JPWO2012105282A1 - 駆動システムおよび鉄道車両用駆動システム - Google Patents

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Abstract

電化区間、非電化区間それぞれにおいて最適な電源を用いる方法として、複数の異なる電力源（架線、エンジンにより駆動される発電機、燃料電池）に対応するシステムが提案されている。しかしながら電力源毎に、異なる電力変換器が必要となるため、列車の編成重量が増大する、ぎ装スペースを確保する必要があるため列車編成構成の自由度が低下する、保守費用の増大、部品点数増大による信頼性の低下などの課題があった。複数の異なる交流電源の内、最大相数と同じ員数の交流入力端を有し、交流電力を直流に変換する電力変換回路と、前記交流電源と、前記電力変換回路との接続状態を切替える切替手段を備え、電源に応じて接続状態を切替える。

Description

本発明は、電動機の駆動装置に関し、特に複数の異なる電力源から電力を得る鉄道車両用の駆動装置に関する。
鉄道には、トロリーワイヤーやサードレールを介して地上から列車に電力を供給する設備が具備されている区間（以下、「電化区間」と言う。）と、地上からの電力供給設備がなく列車自身が有している発電手段により電力を得る（または動力源により動力を得る）区間（以下、「非電化区間」という。）の二種類の区間がある。電化区間では列車の制動時に発生する回生電力を他の列車で消費することが可能であるため、一般的に電化方式の方がエネルギー効率が高く、列車量の多い区間が優先的に電化される傾向にある。また、昨今では、エネルギー単価の高騰を背景に、非電化区間の電化計画が進んでいる。
一方で、列車の運用を効率的に行うためには、電化、非電化区間の区別なく走行できる列車が望まれる。このような列車を実現する手段としては、電力源／動力源を持たない車両によって構成される列車編成を、電化区間では電気機関車で牽引し、非電化区間では内燃機関を動力源とする、例えば、ディーゼル機関車で牽引する方式が一般的に広く用いられている。
電気機関車、ディーゼル機関車に関らず機関車は、多くの機器を搭載しており、通常、列車を構成する客車の数倍の重量がある。例えば、日本国内を走行している新幹線列車のように、駆動装置などの列車に必要な機能を分散配置した動力分散型の列車と比較して、機関車は、軸重のある車軸により、軌道へのダメージが大きくなる、あるいは、重量が集中した車両に対しては、大容量のブレーキ装置が必要であるなどの理由により、列車の高速化に限界があると言う課題があった。
一方で、機能分散型の列車においては、電化区間用、非電化区間用のそれぞれに最適化する必要があり、共通化できないという課題がある。
このような課題に対して、特許文献１では、架線電圧またはディーゼルエンジン（および燃料電池／Gas Cell）による発電手段すなわち異なる電力源（文献１ Fig１：１１および１２、２１、３１）およびこれらの電力源から得られる電力を直流電圧に変換し直流電圧に変化する電力変換器（文献１ Fig１：１３、２０、３２）を有し、走行区間に合せて、これらを適宜切替えることにより、上記の課題を解消できる鉄道用車両駆動装置およびそれを用いた鉄道用車両を実現する手段が掲載されている。
EP 1 186497 A1，Railway vehicle with power supply system，ALSTOM LHBGmbH
しかしながら、上記文献１においては電力源（架線、エンジンにより駆動される発電機、燃料電池）毎に、電力源の電圧を直流電圧（文献１ Fig１：１）に変換する適切な電力変換器が必要（文献１ Fig１：１３、２５、３２）となるため、列車の編成重量が増大する、ぎ装スペースを確保する必要があるため列車編成構成の自由度が低下する、保守費用の増大、部品点数増大による信頼性の低下などの課題があった。また、機器数が多く一両に納まらないため、複数の車両に機器を分散配置する必要があり、編成構成上の自由を妨げるという課題もある。
交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換回路と、第一の電力変換回路で変換された直流電力を電源として電動機を駆動する第二の電力変換回路と、を備え、第一の電力変換回路は、複数の交流電源とそれぞれ接続されており、複数の交流電源と第一の電力変換回路との間に接続されて、複数の交流電源の一部を第一の電力変換回路と接続させる切替え手段を備え、第一の電力変換回路は、切替え手段により接続された交流電源に応じた電力変換動作を行う。
または、互いに異なる相数の交流電力を供給する複数の交流電源を有しており、第一の電力変換回路は、切替え手段により接続された交流電源が供給する交流電力の相数に応じて、当該交流電力を直流電力へ変換する動作を行う。
または、複数の異なる交流電源の内、最大相数となる交流電源の相数と対応する数の交流入力端を少なくとも有し、接触器により接続された交流電源の交流電力に応じて半導体素子を動作させて、当該交流電力を直流電力に変換する。
本発明によれば、複数の交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する電力変換回路を共有化し、稼動率を上げることで、電力変換装置を交流電源毎に備える必要がなくなり、複数の異なる交流電源を有する駆動システムの小型、軽量化、簡略化が可能となる。さらに、鉄道車両編成に適用した場合には、異なる交流電源への対応が可能でありながら、列車の編成重量低減、保守費用低減、部品点数減少による信頼性向上が期待できる。また、装置の小型、軽量化に伴い、装置のぎ装の自由度が増し、列車編成構成の自由度も増大するため、より汎用性の高い鉄道車両を提供することが可能となる。
本発明の一実施形態を示す駆動システム図である。 本発明の一実施形態を示す駆動システム図である。 本発明の一実施形態を示す駆動システム図である。 従来技術を適用した列車編成の構成例を示す図である。 本発明を適用した列車編成の構成例を示す図である。 従来技術の一例を示す駆動システム図である。 本発明を５両編成に適用した際の構成例を示す図である。 本発明を６両編成に適用した際の構成例を示す図である。 本発明を８両編成に適用した際の構成例を示す図である。 本発明を７両編成に適用した際の構成例を示す図である。 本発明を５両編成に適用した際の他の構成例を示す図である。 本発明を５両編成に適用した際の他の構成例を示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。本発明を構成する鉄道車両用駆動システムの例および鉄道車両編成への適用例を図１〜図６を用いて説明する。
〔実施例１〕
図１に示すように本実施例の駆動システムは、単相交流電源である変電所と接続される架線（図示しない）から単相交流電力を取り込む集電装置１と、架線電圧を降圧する主変圧器１１とを備え、主変圧器１１の低圧側には巻線が二つ配置されており、各巻線には単相交流が供給される。また、駆動システムは、自己消弧能力を有する半導体素子（例えばＩＧＢＴ）とダイオードとが逆並列に接続された接続体を二個直列接続して構成されたスイッチング回路を二相分備えた交流電力を直流電力に変換する電源用電力変換回路２１および電源用電力変換回路２２と、前記主変圧器１１と前記電源用電力変換回路２１，２２の間に接続された接触器１２と、前記電源用電力変換回路２１、２２の直流側に接続され直流電圧を平滑する平滑コンデンサ３と、前記平滑コンデンサ３の両端の電圧を電圧源として、半導体素子の組合せにより構成され主電動機５を駆動する電動機駆動用変換回路４と、エンジンおよび該エンジンと連結した発電機からなり三相交流電源を供給する発電ユニット６と、前記主変圧器１１と前記電源用電力変換回路２１，２２の接続点（前記電源用電力変換回路２１，２２の交流側）と、前記発電ユニット６の三相交流出力との間に接続された接触器１３と、を有する鉄道車両用駆動システムである。
図１の例では、列車が架線下すなわち電化区間を走行している場合においては前記接触器１２を閉じ、前記接触器１３を開く。前記電源用電力変換回路２１，２２には主変換器１１からそれぞれ単相交流電力が供給されるため、前記電源用電力変換回路２１，２２を構成する半導体素子を単相交流を直流へ変換するように適宜スイッチングさせることで、架線から供給される単相の交流電圧を前記電源用電力変換回路２１，２２によって変換し、直流電圧を得て、電動機駆動用変換回路４により主電動機５を駆動する。
一方、列車が架線の無い区間すなわち非電化区間走行している場合には、前記接触器１２を開き、前記接触器１３を閉じる。ここで、発電ユニット６から供給される三相交流の二相分は前記電源用電力変換回路２１の交流側に接続され、残る一相分は前記電源用電力変換回路２２を構成する二相分の電力変換回路の一相分２２１を構成する半導体素子に接続されている。前記電源用電力変換回路２２の一相分２２１を構成する半導体素子と、前記電源用電力変換回路２１の二相分の電力変換回路と、を三相交流を直流に変換するように適宜スイッチングさせ、前記発電ユニット６の三相交流出力電圧を直流電圧に変換する。また、このとき前記電源用電力変換回路２２のスイッチング動作していない一相分２２２を構成する半導体素子に対しては、不必要なスイッチングを防止するためオフ指令を与える。ここで、車両が架線下（電化区間）を走行中であって架線が異常状態である場合に、上述の制御を行っても、本発明の効果を得ることができる。
ここで、比較のために図６に示した従来例との差異から、本発明から得られる利点について簡単に説明する。なお、図１と同様の機能を有する部分については同一の番号で示し、ここでは説明しない。図６の例では、主変圧器１１専用の電源用電力変換回路２１と２２および発電ユニット６専用の三相電源用電力変換回路６１を具備している。
これに対し、本発明では、電源の変更（架線または発電ユニット）に応じて図１に示す接触器１２，１３を切替えることで、直流電力を生成する電力変換回路を構成する半導体素子を共有化し、電源用電力変換回路２１，２２に、これらが持つ本来の機能である、主変圧器１１の交流出力を直流電圧へ変換する電源用電力変換回路の機能に加え、発電ユニット６の三相交流出力電圧を直流電圧へ変換する機能を持たせることで、電力変換回路の数を減少させて駆動システムの小型、軽量化を図ることができる。
本発明の列車編成における効果を図４および図５を用いて説明する。図５に示すように従来の駆動システムでは、車両のぎ装スペースと装置の容積、重量の制約から、主変圧器１１と、電源用電力変換回路２１，２２、平滑コンデンサ３、駆動用電力変換回路４からなる電力変換装置部と、発電ユニット６および三相電源用電力変換回路６１と、をそれぞれ別の車両にぎ装する必要があった。このため、車両間の渡る電線の数が増加するため電線による重量増大やぎ装コストの増大などの課題があった。また、三両編成以上の列車にしか対応できないという課題があった。
本発明によれば、電源用電力変換回路２１，２２、平滑コンデンサ３、駆動用電力変換回路４からなる電力変換装置部と、発電ユニット６と、接触器１２，１３を同一車両にぎ装できるため、車両間を渡る電線数を従来システムと比較して少なくすることができ、列車の軽量化、低コスト化、高信頼化を実現することができる。また、最小車両数が二両となるため編成列車を組む上で自由度が高くなる。例えば、五両編成の編成列車が必要とされる場合に、従来例では一つの駆動システム（三両）と駆動システムを搭載しない二車両を連結して編成列車を構成することになるが、本発明では、一つの駆動システム（二両）と駆動システムを搭載しない三車両を連結した編成列車、または二つの駆動システム（四両）と駆動システムを搭載しない一車両を連結した編成列車、のいずれかを必要な駆動力に応じて選択することが可能となり、編成の自由度が高くなる。さらに、少ない車種数で列車編成を構成できるというメリットが得られる。この結果、車両管理、運用の観点からも自由度が高くなり、保守、運用を容易にできる。
図１に示す駆動システムの非電化区間走行時における運転方法として、本実施例では、上述した通り、一相分２２２を構成する半導体素子には、不必要なスイッチングを防止するためオフ指令を与え、前記電源用電力変換回路２２の一相分２２１を構成する半導体素子と、前記電源用電力変換回路２１の二相分の電力変換回路と、には適宜スイッチングさせることを説明した。しかし、非電化区間走行時における別の運転方法として、下記のように運転方法も適用可能である。接触器１２を開き、接触器１３を閉じ、電源用電力変換回路２１，２２を構成する半導体素子全てにオフ指令を与える。この場合、電源用電力変換回路２１，２２を構成する各半導体素子に逆並列に接続されたダイオードにより、ダイオード整流回路が構成されることになるため、発電ユニット６の出力である三相交流電圧を電源用電力変換回路２１，２２により整流することが可能となり、この運転方法においても本発明の目的を達成することができる。
ここで、列車が電化区間と非電化区間のどちらを走行しているかは、パンタグラフ電圧の検出結果により判断しても良い。また、速度発電機やＧＰＳにより生成される列車の走行位置と、予め記憶しておいた電化区間の位置情報とを比較した結果により判断しても良い。また、地上子などの地上側設備から電化／非電化区間の情報を受信して判断することも可能である。
さらに、車両が架線下（電化区間）を走行中であって架線が異常状態であるかどうかの判断は、パンタグラフ電圧の検出結果により判断することが可能である。
電源用電力変換回路２１，２２を構成する半導体素子の電流容量は、架線から電源を得る場合の最大電力および発電ユニット６から電源を得る場合の最大電力の大きい方に合わせて設計することは言うまでもない。
また、図１の例では主変圧器１１は、駆動システム用低圧巻線が二巻の場合を例にとっているが、低圧巻線を四巻として二つの駆動システムに電源を供給しても良いし、低圧巻線を六巻として三つの駆動システムに電源を供給しても良い。もしくは、低圧巻線の巻数をさらに多くして、四つ以上の複数の駆動システムに電源を供給しても良い。
実施例１では、一つの駆動システムに対して二つの低圧巻線から電力を供給する例を挙げているが、本発明はこれに限られず、低圧巻線の数は三つ以上であって良い。また、一つの駆動システムに対して電力を供給する発電ユニットは、一つである必要はなく、二つ以上の発電ユニットを接続しても良い。このように駆動システム内に多数の低圧巻線または発電ユニットから電力が供給される場合において、電源用電力変換回路２１，２２は、複数の異なる交流電源の内、最大相数となる交流電源の相数と対応する数の交流入力端を少なくとも有し、接触器により接続された交流電源の交流電力に応じて半導体素子を動作させて、当該交流電力を直流電力に変換する。
〔実施例２〕
次に、図２を用いて別の実施例について説明する。図２は主変圧器１１の低圧側の一巻線に対して一つの駆動システムが接続される場合の例である。図２の例では、主変圧器１１の低圧側の一巻線に電源用電力変換装置２１が接続されており、低圧側の一巻線と電源用電力変換装置２１との間には、接触器１４が接続されている。つまり、図１における接触器１２に替わって、一相分（二相）タイプの接触器１４が接続されている。さらに、図１における電源用電力変換回路２２に替わり、電力変換回路一相分の電源用電力変換回路２３を備える。つまり、発電ユニット６から供給される三相交流の二相分は前記電源用電力変換回路２１の交流側に接続され、残る一相分は前記電源用電力変換回路２３の交流側に接続されている。他の部分の構成および動作は、実施例１と同じである。
図２の例では、架線下すなわち電化区間においては前記接触器１４を閉じ、前記接触器１３を開き、架線を電源として前記電源用電力変換回路２１を構成する半導体素子を単相交流を直流へ変換するように適宜スイッチングさせ、直流電圧を得て、電動機駆動用変換回路４にて主電動機５を駆動する。このとき、前記電源用電力変換回路２３を構成する半導体素子に対しては、不必要なスイッチングを防止するためオフ指令を与える。
一方、架線の無い区間すなわち非電化区間では、前記接触器１４を開き、前記接触器１を閉じ、前記電源用電力変換回路２１と、前記一相分の電源用電力変換回路２３を構成する半導体素子を三相交流を直流に変換するように適宜スイッチングさせ、前記発電ユニット６の三相交流出力を直流に変換する。
これにより、実施例１の場合と同様、架線から電力を得る場合に必要な電力変換回路と、発電ユニット６から電力を得る場合に必要な電力変換回路を個別に備える必要がなくなり、駆動システムを小型、軽量化することができる。
図２に示す駆動システムの非電化区間における運転方法として、本実施例では、上述した通り、前記電源用電力変換回路２２および前記電源用電力変換回路２３を構成する半導体素子を適宜スイッチングさせることを説明したが、非電化区間における別の運転方法として、下記のように運転方法も適用可能である。非電化区間において接触器１４を開き、接触器１３を閉じ、電源用電力変換回路２１，２３を構成する複数の半導体素子全てにオフ指令を与える。この場合、各半導体素子に逆並列に接続されたダイオードにより、ダイオード整流回路が構成されることになるため、発電ユニット６の出力である三相交流電圧を整流することが可能となり、この運転方法においても本発明の目的を達成することができる。
〔実施例３〕
次に、図３を用いて別の実施例について説明する。図３は主変圧器１１の低圧側の一巻線に対して一つの駆動システムが接続される場合の実施例であり、図２とは異なる実施例である。
図３においては、図２に示す実施例の一相分の電力変換回路２３に替わり、ダイオードからなる電力変換回路２４を適用したものである。他の部分の構成は、実施例１や実施例２と同じである。
図３の例では、架線下すなわち電化区間においては前記接触器１４を閉じ、前記接触器１３を開き、架線を電源として前記電源用電力変換回路２１を構成する半導体素子を単相交流を直流へ変換するように適宜スイッチングさせ、直流電圧を得て、電動機駆動用変換回路４にて主電動機５を駆動する。
一方、架線の無い区間すなわち非電化区間では、前記接触器１４を開き、前記接触器１３を閉じ、電源用電力変換回路２１を構成する半導体素子にオフ指令を与えて、前記電源用電力変換回路２１を構成するダイオードおよび電力変換回路２４により構成される整流回路により、前記発電ユニット６の三相交流出力を直流に整流する。
これにより、非電化区間において、前記電源用電力変換回路２１およびダイオード整流回路である前記電力変換回路２４によって発電ユニット６の三相交流出力から直流を得ることが可能となる。図３の例では、図２よりも更なる装置の小型、軽量化が期待できる。
図２および図３に示した実施例２、３において、電源用電力変換回路２１を構成する半導体素子の電流容量は、架線から電源を得る場合の最大電力および発電ユニット６から電源を得る場合の最大電力の大きい方に合わせて設計する。また、電源用電力変換回路２３を構成する半導体素子、または電力変換回路２４を構成するダイオードの電流容量は、発電ユニット６から電源を得る場合の最大電力に合わせて設計する。
ここで、架線から電力を得ている場合の最大電力よりも、車上の発電ユニット６から電力を得ている場合の最大電力が小さい場合には、電源用電力変換回路２３を構成する半導体素子、または電力変換回路２４を構成するダイオードの電流容量・冷却装置の冷却容量を電源用電力変換回路２１よりも小容量化することができ、更なる小型、軽量化が期待できる。
また、図１〜図３に記載の各実施例において、電力変換回路（２１，２２，２３，２４，４）の直流側には平滑コンデンサ３のみが示されているが、交流電源の整流に伴う整流リプルを除去するフィルタ回路が接続されていても本発明の効果に影響はない。もちろん、前記平滑コンデンサ３に前記平滑コンデンサ３を電圧源として車上の電気機器（例えば、照明機器、空調機器など）に電源を供給する補助電源装置ＡＰＳを接続しても本発明の効果が得られることは言うまでもない。さらに、図１〜図３の例における接触器（１２，１３，１４）は、接点式であっても（オン，オフ指令で導通状態を切替える）半導体方式であっても本発明の効果には影響しない。
図２、図３に示した実施例２、３では、主変圧器１１は駆動システム用低圧巻線が一巻の場合を例にとっているが、低圧巻線を二巻以上として、二つ以上の駆動システムに電源供給しても良い。
上述した各実施例では、複数の電源として、エンジンと発電機からなる発電ユニット６、架線を例に挙げたが、電源はこれらに限られず、交流電力を発生する他の電源への置き換えるも可能であり、また、交流電力を発生する他の電源を追加的に接続することも可能である。その際には、他の電源が三相交流電源である場合には、各実施例における電源ユニット６と同様に電力変換回路へ接続され、他の電源が単相交流電源である場合には、各実施例における主変圧器１１と同様に電力変換回路へ接続される。
上述した各実施例で説明した駆動システムを搭載する鉄道車両を複数連結して、複数の駆動システムを搭載する編成列車を構成することが可能である。また、各実施例で説明した駆動システムを一個搭載する鉄道車両と駆動システムを搭載しない鉄道車両とを連結して一つの駆動システムを搭載する編成列車を構成することも可能である。
〔実施例４〕
次に、実施例１〜３の各実施例で説明した駆動システムを、複数車両が連結された編成列車に適用した際の一実施例について、図７、８、９を用いて説明する。
図７では、５つの車両１〜５により編成列車を構成される。車両２，３，４には、エンジンと発電機で構成される発電ユニット６と、電源用電力変換回路２１，２２で構成されるコンバータと、主電動機５と、電動機駆動用変換回路４と、接触器１２，１３とが搭載されており、接触器１２が接続された場合には、コンバータは主変圧器１１から供給される単相の交流電力を直流電力に変換して電動機駆動用変換回路４へ供給する。ここで、車両２に搭載されたコンバータは、車両１に搭載された主変圧器１１の低圧側の二巻線と接触器１２を介して接続され、車両３，４に搭載されたコンバータは、車両５に搭載された主変圧器１１の低圧側の二巻線と接触器１２を介してそれぞれ接続されている。
図７では、実施例１に記載のように、主変圧器１１の低圧側の二巻線に対して一つの駆動システムが接続される場合であって、電源用電力変換回路２１，２２で構成されるコンバータを搭載する例を示しているが、主変圧器１１の低圧側の一巻線に対して一つの駆動システムが接続される場合に、実施例２のように、コンバータを電源用電力変換回路２１と電源用電力変換回路一相分２３で構成することも可能であり、実施３のように、コンバータを電源用電力変換回路２１とダイオードからなる電力変換回路２４で構成することも可能である。
車両１，５には、集電装置１と、主変圧器１１と、補助電源装置ＡＰＳと、が搭載されており、補助電源装置ＡＰＳは、複数の駆動車に搭載された複数のコンバータの直流側と接続され、コンバータから供給される直流電力を商用周波数の交流電力や主回路の直流電力よりも低圧の直流電力に変換して、編成列車の各車両１〜５に搭載された照明機器、空調機器などの補機に電源を供給する。ここで、補助電源装置ＡＰＳは、複数のコンバータの直流側のいずれかと接続できるように、接続先を選択できる選択手段を備えており、一部のコンバータに異常が発生した場合であっても、他のコンバータから直流電力の供給を受けることが可能となるように構成される。
図８は、図７に示した編成列車に、発電ユニットとコンバータとインバータと電動機と主変圧器のいずれも搭載していない車両を車両３として追加した構成である。このように、必要とされる輸送量に応じて１両以上の非駆動車を適宜追加することが可能である。
図９では、８つの車両１〜８により編成列車を構成される。車両２，３，６，７には、エンジンと発電機で構成される発電ユニット６と、電源用電力変換回路２１，２２で構成されるコンバータと、主電動機５と、電動機駆動用変換回路４と、が搭載されており、コンバータは主変圧器１１または発電ユニット６から供給される交流電力を直流電力に変換して電動機駆動用変換回路４へ当該直流電力を供給する。ここで、車両２，３に搭載されたコンバータは、車両１に搭載された主変圧器１１の低圧側の二巻線と接続され、車両６，７に搭載されたコンバータは、車両８に搭載された主変圧器１１の低圧側の二巻線とそれぞれ接続されている。
図９では、実施例１に記載のように、主変圧器１１の低圧側の二巻線に対して一つの駆動システムが接続される場合であって、電源用電力変換回路２１，２２で構成されるコンバータを搭載する例を示しているが、主変圧器１１の低圧側の一巻線に対して一つの駆動システムが接続される場合に、実施例２のように、コンバータを電源用電力変換回路２１と電源用電力変換回路一相分２３で構成することも可能であり、実施３のように、コンバータを電源用電力変換回路２１とダイオードからなる電力変換回路２４で構成することも可能である。
両端の車両１，８には、集電装置１と、主変圧器１１と、補助電源装置ＡＰＳと、が搭載されており、車両５には、補助電源装置ＡＰＳが搭載されている。車両４は、補助電源装置ＡＰＳや主変圧器１１や発電ユニットや電動機等が搭載されていない車両である。車両１，５，８に搭載された補助電源装置ＡＰＳは、複数の駆動車に搭載された複数のコンバータの直流側と接続され、コンバータから供給される直流電力を商用周波数の交流電力や主回路の直流電力よりも低圧の直流電力に変換して、編成列車の各車両１〜８に搭載された照明機器、空調機器などの補機に電源を供給する。ここで、補助電源装置ＡＰＳは、複数のコンバータの直流側のいずれかと接続できるように、接続先を選択できる選択手段を備えており、一部のコンバータに異常が発生した場合であっても、他のコンバータから直流電力の供給を受けることが可能となるように構成される。
図１０は、図９に示す編成列車から補助電源装置ＡＰＳが搭載されている非駆動車の車両５を取り除き、７両編成とした例である。このように、必要とされる輸送量や補助電源の電力や駆動力に応じて、総車両数や補助電源装置ＡＰＳの搭載数や電動機を搭載した車両や駆動車の数を適宜調整することが可能である。
図１１では、５つの車両１〜５により編成列車を構成し、中央の車両２，３，４に発電ユニットとコンバータとインバータと電動機を搭載し、両端の車両１，５には、電動機等を搭載しない構成としている。車両２，３，４には、エンジンと発電機で構成される発電ユニット６と、電源用電力変換回路２１，２２で構成されるコンバータと、主電動機５と、電動機駆動用変換回路４と、が搭載されており、コンバータは主変圧器から供給される交流電力を直流電力に変換して電動機駆動用変換回路４へ当該直流電力を供給する。ここで、車両２，３，４に搭載された各コンバータは、車両５に搭載された主変圧器１１の低圧側の二巻線と接続されている。
図１１では、実施例１に記載のように、主変圧器１１の低圧側の二巻線に対して一つの駆動システムが接続される場合であって、電源用電力変換回路２１，２２で構成されるコンバータを搭載する例を示しているが、主変圧器１１の低圧側の一巻線に対して一つの駆動システムが接続される場合に、実施例２のように、コンバータを電源用電力変換回路２１と電源用電力変換回路一相分２３で構成することも可能であり、実施３のように、コンバータを電源用電力変換回路２１とダイオードからなる電力変換回路２４で構成することも可能である。
車両５には、集電装置１と、主変圧器１１と、補助電源装置ＡＰＳと、が搭載されている。主変換器１１は、車両２，３，４に搭載されたコンバータへ電力を供給するために、低圧側の巻線を６つ備え、２巻線がそれぞれコンバータと接続されている。車両１には、集電装置１と、補助電源装置ＡＰＳと、が搭載されており、車両１の集電装置は電線により車両５の主変圧器と接続されている。車両１，５に搭載された補助電源装置ＡＰＳは、複数の駆動車に搭載された複数のコンバータの直流側と接続され、コンバータから供給される直流電力を商用周波数の交流電力や主回路の直流電力よりも低圧の直流電力に変換して、編成列車の各車両１〜５に搭載された照明機器、空調機器などの補機に電源を供給する。ここで、補助電源装置ＡＰＳは、複数のコンバータの直流側のいずれかと接続できるように、接続先を選択できる選択手段を備えており、一部のコンバータに異常が発生した場合であっても、他のコンバータから直流電力の供給を受けることが可能となるように構成される。
図１１では、駆動力を発生させる駆動システムを構成する装置を車両２〜車両５に分散して配置した例を示しているが、必要とされる輸送量に応じて、駆動システムを構成する装置（発電ユニットやコンバータやインバータや電動機や変圧器や集電装置）を搭載しない非駆動車を１両以上適宜追加することが可能である。
上述した図７〜図１１では、駆動システムを構成する各装置を複数の車両に分散して配置する例を示したが、比較的低速で運行されるため必要とされる最大駆動出力が大きくない編成列車に本発明を適用する場合は、駆動システムの重量が大きくないため、図１２に示すように駆動システムを構成する各装置（パンタグラフ、主変圧器、発電ユニット、コンバータ、インバータ、電動機）を一つの車両に集中して搭載することもできる。また、軌道側がダメージに強く軌道が許容する車両重量が大きい場合にも、同様に、駆動システムを構成する各装置を一つの車両に集中して搭載することができる。このように、駆動システムを構成する各装置を一つの車両に集中して搭載した場合には、駆動システムを構成する各装置間の電気配線の数を減らすことができるという優位性がある。
機関車は、編成列車を駆動する駆動力を得るために、多くの機器を搭載しており、通常、列車を構成する客車の数倍の重量がある。例えば、日本国内を走行している新幹線列車のように、駆動装置などの列車に必要な機能を分散配置した動力分散型の列車と比較して、機関車は、軸重のある車軸により、軌道へのダメージが大きくなる、あるいは、重量が集中した車両に対しては、大容量のブレーキ装置が必要であるなどの理由により、列車の高速化に限界があると言う課題がある。そのため、図７〜１１に記載のように複数の車両に発電ユニットやコンバータや電動機駆動用変換回路４や電動機などの駆動システムを構成する機器を分散配置することが望ましい。
しかし、このように機器を複数の車両に分散して配置した場合には、各発電ユニットが発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータが必要となり、コンバータの数が増大し、駆動システムの重量増加やコスト増加やメンテナンスの煩雑化という問題が生じる。そこで、本実施例で説明したように、機器を複数の駆動車に分散して配置した編成列車に、実施例１〜３で説明した駆動システムを用いることにより、コンバータの数が増大することを抑制して駆動システムの重量増加やコスト増加やメンテナンスの煩雑化という問題を防止することができる。
また、本実施例により、コンバータの数を削減することが可能となるため、駆動に必要な発電ユニット６やコンバータや電動機駆動用変換回路４や主電動機５を１車両内に搭載することができ、車両間に跨る駆動電力供給用の電線の数を低減させることができる。さらに、主変圧器１１や補助電源装置ＡＰＳなどの他の機器を他の車両に搭載することにより、車両間の重量のアンバランスによる特定車両の重量が増大することを防止でき、軌道へのダメージを抑えることが可能となる。
１ 集電装置
３ 直流フィルタコンデンサ
４ 電動機駆動用変換回路（モータ駆動用インバータ回路）
５ 主電動機
６ 発電ユニット
１１ 主変圧器
１２，１３，１４ 接触器
２１，２２ 電源用電力変換回路
２３ 電源用電力変換回路一相分
２４ ダイオードからなる電力変換回路
６１ 三相電源用電力変換回路
２２１，２２２ 電源用電力変換回路２２を構成する変換回路一相分

Claims (24)

  1. 交流電力を直流電力に変換する第一の電力変換装置と、
    前記第一の電力変換装置で変換された直流電力を電源として電動機を駆動する第二の電力変換装置と、を備えた駆動システムにおいて、
    前記第一の電力変換装置は、複数の交流電源とそれぞれ接続されており、
    前記複数の交流電源と前記第一の電力変換装置との間に接続されて、前記複数の交流電源の一部を前記第一の電力変換装置と接続させる切替え手段を備え、
    前記第一の電力変換装置は、前記切替え手段により接続された交流電源に応じた電力変換動作を行うことを特徴とする駆動システム。
  2. 請求項１に記載の駆動システムにおいて、
    前記複数の交流電源は、互いに異なる相数の交流電力を供給する複数の交流電源を有しており、
    前記第一の電力変換装置は、前記切替え手段により接続された交流電源が供給する交流電力の相数に応じて、当該交流電力を直流電力へ変換する動作を行うことを特徴とする駆動システム。
  3. 請求項２に記載の駆動システムにおいて、
    単相交流電源と接続された架線から単相交流電力を集電するパンタグラフと、
    集電した前記単相交流電力を降圧する主変圧器と、
    エンジンと三相交流発電機を有して三相交流電力を出力する発電ユニットと、を備え、
    前記切替え手段は、前記第一の電力変換装置の交流側を、前記主変圧器の低圧側の巻線と前記発電ユニットの出力のいずれか一方に接続し、他方を開放することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  4. 請求項３に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
    前記主変圧器の低圧側には前記巻線が複数個設けられており、
    前記第一の電力変換装置は、自己消弧能力を有する半導体素子とダイオードとが逆並列に接続された接続体を二個直列接続して構成される電力変換回路を四相分備え、前記電力変換回路の二相分は前記切替え手段を介して一方の前記巻線と接続され、前記電力変換回路の他の二相分は前記切替え手段を介して他方の前記巻線と接続され、
    車両が架線設置区間を走行している場合には、前記切替え手段により、前記主変圧器の低圧側の二巻線と四相分の前記電力変換回路とを接続して、単相交流電力を前記第一の電力変換装置に供給し、
    車両が架線の無い区間または異常状態である架線区間を走行している場合には、前記切替え手段により、前記発電ユニットの三相交流出力と三相分の前記電力変換回路とを接続して、前記発電ユニットから出力される三相交流電力を前記第一の電力変換装置に供給することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  5. 請求項４に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
    車両が架線の無い区間または異常状態である架線区間を走行している場合に、前記切替え手段により前記発電ユニットと接続された三相分の前記電力変換回路を構成する前記半導体素子を入力される三相交流電力を直流電力に変換するように動作させ、残りの一相分の前記電力変換回路を構成する前記半導体素子を非導通状態に保つことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  6. 請求項４に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
    車両が架線の無い区間または異常状態である架線区間を走行している場合に、前記切替え手段により前記発電ユニットと接続された三相分の前記電力変換回路へ三相交流電力を供給し、前記第一の電力変換装置を構成する全ての前記半導体素子を非導通状態に保ち、前記半導体素子に逆並列接続された前記ダイオードにより、前記発電ユニットから出力される三相交流電力を整流して直流電力を得ることを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  7. 請求項３に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
    前記第一の電力変換装置は、自己消弧能力を有する半導体素子とダイオードとが逆並列に接続された接続体を二個直列接続して構成される電力変換回路を三相分備え、前記電力変換回路の二相分は前記切替え手段を介して前記巻線と接続され、
    車両が架線設置区間を走行している場合には、前記切替え手段により、前記主変圧器の低圧側の前記巻線と二相分の前記電力変換回路とを接続して、単相交流電力を前記第一の電力変換装置に供給し、
    車両が架線の無い区間または異常状態である架線区間を走行している場合には、前記切替え手段により、前記発電ユニットの三相交流出力と三相分の前記電力変換回路とを接続して、前記発電ユニットから出力される三相交流電力を前記第一の電力変換装置に供給することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  8. 請求項７に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
    車両が架線設置区間を走行している場合には、前記電力変換回路の三相分の内、前記切替え手段を介して前記巻線と接続されていない一相分の前記電力変換回路を構成する前記半導体素子を非導通状態に保つことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  9. 請求項７または請求項８に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
    前記切替え手段を介して前記主変圧器の巻線および前記発電ユニットと接続可能な二相分の前記電力変換回路は、前記主変圧器から供給される最大電力と前記発電ユニットから供給される最大電力の大きい方に合わせた電流容量を有することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  10. 請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
    前記主変圧器の巻線には接続されておらず、前記切替え手段を介して前記発電ユニットと接続可能な一相分の前記電力変換回路は、前記発電ユニットの最大電力に合わせた電流容量を有することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  11. 請求項３に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
    前記第一の電力変換装置は、自己消弧能力を有する半導体素子とダイオードとが逆並列に接続された接続体を二個直列接続して構成される電力変換回路を二相分と、二つのダイオードを直列接続して構成される一相分の整流回路と、を備え、
    前記電力変換回路の二相分は前記切替え手段を介して前記巻線と接続され、
    車両が架線設置区間を走行している場合には、前記切替え手段により、前記主変圧器の低圧側の前記巻線と二相分の前記電力変換回路とを接続して、単相交流電力を前記第一の電力変換装置に供給し、
    車両が架線の無い区間または異常状態である架線区間を走行している場合には、前記切替え手段により、前記発電ユニットの三相交流出力と二相分の前記電力変換回路および一相分の前記整流回路を接続して、前記発電ユニットから出力される三相交流電力を前記第一の電力変換装置に供給することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  12. 請求項１１に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
    車両が架線の無い区間または異常状態である架線区間を走行している場合には、前記切替え手段により前記発電ユニットと接続された二相分の前記電力変換回路および一相分の前記整流回路へ三相交流電力を供給し、前記二相分の前記電力変換回路を構成する全ての前記半導体素子を非導通状態に保ち、前記半導体素子に逆並列接続された前記ダイオードおよび一相分の前記整流回路により、前記発電ユニットから出力される三相交流電力を整流して直流電力を得ることを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  13. 請求項１１または請求項１２に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
    前記切替え手段を介して前記主変圧器の巻線および前記発電ユニットと接続可能な二相分の前記電力変換回路は、前記主変圧器から供給される最大電力と前記発電ユニットから供給される最大電力の大きい方に合わせた電流容量を有することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  14. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
    前記主変圧器の巻線には接続されておらず、前記切替え手段を介して前記発電ユニットと接続可能な一相分の前記整流回路は、前記発電ユニットの最大電力に合わせた電流容量を有することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  15. 請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の駆動システムにおいて、
    車上の電気機器に電力を供給する補助電源装置を前記第一の電力変換装置の直流側に接続し、前記補助電源装置に直流電力を供給することを特徴とする駆動システム。
  16. 請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の駆動システムを搭載した鉄道車両。
  17. 請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の駆動システムを搭載した鉄道車両を複数連結して構成される編成列車。
  18. 請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の駆動システムを搭載した鉄道車両と、当該駆動システムを搭載していない鉄道車両と、を連結して構成される編成列車。
  19. 請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の駆動システムを複数の鉄道車両に跨って搭載し、当該複数の鉄道車両を連結して構成される編成列車。
  20. 請求項１９に記載の編成列車において、
    前記駆動システムを搭載した前記複数の鉄道車両と、前記駆動システムを搭載していない鉄道車両と、を連結して構成される編成列車。
  21. 請求項３乃至請求項１４のいずれかに記載の駆動システムを有し、複数の鉄道車両を連結して構成される編成列車において、
    前記パンタグラフと前記主変圧器とを備える第一の鉄道車両と、
    前記発電ユニットと前記第一の電力変換装置と前記電動機と前記第二の電力変換装置とを備える第二の鉄道車両と、を連結して構成される編成列車。
  22. 請求項２１に記載の編成列車において、
    少なくとも１両以上の前記第一の鉄道車両と、
    少なくとも２両以上の前記第二の鉄道車両と、を備えることを特徴とする編成列車。
  23. 請求項２１または請求項２２に記載の編成列車において、
    前記第一の鉄道車両と前記第二の鉄道車両に加えて、前記パンタグラフと前記主変圧器と前記発電ユニットと前記第一の電力変換装置と前記電動機と前記第二の電力変換装置のいずれも搭載していない第三の鉄道車両を有し、
    前記第一の鉄道車両と前記第二の鉄道車両と第三の鉄道車両を連結して構成される編成列車。
  24. 請求項１７または請求項２２に記載の編成列車において、
    前記第一の鉄道車両は、前記第二の鉄道車両に搭載された複数の前記第一の電力変換装置の直流部と接続され、車両に搭載される電気機器へ電力を供給する補助電源装置を備え、
    当該補助電源装置は、接続先を複数の前記第一の電力変換装置から選択可能な選択手段を備えることを特徴とする編成列車。
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