JP3071652U - 補助電源システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造価格が安価で、保守経費の面から有利な
補助電源システムを提供する。 【解決手段】 この電気車両に設置される補助電源シス
テム１は、変圧器３と、コンバータ５と、直流電力を変
換可能な最大３相交流電力が標準化されたインバータ７
とを備えている。パンタグラフ１０を介して架線Ｔから
受電された単相交流電力は、変圧器３で変圧され、コン
バータ５で直流電力に変換される。そして、その直流電
力は、インバータ７で３相交流電力に変換される。この
補助電源システム１では、補機１４の最大駆動電力に応
じ、標準化されたインバータ７と補機１４とを組み合わ
せて、補機１４に３相交流電力を出力するようにされて
いるので、各補機１４専用のインバータを製作する必要
のある従来の補助電源システムに比べ、インバータの製
作費用を軽減することができる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、電気車両の電力供給源から供給される単相交流電力を直流電力に変 換し、該直流電力をさらに変換した３相交流電力を、電気車両に設置された３相 交流電力で駆動する複数の補機に供給する補助電源システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来より、新幹線の電気車両や外国の高速電気車両（以下単に「高速電気車両 」という）では、客室空間の空調、換気等を行ういわゆる補機として、単相交流 電力で駆動する補機が用いられている。ところがこの補機は、地上電源の瞬断及 び電圧変動等の外乱があると、そのたびに補機の動作が間欠的に変化して車両内 の居住環境の悪化を招くという問題があった。そのため、ロータの慣性力を大き くするため補機を大型化し、このロータの慣性力で補機に対する外乱の影響を打 ち消すことによって、外乱の影響が居住環境に及ばないようにしていた。しかし 、大型化された補機は重いので、軽量化への取り組みがなされている高速電気車 両に設置するには不向きであった。

【０００３】 そのため高速電気車両では、従来の単相交流電力で駆動する補機に代えて、３ 相交流電力で駆動する補機が用いられるようになってきている。この３相交流電 力で駆動する補機を用いるのは、単相交流電力を３相交流電力に変換する過程で 外乱の影響が打ち消されてしまうので、単相交流電力で駆動する補機のように、 外乱対策として補機を大型化する必要がなく、単相交流電力で駆動する補機に比 べ小型化、軽量化が図れるからである。

【０００４】 ここで３相交流電力で駆動する補機を使用する場合に、架線から供給される単 相交流電力を３相交流電力に変換する補助電源システムの一例について説明する 。 ここで、図２は、補助電源システム１００の概略回路図、図３は実際に新幹線 の電気車両に取り付ける場合の補助電源システムを含む電気系統図である。尚、 図２は、平成９年電気学会全国大会Ｓ１３−４「車両用補助電源装置の最新技術 と動向」の図１を一部修正したものである。また図３では、後述する平滑リアク トル１０５ａ及び平滑コンデンサ１０５ｂは、省略してある。

【０００５】 この補助電源システム１００は、図２に示すように、変圧器１０３、整流回路 １０５、及びインバータ１０７から構成されている。 このうち、変圧器１０３は、電気車両内に配線されたケーブル１１２（図３参 照）を介してパンタグラフ１１０に接続され、架線Ｔから供給された単相交流電 力を変圧し、整流回路１０５は、変圧器１０３から出力された単相交流電力を直 流電力に変換するよう構成されている。また、整流回路１０５は、整流回路１０ ５から出力された直流電力を平滑化する平滑リアクトル１０５ａ及び、平滑コン デンサ１０５ｂを備え、整流回路１０５から出力された直流電力を平滑化するよ う構成されている。インバータ１０７は、平滑化された直流電力を３相交流電力 に変換して補機１１４に供給するよう構成されている。

【０００６】 また、この補助電源システム１００では、図３に示すように、インバータ１０ ７が、圧縮機、送風機、換気装置、空調機等の各補機１１４毎に取り付けられる 。そして各インバータ１０７としては、直流電力を変換可能な最大３相交流電力 が、各インバータ１０７が接続された補機１１４をフル駆動するのに必要な駆動 電力以上に設定された、各補機１１４毎に専用のものが用いられる。

【０００７】 このように構成された補助電源システム１００を用いると、架線Ｔを流れる単 相交流電力は、パンタグラフ１１０で取り込まれ、変圧器１０３で変圧された後 、整流回路１０５で直流電力に変換される。そしてこの直流電力は、各補機１１ ４に向かって分配され、補機１１４の入力側で３相交流電力に変換された後、補 機１１４に供給される。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】 しかし、従来の補助電源システム１００では、インバータ１０７として各補機 １１４専用の専用品を用いていたので、インバータ１０７の製造価格が高くなる という問題があった。

【０００９】 また、このようにインバータ１０７として各補機１１４専用の専用品を設置し ようとすると、インバータ１０７が故障した場合に備え、すべての種類のインバ ータ１０７を準備せねばならないので保守経費の面から不利であるという問題が あった。

【００１０】 特に、新幹線の電気車両の場合は、１編成１６両あたりで１０種類の補機が１ ００台以上使用されるので、インバータ１０７の製造価格の低廉化、保守経費の 削減が重要な問題となっている。 そこで、本考案では、製造価格が安価で、保守経費の面から有利な補助電源シ ステムを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び考案の効果】

上記目的を達成する本考案の補助電源システムは、電気車両の電力供給源から 供給される単相交流電力を直流電力に変換し、フル稼動するのに必要な最大駆動 電力が様々に設定された３相交流で駆動する各補機の前記直流電力の入力側で、 前記補機毎に前記直流電力を３相交流電力に変換する補助電源システムにおいて 、前記直流電力を変換可能な最大３相交流電力が予め統一されたインバータを用 いて、前記各補機に前記最大駆動電力を供給可能なように前記インバータと前記 補機とを組み合わせて接続することを特徴とする。

【００１２】 この補助電源システムでは、最大３相交流電力が予め統一された標準化された インバータの数と補機の数とを、様々に設定された補機の最大駆動電力に応じて 組み合わせられる。 従って、この補助電源システムを用いると、インバータが標準化されているの で、各補機に専用のインバータを接続する従来の補助電源システムに比べ、イン バータの製作費用を軽減することができる。

【００１３】 また、本考案の補助電源システムを用いると、インバータが標準化されている ので、保守用のインバータとして保管するインバータの数が、補機毎に専用のイ ンバータを準備する従来の補助電源システムに比べ少なくてすみ、加えて、イン バータの保存状態を維持する費用などの保守経費も大幅に削減することができる 。

【００１４】 尚、具体的な組み合わせ方法としては、例えば、最大駆動電力が、最大３相交 流電力よりも小さい場合、一台のインバータに一台の補機を接続して、３相交流 電力を前記補機に供給するようにしてもよい。 また、最大駆動電力が、最大３相交流電力よりも大きい場合、最大３相交流電 力の合計が、最大駆動電力より大きくなるように複数台のインバータに補機を接 続して、３相交流電力を前記補機に供給するようすればよい。

【００１５】 さらに、複数の補機の最大駆動電力の合計が、最大３相交流電力よりも小さい 場合、一台のインバータに複数の補機を接続して、３相交流電力を各補機に供給 するようにしてもよい。このようにすれば、インバータの設置台数を、削減する ことができる。

【００１６】 ところで、例えば、一台の補機に対し、複数のインバータから３相交流電力を 供給する場合、各インバータから出力される３相交流電力の相電力の出力タイミ ングが同期しない、いわゆる同期はずれが発生すると、インバータ間に不平衡電 流が流れて、電力損失が生ずる。

【００１７】 そこで、本考案の補助電源システムは、前記直流電力を前記３相交流電力に変 換する変換制御を行う１つの制御装置で前記各インバータの変換制御を一括して 行うことが好ましい。 このようにすると、各インバータから出力される３相交流電力が同期し、イン バータ間に不平衡電流が流れることが防止されるので、直流電力から変換した３ 相交流電力を補機に効率よく供給することができる。

【００１８】 尚、前記電力供給源は、主に架線である。また、本考案を用いる電気車両とし ては、軽量化が図られている新幹線の電気車両が挙げられる。

【００１９】

【考案の実施の形態】

以下、本考案を新幹線の電気車両に適用した一実施形態について説明する。 ここで、図１は、本実施形態の補助電源システムを備える電気車両の電気系統 図である。

【００２０】 まず、本実施形態の補助電源システム１が適用される電気車両は、図１に示す ように、パンタグラフ１０と、主配電線１２と、多種多様な複数の補機１４（１ ４ａ〜１４ｄ）とを備えている。 パンタグラフ１０は、電気車両の屋根部分に設置され、２５０００Ｖの単相交 流電力が流れる架線Ｔに接触自在に構成されている。

【００２１】 主配電線１２は、２５０００Ｖの単相交流電力を通電可能なケーブルで構成さ れ、パンタグラフ１０と、補助電源システム１、電気車両を走行させるための図 示しない駆動モーター及び、パンタグラフ１０が設置されていない他の電気車両 とを電気的に接続するよう、電気車両内に配線されている。

【００２２】 補機１４には、圧縮機１４ａ、送風機１４ｂ、換気装置１４ｃ、空調機１４ｄ の４つの種類があり、いずれの補機１４ａ〜１４ｄも４４０Ｖの３相交流電力で 駆動するよう構成されている。 また、フル駆動するために必要な最大駆動電力は、それぞれ異なる大きさに設 定されている。ここでは、空調機１４ｄが最も大きく、次いで圧縮機１４ａ、換 気装置１４ｃが大きく、送風機１４ｂが最も小さい値に設定されている。

【００２３】 尚、送風機１４ｂは、駆動モータ等を冷却するための装置で、圧縮機１４ａは 、ブレーキ機構等に使用する圧縮空気を発生させる装置である。 次に、この電気車両に設置される補助電源システム１は、変圧器３と、コンバ ータ５と、インバータ７とを備えている。

【００２４】 変圧器３は、一次側巻線が主配電線１２に接続され、二次側巻線がコンバータ ５に接続されている。この変圧器３では、巻数比に従って、一次側巻線に入力さ れた２５０００Ｖの単相交流電力を降圧して出力するよう構成されている。 コンバータ５は、変圧器３の二次巻線に接続され、変圧器３で降圧した単相交 流電力を６００Ｖ〜７００Ｖの直流電力に変換して出力するよう構成されている 。また、このコンバータ５は、図２に構成の一例を示したように、直列に接続し た２個一組のサイリスタを並列に並べ、直流電力の出力側に、直流電力を平滑化 する平滑化リアクトル及び平滑化コンデンサを備えた周知の変換器からなる。

【００２５】 インバータ７は、電気車両に設けられた各補機１４ａ〜１４ｄの入力側に設け られ、コンバータ５から出力された直流電力を４４０Ｖの３相交流電力に変換す るよう構成され、直流電力を変換可能な最大３相交流電力が一律に定められる形 で標準化されている。また、各インバータ７は、直流電力を３相交流電力に変換 する変換制御を行う制御装置７０を備えている。

【００２６】 インバータ７は、空調機１４ｄの最大駆動電力がインバータ７の最大３相交流 電力よりも大きいので、１台の空調機１４ｄに対し２台設置される。そして、空 調機１４ｄに設置されるこれらのインバータ７は、一方の制御装置７０が停止さ れ、他方のインバータ７に設置された制御装置７０で、両方のインバータ７の変 換制御を行うよう設定される。

【００２７】 また、インバータ７は、送風機１４ｂの２台分の最大駆動電力がインバータ７ の最大３相交流電力よりも小さいので、２台の送風機１４ｂに対し１台設置され る。 そして、インバータ７は、圧縮機１４ａ、換気装置１４ｃに対しては、各々の 最大駆動電力がインバータ７の最大３相交流電力よりわずかに小さいので、各補 機１４ａ，１４ｃ一台につき一台設置される。

【００２８】 以上のように構成された補助電源システム１は次のように動作する。 まず、電気車両への電力供給源である架線Ｔにパンタグラフ１０を接触させる と、架線Ｔを流れていた２５０００Ｖの単相交流電力が、主配電線１２を介して 変圧器３の一次巻線に供給され、変圧器３で降圧される。そして、この降圧され た単相交流電力は、コンバータ５で６００〜７００Ｖの直流電圧に変換される。

【００２９】 また、コンバータ５から出力された直流電力は、各補機１４ａ〜１４ｄの入力 側に取り付けられた各インバータ７に供給され、インバータ７で３相交流電力に 変換された後、この３相交流電力が各補機１４ａ〜１４ｄに入力される。 このうち空調機１４ｄには、各インバータ７から出力された互いに同期した三 相交流電力が入力される。これは、各インバータ７が、何れか一方のインバータ ７に設置された一つの制御装置７０で制御されているからである。

【００３０】 また、２つの送風機１４ｂには、１台のインバータ７からそれぞれの送風機１ ４ｂに３相交流電力が入力される。 以上説明した本実施形態の補助電源システムを用いると以下のような効果があ る。

【００３１】 まず、本実施形態の補助電源システム１を用いると、各補機１４ａ〜１４ｄの 最大駆動電力に応じ、標準化されたインバータ７の数と各補機１４ａ〜１４ｄの 数とを組み合わせて、各補機１４ａ〜１４ｄに３相交流電力を出力するようにさ れているので、各補機１４ａ〜１４ｄ専用のインバータを作成する必要のある従 来の補助電源システムに比べ、インバータ７の製作費用を軽減することができる 。

【００３２】 また、本実施形態の補助電源システム１を用いると、インバータ７が標準化さ れているので、保守用に保管するインバータ７の数が、従来の補助電源システム に比べて少なくてすみ、加えて、インバータ７の保存状態を維持する費用などの 保守経費も大幅に削減することができる。

【００３３】 さらに、本実施形態の補助電源システム１では、空調機１４ｄのように最大駆 動電力がインバータ７の最大３相交流電力より大きく、２台のインバータから３ 相交流電力を供給する場合、各インバータ７での変換制御を一つの制御装置で行 って、各インバータ７から同期した３相交流電力を出力させているので、同期は ずれにより生じる電力損失の発生を効果的に防止することができる。

【００３４】 さらにまた、本実施形態では、２台の送風機１４ｂの最大駆動電力の合計がイ ンバータ７の最大３相交流電力より小さい場合、１台のインバータに２台の送風 機１４ｂを接続して、３相交流電力を各送風機１４ｂに供給するようにしている ので、インバータ７の設置台数を削減することができる。

【００３５】 尚、本実施形態では、インバータ７として、１種類の最大３相交流電力に標準 化されたものを用いたが、必要に応じ２種類あるいは３種類に標準化されたもの を用いてもよいことはもちろんである。 また、本実施形態では、新幹線の電気車両に適用した補助電源システムについ て説明したが、一般の電気車両に適用してもよいことはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施形態の補助電源システムが適用される
電気車両の電気系統図である。

【図２】 従来の補助電源システムの回路図である。

【図３】 従来の補助電源システムが適用される電気車
両の電気系統図である。

【符号の説明】

１…補助電源システム、３…変圧器、５…コンバータ、
７…インバータ、１０…パンタグラフ、１２…主配電
線、１４…補機、１４ａ…圧縮機、１４ｂ…送風機、１
４ｃ…換気装置、１４ｄ…空調機、７０…制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 高嶋 孝行 東京都中央区日本橋本町三丁目１番８号 東海交通機械株式会社内

Claims (7)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気車両の電力供給源から供給される単
   相交流電力を直流電力に変換し、フル稼動するのに必要
   な最大駆動電力が様々に設定された３相交流で駆動する
   各補機の前記直流電力の入力側で、前記補機毎に前記直
   流電力を３相交流電力に変換する補助電源システムにお
   いて、 前記直流電力を変換可能な最大３相交流電力が予め統一
   されたインバータを用いて、前記各補機に前記最大駆動
   電力を供給可能なように前記インバータと前記補機とを
   組み合わせて接続することを特徴とする補助電源システ
   ム。
2. 【請求項２】 請求項１記載の補助電源システムにおい
   て、 前記最大駆動電力が、前記最大３相交流電力よりも小さ
   い場合、一台の前記インバータに一台の前記補機を接続
   して、前記３相交流電力を前記補機に供給することを特
   徴とする補助電源システム。
3. 【請求項３】 請求項１記載の補助電源システムにおい
   て、 複数の前記補機の前記最大駆動電力の合計が、前記最大
   ３相交流電力よりも小さい場合、前記最大駆動電力の合
   計が、前記最大３相交流電力より大きくならない範囲
   で、一台の前記インバータに複数の前記補機を接続し
   て、前記３相交流電力を前記各補機に供給することを特
   徴とする補助電源システム。
4. 【請求項４】 請求項１記載の補助電源システムにおい
   て、 前記最大駆動電力が、前記最大３相交流電力よりも大き
   い場合、該最大３相交流電力の合計が、前記最大駆動電
   力より大きくなるように複数台の前記インバータに前記
   補機を接続して、前記３相交流電力を前記補機に供給す
   ることを特徴とする補助電源システム。
5. 【請求項５】 請求項４記載の補助電源システムにおい
   て、 前記直流電力を前記３相交流電力に変換する変換制御を
   行う１つの制御装置で前記各インバータの変換制御を一
   括して行うことを特徴とする補助電源システム。
6. 【請求項６】 請求項１〜５何れか記載の補助電源シス
   テムにおいて、 前記電力供給源は、架線であることを特徴とする補助電
   源システム。
7. 【請求項７】 請求項１〜６何れか記載の補助電源シス
   テムにおいて、 前記電気車両は、新幹線の電気車両であることを特徴と
   する補助電源システム。