WO2010103859A1 - 鉄道車両システムとその制御方法 - Google Patents

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WO2010103859A1
WO2010103859A1 PCT/JP2010/001805 JP2010001805W WO2010103859A1 WO 2010103859 A1 WO2010103859 A1 WO 2010103859A1 JP 2010001805 W JP2010001805 W JP 2010001805W WO 2010103859 A1 WO2010103859 A1 WO 2010103859A1
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power
overhead wire
main transformer
voltage
vehicle
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PCT/JP2010/001805
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野木雅之
稲垣克久
結城和明
中沢洋介
小泉聡志
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株式会社 東芝
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Definitions

  • the present invention relates to a railway vehicle system that suppresses the inflow of a magnetizing inrush current to a main transformer generated when connecting an AC electric vehicle to an overhead wire, and a control method thereof.
  • Patent Document 1 While it is possible to suppress the excitation inrush current in the switching section, the vehicle main circuit current is temporarily narrowed when passing the switching section, and the ride comfort is deteriorated. A momentary power failure phenomenon occurs. Moreover, although suppression of the excitation inrush current by closing phase angle control of the switching section is effective in the feeding system using the switching section, it is not a countermeasure in the dead section. For example, when the dead section passes or when the vehicle stopped at the indwelling line lands on the pantograph and the transformer is excited, an excitation inrush current is generated in the main transformer. Moreover, in patent document 2, it is thought that equipment will be enlarged by putting a converter in the section in the switching section etc.
  • a "head line dead section sign" is installed before the dead section, and when passing through the dead section of the vehicle, this sign is visually recognized to perform notch off operation. The driver is obliged to pass in a state of coasting.
  • the present invention is proposed to solve the problems of the prior art as described above. That is, the first object of the present invention is a railway vehicle system capable of suppressing the excitation inrush current of the main transformer at the time of overhead wire connection due to the pantograph rise when passing the switching section / dead section and the railway vehicle system It is providing a control method.
  • a second object of the present invention is to provide a railway vehicle system and its control method which enable auxiliary power supply and contact operation between overhead wire and pantograph at the time of overhead power failure.
  • the railway vehicle system of the present invention performs reverse excitation of a main transformer by overhead voltage detection.
  • a current collector for obtaining AC power from an overhead wire is connected to a primary winding of a main transformer mounted on the vehicle, and a secondary drive of the main transformer is driven by a vehicle.
  • AC as a driving power conversion circuit for driving a motor connected with a circuit having an AC / DC power converter capable of converting AC from an overhead wire into DC and returning energy from the DC side to the AC side.
  • an AC / DC capable of regenerating operation like the AC / DC power converter of the driving power conversion circuit.
  • the railway vehicle system of the present invention supplies auxiliary power at the time of overhead line blackout.
  • a current collector for obtaining AC power from an overhead wire is connected to a primary winding of a main transformer mounted on the vehicle, and a secondary drive of the main transformer is driven by a vehicle.
  • AC as a driving power conversion circuit for driving a motor connected with a circuit having an AC / DC power converter capable of converting AC from an overhead wire into DC and returning energy from the DC side to the AC side.
  • the AC electric vehicle includes means for detecting a power failure of the overhead wire, a storage device is connected to the AC / DC power converter of the drive power conversion circuit, and the storage device is connected An auxiliary power supply circuit for supplying power to the auxiliary equipment is connected, and when a power failure of the overhead wire is detected by the means for detecting a power failure of the overhead wire, energy of the power storage device is transmitted through the auxiliary power supply circuit; Supplying to, characterized in that it is configured to drive the accessory.
  • the main transformer is reversely excited using the power storage device provided in the vehicle, and the voltage of the same phase as the overhead wire voltage
  • the railway vehicle system for supplying auxiliary machine power at the time of overhead line blackout according to the present invention, at the time of overhead line blackout, auxiliary electric power is supplied using a power storage device provided in the vehicle while contact operation between the overhead wire and pantograph is continued. Becomes possible.
  • a vehicle (AC electric vehicle) 100 includes a pantograph (current collecting device) 101 for obtaining AC power from an overhead wire 200, and a wheel 102 for traveling on the rail 300. There is.
  • a main transformer 110, drive motors 120a and 120b for the vehicle, and accessories 130 are mounted, and a main conversion circuit 140 for driving the drive motors 120a and 120b for the vehicle is provided. ing.
  • Main conversion circuit 140 includes AC / DC power converters 141a and 141b for converting AC to DC, smoothing capacitors 142a and 142b connected to the DC portion, and a motor driving power converter for inversely converting DC to AC. (Inverter) 143a, 143b are provided.
  • the main transformer 110 is provided with a tertiary winding 112c for auxiliary equipment, and an auxiliary power supply circuit 140c for supplying power to the auxiliary equipment 130 is provided.
  • the tertiary winding 112c is connected to the accessory 130 via the auxiliary power supply circuit 140c.
  • Power storage devices 150 and 150c are connected to the main conversion circuit 140 and the auxiliary power supply circuit 140c, respectively.
  • voltage / phase detection means 161 for detecting the voltage of the overhead wire 200 and its phase, and the circuit breaker 162 are provided.
  • the AC / DC power converters 141a and 141b of the main conversion circuit 140 energy is extracted from the AC power supply side to the DC side to reversely excite the secondary windings 112a and 112b of the main transformer 110. It uses a PWM converter that can perform electric operation and regeneration operation that returns energy from the DC side to the AC power supply side.
  • Power storage device 150 on the side of main conversion circuit 140 is connected in parallel to the intermediate DC portion of main conversion circuit 140, and stores the power converted into DC by AC / DC power converters 141a and 141b, and The regenerative energy of drive motors 120a and 120b connected to 140 is accumulated as electric power, and the accumulated electric power operates as a power supply for reverse excitation of main transformer 110.
  • the power storage device 150 an independent dedicated battery, an electric double phase capacitor, or the like is used as the power storage device 150.
  • the auxiliary device 130 includes various devices necessary for the operation of the vehicle, such as a computer mounted on the vehicle, an air conditioner, lighting, and communication devices. Similar to the main conversion circuit 140, the auxiliary power supply circuit 140c for auxiliary equipment includes an AC / DC power converter (PWM converter) 141c that converts AC to DC, a smoothing capacitor 142c connected to the DC portion, and DC Power converter (inverter) 143c for auxiliary equipment to convert into Note that, depending on the type of auxiliary device 130, it is possible to use a transformer circuit such as a DC-DC converter as the power converter 143c instead of the inverter.
  • PWM converter AC / DC power converter
  • inverter DC Power converter
  • Power storage device 150c on the side of auxiliary power supply circuit 140c is connected in parallel to the intermediate DC portion of auxiliary power supply circuit 140c, stores the power converted to DC by AC / DC power converter 141c, and uses the stored power to perform main transformation It operates as a power source for reverse excitation of the device 110.
  • the power storage device 150c as in the power storage device 150 on the main conversion circuit 140 side, an independent dedicated battery, an electric double phase capacitor, or the like is used.
  • the voltage / phase detection means 161 and the breaker 162 are connected in parallel between the pantograph 101 and the primary winding 111 of the main transformer 110, and opening the breaker 162 enables the main transformer 110 to be opened. It is possible to detect the overhead wire voltage using the voltage / phase detection means 161 without excitation.
  • the voltage / phase detection means 161 is not limited to a means which is electrically connected to the overhead wire 200 and directly detects the overhead wire voltage and its phase as shown in the figure, for example, like the electrostatic antenna, the overhead wire voltage without contact. Or the phase may be detected.
  • the operation of the first embodiment having such a configuration is as follows.
  • the stopped vehicle 100 connects the pantograph 101 to the overhead wire 200 and the main transformer 110 and the overhead wire 200 are connected, an excitation inrush current is generated depending on the overhead wire voltage phase at the time of connection.
  • the wire voltage and voltage phase are detected in advance by the voltage / phase detection means 161 so that the primary side voltage of the main transformer 110 is in phase with the wire voltage.
  • the excitation inrush current is suppressed by reversely exciting the main transformer 110 with at least one of the on-vehicle AC / DC power converters 141a, 141b, 141c (PWM converters).
  • the circuit breaker 162 is opened with the pantograph 101 lowered.
  • the pantograph 101 is connected to the overhead wire 200, and the voltage / phase detection means 161 detects the overhead wire voltage / phase.
  • the main transformer 110 is reversely excited so that the primary side of the main transformer 110 becomes the overhead wire voltage / phase detected by the voltage / phase detection means 161.
  • power is supplied from the power storage device 150c to the tertiary winding 112c for auxiliary equipment via the AC / DC power converter (PWM converter) 141c, and the main transformer 110 is configured using the tertiary winding 112c. Reverse excitation.
  • a secondary winding for driving a motor is used instead of using a tertiary winding 112c for auxiliary equipment and an AC / DC power converter (PWM converter) 141c and a storage device 150c connected thereto as a power source for reverse excitation.
  • the main transformer 110 can be reversely excited by supplying power from the power storage device 150 to the switches 112a and 112b via the AC / DC power converter (PWM converter) 141a and 141b.
  • the circuit breaker 162 is turned on, and then the pantograph 101 is raised to connect the overhead wire 200 and the main transformer 110.
  • the main transformer 110 by connecting the main transformer 110 to the overhead wire 200 in a state where a voltage of the same phase and the same degree as the overhead wire voltage is applied to the primary side, the excitation inrush current of the main transformer 110 is suppressed. Becomes possible.
  • the dead section 220 is provided between the overhead wires 210a and 210b of the first and second charging zones, and the overhead wires 210a and 210b of the first and second charging zones. Are respectively connected to the individual AC systems 230a and 230b.
  • the vehicle 100 of the second embodiment is provided with a vehicle position detection means 171 using a GPS or a transponder.
  • the approach of the vehicle 100 to the blackout section of the dead section 220 is detected from the change in overhead wire voltage acquired from the vehicle position detection means 171 or the voltage / phase detection means 161, and the circuit breaker 162 is Open.
  • the overhead voltage after the vehicle 100 passes through the dead section 220 is detected by the voltage / phase detection means 161, and the voltage phase and the magnitude of the overhead voltage are detected.
  • An AC / DC power converter 141a connected to the secondary windings 112a and 112b or the tertiary winding 112c of the main transformer 110 on the vehicle 100 side so as to have the same voltage value and the same phase as the detected voltage. , 141b or 141c and the storage device 150 or 150c connected to them, the main transformer 110 is reversely excited. Thereafter, when the voltage on the primary side of the main transformer 110 is in phase with the overhead wire voltage, the circuit breaker 162 is turned on.
  • the main transformer 110 is pre-excited in accordance with the voltage phase of the next charging section.
  • the driver is obliged to perform the notch-off operation when passing through the dead section.
  • the notch-off operation can be automated by opening the circuit breaker 162 as described above, so that the burden on the driver can be alleviated.
  • the output capacity of the auxiliary power supply circuit 140c connected to the tertiary winding 112c of the main transformer 110 and the capacity of the storage device 150c correspond to input / output power and energy required while passing through the blackout section of the dead section 220. If so, it is possible to pass through the dead section 220 in the power running / regeneration state.
  • a switching section 220c is provided at the connection portion of the overhead wires 210a and 210b of the first and second charging sections.
  • the switching section 220c includes a middle section 221 and switching switches 222a and 222b for connecting or disconnecting the middle section 221 to the overhead wires 210a and 210b of the first and second charging sections.
  • the vehicle 100 of the third embodiment includes a signal receiver 181 and a time measurement unit 182 using a GPS or the like.
  • the overhead wires 210a and 210b of the first and second charging sections are fed from substations 240a and 240b connected to AC networks 230a and 230b of different voltages, respectively.
  • transformation units 241a and 241b for converting the power received from the AC system 230a and 230b into electric power for charging, and voltages of the electricity that the transformation units 241a and 241b charge to the overhead wires 210a and 210b.
  • time / charging voltage phase detection units 242a and 242b for detecting the phase
  • time measurement units 243a and 243b for measuring the time when the phase is observed.
  • the information transmission units 244a and 244b are connected to the time / charging voltage phase detection units 242a and 242b of the substations 240a and 240b, and the information transmission units 244a and 244b on the ground equipment side are provided in the vehicle 100.
  • the time-voltage phase information is transmitted to the signal receiver 181.
  • the signal receiver 181 on the vehicle 100 side receives the time-voltage phase information from the time / charge voltage phase detection units 242a and 242b, and corrects the current time by the time measurement unit 182 such as GPS mounted on the vehicle. taking measurement.
  • the power from the substation 240a is not supplied to the middle section 221, resulting in a power outage.
  • the middle section 221 is supplied from the substation 240b to the overhead wire 210b of the second charging section.
  • a voltage will be applied.
  • a large exciting inrush current is generated.
  • the main transformer 110 is reversed by using the AC / DC power converters (PWM converters) 141a and 141b mounted on the vehicle side in order to suppress the excitation inrush current.
  • the voltage phase on the primary side of the main transformer 110 changes from the voltage phase supplied to the overhead wire 210a of the first charging interval to the same phase as the overhead wire 210b of the second charging interval. To control. As a result, when the switching switch 222b on the second charging section side is turned on and the middle section 221 is restored, the primary side of the main transformer 110 of the vehicle is in phase with the second charging section. Since it is excited by the voltage, the inrush current to the main transformer 110 can be suppressed.
  • an energy supply source for excitation and voltage phase information of the second charging interval are required.
  • the energy supply source as described in the first embodiment, using the power storage device 150 connected to the DC side of the AC / DC power converter (PWM converter) 141a, 141b, or forcibly forcing the vehicle to perform regenerative braking. There is a way to make energy supply. Further, if the energy is small, it is also possible to supply energy from the smoothing capacitors 142a and 142b on the DC side of the AC / DC power converter (PWM converter) 141a and 141b. Further, as in the first embodiment, the tertiary winding 112c can be excited by the power storage device 150c and the AC / DC power converter 141c provided in the auxiliary power supply circuit 140c.
  • For voltage phase information use various communication means that enable information communication between the ground and on the vehicle such as ATC, ground element laid on the track, induction radio using leaked coaxial cable, space radio, etc. Although it is possible to acquire, specifically, as shown in FIG. 3, the information transmission units 244 a and 244 b on the ground facility side and the signal reception unit 181 on the vehicle 100 side are used. Then, the communication means transmits, to the vehicle 100, the voltage phase observed by the substation 230b that supplies power to the overhead wire 210b of the second charging section to which the vehicle 100 enters and the time of the voltage phase.
  • the time measurement unit 182 for measuring the accurate current time estimates the voltage phase of the overhead wire 210b of the second voltage section at the current time from the information of the time-voltage phase of the overhead wire voltage transmitted. Do. As a result, the main transformer 110 can be excited so as to be in phase with the estimated voltage phase of the overhead wire 210b of the second charging section.
  • the main transformation when the vehicle enters the next feeding section by reverse excitation of the main transformer without providing the vehicle with a voltage / phase detection device or a circuit breaker, the main transformation is performed. It has the effect of suppressing the application of the excitation inrush current to the motor.
  • the method of performing reverse excitation of the main transformer by the overhead wire voltage detection of the present invention is not limited to the above embodiment, but also includes the following other embodiments.
  • position detection means provided in the vehicle is used to detect passage through the dead section, and during passage through the dead section, excitation energy of the transformer is converted to electric motor And supply it from the power converter that drives it.
  • the power storage device can be miniaturized or made unnecessary.
  • a basic configuration of a vehicle (AC electric vehicle) 100 that is, a main transformer 110, vehicle drive motors 120a and 120b, and an accessory 130 are mounted, and The main conversion circuit 140 for driving the drive motors 120a and 120b is provided in the same manner as the first embodiment.
  • the present embodiment in order to perform reverse excitation of the secondary windings 112a and 112b of the main transformer 110 as the AC / DC power converters 141a and 141b of the main conversion circuit 140, energy is transferred from the AC power supply side to the DC side.
  • the motor-operated operation to be taken out and the PWM converter capable of the regeneration operation to return energy from the DC side to the AC power supply side are also similar to the first embodiment.
  • the circuit configuration of the auxiliary power supply circuit 140c and the periphery thereof is different from that of the first embodiment, and also different from the first embodiment in that the power supply control device 190 is provided. ing. Such differences between the present embodiment and the first embodiment will be described below.
  • this embodiment is similar to the first embodiment in that the auxiliary power supply circuit 140c for supplying power to the auxiliary device 130 is provided, but the configuration of the auxiliary power supply circuit 140c is different from the first embodiment.
  • the AC / DC power converter 141 c is configured by the smoothing capacitor 142 c and the auxiliary converter power converter (inverter) 143 c.
  • a transformer circuit such as a DC-DC converter can be used as the power converter 143c instead of the inverter, as in the first embodiment.
  • the auxiliary device 130 includes various devices necessary for the operation of the vehicle such as a computer mounted on the vehicle, an air conditioner, lighting, communication devices, etc.
  • the auxiliary device 130 Furthermore, it includes an induction motor connected as an auxiliary motor, and during regenerative operation of the vehicle 100, regenerative energy from the induction motor is supplied to the DC portion of the auxiliary power supply circuit 140c.
  • only one power storage device 150 is provided as the power storage device, and is connected in parallel to the intermediate DC portion of the main conversion circuit 140 and in parallel to the DC portion of the auxiliary power supply circuit 140c. It is connected.
  • the storage device 150 stores the electric power converted into direct current by the AC / DC power converters 141a and 141b, and as one of the regenerative energy of the drive motors 120a and 120b connected to the main conversion circuit 140 and the auxiliary device 130. It is a device that stores the regenerative energy of the contained induction motor as electric power, operates as a power source for reverse excitation of the main transformer 110 by the stored power, and operates as a power source for auxiliary machine power supply.
  • an independent dedicated battery, an electric double phase capacitor, etc. can be used, or instead, if the capacity of the smoothing capacitor provided in main conversion circuit 13 or auxiliary power supply circuit 13c is large, The point that the smoothing capacitor can be used also as a power storage device is the same as the first embodiment.
  • Power supply control device 190 provided in the present embodiment performs an operation of reversely exciting secondary windings 112 a and 112 b of main transformer 110 by the energy stored in power storage device 150, and supplies power to accessory 130. Is a device that performs control for performing
  • the power supply control device 190 detects a current failure of the overhead wire 200 by collecting current from the pantograph 101 and a position where the current position of the vehicle is detected using GPS or a transponder.
  • a detection unit 192 and a route database 193 storing route information including position information of dead sections such as switching sections are provided.
  • the power supply control device 190 detects the vehicle based on the current position of the vehicle detected by the position detection unit 192 and the position information of the dead section stored in the route database 193.
  • the blackout determination unit 194 determines whether or not the current position of the unit is on the dead section.
  • the power failure determination unit 194 determines whether the “overhead wire power failure” detected by determining whether the current position of the vehicle is on a dead section is due to a dead section such as a switching section or a substation It is determined whether the power is cut off due to the power supply interruption from
  • Power supply control device 190 also includes a power supply switching unit 195 which supplies the power stored in power storage device 150 to auxiliary device 130 in accordance with the determination result of power failure determination unit 194.
  • the power failure determination unit 194 refers to the route database 193 using power supply stop information from the overhead wire 210a detected by the power failure detection unit 191 and the current position of the vehicle acquired from the position detection unit 192. It is determined whether the current position of the vehicle is on the switching section, whereby whether the power supply stoppage from the overhead wire is due to the switching section 220c or the power supply stoppage due to a substation accident or the like Determine
  • the main transformer 110 when the power supply is stopped in the middle section 221, the main transformer 110 using the AC / DC power converters (PWM converters) 141a and 141b mounted on the vehicle side in order to suppress the excitation inrush current. Is reversely excited so that the voltage phase of the primary side of the main transformer 6 is in phase with the overhead wire 210b of the second charging zone from the voltage phase supplied to the overhead wire 210a of the first charging zone. Control to change.
  • PWM converters AC / DC power converters
  • power is supplied from the storage device 150 to the secondary windings 112a and 112b of the main transformer 110 via the AC / DC power converter (PWM converter) 141a and 141b using the power supply switching unit 195 of the power supply control device 190 Then, the main transformer 110 is reversely excited using the secondary windings 112a and 112b.
  • the switching switch 222b on the second charging section side is turned on and the middle section 221 is restored, the primary side of the main transformer 110 of the vehicle is in phase with the second charging section. Since it is excited by the voltage, the inrush current to the main transformer 110 can be suppressed.
  • an energy supply source for excitation and voltage phase information of the second charging section are required.
  • the energy supply source as described above, in addition to using power storage device 150 connected to the DC side of AC / DC power converter (PWM converter) 141a, 141b, the vehicle is forced to apply a regenerative brake to supply energy There is a way to do it. Further, if the energy is small, it is also possible to supply energy from the smoothing capacitors 142a to 142c on the DC side of the AC / DC power converters (PWM converters) 141a and 141b.
  • the voltage phase information of each feeding section is recorded in the route database 193, and the power failure determination unit 194 refers to it, or the ground child laid on the ATC or the track, It is conceivable to acquire using communication means that enables information communication between the ground and the vehicle, such as induction radio using a leaked coaxial cable and space radio.
  • the communication means for example, as in the third embodiment described above, in order to detect the overhead wire voltage, a transmitter for transmitting the overhead wire voltage measured by the ground-side facility that supplies power to the overhead wire to the vehicle is provided. Also, it is conceivable to provide a receiver in the vehicle to receive the signal from this transmitter. Based on the voltage phase information acquired in this manner, the main transformer 110 can be excited so as to be in phase with the voltage phase of the overhead wire 210b of the second charging section.
  • the main transformer is reversely excited without providing the voltage / phase detection device or the circuit breaker in the vehicle, and the vehicle enters the next charging section. This has the effect of suppressing the application of the excitation inrush current to the transformer.
  • power storage device 150 absorbs regenerative electric power at the time of vehicle regeneration and releases energy stored at the time of peak power generation of power running, peak electric power of the vehicle can be suppressed, so the facilities of the ground transformation facility It can also contribute to capacity reduction. Furthermore, even at the time of a power failure of the overhead wire, power can be supplied from the power storage device 150 to the main conversion circuit 140 to drive the drive motors 120a and 120b, thereby enabling overhead wire-less travel.
  • the railway vehicle system that performs reverse excitation of the main transformer when a power failure is determined and passes the switching section and supplies auxiliary power at overhead power failure according to the fourth embodiment is not limited to the case where the Shinkansen passes the switching section, As shown in the fifth embodiment of FIG. 7, the present invention is similarly applicable to the case where a vehicle of a conventional line passes a dead section of a system other than the switching section in order to enter a charging section of different voltage phase. is there.
  • a dead section 220 of a system other than the switching section is provided between the overhead wires 210a and 210b of the first and second charging sections.
  • the configuration of the vehicle 100 of the fifth embodiment is the same as that of the fourth embodiment, and the determination of a power failure and the supply of auxiliary power at the time of overhead power failure are performed in the same manner as in the fourth embodiment.
  • the power failure determination unit 194 detects the entry of the vehicle 100 into the blackout section of the dead section 220 and refers to the route database 193 or by communication means.
  • the voltage phase of the second charging section and the magnitude of the overhead wire voltage are acquired by information communication or the like.
  • the main transformer 110 is reversely excited using the stored power storage device 150. Thereafter, when the voltage on the primary side of the main transformer 110 is in phase with the overhead wire voltage, the dead section 220 is exited and power is supplied from the overhead wire 210b of the second power section.
  • the dead section 220 while passing through the dead section 220, the voltage phase and vehicle position of the next charging section are acquired, and the main transformer 110 is pre-excited in accordance with the voltage phase of the next charging section. By doing this, it is possible to suppress the excitation inrush current at the time of entry of the vehicle to the adjacent feeding section.
  • the driver is obliged to perform the notch-off operation when passing through the dead section.
  • it is possible to automate the notch-off operation by automatically detecting the approach of the vehicle to the dead section as described above, which reduces the burden on the driver.
  • the output capacity of auxiliary power supply circuit 140c and the capacity of power storage device 150 correspond to the input / output power and energy required while passing through the power failure section of dead section 220, dead section 220 remains in the power running / regeneration state. It is possible to pass through.

Abstract

　架線からの電力取得時における主変圧器に対する励磁突入電流を抑制する。　パンタグラフ１０１が下がった状態で、遮断器１６２を開放する。パンタグラフ１０１を架線２００に接続し、電圧・位相検出手段１６１で架線電圧・位相を検出する。主変圧器１１０の１次側が電圧・位相検出手段１６１で検出された架線電圧・位相になるように、３次巻線１１２ｃに対して、電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４ｃを介して蓄電装置１５０ｃから電力を供給し、この３次巻線１１２ｃを用いて主変圧器１１０を逆励磁する。主変圧器１１０の電圧が架線２００の電圧と同相になったら遮断器１６２を投入し、その後パンタグラフ１０１を上昇させ、架線２００と主変圧器１１０を接続させる。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１１０を架線２００に接続することにより、主変圧器１１０の励磁突入電流を抑制する。

Description

鉄道車両システムとその制御方法
　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とその制御方法に関する。
　交流電気車両が切替セクションを渡るとき、２００～３００ｍｓの停電が生じる。現在は、地点検知を用い切替セクション付近で主回路電流を絞る制御が行われている。このため、乗り心地の悪化が生じるほか、饋電回路切替時の車両主変圧器への励磁突入電流が生じている。すなわち、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系保護機器の不要動作を発生させるほか、地上電力供給設備の容量増大につながる。
　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、地上設備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、特許文献１の技術では、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、切替セクション通過時に一時的な車両主回路電流の絞り込みが行われ乗り心地が悪化するほか、補機の瞬時停電現象が発生する。また、切替セクションの投入位相角制御による励磁突入電流の抑制は、切替セクションを用いる饋電システムでは有効であるものの、デッドセクションでは対策にならない。例えば、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ことなどにより設備が大規模化すると考えられる。
　さらに、従来技術では、切替セクションやデッドセクションの通過以外にも、変電所の停電により架線が停電した場合には、車両搭載された各種補機への電力供給が断たれ、補機が停止することになるが、この点に対する配慮はされていない。また、停電時に、車両の回生エネルギーにより補機を駆動することも考えられるが、その場合、回生エネルギーによって主変圧器が逆励磁され、パンタグラフから架線を加圧することになる。そのため、架線停電時においては、パンタグラフを架線から離して運転する操作が要求される。
　また、切替セクション方式以外のデッドセクションの場合、現状では、デッドセクションの前に「架線死区間標識」が設置されており、車両のデッドセクション通過時には、この標識を視認してノッチオフの動作を行い、惰行状態で通過することが運転士に義務づけられている。
　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る。すなわち、本発明の第１の目的は、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車両側で抑制することを可能とした鉄道車両システムとその制御方法を提供することである。また、本発明の第２の目的は、架線停電時の補機電力供給および架線とパンタグラフとの接触運転を可能とする鉄道車両システムとその制御方法を提供することである。
　前記第１の目的を達成するために、本発明の鉄道車両システムは、架線電圧検出による主変圧器の逆励磁を行う。この鉄道車両システムは、自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次巻線に、車両駆動用モータを駆動するための駆動用電力変換回路として、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交直電力変換器を有する回路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、前記主変圧器の３次巻線に、前記駆動用電力変換回路の前記交直電力変換器と同様に回生動作可能な交直電力変換器を有する回路が選択的に接続され、前記交直電力変換器に蓄電装置が接続され、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場合に、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、前記交直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ように構成されていることを特徴とする。
　前記第２の目的を達成するために、本発明の鉄道車両システムは、架線停電時に補機電力供給を行う。この鉄道車両システムは、自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次巻線に、車両駆動用モータを駆動するための駆動用電力変換回路として、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交直電力変換器を有する回路が接続された交流電気車両を備えた鉄道車両システムにおいて、前記交流電気車両は、前記架線の停電を検出する手段を備え、前記駆動用電力変換回路の前記交直電力変換器に蓄電装置が接続され、この蓄電装置に、補機に電力を供給する補助電源回路が接続され、前記架線の停電を検出する手段によって架線の停電を検出した場合に、前記蓄電装置のエネルギーを、前記補助電源回路を通じて補機に供給して、補機を駆動するように構成されていることを特徴とする。
　本発明の架線電圧検出による主変圧器の逆励磁を行う鉄道車両システムによれば、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車両側で抑制することが可能になる。
　本発明の架線停電時に補機電力供給を行う鉄道車両システムによれば、架線停電時に、架線とパンタグラフとの接触運転を継続したまま車両に設けた蓄電装置を用いて補機電力供給を行うことが可能になる。
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実施例である鉄道車両システムのデッドセクションを表す配線図である。 本発明の第３実施例である鉄道車両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４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。 第４実施例における電源制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施例である鉄道車両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５実施例である鉄道車両システムのデッドセクションを表す配線図である。
［架線電圧検出による主変圧器の逆励磁を行う鉄道車両システム］
　以下には、本発明の架線電圧検出による主変圧器の逆励磁を行う手法を適用した鉄道車両システムの複数の実施例について説明する。
［第１実施例］
　図１に示す第１実施例において、車両（交流電気車両）１００は、架線２００から交流電力を得るためのパンタグラフ（集電装置）１０１と、レール３００上を走行するための車輪１０２を備えている。この車両１００には、主変圧器１１０、車両の駆動用モータ１２０ａ，１２０ｂ、および補機１３０が搭載されると共に、車両の駆動用モータ１２０ａ，１２０ｂを駆動するための主変換回路１４０が設けられている。
　主変圧器１１０の１次巻線１１１は、パンタグラフ１０１に接続されており、主変圧器１１０の２次巻線１１２ａ，１１２ｂは、主変換回路１４０を介して駆動用モータ１２０ａ，１２０ｂに接続されている。主変換回路１４０は、交流を直流に変換する交直電力変換器１４１ａ，１４１ｂと、その直流部分に接続された平滑用コンデンサ１４２ａ，１４２ｂ、および直流を交流に逆変換するモータ駆動用の電力変換器（インバータ）１４３ａ，１４３ｂを備えている。
　このような基本的な構成に加えて、本実施例では、主変圧器１１０に補機用の３次巻線１１２ｃが設けられると共に、補機１３０に電力を供給する補助電源回路１４０ｃが設けられ、３次巻線１１２ｃが、補助電源回路１４０ｃを介して補機１３０に接続されている。また、主変換回路１４０と補助電源回路１４０ｃには、蓄電装置１５０，１５０ｃがそれぞれ接続されている。さらに、パンタグラフ１０１と主変圧器１１０の１次巻線１１１との間には、架線２００の電圧とその位相を検出する電圧・位相検出手段１６１と遮断器１６２が設けられている。
　本実施例において、主変換回路１４０の交直電力変換器１４１ａ，１４１ｂとしては、主変圧器１１０の２次巻線１１２ａ，１１２ｂ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。主変換回路１４０側の蓄電装置１５０は、主変換回路１４０の中間の直流部分に並列に接続されており、交直電力変換器１４１ａ，１４１ｂにより直流に変換された電力を蓄積すると共に、主変換回路１４０に接続された駆動用モータ１２０ａ，１２０ｂの回生エネルギーを電力として蓄積し、蓄積した電力により主変圧器１１０の逆励磁用の電源として動作する。なお、蓄電装置１５０としては、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。
　一方、補機１３０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。補機用の補助電源回路１４０ｃは、主変換回路１４０と同様に、交流を直流に変換する交直電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４１ｃと、その直流部分に接続された平滑用コンデンサ１４２ｃ、直流を交流に変換する補機用の電力変換器（インバータ）１４３ｃを備えている。なお、補機１３０の種類によっては、電力変換器１４３ｃ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。補助電源回路１４０ｃ側の蓄電装置１５０ｃは、補助電源回路１４０ｃの中間の直流部分に並列に接続されており、交直電力変換器１４１ｃにより直流に変換された電力を蓄積し、蓄積した電力により主変圧器１１０の逆励磁用の電源として動作する。なお、蓄電装置１５０ｃとしては、主変換回路１４０側の蓄電装置１５０と同様に、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。
　電圧・位相検出手段１６１と遮断器１６２は、パンタグラフ１０１と主変圧器１１０の１次巻線１１１との間に並列に接続されており、遮断器１６２を開放することで、主変圧器１１０を励磁することなく電圧・位相検出手段１６１を用いて架線電圧を検出することが可能である。この電圧・位相検出手段１６１は、図示したように、架線２００と電気的に接続されて架線電圧とその位相を直接検出する手段に限らず、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第１実施例の作用は、次の通りである。
　停止している車両１００がパンタグラフ１０１を架線２００に接続し、主変圧器１１０と架線２００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。この励磁突入電流を抑制するために、本実施例では、架線電圧および電圧位相を電圧・位相検出手段１６１によってあらかじめ検出し、主変圧器１１０の１次側電圧が架線電圧と同相となるように、車載した交直電力変換器１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ（ＰＷＭコンバータ）の少なくとも１つで主変圧器１１０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１０１が下がった状態で、遮断器１６２を開放しておく。次に、パンタグラフ１０１を架線２００に接続し、電圧・位相検出手段１６１で架線電圧・位相を検出する。続いて、主変圧器１１０の１次側が電圧・位相検出手段１６１で検出された架線電圧・位相になるように主変圧器１１０を逆励磁する。例えば、補機用の３次巻線１１２ｃに対して、交直電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４１ｃを介して蓄電装置１５０ｃから電力を供給し、この３次巻線１１２ｃを用いて主変圧器１１０を逆励磁する。
　この場合、逆励磁用の電源として、補機用の３次巻線１１２ｃとそれに繋がれた交直電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４１ｃと蓄電装置１５０ｃを用いる代わりに、モータ駆動用の２次巻線１１２ａ，１１２ｂに対して、交直電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４１ａ，１４１ｂを介して、蓄電装置１５０から電力を供給することにより、主変圧器１１０を逆励磁することもできる。
　このようにして、主変圧器１１０の電圧が架線２００の電圧と同相になった時点で遮断器１６２を投入し、その後パンタグラフ１０１を上昇させ、架線２００と主変圧器１１０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次側に付与された状態で主変圧器１１０を架線２００に接続することにより、主変圧器１１０の励磁突入電流を抑制することが可能になる。
［第２実施例］
　前記第１実施例においては、停止中の車両１００のパンタグラフ１０１を上昇させて架線２００と接続する場合について説明したが、本発明の架線電圧検出による主変圧器の逆励磁を行う手法は、図２の第２実施例に示すように、在来線の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場合にも、同様に適用可能である。
　すなわち、この第２実施例では、第１と第２の饋電区間の架線２１０ａ，２１０ｂの間に、デッドセクション２２０が設けられており、第１と第２の饋電区間の架線２１０ａ，２１０ｂは、個別の交流系統２３０ａ，２３０ｂにそれぞれ接続されている。また、第２実施例の車両１００は、第１実施例の構成に加えて、ＧＰＳやトランスポンダを利用した車両位置検出手段１７１を備えている。
　この第２実施例においては、このデッドセクション２２０の停電区間への車両１００の進入を、車両位置検出手段１７１もしくは電圧・位相検出手段１６１から取得した架線電圧の変化から検出し、遮断器１６２を開放する。次に、車両１００がデッドセクション２２０を通過した後の架線電圧を電圧・位相検出手段１６１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１００側の主変圧器１１０の２次巻線１１２ａ，１１２ｂもしくは３次巻線１１２ｃに接続された交直電力変換器１４１ａ，１４１ｂもしくは１４１ｃと、それらに接続されている蓄電装置１５０もしくは１５０ｃを用いて主変圧器１１０を逆励磁する。その後、主変圧器１１０の１次側の電圧が架線電圧と同相になったら遮断器１６２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１１０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、前述したように、現状では、デッド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１６２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１１０の３次巻線１１２ｃに接続された補助電源回路１４０ｃの出力容量と蓄電装置１５０ｃの容量が、デッドセクション２２０の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２２０を通過することが可能になる。
［第３実施例］
　図３を用いて、本発明の架線電圧検出による主変圧器の逆励磁を行う手法を、切替セクションを有する新幹線の鉄道車両システムに適用した第３実施例を説明する。図３において、第１と第２の饋電区間の架線２１０ａ，２１０ｂの接続部分には、切替セクション２２０ｃが設けられている。この切替セクション２２０ｃは、中セクション２２１と、この中セクション２２１を第１と第２の饋電区間の架線２１０ａ，２１０ｂに対して接続あるいは切り離すための切替開閉器２２２ａ，２２２ｂから構成されている。また、第３の実施例の車両１００は、第２実施例の構成に加えて、信号受信機１８１とＧＰＳなどを利用した時刻計測部１８２を備えている。
　第１と第２の饋電区間の架線２１０ａ，２１０ｂは、それぞれ異なる電圧の交流系統２３０ａ，２３０ｂに接続された変電所２４０ａ，２４０ｂから給電されている。変電所２４０ａ，２４０ｂには、交流系統２３０ａ，２３０ｂから受電した電力を饋電用電力に変換する変成部２４１ａ，２４１ｂと、この変成部２４１ａ，２４１ｂが架線２１０ａ，２１０ｂ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２４２ａ，２４２ｂ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２４３ａ，２４３ｂが設けられている。
　変電所２４０ａ，２４０ｂの時刻・饋電電圧位相検出部２４２ａ，２４２ｂには、情報伝送部２４４ａ，２４４ｂが接続されており、この地上設備側の情報伝送部２４４ａ，２４４ｂは、車両１００に設けられた信号受信機１８１に対して、時刻－電圧位相情報を送信する。車両１００側の信号受信機１８１は、前記時刻・饋電電圧位相検出部２４２ａ，２４２ｂ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１８２で現在時刻を正確に測定する。
　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、切替セクションを有する新幹線の鉄道車両システムにおいて、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に示すような切替セクション２２０ｃを通過することになる。第１の饋電区間の架線２１０ａから受電していた車両１００が切替セクション２２０ｃに進入してくる場合、切替セクション２２０ｃの第１の饋電区間側の切替開閉器２２２ａは閉じている。この状態において、中セクション２２１には、変電所２４０ａから第１の饋電区間の架線２１０ａに供給される電圧が印加されていることになる。この状態の後、車両１００が中セクション２２１に完全に進入した後に、切替セクション２２０ｃの第１の饋電区間側の切替開閉器２２２ａを開放する。
　すると、変電所２４０ａからの電力は中セクション２２１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後に第２の饋電区間側の切替開閉器２２２ｂを閉じると、中セクション２２１には変電所２４０ｂから第２の饋電区間の架線２１０ｂ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。この励磁突入電流を抑制するために、本実施例では、中セクション２２１で停電した際に、車両側に搭載された交直電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４１ａ，１４１ｂを用いて主変圧器１１０を逆励磁して、主変圧器１１０の１次側の電圧位相が、第１の饋電区間の架線２１０ａに供給されていた電圧位相から、第２の饋電区間の架線２１０ｂと同位相に変化するように制御する。その結果、第２の饋電区間側の切替開閉器２２２ｂが投入されて中セクション２２１が復電される時点で、車両の主変圧器１１０の１次側が第２の饋電区間と同位相の電圧で励磁されているため、主変圧器１１０への突入電流を抑制することができる。
　なお、第２の饋電区間と同位相にするように主変圧器１１０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、交直電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４１ａ，１４１ｂの直流側に接続された蓄電装置１５０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、交直電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４１ａ，１４１ｂの直流側にある平滑用コンデンサ１４２ａ，１４２ｂからエネルギー供給することも可能である。また、第１実施例と同様に、補助電源回路１４０ｃに設けた蓄電装置１５０ｃと交直電力変換器１４１ｃによって３次巻線１１２ｃ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各種の通信手段を用いて取得することが可能であるが、具体的には、図３に示すように、地上設備側の情報伝送部２４４ａ，２４４ｂおよび車両１００側の信号受信部１８１を用いる。そして、この通信手段により、車両１００が進入する第２の饋電区間の架線２１０ｂに電力供給を行う変電所２３０ｂで観測した電圧位相とその時刻を車両１００に伝送する。車両１００では、正確な現在時刻を計測するための時刻計測部１８２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２１０ｂの電圧位相を推定する。その結果、推定された第２の饋電区間の架線２１０ｂの電圧位相と同相になるように主変圧器１１０を励磁することができる。
　このような第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。
［他の実施例］
　本発明の架線電圧検出による主変圧器の逆励磁を行う手法は、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１５０，１５０ｃ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１４０や補助電源回路１４０ｃに設ける平滑用コンデンサ１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃの容量が大きな場合には、平滑用コンデンサ１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃ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１６２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、車両に設けた位置検知手段を用いてデッドセクション通過を検出し、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。
［架線停電時に補機電力供給を行う鉄道車両システム］
　以下には、本発明の架線停電時に補機電力供給を行う手法を適用した鉄道車両システムの複数の実施例について説明する。
［第４実施例］
［第４実施例の構成］
　図４に示す第４実施例において、車両（交流電気車両）１００の基本的な構成、すなわち、主変圧器１１０、車両の駆動用モータ１２０ａ，１２０ｂ、および補機１３０が搭載されると共に、車両の駆動用モータ１２０ａ，１２０ｂを駆動するための主変換回路１４０が設けられている点は、第１実施例と同様である。
　また、本実施例において、主変換回路１４０の交直電力変換器１４１ａ，１４１ｂとして、主変圧器１１０の２次巻線１１２ａ，１１２ｂ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点も、第１実施例と同様である。
　これに対して、本実施例において、補助電源回路１４０ｃとその周辺の回路構成は、第１実施例と異なっており、また、電源制御装置１９０が設けられている点でも第１実施例と異なっている。以下には、このような本実施例と第１実施例との相違部分について説明する。
　すなわち、本実施例において、補機１３０に電力を供給する補助電源回路１４０ｃが設けられる点は、第１実施例と同様であるが、補助電源回路１４０ｃの構成は第１実施例と異なっており、交直電力変換器１４１ｃを用いずに、平滑用コンデンサ１４２ｃと補機用の電力変換器（インバータ）１４３ｃにより構成されている。なお、補機１３０の種類によっては、電力変換器１４３ｃ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が可能である点は、第１実施例と同様である。
　一方、補機１３０としては、前述したように、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が、本実施例において、補機１３０はさらに、補助電動機として接続された誘導電動機を含んでおり、車両１００の回生運転時に、その誘導電動機からの回生エネルギーが、補助電源回路１４０ｃの直流部分に供給される。
　また、本実施例において、蓄電装置としては、１つの蓄電装置１５０のみが設けられ、主変換回路１４０の中間の直流部分に並列に接続されると共に、補助電源回路１４０ｃの直流部分にも並列に接続されている。この蓄電装置１５０は、交直電力変換器１４１ａ，１４１ｂにより直流に変換された電力を蓄積すると共に、主変換回路１４０に接続された駆動用モータ１２０ａ，１２０ｂの回生エネルギーや補機１３０の１つとして含まれている誘導電動機の回生エネルギーを電力として蓄積する装置であり、蓄積した電力により主変圧器１１０の逆励磁用の電源として動作すると共に、補機電力供給用の電源として動作する。
　なお、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できる点や、その代わりに、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ことができる点は、第１実施例と同様である。
　本実施例で設けられている電源制御装置１９０は、蓄電装置１５０に蓄積されたエネルギーによって、主変圧器１１０の２次巻線１１２ａ，１１２ｂを逆励磁する動作や、補機１３０への電力供給を行うための制御を行う装置である。
　すなわち、図５に示すとおり、この電源制御装置１９０は、パンタグラフ１０１からの集電によって架線２００の停電を検出する停電検出部１９１と、車両の現在位置をＧＰＳやトランスポンダを利用して検出する位置検出部１９２と、切替セクションなどのデッドセクションの位置情報を含む路線情報が格納されている路線データベース１９３を備えている。
　電源制御装置１９０はまた、停電検出部１９１によって架線の停電を検出した場合に、位置検出部１９２によって検出された車両の現在位置と路線データベース１９３に格納されたデッドセクションの位置情報に基づき、車両の現在位置がデッドセクション上にあるか否かを判定する停電判定部１９４を備えている。この停電判定部１９４は、車両の現在位置がデッドセクション上にあるか否かを判定することで、検出された「架線の停電」が、切替セクションなどのデッドセクションによるものか、あるいは、変電所からの電力供給停止による停電であるのかを判定する。
　電源制御装置１９０はまた、この停電判定部１９４の判定結果に従い、蓄電装置１５０に蓄積された電力を補機１３０側に供給する電源切替部１９５を備えている。
［第４実施例の作用効果］
　このような構成を有する第４実施例の作用効果は、次の通りである。
（１）停電の検出
　現在、切替セクションを有する新幹線の鉄道車両システムにおいて、異なる饋電区間に車両が進入する際（例えば、図６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６に示すような切替セクション２２０ｃを通過することになる。第１の饋電区間の架線２１０ａから受電していた車両１００が切替セクション２２０ｃに進入してくる場合、切替セクション２２０ｃの第１の饋電区間側の切替開閉器２２２ａは閉じている。この状態において、中セクション２２１には、第１の饋電区間の架線２１ａに供給される電圧が印加されていることになる。この状態の後、車両１００が中セクション２２１に完全に進入した後に、切替セクション２２０ｃの第１の饋電区間側の切替開閉器２２２ａを開放する。
　すると、第１の饋電区間側の電力は中セクション２２１には供給されなくなり、車両３は停電状態となって回生走行に移り、その駆動用モータ１２０ａ，１２０ｂおよび補機１３０に対する電力の供給が失われる。この場合、停電判定部１９４は、停電検出部１９１が検出した架線２１０ａからの給電停止情報と、位置検出部１９２から取得した車両の現在位置とを用いて、路線データベース１９３を参照することで、車両の現在位置が切替セクション上であるか否かを判定し、それによって、架線からの給電停止が、切替セクション２２０ｃによるものか、あるいは、変電所の事故などによる電力供給停止のいずれであるかを判定する。
（２）励磁突入電流の抑制（切替セクション）
　停電判定部１９４が、架線からの給電停止が切替セクション２２０ｃによるものであると判定した場合には、主変圧器１１０に対する励磁突入電流の抑止体制に入る。すなわち、切替セクション２２０ｃの中セクション２２１に車両１００が進入して、第１の饋電区間側の切替開閉器２２２ａが開くと、その一定時間後、例えば３００ｍｓ後に第２の饋電区間側の切替開閉器２２２ｂを閉じる。すると、中セクション２２１には第２の饋電区間の架線２１０ｂに供給されている電圧が印加されることになる。このときの主変圧器１１０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。
　この励磁突入電流を抑制するために、本実施例では、中セクション２２１で給電が停止した際に、車両側に搭載された交直電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４１ａ，１４１ｂを用いて主変圧器１１０を逆励磁して、主変圧器６の１次側の電圧位相が、第１の饋電区間の架線２１０ａに供給されていた電圧位相から、第２の饋電区間の架線２１０ｂと同位相に変化するように制御する。例えば、電源制御装置１９０の電源切替部１９５を使用して、蓄電装置１５０から交直電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４１ａ，１４１ｂを介して主変圧器１１０の２次巻線１１２ａ，１１２ｂに電力を供給し、この２次巻線１１２ａ，１１２ｂを用いて主変圧器１１０を逆励磁する。その結果、第２の饋電区間側の切替開閉器２２２ｂが投入されて中セクション２２１が復電される時点で、車両の主変圧器１１０の１次側が第２の饋電区間と同位相の電圧で励磁されているため、主変圧器１１０への突入電流を抑制することができる。
　この場合、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、上記のように、交直電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４１ａ，１４１ｂの直流側に接続された蓄電装置１５０を用いる以外に、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、交直電力変換器（ＰＷＭコンバータ）１４１ａ，１４１ｂの直流側にある平滑用コンデンサ１４２ａ～１４２ｃからエネルギー供給することも可能である。
　電圧位相情報については、路線データベース１９３に各饋電区間の電圧位相情報を記録しておき、停電判定部１９４により、それを参照することや、あるいは、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を用いて取得することが考えられる。通信手段としては、例えば、前述した第３実施例と同様に、架線電圧を検出するために、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車両に送信する送信機を設けると共に、この送信機からの信号を受信するために車両に受信機を設けることなどが考えられる。このようにして取得した電圧位相情報に基づいて、第２の饋電区間の架線２１０ｂの電圧位相と同相になるように主変圧器１１０を励磁することができる。
　このように、第４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。
（３）蓄電装置による補機の駆動（変電所停電時）
　一方、停電判定部１９４が、架線からの給電停止が変電所の停電事故などによるものと判定した場合には、電源制御装置１９０の電源切替部１９５により、蓄電装置１５０の電力を補機１３０に供給する。これにより、補機１３０の停電を防ぎ、車両１００に搭載された照明、コンピュータなど車両の運行に必要な各種の補機の作動停止を防止することができる。この場合、主変圧器１１０を励磁することなく蓄電装置１５０から補機１３０に電力供給することが可能となるので、パンタグラフ１０１が架線２００に接続された状態でも、架線２００を加圧することなく補機１３０に電力供給することが可能になり、架線停電時の饋電回路の安全性向上にも寄与できる。
　また、蓄電装置１５０が車両回生時の回生電力を吸収するとともに、力行のピーク電力発生時に蓄電されたエネルギーを放出することで、車両のピーク電力の抑制が可能となるため、地上変電設備の設備容量低減にも寄与できる。さらに、架線の停電時においても、蓄電装置１５０から主変換回路１４０に電力を供給し、駆動用モータ１２０ａ，１２０ｂを駆動することで、架線レス走行が可能となる。
［第５実施例］
　第４実施例の、停電を判定して切替セクション通過時に主変圧器の逆励磁を行い、架線停電時に補機電力供給を行う鉄道車両システムは、新幹線が切替セクションを通過する場合に限らず、図７の第５実施例に示すように、在来線の車両が異なる電圧位相の饋電区間に進入するために切替セクション以外の方式のデッドセクションを通過する場合にも、同様に適用可能である。
　すなわち、この第５実施例では、第１と第２の饋電区間の架線２１０ａ，２１０ｂの間に、切替セクション以外の方式のデッドセクション２２０が設けられている。この第５実施例の車両１００の構成は、第４実施例の構成と同様であり、停電の判定および架線停電時の補機電力供給は、第４実施例と同様に行われる。また、切替セクション以外の方式のデッドセクション２２０を通過する本実施例では、デッドセクション２２０の停電区間への車両１００の進入を、停電判定部１９４によって検出し、路線データベース１９３の参照や通信手段による情報通信などにより、第２の饋電区間の電圧位相と架線電圧の大きさを取得する。
　この取得した電圧と同位相・同程度の電圧値になるように、車両１００側の主変圧器１１０の２次巻線１１２ａ，１１２ｂに接続された交直電力変換器１４１ａ，１４１ｂと、それらに接続されている蓄電装置１５０を用いて主変圧器１１０を逆励磁する。その後、主変圧器１１０の１次側の電圧が架線電圧と同相になった状態でデッドセクション２２０を抜け出て、第２の饋電区間の架線２１０ｂから給電を受けるようにする。このように、第５実施例では、デッドセクション２２０通過中に、次の饋電区間の電圧位相と車両位置を取得し、次の饋電区間の電圧位相に合わせて主変圧器１１０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、前述したように、現状では、デッド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、前記のようにしてデッドセクションへの車両の進入を自動的に検出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、補助電源回路１４０ｃの出力容量と蓄電装置１５０の容量が、デッドセクション２２０の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２２０を通過することが可能になる。
１００…車両
１０１…パンタグラフ
１０２…車輪
１１０…主変圧器
１１１…１次巻線
１１２ａ，１１２ｂ…２次巻線
１１２ｃ…３次巻線
１２０ａ，１２０ｂ…駆動用モータ
１３０…補機
１４０…主変換回路
１４０ｃ…補助電源回路
１４１ａ，１４１ｂ，１４１ｃ…電力変換器（コンバータ）
１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃ…平滑用コンデンサ
１４３ａ，１４３ｂ，１４３ｃ…電力変換器（インバータ）
１５０，１５０ｃ…蓄電装置
１６１…電圧・位相検出手段
１６２…遮断器
１９０…電源制御装置
２００…架線
３００…レール

Claims (19)

  1. 　自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次巻線に、車両駆動用モータを駆動するための駆動用電力変換回路として、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交直電力変換器を有する回路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、
    　前記主変圧器の３次巻線に、前記駆動用電力変換回路の前記交直電力変換器と同様に回生動作可能な交直電力変換器を有する回路が選択的に接続され、
    　前記交直電力変換器に蓄電装置が接続され、
    　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場合に、
    　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、前記交直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ように構成されている
    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、
    　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場合に、
    　前記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ように構成されている
    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、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ように構成されている
    ことを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両システム。
  4. 　前記交流電気車両が、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、前記主変圧器の励磁エネルギーを、前記車両駆動用モータとそれを駆動する前記交直電力変換器から供給するように構成されている
    ことを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両システム。
  5. 　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前記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から構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両システム。
  6. 　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とその位相およびその検出時刻を前記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、前記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ように構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両システム。
  7. 　前記駆動用電力変換回路は、前記交直電力変換器と、この交直電力変換器によって得られた直流を交流に変換する逆変換用の電力変換器を備えており、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に記載の鉄道車両システム。
  8. 　前記主変圧器の３次巻線に接続された前記回路は、補機に電力を供給する補助電源回路であり、
    　この補助電源回路は、前記交直電力変換器と、この交直電力変換器によって得られた直流を交流に変換する逆変換用の電力変換器を備えており、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に記載の鉄道車両システム。
  9. 　前記蓄電装置が、前記交直電力変換器と、この交直電力変換器によって得られた直流を交流に変換する逆変換用の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に記載の鉄道車両システム。
  10. 　自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次巻線に、車両駆動用モータを駆動するための駆動用電力変換回路として、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交直電力変換器を有する回路が接続された交流電気車両を備えた鉄道車両システムにおいて、
    　前記交流電気車両は、前記架線の停電を検出する手段を備え、
    　前記駆動用電力変換回路の前記交直電力変換器に蓄電装置が接続され、
    　この蓄電装置に、補機に電力を供給する補助電源回路が接続され、
    　前記架線の停電を検出する手段によって架線の停電を検出した場合に、前記蓄電装置のエネルギーを、前記補助電源回路を通じて補機に供給して、補機を駆動するように構成されている
    ことを特徴とする鉄道車両システム。
  11. 　前記交流電気車両は、前記架線の停電を検出する手段によって停電を検出した場合に、前記蓄電装置のエネルギーを、前記補助電源回路を通じて補機に供給する電源制御装置を備えている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の鉄道車両システム。
  12. 　前記電源制御装置は、
    　前記集電装置からの集電によって架線の停電を検出する停電検出部と、
    　車両の現在位置を検出する位置検出部と、
    　デッドセクションの位置情報を含む路線情報が格納されている路線データベースと、
    　前記停電検出部によって架線の停電を検出した場合に、前記位置検出部によって検出された車両の現在位置と前記路線データベースに格納されたデッドセクションの位置情報に基づき、車両の現在位置がデッドセクション上にあるか否かを判定する停電判定部と、
    　この停電判定部の判定結果に従って、前記蓄電装置のエネルギーを補機に供給する電源切替部を備えている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の鉄道車両システム。
  13. 　前記交流電気車両は、各饋電区間の架線電圧とその位相を示す電圧位相情報を参照可能とするために、各饋電区間の電圧位相情報を予め格納したデータベースまたは各饋電区間の電圧位相情報を通信により取得する電圧・位相取得手段を備え、
    　デッドセクションから饋電区間に進入する場合に、
    　前記データベースまたは電圧・位相取得手段によって進入先の饋電区間の電圧位相情報を参照し、前記蓄電装置のエネルギーを、前記交直電力変換器を通じて前記主変圧器の２次巻線に印加し、主変圧器の１次側が進入先の饋電区間の架線電圧と同位相・同圧になるように主変圧器を逆励磁した後、進入先の饋電区間に進入するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の鉄道車両システム。
  14. 　前記交流電気車両が、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、前記主変圧器の励磁エネルギーと前記補機の駆動エネルギーの少なくとも一方を、前記車両駆動用モータとそれを駆動する前記交直電力変換器から供給するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１３に記載の鉄道車両システム。
  15. 　前記電圧・位相取得手段が、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前記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から構成されている
    ことを特徴とする請求項１３に記載の鉄道車両システム。
  16. 　前記駆動用電力変換回路は、前記交直電力変換器と、この交直電力変換器によって得られた直流を交流に変換する逆変換用の電力変換器を備えており、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１０に記載の鉄道車両システム。
  17. 　前記蓄電装置が、前記交直電力変換器と、この交直電力変換器によって得られた直流を交流に変換する逆変換用の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１０に記載の鉄道車両システム。
  18. 　自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次巻線に、車両駆動用モータを駆動するための駆動用電力変換回路として、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交直電力変換器を有する回路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の制御方法において、
    　前記主変圧器の３次巻線に、前記駆動用電力変換回路の前記交直電力変換器と同様に回生動作可能な交直電力変換器を有する回路を選択的に接続すると共に、前記交直電力変換器に蓄電装置を接続してなる回路構成を用いて、
    　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場合に、
    　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、前記交直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の制御方法。
  19. 　自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次巻線に、車両駆動用モータを駆動するための駆動用電力変換回路として、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交直電力変換器を有する回路が接続された交流電気車両を備えた鉄道車両システムの制御方法において、
    　前記架線の停電を検出する手段を用いると共に、前記駆動用電力変換回路の前記交直電力変換器に蓄電装置を接続し、この蓄電装置に、補機に電力を供給する補助電源回路を接続してなる回路構成を用いて、
    　前記架線の停電を検出する手段によって架線の停電を検出した場合に、前記蓄電装置のエネルギーを、前記補助電源回路を通じて補機に供給して、補機を駆動する
    ことを特徴とする鉄道車両システムの制御方法。
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