JPS63154440A - 直流電車き電方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、変電所から直流き電線を介してき電すると共
に、電車線から直流電車に電力を供給する直流電車き電
方式に関する。

〔従来技術とその問題点〕

第６図は従来の直流電車にき電するき電方式を示す図で
ある。同図で従来方式を説明する。１゜２はき電用変電
所であり、電力系統から高圧又は特別高圧線１３．２３
で変電所に電力を引込む。変電所では変圧器１１．２１
で直流電車に適した電圧まで降圧する。降圧された交流
は半導体変換器１２．２２で直流に変換され、き電線３
で直流電車６１．６２に直流電力を供給する。直流電車
６１．６２はき電線３に接続した電車線４とレール５か
ら集電する。同図では６１はカ行運転している電車、６
２は回生制動運転している電車の場合で示している。

半導体変換器としては一般にダイオード整流器が多く用
いられているが、直流電車が回生制動付の場合で直流回
生電力が電力系統に戻される場合には半導体変換器とし
てサイリスク変換器が使用される。

第６図でカ行運転車両がある場合に、回生制動運転が行
われると電車６２の回生電力は電車６１のカ行電力とな
る。変電所の変換器がダイオード整流器の場合には、常
に回生電力はカ行電力以下となる。逆変換可能な変換器
の場合で、回生電力がカ行電力を越えると、その越えた
電力分は変電所から交流系統に回生される。

第６図においてり、は変電所１．２の間隔長を示す。変
電所間隔長し、は直流電圧の電圧がカ行運転の場合では
規定値以下に下がらないように、又回生運転では規定値
以上に上がらないように決められる。直流き電圧として
は１５００　Ｖが多く採用されている。１５００　Ｖき
電々圧の場合多くは電車電圧がｌ１００Ｖ以下に下がら
ないように変電所間隔Ｌ３を決めている。この場合、変
電所間隔は電車の集電々力、き電線路、電車の運転ダイ
ヤグラム等によって大きく異なるが、一般に３　ｋｍ〜
５１ｕ＋＋となっている。

第７図は変電所０〜０間に電車が１編成ある場合の電車
の電圧と電車の位置との関係を、カ行運転の場合は実線
で、回生運転の場合は破線で示した図である。カ行電車
の位置が変電所■または■に至近の場合には、電車電圧
は変電所の送り出し電圧Ｖｄ、となる。電車電圧は、電
車が変電所から離れるに従って、き電線と電車線の電圧
降下分だけＶｄ０より下がる。変電所間隔Ｌ５の中間点
で最も下がって、最小値Ｖｄ＠ｉ、となる。この最小値
Ｖｄ、ｉ、１が規定値以上（例えばｌ１００Ｖ以上）に
なるように変電所間隔り、が決められる。第７図でＬ３
は次のようになる。

−Ｐ ここで、 Ｐ＝電車の消費電力（ｋＷ） ｒ＝き電線、レールおよび電車線を含めたき電回路の１
−あたりの抵抗（Ω／ｋｎ） である。

（１１式で、１５００Ｖ直流電車の例で示すと次のよう
になる。

Ｖｄ、　＝１６５０Ｖ ｖ　ａ、、、＝１１００Ｖ 中間点付近をｌθ両編成の電車２編成が同時に走行して
いるとして、 Ｐ　＝１０．０００　（ｋ　Ｗ） 又き電回路の抵抗を０．０４Ω／−とすると、Ｌ、、＝
３ｋｍ となる。

電車が回生制動運転で電力を変電所の変換器を介して回
生ずる場合（カ行運転車がない場合）は同図破線のよう
に電車線電圧は変電所送り出し電圧より高くなる。

次に、直流変電所の建設費用について考察してみる。

電力系統から特高受電する（一般に別々の電力系統から
２回線受電としている）ため特高引込線の建設費が高い
。また特高受電などのため変電所の建設面積も広く必要
で変電所建設費も高い。

以上のことから変電所の数はできるだけ少ないこと、す
なわち変電所間隔長はできるだけ長いことが望まれる。

このためには、＋１１式から電車々圧を高めることが有
効であるが、電車電圧は例えば１５００Ｖと固定されて
おり、高められない。また間代から抵抗を減らすために
は、き電線の並列数を増すなど考えられるが、電柱など
の支持強度から制約があるため、抵抗低減にも限度があ
る。

以上の理由から従来のき電方式では変電所間隔長は３〜
５　ｋｍとなり、変電所建設費が高くなる。

又変電所間隔が短いため、−変電所区間に入っている電
車数が少なく、且つ電車が通過する時間が短い。このた
め変電所設備にかかる電力負荷が間欠的になり、設備の
利用率が低いなどの問題点があった。

〔発明の目的〕 本発明の目的は、上記に鑑み、き電々圧を高めて、変電
所間隔を長くしすることにより、き電システムの設備費
を低減しながらも、電車電圧を所要範囲に維持すること
を目的とする。

〔発明の要点〕

本発明の基本は、変電所からのき電線の電圧は電車電圧
より大幅に高めて電力を給電し、このき電線に順・逆両
方向に変換可能な半導体直流−直流変換器を接続しこの
変換器によりき電々圧を電車電圧に降圧して電車線に給
電して、変電所間隔を大幅に長くするとともに、半導体
直流−直流変換器は互いに並列接続された複数の単位変
換器から構成し、通電電流の大きさに応じて動作させる
単位変換器台数を変えることによって変換効率を高める
ことにある。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例である。第６図と同一記号は
同一のものを示す。

７は主き電線で、電車電圧よりも高い電圧とする。当然
１１．１２および２１．２２はこの電圧にあったものと
なる。３は補助き電線で、従来のき電線と同じものであ
り、電車線４を介して電車６１〜６３に電力を供給する
。主き電線７と補助き電線との間に、例えば従来のき電
線の変電所間隔相当毎に順・逆両方向に変換可能なチョ
ッパの如き半導体直流−直流変換器８１〜８３を設置し
、この変換器で生き電線の電圧を電車電圧に降圧する。

Ｐｌは高電圧の生き電線に接続される端子、Ｐ２は低電
圧の補助き電線に接続される端子で、Ｎはレールに接続
される端子である。

半導体直流−直流変換器８１〜８３は、電車がカ行時に
は順方向に変換動作をして電力を主き電線７から補助き
電線３に供給する降圧チョッパとして働き、電車が回生
制動時には逆方向に変換動作をして、電車電力を補助き
電線から生き電線に戻す昇圧チョッパとして働く。

半導体直流−直流変換器８１〜８３として使用する降・
昇圧チョッパの一例を第２図に示す。第２図はチョッパ
８１について示したものであるが、８２゜８３の場合も
全く同様に構成することができる。

第２図で８１０，８２０，８３０，８４０は単位降・昇
圧チョッパである。降・昇圧チョッパは通電電流が数千
Ａにもなるために半導体素子は複数個並列接続する必要
がある。本発明では、第２図に示すように、半導体素子
自身を直列並列接続するのではなくて単位降・昇圧チョ
ッパの複数ユニットを並列接続する。

第３図に第２図の単位降・昇圧チョッパの具体的構成例
を示す。

第３図において、８１１．８１２はりアクドルとコンデ
ンサで構成される入出力フィルタであり、８１３が降圧
チョッパ用半導体スイッチ、８１４が昇圧チョッパ用半
導体スイッチで、それらの半導体スイッチとしてＧＴＯ
サイリスタを使用することができる。

第１図で８１〜８３のＮ端子はレールに接続しているが
、別に設けた負き電線に接続して適当な間隔でレールと
負き電線とを接続してもよい。

次に本発明の実施例の動作について説明する。

本発明の動作の基本は、第２図に示す単位降・昇圧チョ
ッパのうち、動作させるチョッパの数を通電電流に応じ
て増減することにある。即ち、通電電流が小さいときに
は、動作させるチョッパ数を少な（し、通電電流が大き
いときには、動作させるチョッパ数を多くする。

第４図に第２図の動作を示す。第２図ではチョッパ数が
４の場合について示されているので、第４図では、通電
電流がＯ−１，／４　（Ｉ、は最大通電流）の範囲では
単位チョフバ１台のみ（図ではチ９７パ８１０）動作さ
せ、１．／４〜１．／２の範囲では２台（図では８１０
．８２０）動作させ、１１／２〜３・■１／４では３台
（図では８１０，８２０，８３０）動作させ、３・■１
／４〜■１の範囲では全チョッパ８１０、８２０　、８
３０．８４０を動作させる。複数のチョッパを動作させ
るときには、電車用チョッパと同じく多相チョッパにし
て運転すれば、き電線に流れる高調波電流や電流リフプ
ルを低減させることができる。本発明では最大通電電流
以下では動作するチョッパ数が減少するので、チョッパ
全体の損失が減少し、効率が向上する。

本発明での電車電圧と電車位置の関係をカ行運転の場合
について示した図が第５図である。

第５図について説明する。■、■に変電所があって、変
電所■と変電所■との間の６ケ所（ａｌ、　（ｂ）。

（ｃｌ、　（ｄ）、　（ｅ）、　［ｆ）に直流−直流変
換器を設置し、各直流−直流変換器間に電車がある場合
における電車電圧と主き電線の電圧を示した図である。

同図で曲線Ａが電車電圧の推移を示し、これは第５図と
同じような表し方である。曲線Ｂは主き電線電圧の推移
を表し、各変電所■、■での送り出し電圧はａ−Ｖｄ、
としている。

各地点（ａｌ、　（ｂ）、　（Ｃ１，（ｄ）、　（８１
，（ｎに設置された直流−直流変換器は、それぞれの設
置点での生き電線電圧を所望の電車電圧Ｖｄ、に降圧し
て補助き電線にき電する。

したがって、（ａ）　〜（ｂ）、　（ｂ）　〜（ｃｌ、
　（ｃ）　〜（ｄｌ、　（ｄ）　〜（ｅｌ。

＋ｅ）〜（ｆ１間の間隔長をそれぞれ第５図の０〜０間
と同じ＜Ｌ、とすると、この間に電車がある場合にこれ
らの各区間の電車電圧の推移は第５図における推移と同
様となる。

生き電線電圧は変電所から遠ざかるに従って下がり（ｅ
ｌもしくは（ｄ）点のあたりで最低となる。この最低電
圧となる地点で変換器の入力電圧、すなわち生き電線の
電圧がＶｄ０以下にならなければよい。

変電所と変電所との間に適当な間隔で設置する直流−直
流変換器としては高電圧大容量のものが必要である。近
年ＧＴＯサイリスクのような高電圧大容量の自己消弧要
素子が実用化されて来ており、このような素子を用いて
数ｋＶの直流−直流変換器も実現可能となって来たので
、本高電圧大容量直流−直流変換器は変電所よりは這か
に機器数も少なく、設置スペースも狭くて良（、建設費
は変電所より大幅に低減される。

〔発明の効果〕

本発明は変電所送り出し電圧を電車電圧より大幅に高め
てき電し、適当な間隔に設置した半導体直流−直流変換
器で電車電圧まで降圧するき電方式であるので次の効果
がある。

（１）　　変電所間隔を長（とれるので変電所の数が少
なくできる。

（２）半導体直流−直流変換器が新たに必要になるが、
（１）項の効果により、総合的には安価なき電システム
にできる。

（３）変電所機器の稼動率が高まるので、設備の使用効
率が向上し、このためき電システム全体の設備費を安く
できる。これは変電所間隔が長くなり、変電所区間に入
る電車数が増し、且つ変電所区間を通過する時間が長く
なるためである。

（４）半導体直流−直流変換器が単位変換器を複数個並
列接続し、°通電電流の大きさに応じて動作する単位変
換器の数を変えているので、半導体直流−直流変換器の
効率がよい。

（５）複数の単位変換器は多相運転することにより、き
電線の高調波電流や電流リップルが減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による直流電車き電方式の実施例を示す
概略図、第２図は半導体直流−直流変換器の一実施例を
示すブロック図、第３図は単位半導体直流−直流変換器
の一実施例を示す回路図、第４図は第２図の半導体直流
−直流変換器の動作説明図、第５図は第１図による本発
明の実施例の特性図、第６図は従来の直流電車き電方式
の実施例を示す概略図、第７図は第６図による従来の実
施例の特性図である。 １．２・−変電所、３・−き電線（第２のき電線）、４
・・・電車線、５・−・レール、６１〜６３−・直流電
車、７−・主＠・電ｎ　（第１　）９１ｔ＆ｍ）　、８
１〜８４−半ｉ体直流−直流変換器、８１０〜８２０一
単位半導体直流−直流変換器。 第２図 、！ｊ−３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 変電所から直流き電線を介してき電すると共に、電車線
   から直流電車に電力を供給する直流電車き電方式であっ
   て、変電所より主き電線に電車電圧より高い電圧でき電
   し、変電所間に適当な間隔で１個又は複数個の順・逆両
   方向に変換可能な半導体直流−直流変換器を設置し、各
   設置点で、前記主き電線と、電車線に電力を供給する補
   助き電線とを当該半導体直流−直流変換器を介して接続
   し、両き電線間の電力授受を行うようにした直流電車き
   電方式において、前記半導体直流−直流変換器は互いに
   並列接続された複数個の単位半導体直流−直流変換器か
   らなり、通電電流の大きさに応じて、動作させる単位半
   導体直流−直流変換器の数を変化させるようにしたこと
   を特徴とする直流電車き電方式。