JPH1198606A - 回生電力吸収装置の電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電気車が回生する電力を回生電力吸収装置に吸
収する際の当該電気車の電圧が過大になるのを防止する
ことにある。 【解決手段】電車線３から、これとは絶縁された所望電
圧の電力を得る動作用電源回路２０，または電力吸収装
置主回路１０の電力吸収用抵抗１３に接続して、これと
は絶縁して得られる所望電圧の電力をバッテリー３１に
蓄える構成の動作用電源回路３０，または前記動作用電
源回路２０と動作用電源回路３０とを並列にした構成の
動作用電源回路６０，のいずれかを電力吸収装置主回路
１０に付属させて回生電力吸収装置を構成することによ
り、当該回生電力吸収装置の設置場所を変電所２の近傍
に限定せず、任意の場所に設置できるようにして、電力
を回生する際の電気車電圧が高くなるのを回避する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、直流電気車が電
力回生運転を行う際に発生する回生電力を吸収する回生
電力吸収装置の電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】変電所は商用交流電力を直流電力に変換
して電車線に送り出し、直流電気車はこの直流電力を、
電車線からパンタグラフなどの集電装置を使って車内に
取り込んで電動機を回転させて走行する。この直流電力
はレールを介して大地へ放流するのが通常である。前記
の変電所は線路に沿って設置されるが、その線路を走る
電気車の走行量によって変電所の容量や設置間隔が異な
る。電気車が加速する場合は、変電所から電車線を介し
て大電流が電気車に流れ込むから、このときの電車線の
インピーダンス電圧降下は大である。例えば、公称電圧
がDC1500V の電気車の場合は、２つの変電所の中間点を
走行中の電気車が加速する際の電車線インピーダンス電
圧降下値が150Vであるならば、変電所の出力電圧をDC1,
650Vにしなければならない。変電所出力電圧が低いと、
電気車入力電圧も低下して電気車の不足電圧継電器が動
作して運転不能になる恐れがある。

【０００３】ところで、走行中の電気車を減速させるに
は、従来は車輪とブレーキシューとを摩擦させる機械式
ブレーキが多用されていたが、この機械式ブレーキは電
気車の運動エネルギーを、再利用が困難な熱エネルギー
に変換することで減速する方式であるから、運動エネル
ギーは無駄に捨てられていた。また機械式ブレーキは保
守・点検に手間がかかるし、連続使用で高温になると制
動力が低下するし、制動力が大きすぎて車輪がロックさ
れると、逆に制動距離が長くなってしまうなど、各種の
不具合がある。

【０００４】そこで近年では、電気車の運動エネルギー
を電気エネルギーに変換して電源側へ戻すことにより、
当該電気車の速度を低下させる回生制動が多用されるよ
うになってきた。回生制動により減速中の電気車が回生
した電力は他の電気車の加速に利用できるので、従来は
無駄に捨てていたエネルギーを有効利用できる効果が得
られる。しかし加速中の電気車がいなければエネルギー
の行き先が無くなって電力を回生する効果が得られず、
従って減速もできなくなってしまう。そこでこのような
場合に備えて回生電力吸収装置を電車線に接続する。

【０００５】図８は回生電力吸収装置の従来例を示した
回路図である。図８において、変電所２は直流電気車を
走らせるために、商用交流電力を例えばDC1,650Vに変換
して電車線３へ供給する。図示していない電気車は、電
車線３からパンタグラフなどの集電装置で車内に取り込
んだ直流電力で走行する。一方、回生電力吸収装置は動
作用電源回路４と制御電源５および抵抗器と半導体スイ
ッチ素子との直列接続回路でなる電力吸収装置主回路１
０とで構成している。図８の従来例回路では、３組の抵
抗１１，１２，１３と、これらに別個に直列接続する半
導体スイッチ素子としてのゲートターンオフサイリスタ
（以下ではＧＴＯと略記する）１４，１５，１６で３組
の直列回路を形成し、これら各直列回路を相互に並列接
続することで電力吸収装置主回路１０を構成するのであ
るが、この電力吸収装置主回路１０を電車線３と大地と
の間に接続する。

【０００６】前述したように、電気車が減速する際に回
生する電力が、他の電気車で消費されなければ、電車線
３の電圧を上昇させる。そこでこの電圧上昇を検出して
ＧＴＯ１４，１５，１６のいずれか、または全部をオン
・オフ動作させる。その結果、抵抗１１，１２，１３の
いずれか、または全部に電流が流れて減速中の電気車が
発生する回生電力を消費するので、前記電気車を確実に
減速させることができる。ここでＧＴＯ１４，１５，１
６をオン・オフ動作させる際のオン時間とオフ時間との
比率を調節することで、抵抗１１，１２，１３が消費す
る電力を自由に変化させることができる。電力吸収装置
主回路１０にこのような動作をさせるには制御電源５が
必要であり、動作用電源回路４が制御電源５へ所要の電
力を供給する。

【０００７】ところで変電所２には、当該変電所２を運
転するために各種の制御回路と、この制御回路へ電力を
供給するために各種の電源回路を備えている。そこで電
力吸収装置主回路１０を作動させるための動作用電源回
路４も前記変電所２の内部に設置することが多い。従っ
て、回生電力吸収装置を変電所２の内部または変電所２
の近傍に設置するのが一般的であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】直流電気車の公称電圧
はDC1500V であることが多い。よって以下ではDC1500V
の直流電気車を例にして説明する。変電所２は線路に沿
って所定の間隔で設置されているが、電気車の受電電圧
が最低になるのは、２つの変電所２の中間点を加速しな
がら走行するときである。電気車が加速する際には大電
流が必要であり、この電流で電車線３には電車線インピ
ーダンス電圧降下を生じる。このときの電気車の受電電
圧が公称電圧と同じ値のDC1,500Vであり、電車線インピ
ーダンス電圧降下値が150Vであるならば、変電所２の出
力電圧は前述したようにDC1,650Vか、これよりも高い値
にしなければならない。

【０００９】一方、変電所２に設置する回生電力吸収装
置の動作開始電圧はこの変電所２の出力電圧よりも高い
値，例えばDC1,750Vに設定する必要がある。走行中の電
気車が２つの変電所２の中間点で減速を開始したとき
に、電気車から回生電力吸収装置へ流れる回生電流の大
きさが、加速時に当該電気車へ流入する電流と同じ値と
仮定すると、この回生電流による電車線インピーダンス
電圧降下値は前述と同様に150Vであるから、減速を開始
した電気車の電圧がDC1,900V（これは回生電力吸収装置
の動作開始電圧値と電車線インピーダンス電圧降下値と
の和である）まで上昇しなければ回生電力吸収装置が作
動を開始しないことを意味する。一方、この電気車に搭
載している過電圧継電器の設定電圧は一般にDC1,900V程
度である（この値を高くすると搭載している半導体素子
に悪影響を生じる）から、回生電流の大きさによっては
当該過電圧継電器が動作し、電力の回生による減速がで
きなくなる恐れを生じる。

【００１０】そこでこのような不具合の発生を回避する
ためには、電車線インピーダンス電圧降下値を小さくし
なければならない。そのためには電車線を太くする、変
電所の設置間隔を短縮するなどの処置が必要になるが、
これには多大な時間と費用が必要な工事となり、簡単に
解決することはできない不具合がある。そこでこの発明
の目的は、電気車が回生する電力を回生電力吸収装置に
吸収する際の当該電気車の電圧が過大になるのを防止す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、この発明の回生電力吸収装置の電源装置は、半導
体スイッチ素子と抵抗器とを直列接続した直列回路の複
数を相互に並列接続した構成の回生電力吸収装置を、電
気車へ直流電力を供給する電車線と大地との間に接続
し、前記電車線の電圧値に対応して前記各半導体スイッ
チ素子をオン・オフ動作させる構成の回生電力吸収装置
において、請求項１に記載の電源装置では、回生電力吸
収装置の制御装置へ電力を供給する動作用電源回路は、
当該回生電力吸収装置を接続している前記電車線から電
力の供給を受けて所定の制御用電力を出力する制御電源
を備える構成とし、この動作用電源回路を当該回生電力
吸収装置に付属させる。

【００１２】請求項２に記載の電源装置では、請求項１
に記載の動作用電源回路を、入力直流電圧をこれとは絶
縁された所望の直流電圧に変換する絶縁型直流／直流変
換器の入力側を前記電車線と大地との間に接続し、この
絶縁型直流／直流変換器の出力側に平滑コンデンサを接
続し、この平滑コンデンサに前記回生電力吸収装置制御
用電力を出力する制御電源を接続する構成とする。

【００１３】請求項３に記載の電源装置では、回生電力
吸収装置の制御装置へ電力を供給する動作用電源回路
は、当該回生電力吸収装置の電力吸収部分に接続してこ
の回生電力吸収装置が吸収する電力の一部を蓄えるバッ
テリーと、このバッテリーから電力の供給を受けて所定
の制御用電力を出力する制御電源を備える構成とし、こ
の動作用電源回路を当該回生電力吸収装置に付属させ
る。

【００１４】請求項４に記載の電源装置では、請求項３
に記載の動作用電源回路を、入力直流電圧をこれとは絶
縁された所望の直流電圧に変換する絶縁型直流／直流変
換器の入力側を、少なくとも１つの前記直列回路を構成
する前記抵抗器に接続し、この絶縁型直流／直流変換器
の出力側にバッテリーを接続し、このバッテリーに前記
回生電力吸収装置制御用電力を出力する制御電源を接続
する構成とする。

【００１５】請求項５に記載の電源装置では、請求項３
または請求項４のいずれかに記載の動作用電源回路に、
前記バッテリーの入力電圧を一定化する定電圧電源を、
当該バッテリーの入力側に付加する構成とする。請求項
６に記載の電源装置では、請求項３乃至請求項５のいず
れかに記載の動作用電源回路に、前記バッテリーまたは
このバッテリーよりも末端側のいずれかの電圧を検出す
る電圧検出回路と、この検出電圧が所定値以下になれば
当該動作用電源回路を接続している部分の回生電力吸収
装置を動作させる動作指令回路とを付加する構成とす
る。

【００１６】請求項７に記載の電源装置では、回生電力
吸収装置の制御装置へ電力を供給する動作用電源回路
は、入力直流電圧をこれとは絶縁された所望の直流電圧
に変換する第１絶縁型直流／直流変換器の入力側を前記
電車線と大地との間に接続し、この第１絶縁型直流／直
流変換器の出力側に平滑コンデンサを接続し、入力直流
電圧をこれとは絶縁された所望の直流電圧に変換する第
２絶縁型直流／直流変換器の入力側を、少なくとも１つ
の前記直列回路を構成する前記抵抗器に接続し、この第
２絶縁型直流／直流変換器の出力側は前記平滑コンデン
サに接続し、この平滑コンデンサに前記回生電力吸収装
置制御用電力を出力する制御電源を備える構成とし、こ
の動作用電源回路を当該回生電力吸収装置に付属させ
る。

【００１７】請求項８に記載の電源装置では、請求項１
乃至請求項７のいずれかに記載の動作用電源回路に、前
記回生電力吸収装置の運転に必要な補機の電源を付加し
た構成とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１実施例を表し
た回路図であって、請求項１に対応する。ここで図１に
図示の電車線３、制御電源５、電力吸収装置主回路１０
とこれを構成する抵抗１１，１２，１３およびＧＴＯ１
４，１５，１６の名称・用途・機能は図８で既述の従来
例回路と同じであるから、これらの説明は省略する。

【００１９】図１の第１実施例回路は、制御電源５と絶
縁型直流／直流変換器２１とを備えた動作用電源回路２
０が、所要の電力を電車線３から取り入れる構成になっ
ている。この動作用電源回路２０は電力吸収装置主回路
１０に付属しているから、回生電力吸収装置の設置場所
を変電所２の内部やその近傍に限定する必要は無い。従
って２つの変電所２の間の最適地点（例えば中間点）に
当該回生電力吸収装置を設置すれば、電気車電圧を高く
せずに電力回生による減速が可能になる。

【００２０】図２は本発明の第２実施例を表した回路図
であって、図１に図示の動作用電源回路の構成を表して
おり、請求項２に対応する。すなわち絶縁型直流／直流
変換器２１はスイッチング素子２２，変圧器２３，ダイ
オード２４，および平滑コンデンサ２５で構成してお
り、スイッチング素子２２のオン・オフ動作により電車
線３からの直流とは絶縁された所望電圧の平滑された直
流電力が得られる。なお、変電所２と電車線３は図８の
従来例回路で既述しているので、これらの説明は省略す
る。

【００２１】図３は本発明の第３実施例を表した回路図
であって、請求項３または請求項４に対応する。ここで
図３に図示の電車線３、制御電源５、電力吸収装置主回
路１０とこれを構成する抵抗１１，１２，１３およびＧ
ＴＯ１４，１５，１６の名称・用途・機能は図８で既述
の従来例回路と同じであるから、これらの説明は省略す
る。

【００２２】この第３実施例回路では、動作用電源回路
３０は制御電源５，変圧器２３，ダイオード２４，バッ
テリー３１で構成しており、変圧器２３の一次巻線を電
力吸収装置主回路１０を構成している任意の抵抗（図３
では抵抗１３）の両端に並列に接続する。但し前記変圧
器２３の一次巻線を並列に接続する抵抗は複数であって
も差し支え無いし、抵抗の両端に並列接続せずに、抵抗
の一部分に並列接続しても差し支え無いのは勿論であ
る。回生電力吸収装置が動作中（但しＧＴＯ１６が動作
して抵抗１３に電流が流れていることが条件である）な
らば、ＧＴＯ１６がオン・オフ動作しているから変圧器
２３の二次巻線に電圧が誘起され、これがダイオード２
４を介してバッテリー３１に直流電力として蓄えられ
る。制御電源５はこのバッテリー３１から電力の供給を
受ける。

【００２３】図４は本発明の第４実施例を表した回路図
であって請求項５に対応するが、この第４実施例回路
は、図３で既述の第３実施例回路に定電圧電源４１を付
加した構成であり、これ以外は全て同じであるから、同
じ部分の説明は省略する。電車線３の電圧は大幅に変動
するので、バッテリー３１の充電電圧も変動する。この
充電電圧の変動幅が許容値を越えると、当該バッテリー
３１に悪影響があり、寿命を短くするので、ダイオード
２４とバッテリー３１との間に定電圧電源４１を挿入す
る。

【００２４】図５は本発明の第５実施例を表した回路図
であって請求項６に対応するが、この第５実施例回路
は、図３で既述の第３実施例回路に電圧検出回路５１と
動作指令回路５２を付加した構成であり、これ以外は全
て同じであるから、同じ部分の説明は省略する。この第
５実施例回路では回生電力吸収装置が動作して抵抗１３
に電流が流れているときにのみバッテリー３１に電力を
蓄えることができる。従って回生電力吸収装置の不動作
時間が長くなればバッテリー３１は消耗してその電圧が
低下する。電圧検出回路５１は、バッテリー電圧が規定
値以下に低下したことを検出して動作指令回路５２を作
動させるから、電力吸収装置主回路１０のうちで変圧器
２３の一次巻線が接続されている部分のＧＴＯ（図５で
はＧＴＯ１６）にオン・オフ動作指令を送る。すなわち
電車線３の電圧が高くなくても電力吸収装置主回路１０
の一部分を作動させることにより、バッテリー３１を充
電して電圧が低下するのを防ぐ。

【００２５】図６は本発明の第６実施例を表した回路図
であって請求項７に対応するが、この第６実施例回路
は、図２で既述の第２実施例回路と、図３で既述の第３
実施例回路とを並列した構成であって、両者を並列する
方法の一例を表している。すなわち変圧器６１は２つの
一次巻線を備えており、一方の一次巻線は抵抗１３の両
端に接続し、他方の一次巻線はスイッチング素子２２と
直列になって電車線３と大地との間に挿入される。この
ような構成により、ＧＴＯ１６がオン・オフ動作してい
るとき、すなわち回生電力吸収装置が動作しているとき
はそのエネルギーを平滑コンデンサ２５へ送り込むが、
回生電力吸収装置が不動作のときはスイッチング素子２
２をオン・オフ動作させることで、電車線３からの電力
を平滑コンデンサ２５へ送り込む。

【００２６】図７は本発明の第７実施例を表した回路図
であって請求項８に対応するが、この第７実施例回路
は、図４で既述の第４実施例回路に補機電源７１を付加
した構成であって、これ以外は図４と全く同じである。
よって同じ部分の説明は省略する。回生電力吸収装置を
適切に制御するには制御電源５を備える必要があるのは
勿論であるが、当該回生電力吸収装置を運転するにあた
っては、例えば冷却用ファンなどの補機７２も運転しな
ければならない。そこでこの第７実施例回路では、動作
用電源回路７０に補機７２の運転に使用する補機電源７
１を備えるものである。

【００２７】

【発明の効果】従来の回生電力吸収装置は、その制御用
電力を変電所から受電する構成が多かったので、回生電
力吸収装置の設置場所は変電所の内部かその近傍に限定
されていた。しかし回生電力吸収装置を変電所の近傍に
設置すると、電力回生運転する際の電気車電圧が高くな
って過電圧トリップする恐れがあった。これに対して本
発明は、回生電力吸収装置の動作用電源回路を電車線か
ら直接取り入れる回路構成、あるいは回生電力吸収装置
が吸収する電力を利用する回路構成にしているので、動
作用電源回路と電力吸収装置主回路とを一体にして回生
電力吸収装置を構成することが可能になった。それ故、
回生電力吸収装置の設置場所を自由に選定できるので、
電力回生運転する際に電気車電圧の上昇を最高に抑制で
きる地点、例えば２つの変電所の中間地点でも設置が可
能になる。その結果、電気車が電力回生運転を行う場合
でも電車線を太くする必要が無く、あるいは変電所の設
置間隔を短縮する必要が無くなるので、余分な工事とそ
れに伴う時間と費用を節約できる効果が得られる。

【００２８】更に回生電力吸収装置が吸収する電力を利
用する回路構成の動作用電源回路では、熱として捨てて
しまうエネルギーを動作用電源回路で再利用するので、
省エネルギー効果が得られるし、回生電力吸収装置の運
転費用を削減できる効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を表した回路図

【図２】本発明の第２実施例を表した回路図

【図３】本発明の第３実施例を表した回路図

【図４】本発明の第４実施例を表した回路図

【図５】本発明の第５実施例を表した回路図

【図６】本発明の第６実施例を表した回路図

【図７】本発明の第７実施例を表した回路図

【図８】回生電力吸収装置の従来例を示した回路図

【符号の説明】

２ 変電所 ３ 電車線 ４ 動作用電源回路 ５ 制御電源 １０ 電力吸収装置主回路 １１，１２，１３ 抵抗 １４，１５，１６ ＧＴＯ ２０，３０，４０ 動作用電源回路 ２１ 絶縁型直流／直流変換器 ２２ スイッチング素子 ２３，６１ 変圧器 ２４ ダイオード ２５ 平滑コンデンサ ３１ バッテリー ４１ 定電圧電源 ５０，６０，７０ 動作用電源回路 ５１ 電圧検出回路 ５２ 動作指令回路 ７１ 補機電源 ７２ 補機

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体スイッチ素子と抵抗器とを直列接続
   した直列回路の複数を相互に並列接続した構成の回生電
   力吸収装置を、電気車へ直流電力を供給する電車線と大
   地との間に接続し、前記電車線の電圧値に対応して前記
   各半導体スイッチ素子をオン・オフ動作させる構成の回
   生電力吸収装置において、 前記回生電力吸収装置を制御する制御装置へ電力を供給
   する動作用電源回路は、当該回生電力吸収装置を接続し
   ている前記電車線から電力の供給を受けて所定の制御用
   電力を出力する制御電源を備え、この動作用電源回路を
   前記回生電力吸収装置に付属させることを特徴とする回
   生電力吸収装置の電源装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の回生電力吸収装置の電源
   装置において、 前記動作用電源回路は、入力直流電圧をこれとは絶縁さ
   れた所望の直流電圧に変換する絶縁型直流／直流変換器
   の入力側を前記電車線と大地との間に接続し、この絶縁
   型直流／直流変換器の出力側に平滑コンデンサを接続
   し、この平滑コンデンサに前記回生電力吸収装置制御用
   電力を出力する制御電源を備えることを特徴とする回生
   電力吸収装置の電源装置。
3. 【請求項３】半導体スイッチ素子と抵抗器とを直列接続
   した直列回路の複数を相互に並列接続した構成の回生電
   力吸収装置を、電気車へ直流電力を供給する電車線と大
   地との間に接続し、前記電車線の電圧値に対応して前記
   各半導体スイッチ素子をオン・オフ動作させる構成の回
   生電力吸収装置において、 前記回生電力吸収装置を制御する制御装置へ電力を供給
   する動作用電源回路は、当該回生電力吸収装置の電力吸
   収部分に接続してこの回生電力吸収装置が吸収する電力
   の一部を蓄えるバッテリーと、このバッテリーから電力
   の供給を受けて所定の制御用電力を出力する制御電源を
   備え、この動作用電源回路を前記回生電力吸収装置に付
   属させることを特徴とする回生電力吸収装置の電源装
   置。
4. 【請求項４】請求項３に記載の回生電力吸収装置の電源
   装置において、 前記動作用電源回路は、入力直流電圧をこれとは絶縁さ
   れた所望の直流電圧に変換する絶縁型直流／直流変換器
   の入力側を、少なくとも１つの前記直列回路を構成する
   前記抵抗器に接続し、この絶縁型直流／直流変換器の出
   力側にバッテリーを接続し、このバッテリーに前記回生
   電力吸収装置制御用電力を出力する制御電源を備えるこ
   とを特徴とする回生電力吸収装置の電源装置。
5. 【請求項５】請求項３または請求項４に記載の回生電力
   吸収装置の電源装置のいずれかにおいて、 前記動作用電源回路は、前記バッテリーの入力電圧を一
   定化する定電圧電源を、当該バッテリーの入力側に備え
   ることを特徴とする回生電力吸収装置の電源装置。
6. 【請求項６】請求項３乃至請求項５に記載の回生電力吸
   収装置の電源装置のいずれかにおいて、 前記動作用電源回路は、前記バッテリーまたはこのバッ
   テリーよりも末端側部分の電圧を検出する電圧検出回路
   と、この検出電圧が所定値以下になれば当該動作用電源
   回路を接続している部分の回生電力吸収装置を動作させ
   る動作指令回路とを備えることを特徴とする回生電力吸
   収装置の電源装置。
7. 【請求項７】半導体スイッチ素子と抵抗器とを直列接続
   した直列回路の複数を相互に並列接続した構成の回生電
   力吸収装置を、電気車へ直流電力を供給する電車線と大
   地との間に接続し、前記電車線の電圧値に対応して前記
   各半導体スイッチ素子をオン・オフ動作させる構成の回
   生電力吸収装置において、 入力直流電圧をこれとは絶縁された所望の直流電圧に変
   換する第１絶縁型直流／直流変換器の入力側を前記電車
   線と大地との間に接続し、この第１絶縁型直流／直流変
   換器の出力側に平滑コンデンサを接続し、入力直流電圧
   をこれとは絶縁された所望の直流電圧に変換する第２絶
   縁型直流／直流変換器の入力側を、少なくとも１つの前
   記直列回路を構成する前記抵抗器に接続し、この第２絶
   縁型直流／直流変換器の出力側は前記平滑コンデンサに
   接続し、この平滑コンデンサに前記回生電力吸収装置制
   御用電力を出力する制御電源を接続する構成の動作用電
   源回路を、前記回生電力吸収装置に付属させることを特
   徴とする回生電力吸収装置の電源装置。
8. 【請求項８】請求項１乃至請求項７に記載の回生電力吸
   収装置の電源装置のいずれかにおいて、 前記動作用電源回路は、前記回生電力吸収装置の運転に
   必要な補機の電源を備えることを特徴とする回生電力吸
   収装置の電源装置。