JP5100690B2 - 鉄道車両システム - Google Patents

Description

本発明は、交流電気車両を架線に接続する際に発生する主変圧器への励磁突入電流の流入を抑止した鉄道車両システムに関する。

交流電気車両が車載している主変圧器は、架線から電力供給を受ける際に適切な位相で電圧を印加し始めなければ、主変圧器に対する励磁突入電流が発生する。この励磁突入電流は、饋電保護設備の不要動作を招く可能性があるほか、饋電設備容量の増加につながる。

これに対して特許文献１では、セクション切替設備による最適位相角切替制御を用いることで、切替セクションにおける電源の最適な投入位相角を得ることにより、励磁突入電流の抑制を図っている。また、特許文献２では、地上側に設置した変換器を用いて切替セクションの中セクションの位相制御を行うことで異電源饋電区間への切替を行っている。

特開平７−１１７５３１号公報 特開２００３−２９１６９４号公報

しかしながら、前記特許文献１の発明では、切替セクションにおける励磁突入電流の抑制を図ることができる一方、デッドセクション通過時や留置線に停止していた車両がパンタグラフを着線させ変圧器が励磁される時などには、主変圧器に励磁突入電流が発生してしまう。また、特許文献２では、切替セクションの中セクションに変換器を置くなど設備が大規模化すると考えられる。

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、車両側で切替セクション・デッドセクション通過時、パンタグラフ上昇による架線着線時における主変圧器の励磁突入電流を抑制することを可能とした鉄道車両システムを提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明の鉄道車両システムは、車両に搭載された主変圧器の１次巻線に、架線から交流電力を得るための集電装置が接続され、前記主変圧器の２次巻線または３次巻線に、架線からの交流を直流に変換すると共に直流側から交流側にエネルギーを戻す回生動作が可能な電力変換器が接続され、この電力変換器に蓄電装置が接続された交流電気車両と、前記架線電圧を検出する手段を備えた鉄道車両システムにおいて、前記集電装置によって架線から主変圧器に給電を開始する際に、前記架線電圧を検出する手段により架線電圧を検出し、前記蓄電装置のエネルギーを前記電力変換器を通じて前記主変圧器の２次巻線または３次巻線に印加し、主変圧器の１次側が前記検出された架線電圧と同位相・同圧になるように主変圧器を逆励磁した後に、集電装置を介して架線と主変圧器の１次巻線とを接続することを特徴とする。

本発明によれば、車両に設けた蓄電装置を用いて主変圧器を逆励磁し、架線電圧と同位相、同程度の電圧を主変圧器の１次側に付与することにより、主変圧器を架線に接続する際の主変圧器への励磁突入電流を抑制することが可能になる。

本発明の第１実施例である鉄道車両システムの構成を示すブロック回路図である。 本発明の第２実施例である交流饋電システムの切替セクションを表す配線図である。 本発明の第３実施例である交流饋電システムの切替セクションを表す配線図である。

以下、本発明の第１実施例を図１に従って具体的に説明する。
図１において、１は架線、２はレール、３はレール上を走行する車両、４は車両に設けられた集電装置であるパンタグラフ、５は車輪である。前記車両３には、主変圧器６、車両の駆動用モータ７ａ，７ｂ、補機８、電圧・位相検出手段９及び遮断器１０が設けられている。

前記主変圧器６は、１次巻線１１と、モータ７ａ，７ｂ用の２次巻線１２ａ，１２ｂ及び補機用の３次巻線１２ｃとを備えている。モータ７ａ，７ｂ用の２次巻線１２ａ，１２ｂは、主変換回路１３を介してモータ７ａ，７ｂに接続されている。主変換回路１３には、交流を直流に変換する電力変換器１４ａ，１４ｂ、平滑用コンデンサ１５ａ，１５ｂ及びモータ駆動用電力変換器（インバータ）１６ａ，１６ｂを備えている。

本実施例において、前記電力変換器１４ａ，１４ｂとしては、主変圧器６の２次巻線の逆励磁を行うために、交流電源側から直流側にエネルギーを取り出す電動動作と、直流側から交流電源側にエネルギーを戻す回生動作が可能なＰＷＭコンバータを使用する。また、直流部分には、本発明の逆励磁用の電源となる蓄電装置１７が接続されている。

前記補機用の３次巻線１２ｃは、補機８に対して電力を供給する補助電源回路１３ｃを介して、補機８に接続されている。なお、補機８としては、車両に搭載されたコンピュータ、エアコン、照明、通信機器など、車両の運行に必要な各種機器が含まれる。補助電源回路１３ｃには、前記主変換回路１３と同様に、架線１からの交流を直流に変換する電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４ｃと、その直流部に接続された平滑用コンデンサ１５ｃ、及び電力変換器（インバータ）１６ｃを備えている。なお、補機８の種類によっては、電力変換器１６ｃとして、インバータの代わりに、ＤＣ−ＤＣコンバータのような変圧回路を用いることも可能である。また、この補助電源回路１３ｃにも、本発明の逆励磁用の電源となる蓄電装置１７ｃが設けられている。

前記遮断器１０と電圧・位相検出手段９とは、パンタグラフ４と主変圧器６の１次巻線１１との間に並列に接続されており、遮断器１０を開放することで主変圧器６を励磁することなく架線電圧を電圧・位相検出手段９を用いて検出することが可能である。この電圧・位相検出手段９は、図に示したように、直接架線電圧とその位相を検出する手段だけでなく、例えば静電アンテナのように非接触で架線電圧やその位相を検出するものでもよい。

このような構成を有する本実施例の作用は、次の通りである。
停止している車両３がパンタグラフ４を架線１に接続し、主変圧器６と架線１が接続されるとき、接続時の架線電圧位相によっては励磁突入電流が発生する。そこで、架線電圧および電圧位相を電圧・位相検出手段９によってあらかじめ検出し、主変圧器６の１次側電圧が架線電圧と同相となるように、車載した電力変換器１４ａ，１４ｂ，１４ｃ（ＰＷＭコンバータ）の少なくとも１つで主変圧器６を逆励磁することにより、励磁突入電流を抑制する。

具体的には、まず、パンタグラフ４が下がった状態で、遮断器１０を開放しておく。次に、パンタグラフ４を架線１に接続し、電圧・位相検出手段９で架線電圧・位相を検出する。次に、主変圧器６の１次側が電圧・位相検出手段９で検出された架線電圧・位相になるように、例えば、３次巻線１２ｃに対して、電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４ｃを介して蓄電装置１７ｃから電力を供給し、この３次巻線１２ｃを用いて主変圧器６を逆励磁する。

この際、３次巻線１２ｃに繋がれた電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４ｃと蓄電装置１７ｃを用いる以外に、車両駆動用の２次巻線１２ａ，１２ｂに対して、電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４ａ，１４ｂを介して、蓄電装置１７から電力を供給することにより、主変圧器６を逆励磁することもできる。

このようにして、主変圧器６の電圧が架線１の電圧と同相になったら遮断器１０を投入し、その後パンタグラフ４を上昇させ、架線１と主変圧器６を接続させる。このようにして、架線電圧と同位相、同程度の電圧が１次側に付与された主変圧器６を架線１に接続することにより、主変圧器６の励磁突入電流を抑制することが可能になる。

前記の説明は、停止中の車両３のパンタグラフ４を上昇させて架線１と接続する場合のものであるが、これと同様に、図２に示すように、在来線の交流電気車両が異なる電圧位相の饋電区間に進入するためにデッドセクションを通過する際についても、本手法が適用可能である。

すなわち、この第２実施例では、交流系統２０ａ，２０ｂに接続された２種類の饋電区間の架線２１ａ，２１ｂの間には、デッドセクション２２が設けられている。このデッドセクション２２の中セクション部分への車両３の進入を、車両位置検出手段２３もしくは電圧・位相検出手段９から取得した架線電圧の変化から検出し、遮断器１０を開放する。次に、車両３がデッドセクション２２を通過した後の架線電圧を電圧・位相検出手段９で検出し、電圧位相と架線電圧の大きさを検出する。

この検出された電圧と同位相・同程度の電圧値になるように、車両３側の主変圧器６の２次巻線１４ａ，１４ｂもしくは３次巻線１２ｃに接続された電力変換器１４ａ，１４ｂもしくは１４ｃと、それらに接続されている蓄電装置１７もしくは１７ｃを用いて主変圧器６を逆励磁する。その後、主変圧器６の１次側の電圧が架線電圧と同相になったら遮断器１０を投入する。

このように、第２実施例では、デッドセクション２２通過中に、次の饋電区間の電圧位相と車両位置を検出し、次の饋電区間の電圧位相に合わせて主変圧器６を予備励磁しておくことで、隣接する饋電区間に対する車両の進入時における励磁突入電流の抑制が図れる。

また、現状では、デッドセクションの前にはノッチオフを指示する標識が設置されており、セクション通過時のノッチオフの動作が運転士に義務づけられている。本実施例によれば、前記のようにして遮断器１０を開放することによりノッチオフ動作を自動化することが可能となるので、運転士への負担軽減となる。また、主変圧器６の３次巻線１２ｃに接続された補助電源回路１３ｃの出力容量と蓄電装置１７ｃの容量が、デッドセクション２２の無停電区間を通過する間に要する入出力電力・エネルギーに対応していれば、力行・回生状態のままデッドセクション２２を通過することが可能になる。

図３を用いて、本発明の第３実施例を説明する。図３において、３１は交流電気車両であり、３２ａは第１の饋電区間の架線、３２ｂは第２の饋電区間の架線、３３はレールである。

第１及び第２の饋電区間の架線３２ａ，３２ｂは、それぞれ異なる電圧の交流系統３４ａ，３４ｂに接続された変電所３５ａ，３５ｂから給電されている。変電所３５ａ，３５ｂには、交流系統３４ａ，３４ｂから受電した電力を饋電用電力に変換する変成部３６ａ，３６ｂと、この変成部３６ａ，３６ｂが架線３２ａ，３２ｂに饋電する電力の電圧および位相を検出する時刻・饋電電圧位相検出部３７ａ，３７ｂと、その位相を観測したときの時刻を計測する時刻計測部３８ａ，３８ｂが設けられている。

前記時刻・饋電電圧位相検出部３７ａ，３７ｂには、情報伝送部３９ａ，３９ｂが接続され、この情報伝送部３９ａ，３９ｂは、車両３１に設けられた信号受信機４０に対して、時刻−電圧位相情報を送信する。車両３１側の信号受信機４０は、前記時刻・饋電電圧位相検出部３７ａ，３７ｂからの時刻−電圧位相情報を受信するとともに、車載されたＧＰＳなどの時刻計測部４１で現在時刻を正確に測定する。

前記第１と第２の饋電区間の架線３２ａ，３２ｂの接続部分には、切替セクション４２が設けられている。この切替セクション４２は、中セクション４３と、この中セクション４３を第１と第２の饋電区間の架線３２ａ，３２ｂに対して接続あるいは切り離すための切替開閉器４４ａ，４４ｂから構成されている。

このような構成を有する第３実施例の作用を説明する。
現在、新幹線では異なる饋電区間に車両が進入する際（例えば、図３では、第１の饋電区間から第２の饋電区間に車両が進入する際）には、図３の切替セクション４２を通過する。第１の饋電区間の架線３２ａから受電し列車が切替セクション４２に進入してくる場合、切替セクション４２の切替開閉器４４ａは閉じている。この場合、中セクション４３は、第１の饋電区間の架線３２ａに供給される電圧が印加されていることになる。列車が中セクション４３に完全に進入した後に、切替セクション４２の切替開閉器４４ａを開放する。

すると、変電所からの電力は中セクション４３には供給されなくなり、停電状態となる。この状態で、一定時間後、例えば３００ｍｓ後に切替開閉器４４ｂを閉じると、中セクション４３には第２の饋電区間の架線３２ｂに供給されている電圧が印加されることになる。このときの変圧器への印加電圧位相によっては大きな励磁突入電流が発生する。そこで、本実施例では、中セクション４３で停電した際に、車両側に搭載された電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４ａ，１４ｂを用いて、主変圧器６の１次側が第１の饋電区間の架線３２ａに供給されていた電圧位相から、第２の饋電区間の架線３２ｂと同位相の電圧に変化するように制御する。そして、切替開閉器４４ｂが投入され中セクション４３が復電される時に、車両の主変圧器６が第２の饋電区間と同位相の電圧で励磁されるようにして、主変圧器６への突入電流を抑制する。

なお、第２の饋電区間と同位相にするように主変圧器６を励磁するには、励磁するためのエネルギー供給源および第２の饋電区間の電圧位相情報が必要である。エネルギー供給源については、第１実施例で説明したように、電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４ａ，１４ｂの直流側に接続された蓄電装置１７を用いることや、車両に強制的に回生ブレーキをかけさせエネルギー供給を行う方法がある。また、少ないエネルギーであれば電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４ａ，１４ｂの直流側にあるコンデンサからエネルギー供給する事も可能である。また、第１実施例と同様に、補助電源回路１３ｃに設けた蓄電装置１７ｃと電力変換器１４ｃによって３次巻線１２ｂを励磁させることもできる。

電圧位相情報については、ＡＴＣや線路上に敷設された地上子、漏波同軸ケーブルを用いた誘導無線や空間無線などの地上−車上間で情報通信を可能とする通信手段、具体的には、図３に示した情報伝送部３９ａ，３９ｂ及び信号受信部４０を用いる。そして、この通信手段により、車両３１が進入する第２の饋電区間の架線３２ｂに電力供給を行う変電所３５ｂで観測した電圧位相とその時刻を車両３１に伝送する。車両３１では、正確な現在時刻を計測するための時刻計測部４１により、伝送された架線電圧の時刻−電圧位相の情報から、現在時刻における第２の饋電区間の架線３２ｂの電圧位相を推定する。この情報に基づき、推定された第２の饋電区間の架線３２ｂの電圧位相と同相になるように主変圧器６を励磁することができる。

このような構成の第３実施例によれば、車両に電圧・位相検出装置や遮断器を設けることなく、主変圧器に対する逆励磁を行って、次の饋電区間に車両が進入した場合に主変圧器に対する励磁突入電流の印加を抑制する効果がある。

本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、次のような他の実施例も包含する。
(a) 蓄電装置として、独立した専用のバッテリや電気二重相コンデンサなどを使用する代わりに、主変換回路１３や補助電源回路１３ｃに設ける平滑用コンデンサの容量が大きな場合には、平滑用コンデンサを蓄電装置として兼用する。

(b) 切替セクションの中セクションのように、停電区間が存在する場合には、遮断器１０を使用しなくとも主変圧器に対する架線側からの給電を停止できるので、その間に主変圧器を逆励磁して次の饋電区間の電圧とその位相に合わせる。

(c) 蓄電装置からのエネルギーに代えて、デッドセクション通過を車両に設けた位置検知手段を用いて検出し、デッドセクションの通過中は回生ブレーキを使用することで、変圧器の励磁エネルギーを電動機とそれを駆動する電力変換器から供給する。これにより、蓄電装置を小型化したり、不要とすることができる。

１…架線
２…レール
３…車両
４…パンタグラフ
５…車輪
６…主変圧器
７ａ，７ｂ…駆動用モータ
８…補機
９…電圧・位相検出手段
１０…遮断器
１１…１次巻線
１２ａ，１２ｂ…２次巻線
１２ｃ…３次巻線
１３…主変換回路
１３ｃ…補助電源回路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…電力変換器（コンバータ）
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…平滑用コンデンサ
１６…電力変換器（インバータ）
１７，１７ｃ…蓄電装置

Claims (9)

1. 車両に搭載された主変圧器の１次巻線に、架線から交流電力を得るための集電装置が接続され、前記主変圧器の２次巻線または３次巻線に、架線からの交流を直流に変換すると共に直流側から交流側にエネルギーを戻す回生動作が可能な電力変換器が接続され、この電力変換器に蓄電装置が接続された交流電気車両と、前記架線電圧を検出する手段を備えた鉄道車両システムにおいて、
   前記集電装置によって架線から主変圧器に給電を開始する際に、前記架線電圧を検出する手段により架線電圧を検出し、前記蓄電装置のエネルギーを前記電力変換器を通じて前記主変圧器の２次巻線または３次巻線に印加し、主変圧器の１次側が前記検出された架線電圧と同位相・同圧になるように主変圧器を逆励磁した後に、集電装置を介して架線と主変圧器の１次巻線とを接続することを特徴とする鉄道車両システム。
2. 前記架線電圧を検出する手段が、集電装置と主変圧器の１次側との間に設けられた電圧・位相検出手段であり、前記集電装置と主変圧器の１次側との間には、前記電圧・位相検出手段と並列に遮断器が設けられ、
   この遮断器によって集電装置と主変圧器の１次側とを開放した状態において、前記電圧・位相検出手段により架線電圧を検出し、
   前記主変圧器の逆励磁後に、遮断器を投入して架線と主変圧器の１次巻線とを接続することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両システム。
3. 前記交流電気車両が、架線のデッドセクションから饋電区間に進入する場合に、前記遮断器を開放した状態で饋電区間に進入し、前記電圧・位相検出手段により進入した饋電区間の架線電圧を検出し、
   前記主変圧器の逆励磁後に、遮断器を投入して進入した饋電区間の架線と主変圧器の１次巻線とを接続することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両システム。
4. 前記架線電圧を検出する手段が、架線に対して電力を供給する地上側設備で計測した架線電圧を交流電気車両に送信する送信手段と、前記送信手段からの信号を受信するために交流車両に設けられた受信機とから構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の鉄道車両システム。
5. 前記架線電圧を検出する手段が、架線に対して電力を機器する地上側設備で計測した架線電圧とその位相およびその検出時刻を交流電気車両に送信する送信手段と、前記送信手段からの信号を受信するために前記交流電気車両に設けられた受信機と、前記交流電気車両に設けられた時刻検出手段を備え、
   地上設備側で計測した架線電圧とその位相およびその検出時刻と、交流電気車両で計測した時刻を用い、饋電区間の架線電圧および位相を推定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の鉄道車両システム。
6. 前記主変圧器の２次巻線に、車両駆動用モータに電力を供給する駆動用電力変換回路が接続され、
   この駆動用電力変換回路は、前記架線からの交流を直流に変換すると共に直流側から交流側にエネルギーを戻す回生動作が可能な電力変換器と、この電力変換器によって得られた直流を交流に変換する電力変換器が設けられ、これら電力変換器の間の直流部分に前記蓄電装置が接続されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の鉄道車両システム。
7. 前記主変圧器の３次巻線に、補機に電力を供給する補助電源回路が接続され、
   この補助電源回路は、前記架線からの交流を直流に変換すると共に直流側から交流側にエネルギーを戻す回生動作が可能な電力変換器と、この電力変換器によって得られた直流を交流に変換する電力変換器が設けられ、これら電力変換器の間の直流部分に前記蓄電装置が接続されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の鉄道車両システム。
8. 前記蓄電装置が、主変圧器からの交流を直流に変換する電力変換器と、この電力変換器からの直流を交流に変換する電力変換器との間の直流部分に設けられた平滑用コンデンサを兼用したものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の鉄道車両システム。
9. デッドセクション通過を車両に設けた位置検知手段を用いて検出し、デッドセクションの通過中は回生ブレーキを使用することで、変圧器の励磁エネルギーを電動機とそれを駆動する電力変換器から供給することを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両システム。

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