻ｔ１５までの間は、架線電圧が徐々に低下しているため、直流リンク電圧およびパンタ点電流も徐々に減少する。

時刻ｔ１５において、パンタグラフ１４と架線２とが離れると、直流リンク電圧は直流リンク電圧指令に追従して所定値となり、パンタ点電流も減少する。時刻ｔ１５においても、架線２から電気車１０に向かってパンタ点電流が流れているため、パンタグラフ１４と架線２との間でアークが発生する可能性がある。

時刻ｔ１６において、パンタグラフ１４と架線２とが再び接触したとする。時刻ｔ１６においては、架線電圧が車載電源１３の出力電圧よりも低いとする。架線電圧が車載電源１３の出力電圧よりも低いため、直流リンク電圧は低下し、負方向のパンタ点電流が流れる

時刻ｔ１６以降、チャタリングが収まり、パンタグラフ１４と架線２とが安定して接触したとする。パンタグラフ１４と架線２とが接触し続けているため、直流リンク電圧は、架線電圧の低下とともに低下し、パンタ点電流は、負方向に増加する。時刻ｔ１６から所定時間が経過した時刻ｔ１７までパンタ点電流の急変が起こらなければ、車載電源１３は出力を停止する。

このように、従来の電気車においては、パンタグラフ１４と架線２とが離れる際に、架線電圧と直流リンク電圧とが異なるためにパンタ電流が流れ、このパンタ電流により、パンタグラフ１４と架線２との間でアークが発生する可能性があった。

次に、本実施形態に係る電気車１０における直流リンク電圧の制御について、図３を参照して説明する。図３において、架線電圧およびパンタグラフ１４の位置の変化は、図２と同様であるとする。

時刻ｔ１２において、パンタグラフ１４と架線２とが接触すると、架線電圧が車載電源１３の出力電圧よりも高いため、直流リンク電圧は上昇し、正方向のパンタ点電流が流れる。

制御部１３１は、パンタグラフ１４と架線２との接触を検出すると、パンタグラフ１４が架線２に接触した状態で電圧検出器１５により検出された直流リンク電圧に車載電源１３の出力電圧が一致するように、車載電源１３の出力電圧を制御する。具体的には、制御部１３１は、パンタグラフ１４と架線２との接触を検出すると、車載電源１３の出力電圧が架線電圧に追従するように、直流リンク電圧指令の指令値を増加させ、その後、架線電圧の減少に合わせて減少させる。こうすることで、パンタ点電流は、パンタグラフ１４と架線２とが接触した瞬間に、瞬間的に流れるが、パンタグラフ１４と架線２とが離れる時刻ｔ１３においては抑制される。そのため、時刻ｔ１３においてパンタグラフ１４と架線２とが離れても、パンタグラフ１４と架線２との間でアークが発生することを防ぐことができる。

なお、制御部１３１は、電流検出器１６および電流検出器１７の検出結果からパンタグラフ１４と架線２との接触を検出することができる。具体的には、制御部１３１は、電流検出器１７により検出された電流と電流検出器１６により検出された電流との差をパンタ点電流として検出する。上述したように、パンタグラフ１４と架線２とが接触すると、直流リンク電圧と架線電圧との差により、正方向あるいは負方向に瞬間的に大きなパンタ電流が流れる。したがって、制御部１３１は、検出したパンタ点電流が急変した場合に（例えば、所定時間以内に、所定値以上変化した場合に）、パンタグラフ１４と架線２とが接触したと検出する。

時刻ｔ１３においてパンタグラフ１４と架線２とが離れると、制御部１３１は、直流リンク電圧指令を一定値に保つ。時刻ｔ１４において、パンタグラフ１４と架線２とが接触したとする。また、時刻ｔ１４においては、架線電圧が車載電源１３の出力電圧よりも低いとする。この場合、パンタグラフ１４と架線２とが接触することで、負方向のパンタ点電流が流れるが、パンタ点電流は瞬間的にしか流れないため、パンタグラフ１４と架線２との間でアークが発生することを防ぐことができる。

時刻ｔ１６以降、チャタリングが収まり、パンタグラフ１４と架線２とが安定して接触した状態となり、パンタ点電流の急変が所定時間以上発生しなくなると、制御部１３１は、チャタリングが収まった（パンタグラフ１４の上昇が完了した）と判定し、電圧検出器１５により検出された直流リンク電圧に応じた車載電源１３の出力電圧の制御を停止する。直流リンク電圧に応じた車載電源１３の出力電圧の制御の停止後、制御部１３１は、例えば、車載電源１３の充電を行ったり、電気車１０の力行時に架線２からの給電が不足する場合には、不足分をアシストしたりしてもよい。

このように本実施形態においては、制御部１３１は、負荷への車載電源１３による電力供給から、架線２からの電力供給への切り替えのためにパンタグラフ１４が架線２に接触した際に電圧検出器１５により検出された直流リンク電圧に車載電源１３の出力電圧が一致するように、車載電源１３の出力電圧を制御する。

パンタグラフ１４と架線２とが接触した際の直流リンク電圧に車載電源１３の出力電圧を一致させることで、パンタグラフ１４が架線２から離れる際にはパンタ点電流が流れないようにし、アークの発生を防止することができる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。

１直流電源
２架線
３レール
１０電気車
１１車両負荷（負荷）
１２可変電圧可変周波数インバータ（負荷）
１３車載電源
１４パンタグラフ
１５電圧検出器
１６，１７電流検出器
１８直流リンク部
１９車輪

Claims

直流リンク部を介して負荷に電力を供給する車載電源と、
架線への接触により、前記直流リンク部を介して前記負荷に電力を供給するパンタグラフと、
前記直流リンク部の電圧である直流リンク電圧を検出する電圧検出器と、
前記車載電源の出力電圧を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記負荷への前記車載電源による電力供給から、前記架線からの電力供給への切り替えのために前記パンタグラフが前記架線に接触した際に前記電圧検出器により検出された直流リンク電圧に前記車載電源の出力電圧が一致するように、前記車載電源の出力電圧を制御することを特徴とする電気車。
請求項１に記載の電気車において、
前記制御部は、前記パンタグラフと前記架線との接触により、前記架線から前記負荷に流れるパンタ電流の急変が所定時間以上発生しなくなると、前記電圧検出器により検出された直流リンク電圧に応じた前記車載電源の出力電圧の制御を停止することを特徴とする電気車。