JP6099854B1 - 交流電気車両 - Google Patents

Abstract

交流電気車両（３）は、架線に対して電気的に並列に接続される複数の主変圧器（ＴＲ１，ＴＲ２）と、架線（１）と複数の主変圧器（ＴＲ１，ＴＲ２）との間にそれぞれ接続される複数の遮断器（ＣＢ１，ＣＢ２）と、複数の遮断器（ＣＢ１，ＣＢ２）を投入および開放するように構成された制御装置（１８）とを備える。架線（１）から交流電気車両（３）に電力供給を開始するときには、制御装置（１８）は、遮断器を投入するときの架線電圧の投入位相に差を設けて、複数の遮断器（ＣＢ１，ＣＢ２）を順次投入する。

Description

この発明は、交流電気車両に関する。

変圧器は、一般的に、電源から電力供給を受ける際に適切な位相で電圧を印加しなければ、変圧器の鉄心の磁束が飽和し、過渡的に大きな電流（いわゆる励磁突入電流）が発生する。

主変圧器を搭載する交流電気車両においては、留置線に停止していた車両を架線に接続する際、接続時の架線電圧の位相によっては、主変圧器に励磁突入電流が発生することがある。または、在来線の交流電気車両がデッドセクションと呼ばれる絶縁区間を通過して電圧位相の異なる饋電区間に進入する際においても、当該饋電区間の架線電圧の位相によっては、主変圧器に励磁突入電流が発生することがある。励磁突入電流は、電力系統の過渡的な電圧変動を招くとともに、饋電設備の保護装置の誤作動を誘発させる可能性がある。また、饋電設備の容量増加につながる。

特開２００６−１２７５９４号公報（特許文献１）には、変圧器の励磁突入電流を低減する装置が開示されている。この装置は、変圧器を三相電源に投入するための遮断器を有している。特許文献１では、最初に、三相電源の二相の遮断器の接点を当該二相の線間電圧が最大の瞬間に閉じ、その後、残りの一相の遮断器の接点を当該一相の相電圧が最大値の瞬間に閉じる。

特開２００６−１２７５９４号公報

上記特許文献１に記載される手法は、遮断器の二相を初めに閉じて変圧器を予め定められた状態に励磁しておき、この励磁に定常磁束が一致した瞬間に遮断器の残りの一相を閉じることで、励磁突入電流の発生を抑制するものである。

このように特許文献１は電源が三相であることを利用して遮断器の接点を閉じるタイミングを調整することで励磁突入電流を抑制するものである。一方、交流電気車両の多くは、単相交流饋電方式を採用しているため、特許文献１に記載される手法を適用することができない。

また、特許文献１に記載される手法では、電源の電圧位相が予め決められた位相に一致した瞬間に遮断器の接点を閉じるために、電源の電圧波形を監視する必要がある。しかしながら、デッドセクションを走行中の交流電気車両にとって、次の饋電区間の架線の電圧波形を監視することは困難である。

さらに、交流電気車両においては、デッドセクションを通過した後、駆動用モータおよび車内の各種設備の使用を確保するために、短時間で電源が復旧することが求められる。したがって、架線の電圧波形の監視を必要としない簡易な構成で、効率的に励磁突入電流を低減することができる手法が望まれる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡易な構成によって励磁突入電流を低減することができる交流電気車両を提供することである。

この発明のある局面による交流電気車両は、１次巻線が架線に対して電気的に並列に接続される複数の主変圧器と、架線と複数の主変圧器の１次巻線との間にそれぞれ接続される複数の遮断器と、複数の遮断器を投入および開放するように構成された制御装置とを備える。架線から前記交流電気車両に電力供給を開始するときには、制御装置は、遮断器を投入するときの架線電圧の投入位相に差を設けて、複数の遮断器を順次投入する。

この発明によれば、簡易な構成によって励磁突入電流を低減することができる交流電気車両を提供することができる。

実施の形態１による交流電気車両が適用される鉄道車両システムの構成を概略的に示す図である。 実施の形態１による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様子を示す図である。 実施の形態１による交流電気車両がデッドセクションから饋電区間に進入するときの遮断器の動作を説明するための波形図である。 実施の形態１による交流電気車両がデッドセクションから饋電区間に進入するときの遮断器の動作の一例を説明するための波形図である。 実施の形態１による交流電気車両がデッドセクションから饋電区間に進入するときの遮断器の動作の他の例を説明するための波形図である。 実施の形態２による交流電気車両が適用される鉄道車両システムの構成を概略的に示す図である。 実施の形態２による交流電気車両がデッドセクションから饋電区間に進入するときの遮断器の動作の一例を説明するための波形図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による交流電気車両が適用される鉄道車両システムの構成を概略的に示す図である。実施の形態１による鉄道車両システムは、単相交流饋電方式を採用している。

図１を参照して、鉄道車両システムにおいて、架線１には、図示しない饋電用変電設備から単相交流電力が供給されている。交流電気車両３は、架線１から単相交流電力の供給を受けてレール２上を走行する。

交流電気車両３は、パンタグラフ４と、車輪５と、第１主変圧器ＴＲ１と、第２主変圧器ＴＲ２と、主変換装置１３ａ〜１３ｄと、モータ１６ａ〜１６ｄと、補助電源装置１７ａ，１７ｂと、主遮断器ＭＣＢと、第１遮断器ＣＢ１と、第２遮断器ＣＢ２と、制御装置１８とを備える。

パンタグラフ４は、架線１から単相交流電力を得るための集電装置である。パンタグラフ４を上昇させて架線１にパンタグラフ４を着線させることにより、交流電気車両３は架線１から単相交流電力の供給を受けることができる。一方、パンタグラフ４を下げて架線１からパンタグラフ４を離線させると、架線１から交流電気車両３への単相交流電力の供給が遮断される。

第１主変圧器ＴＲ１および第２主変圧器ＴＲ２は、パンタグラフ４に対して電気的に並列に接続されている。第１主変圧器ＴＲ１は、パンタグラフ４を介して印加される架線電圧を降圧して主変換装置１３ａ，１３ｂおよび補助電源装置１７ａに出力する。第１主変圧器ＴＲ１は、１次巻線１０ａと、２次巻線１１ａ，１１ｂと、３次巻線１２ａとを含む。第１主変圧器ＴＲ１は、電力の供給先に応じて、２次巻線と３次巻線とを使い分けている。一般的に、２次巻線に励起される電圧は、３次巻線に励起される電圧に比べて高い電圧に設定されている。

第１主変圧器ＴＲ１の１次巻線１０ａは、一方端がパンタグラフ４に電気的に接続され、他方端が車輪５に電気的に接続されている。第１主変圧器ＴＲ１の２次巻線１１ａ，１１ｂには、主変換装置１３ａ，１３ｂがそれぞれ電気的に接続されている。主変換装置１３ａ，１３ｂはそれぞれ、２次巻線１１ａ，１１ｂに励起される交流電力を所定の交流電力に変換してモータ１６ａ，１６ｂに供給する。モータ１６ａ，１６ｂは交流電気車両３の走行駆動力を生成する。

第１主変圧器ＴＲ１の３次巻線１２ａには、補助電源装置１７ａが電気的に接続されている。補助電源装置１７ａは、図示しない交流電気車両３内の各種設備の電力供給源である。各種設備には、交流電気車両３全体を統括制御するコンピュータ、照明機器、空調機器および通信機器などが含まれる。補助電源装置１７ａは、３次巻線１２ａに励起される交流電力を所定の交流電力に変換して各種設備に供給する。なお、補助電源装置１７ａは、設備の種類によっては、３次巻線１２ａに励起される交流電力を直流電力に変換して設備に供給することも可能である。

第２主変圧器ＴＲ２は、パンタグラフ４を介して供給される架線電圧を降圧して主変換装置１３ｃ，１３ｄおよび補助電源装置１７ｂに出力する。第２主変圧器ＴＲ２は、１次巻線１０ｂと、２次巻線１１ｃ，１１ｄと、３次巻線１２ｂとを含む。

第２主変圧器ＴＲ２の１次巻線１０ｂは、一方端がパンタグラフ４に電気的に接続され、他方端が車輪５に電気的に接続されている。第２主変圧器ＴＲ２の２次巻線１１ｃ，１１ｄには、主変換装置１３ｃ，１３ｄがそれぞれ電気的に接続されている。主変換装置１３ｃ，１３ｄはそれぞれ、２次巻線１１ｃ，１１ｄに励起される交流電力を所定の交流電力に変換してモータ１６ｃ，１６ｄに供給する。モータ１６ｃ，１６ｄは交流電気車両３の走行駆動力を生成する。第２主変圧器ＴＲ２の３次巻線１２ｂには、補助電源装置１７ｂが電気的に接続されている。補助電源装置１７ｂは、補助電源装置１７ａと同様、交流電気車両３内の各種設備の電力供給源であり、３次巻線１２ｂに励磁される交流電力を各種設備への供給電力に変換する。

主変換装置１３ａ〜１３ｄは基本的に同じ構成であり、２次巻線に励起される交流電力を直流電力に変換する電力変換器（コンバータ）１４と、平滑用コンデンサＣ１と、電力変換器１４から供給される直流電力を交流電力に変換してモータに供給する電力変換器（インバータ）１５とを含む。

補助電源装置１７ａ，１７ｂは基本的に同じ構成であり、３次巻線に励起される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、平滑用コンデンサと、コンバータから供給される直流電力を交流電力に変換して各種設備に供給するインバータとを含む。補助電源装置１７ａ，１７ｂは、インバータに代えてＤＣ／ＤＣコンバータを含んでいてもよい。

上述したように、第１主変圧器ＴＲ１および第２主変圧器ＴＲ２は、パンタグラフ４を介して架線１に対して電気的に並列に接続されている。主遮断器ＭＣＢ、第１遮断器ＣＢ１および第２遮断器ＣＢ２は、架線１から第１主変圧器ＴＲ１および第２主変圧器ＴＲ２への電力供給経路に設けられ、当該電力供給経路を導通／遮断する。

具体的には、主遮断器ＭＣＢは、第１の端子がパンタグラフ４に接続されている。第１遮断器ＣＢ１は、第１の端子が主遮断器ＭＣＢの第２の端子に接続され、第２の端子が第１主変圧器ＴＲ１の１次巻線１０ａに接続されている。第２遮断器ＣＢ２は、第１の端子が主遮断器ＭＣＢの第２の端子に接続され、第２の端子が第２主変圧器ＴＲ２の１次巻線１０ｂに接続されている。

制御装置１８は、主遮断器ＭＣＢ、第１遮断器ＣＢ１および第２遮断器ＣＢ２の各々の投入（通電）および開放（遮断）を制御する。具体的には、制御装置１８が主遮断器ＭＣＢを投入した状態で第１遮断器ＣＢ１を投入することにより、パンタグラフ４を経由して架線１から第１主変圧器ＴＲ１の１次巻線１０ａに電圧が印加される。そして、１次巻線１０ａに印加される電圧に応じて２次巻線１１ａ，１１ｂおよび３次巻線１２ａに励起される電圧が主変換装置１３ａ，１３ｂおよび補助電源装置１７ａにそれぞれ供給される。

あるいは、制御装置１８が主遮断器ＭＣＢを投入した状態で第２遮断器ＣＢ２を投入することにより、パンタグラフ４を経由して架線１から第２主変圧器ＴＲ２の１次巻線１０ｂに電圧が印加される。そして、１次巻線１０ｂに印加される電圧に応じて２次巻線１１ｃ，１１ｄおよび３次巻線１２ｂに励起される電圧が主変換装置１３ｃ，１３ｄおよび補助電源装置１７ｂにそれぞれ供給される。

制御装置１８は、交流電気車両３の現在の位置をＧＰＳ（Global Positioning System）やトランスポンダなどからの信号によって検出する位置検出部と、デッドセクションなどの位置情報が格納されている路線データベースとを有している。位置検出部は、現在の車両の位置および路線データベースに基づいて、交流電気車両３が饋電区間を走行しているかデッドセクションを通過しているかを検出することができる。制御装置１８は、位置検出部の検出結果に基づいて、主遮断器ＭＣＢおよび遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の投入および開放を制御する。

このとき、制御装置１８は、第１遮断器ＣＢ１と第２遮断器ＣＢ２とをそれぞれ別個独立に投入することができる。これにより、後述するように、架線１から交流電気車両３に対して電力供給を開始する際、第１遮断器ＣＢ１を投入するタイミングと第２遮断器ＣＢ２を投入するタイミングとの間に時間差を設けることができる。

次に、実施の形態１による交流電気車両３における遮断器ＭＣＢ，ＣＢ１，ＣＢ２の動作について説明する。

図２は、在来線の交流電気車両３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様子を示している。図２を参照して、電力系統２０ａに接続される饋電区間の架線１ａと、電力系統２０ａとは電圧位相が異なる電力系統２０ｂに接続される饋電区間の架線１ｃとの間には、デッドセクション１ｂが設けられている。デッドセクション１ｂによって架線１ａと架線１ｃとは電気的に絶縁されている。デッドセクション１ｂを設けることにより、走行する交流電気車両３に対して電力系統の電圧位相の違い等による影響を及ぼすことなく、安定的に電力を供給することができる。

図２に示されるように、交流電気車両３が架線１ａからデッドセクション１ｂに進入すると、架線１ａから交流電気車両３への電力供給が遮断される。制御装置１８は、上述した位置検出部によってデッドセクション１ｂへの交流電気車両３の進入を検出すると、主遮断器ＭＣＢおよび遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を開放する。交流電気車両３は惰行運転のままデッドセクション１ｂを通過する。

続いて、制御装置１８は、位置検出部によって交流電気車両３がデッドセクション１ｂを通過して次の饋電区間の架線１ｃに進入したことを検出すると、主遮断器ＭＣＢおよび遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を投入する。このとき、制御装置１８は、最初に、主遮断器ＭＣＢを投入し、続いて遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を投入する。これにより、パンタグラフ４と主変圧器ＴＲ１，ＴＲ２とが電気的に接続されるため、パンタグラフ４により架線１ｃから交流電気車両３への電力供給が開始される。

ここで、遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を投入する際、投入時の架線電圧の位相（投入位相）によっては、主変圧器ＴＲ１，ＴＲ２において励磁突入電流が発生するおそれがある。励磁突入電流が発生すると、電力系統２０ｂに過渡的な電圧変動が生じる可能性がある。また、過渡的に大電流が流れることにより、饋電設備の保護装置を誤作動させる可能性がある。

図３は、交流電気車両３がデッドセクションから饋電区間に進入するときの遮断器の動作の一例を説明するための波形図である。図３には、デッドセクション１ｂの次の饋電区間の架線１ｃから遮断器ＭＣＢ，ＣＢ１を通じて第１主変圧器ＴＲ１の１次巻線１０ａに印加される電圧（架線電圧）、架線１ｃから遮断器ＭＣＢ，ＣＢ２を通じて第２主変圧器ＴＲ２の１次巻線１０ｂに印加される電圧（架線電圧）、主変圧器ＴＲ１，ＴＲ２の各々の鉄心の磁束、および交流電気車両３全体の励磁突入電流の時間的変化が示されている。

なお、交流電気車両３全体の励磁突入電流とは、架線１から交流電気車両３に流れる励磁突入電流であり、第１主変圧器ＴＲ１における励磁突入電流と第２主変圧器ＴＲ２における励磁突入電流との合計に相当する。

図３では、第１主変圧器ＴＲ１の残留磁束φｒと第２主変圧器ＴＲ２の残留磁束φｒとは同等となっている。これは、図２に示したように、デッドセクション１ｂへ交流電気車両３が進入すると、第１主変圧器ＴＲ１と第２主変圧器ＴＲ２とは同じタイミングで電力供給が遮断されて無加圧状態となるためである。なお、残留磁束φｒの極性および大きさは、主変圧器が無加圧状態となるタイミングに依存する。

図３を参照して、交流電気車両３がデッドセクションから饋電区間に進入すると、まず制御装置１８は、時刻ｔ０において主遮断器ＭＣＢを投入する。次に、時刻ｔ０よりも後の時刻ｔ１において、制御装置１８は第１遮断器ＣＢ１を投入する。なお、制御装置１８は、時刻ｔ１において主遮断器ＭＣＢおよび第１遮断器ＣＢ１を同時に投入してもよい。

時刻ｔ１において第１遮断器ＣＢ１が投入されると、パンタグラフ４を経由して架線１ｃから第１主変圧器ＴＲ１の１次巻線１０ａに対して架線電圧が印加される。以下の説明では、架線電圧が零となる位相を０°とする。図３の例では、第１遮断器ＣＢ１の投入時の架線電圧の位相（投入位相）θ１＝０°としている。

一般に、主変圧器に印加される電圧と主変圧器の鉄心の磁束との間には９０°の位相差がある。そのため、図３に示されるように、第１主変圧器ＴＲ１の鉄心の磁束は、時刻ｔ１以降、残留磁束φｒから増加し始め、架線電圧の位相が１８０°になったときに最大となる。その後、第１主変圧器ＴＲ１の鉄心の磁束は減少し、架線電圧の位相が３６０°になったときに残留磁束φｒに戻る。

図３には、さらに、第１主変圧器ＴＲ１に定常的に架線電圧が印加されているときの鉄心の磁束（定常磁束）が破線で示されている。定常磁束の波高値をφｍとすると、第１遮断器ＣＢ１の投入位相θ１＝０°である場合、第１主変圧器ＴＲ１の鉄心の磁束はφｒ＋２φｍ程度にまで増加する。この結果、第１主変圧器ＴＲ１の鉄心の磁束が飽和磁束φｓを超えると、第１主変圧器ＴＲ１に励磁突入電流が流れる。なお、励磁突入電流の減衰時間は、第１主変圧器ＴＲ１の容量が大きくなるほど長くなる。

励磁突入電流の大きさは、残留磁束φｒの大きさや遮断器の投入位相によって変化する。具体的には、残留磁束φｒが大きいほど主変圧器の鉄心の飽和時間が長くなるため、励磁突入電流が大きくなる。また、残留磁束φｒが一定である場合には、遮断器の投入位相が０°であるときに励磁突入電流が最大となる。

ここで、第２遮断器ＣＢ２を第１遮断器ＣＢ１と同じタイミングで投入する、言い換えれば、第１遮断器ＣＢ１と第２遮断器ＣＢ２との間で投入位相を一致させる場合を考える。図３の例では、第２遮断器ＣＢ２の投入位相θ２は、第１遮断器ＣＢ１の投入位相θ１と同じ０°になるものとする（θ１＝θ２＝０°）。

上述のように、第１主変圧器ＴＲ１と第２主変圧器ＴＲ２とは残留磁束φｒが同等である。したがって、時刻ｔ１において第２遮断器ＣＢ２を投入すると、第２主変圧器ＴＲ２の鉄心の磁束は、第１主変圧器ＴＲ１の鉄心の磁束と同様の波形を示す。その結果、第１主変圧器ＴＲ１と第２主変圧器ＴＲ２とは、同じタイミングで鉄心の磁束が飽和し、結果的に同レベルの励磁突入電流が発生することになる。

上記のように、第１主変圧器ＴＲ１および第２主変圧器ＴＲ２で同時期に同レベルの励磁突入電流が発生すると、交流電気車両３全体の励磁突入電流は、第１主変圧器ＴＲ１単体の励磁突入電流に比べて倍近くに増加することになる。その結果、架線１ｃが接続される電力系統２０ｂでは、過渡的な電圧変動が大きくなり、保護機器の誤作動を引き起こす可能性がある。

そこで、実施の形態１では、交流電気車両３がデッドセクションから次の饋電区間に進入するときには、第１遮断器ＣＢ１の投入位相θ１と第２遮断器ＣＢ２の投入位相θ２との間に差を設ける。その一例として、図４では、第１遮断器ＣＢ１の投入位相θ１と第２遮断器ＣＢ２の投入位相θ２との間に１８０°の差を設けるものとする（Δθ＝１８０°）。

図４を参照して、制御装置１８は、設定された投入位相の差Δθに応じた時間差に従って、第１遮断器ＣＢ１および第２遮断器ＣＢ２を順次投入する。具体的には、制御装置１８は、時刻ｔ１において第１遮断器ＣＢ１を投入すると、時刻ｔ１から所定時間だけ遅れた時刻ｔ２において、第２遮断器ＣＢ２を投入する。たとえば架線１ｃの電圧の周波数が５０Ｈｚであり、投入位相の差Δθ＝１８０°である場合、所定時間は約０．０１秒（＝１／５０秒×１／２周期）に設定される。

このようにすると、図４に示されるように、第２主変圧器ＴＲ２の鉄心の磁束は、第１主変圧器ＴＲ１の鉄心の磁束とは異なる波形を示す。詳細には、第２主変圧器ＴＲ２の鉄心の磁束は、時刻ｔ２以降、残留磁束φｒから減少し始め、架線電圧の位相が３６０°になったときに最小となる。その後、第２主変圧器ＴＲ２の鉄心の磁束は増加し、残留磁束φｒに戻る。

図４では、第２主変圧器ＴＲ２の鉄心の磁束が飽和磁束（−φｓ）を下回ったときに、第２主変圧器ＴＲ２に励磁突入電流が流れる。ただし、第２主変圧器ＴＲ２における励磁突入電流は、第１主変圧器ＴＲ１における励磁突入電流とは逆極性であるため、互いに打ち消し合うことになる。

このように第１主変圧器ＴＲ１と第２主変圧器ＴＲ２とは、残留磁束φｒが同等であっても、第１遮断器ＣＢ１および第２遮断器ＣＢ２の投入位相をずらしたことで、励磁突入電流が発生するタイミングが異なっている。その結果、第１遮断器ＣＢ１および第２遮断器ＣＢ２の投入位相を一致させる場合（図３参照）に比べて、交流電気車両３全体の励磁突入電流を低減することができる。これにより、電力系統２０ｂにおける過渡的な電圧変動を低減することができる。

なお、図示は省略するが、残留磁束φｒの極性が負である場合においても交流電気車両３全体の励磁突入電流の低減という効果を得ることができる。すなわち、主変圧器ＴＲ１，ＴＲ２の残留磁束φｒの極性および大きさに関わらず、交流電気車両３全体の励磁突入電流を低減することができる。

また、図４の例では、第１遮断器ＣＢ１および第２遮断器ＣＢ２の投入位相の差を１８０°に設定する場合（Δθ＝１８０°）について説明したが、本質的には第１遮断器ＣＢ１および第２遮断器ＣＢ２の投入位相に差を持たせることで（すなわち、Δθ≠０であれば）、励磁突入電流を低減することが可能である。したがって、投入位相の差は必ずしも１８０°に限定されるものではない。これは、第２遮断器ＣＢ２の投入位相に対して多少のずれを許容するものである。これにより、制御装置１８による遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の投入タイミングの制御を簡易化することができる。

たとえば図４の場合では、投入位相の差が１８０°に対して±９０°程度ずれていても、励磁突入電流の低減という効果を得ることができる。図５には、第１遮断器ＣＢ１および第２遮断器ＣＢ２の投入位相の差が９０°である場合の主変圧器ＴＲ１，ＴＲ２の鉄心の磁束および励磁突入電流の時間的変化が示されている。図５では、図４と同様に、第１遮断器ＣＢ１の投入位相θ１＝０°になっている。

制御装置１８は、時刻ｔ１において第１遮断器ＣＢ１を投入し、時刻ｔ１より後の時刻ｔ２において、第２遮断器ＣＢ２を投入する。時刻ｔ１と時刻ｔ２との時間差は約０．００５秒（＝１／５０秒×１／４周期）である。

第２主変圧器ＴＲ２の鉄心の磁束は、時刻ｔ２以降、残留磁束φｒから増加し始め、架線電圧の位相が１８０°になったときに最大となる。その後、第２主変圧器ＴＲ２の鉄心の磁束は増加し、印加電圧の位相が３６０°になったときに残留磁束φｒに戻る。

図５では、第１主変圧器ＴＲ１の磁束と第２主変圧器ＴＲ２の磁束とはともに電圧位相が１８０°のときに最大となっている。ただし、第２主変圧器ＴＲ２の磁束は飽和磁束φｓを下回っているため、第２主変圧器ＴＲ２には励磁突入電流が流れていない。その結果、交流電気車両３全体の励磁突入電流を低減することができる。

以上のように、実施の形態１による交流電気車両３によれば、架線１から交流電気車両３に電力供給を開始するときには、架線１と第１主変圧器ＴＲ１の１次巻線との間に電気的に接続される第１遮断器ＣＢ１と、架線１と第２主変圧器ＴＲ２の１次巻線との間に電気的に接続される第２遮断器ＣＢ２との間で投入位相に差を設けることにより、交流電気車両３全体における励磁突入電流を低減することができる。

なお、架線１から交流電気車両３に電力供給を開始する場面としては、停止中の交流電気車両３のパンタグラフ４を上昇させて架線１に接続する場合と、交流電気車両３がデッドセクションを通過して次の饋電区間に進入する場合（図２参照）とが挙げられる。前者の場合には、制御装置１８は、第１遮断器ＣＢ１を投入するタイミングと第２遮断器ＣＢ２を投入するタイミングとの間に、架線電圧の１周期分よりも長い時間差を設けることができる。たとえば、第１遮断器ＣＢ１を投入した後、第１主変圧器ＴＲ１における励磁突入電流がある程度減衰するのを待って第２遮断器ＣＢ２を投入してもよい。

一方、後者の場合には、制御装置１８は、架線電圧の１周期内において、第１遮断器ＣＢ１および第２遮断器ＣＢ２を順次投入することが好ましい。交流電気車両３がデッドセクションから饋電区間に進入すると、交流電気車両３を惰行運転から直ちに力行運転に切り替える必要があるためである。このとき、遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を投入するタイミングの時間差が長くなると、第２主変圧器ＴＲ２に電気的に接続されるモータ１６ｃ，１６ｄへの電力供給に遅れが生じて交流電気車両３の運転に支障が生じるおそれがある。これに対して、遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の投入タイミングにおける時間差を架線電圧の１周期分よりも短くすれば、交流電気車両３の運転に影響を及ぼすことなく、励磁突入電流を低減することができる。

また、実施の形態１による交流電気車両３によれば、制御装置１８は、実際には、予め設定された投入位相の差に基づいた時間差に従って、遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を投入するタイミングを管理すればよい。たとえば、制御装置１８は、デッドセクションから饋電区間への交流電気車両３の進入が検出されるとタイマを起動し、当該タイマの出力に基づいて遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を順次投入するように構成することができる。これによれば、従来の装置のように、架線の電圧波形を監視するための検出器が不要となる。また、電圧波形から最適な投入位相を求めるための演算器も不要となる。この結果、簡易な制御および構成によって励磁突入電流の低減を実現することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２による交流電気車両が適用される鉄道車両システムの構成を概略的に示す図である。図６を参照して、実施の形態２による交流電気車両３Ａは、実施の形態１による交流電気車両３と基本的な構成が共通するが、より多くの主変圧器および主変換装置を備える点が異なる。

具体的には、交流電気車両３Ａにおいては、４台の主変圧器ＴＲ１〜ＴＲ４がパンタグラフ４に対して電気的に並列に接続されている。このうち、第３主変圧器ＴＲ３は、パンタグラフ４を介して印加される架線電圧を降圧して主変換装置１３ｅ，１３ｆおよび補助電源装置１７ｃに出力する。第４主変圧器ＴＲ４は、パンタグラフ４を介して印加される架線電圧を降圧して主変換装置１３ｇ，１３ｈおよび補助電源装置１７ｄに出力する。

第３主変圧器ＴＲ３は、１次巻線１０ｃと、２次巻線１１ｅ，１１ｆと、３次巻線１２ｃとを含む。第３主変圧器ＴＲ３の１次巻線１０ｃは、一方端がパンタグラフ４に電気的に接続され、他方端が車輪５に電気的に接続されている。第３主変圧器ＴＲ３の２次巻線１１ｅ，１１ｆには、主変換装置１３ｅ，１３ｆがそれぞれ電気的に接続されている。主変換装置１３ｅ，１３ｆはそれぞれ、２次巻線１１ｅ，１１ｆに励起される交流電力を所定の交流電力に変換してモータ１６ｅ，１６ｆに供給する。第３主変圧器ＴＲ３の３次巻線１２ｃには、補助電源装置１７ｃが電気的に接続されている。

第４主変圧器ＴＲ４は、１次巻線１０ｄと、２次巻線１１ｇ，１１ｈと、３次巻線１２ｄとを含む。第４主変圧器ＴＲ４の１次巻線１０ｄは、一方端がパンタグラフ４に電気的に接続され、他方端が車輪５に電気的に接続されている。第４主変圧器ＴＲ４の２次巻線１１ｇ，１１ｈには、主変換装置１３ｇ，１３ｈがそれぞれ電気的に接続されている。主変換装置１３ｇ，１３ｈはそれぞれ、２次巻線１１ｇ，１１ｈに励起される交流電力を所定の交流電力に変換してモータ１６ｇ，１６ｈに供給する。第４主変圧器ＴＲ４の３次巻線１２ｄには、補助電源装置１７ｄが電気的に接続されている。

主変換装置１３ａ〜１３ｈは基本的に同じ構成であり、２次巻線に励起される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、平滑用コンデンサと、コンバータから供給される直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータとを含む。

補助電源装置１７ａ〜１７ｄは基本的に同じ構成であり、３次巻線に励起される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、平滑用コンデンサと、コンバータから供給される直流電力を交流電力に変換して各種設備に供給するインバータとを含む。各補助電源装置は、インバータに代えてＤＣ／ＤＣコンバータを含んでいてもよい。

すなわち、交流電気車両３Ａにおいて、主変圧器ＴＲ１〜ＴＲ４は、架線１に対して電気的に並列に接続されている。主遮断器ＭＣＢおよび遮断器ＣＢ１〜ＣＢ４は、架線１から主変圧器ＴＲ１〜ＴＲ４への電力供給経路に設けられ、当該電力供給経路を導通／遮断する。

具体的には、主遮断器ＭＣＢは、第１の端子がパンタグラフ４に接続されている。第１遮断器ＣＢ１は、第１の端子が主遮断器ＭＣＢの第２の端子に接続され、第２の端子が第１主変圧器ＴＲ１の１次巻線１０ａに接続されている。第２遮断器ＣＢ２は、第１の端子が主遮断器ＭＣＢの第２の端子に接続され、第２の端子が第２主変圧器ＴＲ２の１次巻線１０ｂに接続されている。第３遮断器ＣＢ３は、第１の端子が主遮断器ＭＣＢの第２の端子に接続され、第２の端子が第３主変圧器ＴＲ３の１次巻線１０ｃに接続されている。第４遮断器ＣＢ４は、第１の端子が主遮断器ＭＣＢの第２の端子に接続され、第２の端子が第４主変圧器ＴＲ４の１次巻線１０ｄに接続されている。

制御装置１８は、位置検出部によって検出される現在の交流電気車両３Ａの位置に基づいて、主遮断器ＭＣＢおよび遮断器ＣＢ１〜ＣＢ４の投入および開放を制御する。なお、制御装置１８は、遮断器ＣＢ１〜ＣＢ４をそれぞれ別個独立に投入することができる。これにより、後述するように、架線１から交流電気車両３Ａに対して電力供給を開始する際に、時間差を設けて遮断器ＣＢ１〜ＣＢ４を順次投入することができる。

次に、交流電気車両３Ａが饋電区間からデッドセクションを通過して異なる電圧位相の饋電区間に進入する場合における遮断器の動作について説明する。

図７は、交流電気車両３Ａがデッドセクションから饋電区間に進入するときの遮断器の動作を説明するための波形図である。図７には、デッドセクションの次の饋電区間の架線１ｃ（図２参照）から遮断器ＭＣＢ，ＣＢ１を通じて第１主変圧器ＴＲ１の１次巻線１０ａに印加される電圧（架線電圧）、架線１ｃから遮断器ＭＣＢ，ＣＢ２を通じて第２主変圧器ＴＲ２の１次巻線１０ｂに印加される電圧（架線電圧）、架線１ｃから遮断器ＭＣＢ，ＣＢ３を通じて第３主変圧器ＴＲ３の１次巻線１０ｃに印加される電圧（架線電圧）、架線１ｃから遮断器ＭＣＢ，ＣＢ４を通じて第４主変圧器ＴＲ４の１次巻線１０ｄに印加される電圧（架線電圧）、主変圧器ＴＲ１〜ＴＲ４の各々の鉄心の磁束、および励磁突入電流の時間的変化が示されている。

図７では、主変圧器ＴＲ１〜ＴＲ４の各々の残留磁束φｒは同等となっている。デッドセクションへ交流電気車両３Ａが進入すると、主変圧器ＴＲ１〜ＴＲ４は同じタイミングで電力供給が遮断されて無加圧状態となるためである。

図７を参照して、交流電気車両３Ａがデッドセクションから饋電区間に進入すると、まず制御装置１８は、時刻ｔ０において主遮断器ＭＣＢを投入する。続いて、制御装置１８は、時間差を設けて遮断器ＣＢ１〜ＣＢ４を順次投入する。

図７では、一例として、遮断器ＣＢ１〜ＣＢ４の各々の投入位相に対して９０°の差を設けている（Δθ＝９０°）。制御装置１８は、時刻ｔ０より後の時刻ｔ１において第１遮断器ＣＢ１を投入すると、時刻ｔ１から所定時間だけ遅れた時刻ｔ２において、第２遮断器ＣＢ２を投入する。さらに、制御装置１８は、時刻ｔ２から所定時間だけ遅れた時刻ｔ３において、第３遮断器ＣＢ３を投入し、時刻ｔ３から所定時間だけ遅れた時刻ｔ４において、第４遮断器ＣＢ４を投入する。

たとえば架線１ｃの電圧の周波数が５０Ｈｚであり、かつ、投入位相の差Δθ＝９０°である場合、所定時間は約０．００５秒（＝１／５０秒×１／４周期）に設定される。なお、実施の形態２による交流電気車両３Ａにおいても、実施の形態１による交流電気車両３と同様に、制御装置１８は、予め設定された投入位相の差に基づいた時間差に従って、遮断器ＣＢ１〜ＣＢ４を投入するタイミングを管理すればよい。

このようにすると、図７に示されるように、主変圧器ＴＲ１〜ＴＲ４の鉄心の磁束は、互いに異なる波形を示す。この結果、主変圧器ＴＲ１〜ＴＲ４は、残留磁束φｒが同等であっても、励磁突入電流が発生するタイミングが異なる。したがって、遮断器ＣＢ１〜ＣＢ４の投入位相を一致させる場合に比べて、交流電気車両３Ａ全体の励磁突入電流を低減することができる。これにより、電力系統における過渡的な電圧変動を低減することができる。

なお、図７の例では、遮断器ＣＢ１〜ＣＢ２の各々の投入位相の差を９０°に設定する場合（Δθ＝９０°）について説明したが、投入位相の差は必ずしも９０°に限定されるものではない。ただし、デッドセクションから饋電区間へ進入した際の交流電気車両３Ａの運転への影響を考慮すると、架線電圧の１周期内において、遮断器ＣＢ１〜ＣＢ４を順次投入することが好ましい。すなわち、第１遮断器ＣＢ１の投入タイミングと第４遮断器ＣＢ４の投入タイミングとの時間差を、架線電圧の１周期分よりも短くすることが好ましい。

上述した実施の形態１および２では、２台または４台の主変圧器を搭載する交流電気車両について説明したが、本発明の適用はこれに限定されず、より多くの主変圧器を搭載する交流電気車両についても適用することができる。このような交流電気車両に架線から電力供給を開始するときには、制御装置は、架線と複数の主変圧器の１次巻線との間に電気的に接続される複数の遮断器を、投入位相に差を設けて順次投入することで、交流電気車両全体の励磁突入電流を低減することができる。

このとき、制御装置は、架線の電圧波形を監視することなく、投入位相の差に基づいて設定された時間差に従って複数の遮断器を順次投入すればよいため、簡易な制御および構成によって励磁突入電流の低減を実現することができる。

なお、制御装置は、投入位相の差を、３６０°を複数の主変圧器の台数で除した値とすることが好ましい。このようにすると、複数の遮断器を、投入位相が互いに重なることなく投入することができる。

また、制御装置は、架線電圧の１周期内において複数の遮断器を順次投入することが好ましい。このようにすると、短時間で複数の遮断器をすべて投入することができるため、交流電気車両の運転に影響を及ぼすことなく、励磁突入電流を低減することができる。

なお、上述した実施の形態では、架線に対して電気的に並列に接続された複数の主変圧器を搭載する交流電気車両について説明したが、本発明の適用はこれに限定されず、電源に対して電気的に並列接続された複数の変圧器を備える装置または設備について適用することができる。このような装置または設備において、電源と複数の変圧器との間にそれぞれ接続される複数の遮断器を、その投入位相に差を設けて順次投入することにより、簡易な構成によって装置または設備全体における励磁突入電流を低減することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１ａ，１ｃ 架線、１ｂ デッドセクション、２ レール、３，３Ａ 交流電気車両、４ パンタグラフ、５ 車輪、１０ａ〜１０ｄ １次巻線、１１ａ〜１１ｈ ２次巻線、１２ａ〜１２ｄ ３次巻線、１３ａ〜１３ｈ 主変換装置、１４，１５ 電力変換器、１６ａ〜１６ｈ モータ、１７ａ〜１７ｄ 補助電源装置、１８ 制御装置、Ｃ１ 平滑用コンデンサ、ＭＣＢ 主遮断器、ＣＢ１ 第１遮断器、ＣＢ２ 第２遮断器、ＣＢ３ 第３遮断器、ＣＢ４ 第４遮断器、ＴＲ１ 第１主変圧器、ＴＲ２ 第２主変圧器、ＴＲ３ 第３主変圧器、ＴＲ４ 第４主変圧器。

Claims (4)

1. 架線から交流電力の供給を受ける交流電気車両であって、
   前記架線に対して電気的に並列に接続される複数の主変圧器と、
   前記架線と前記複数の主変圧器との間にそれぞれ接続される複数の遮断器と、
   前記複数の遮断器を投入および開放するように構成された制御装置とを備え、
   前記架線から前記交流電気車両に電力供給を開始するときには、前記制御装置は、前記遮断器を投入するときの架線電圧の投入位相に差を設けて、前記架線電圧の１周期内において前記複数の遮断器を順次投入する、交流電気車両。
2. 前記制御装置は、前記投入位相の差に基づいて設定された時間差に従って、前記複数の遮断器を順次投入する、請求項１に記載の交流電気車両。
3. 前記制御装置は、前記投入位相の差を、３６０度を前記複数の主変圧器の台数で除した値とする、請求項１または２に記載の交流電気車両。
4. 前記交流電気車両が前記架線の絶縁区間から饋電区間に進入する場合には、前記制御装置は、前記絶縁区間において前記複数の遮断器を開放した後、前記饋電区間において前記投入位相に差を設けて、前記複数の遮断器を順次投入する、請求項１から３のいずれか１項に記載の交流電気車両。

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