(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車が走行するための誘導電動機と、
直流架線から直流電力を受電する受電手段と、
前記受電手段により受電した直流電力を、前記誘導電動機に供給するために交流電力に変換する可変電圧可変周波数のインバータと、
前記受電手段から前記インバータに直流電力を供給するための電気経路に設けられた第１の遮断器と、
前記インバータの直流側に接続されたフィルタコンデンサと、
前記インバータの直流側に接続され、電気エネルギーを蓄える蓄電手段と、
前記受電手段により受電した直流電力の電圧を、前記蓄電手段を充電するために降圧する降圧チョッパと、
前記受電手段から前記降圧チョッパに直流電力を供給するための電気経路に設けられた第２の遮断器と、
前記フィルタコンデンサと共に高調波を抑制するフィルタを構成し、前記降圧チョッパによる降圧に用いられる平滑リアクトルとして機能するフィルタリアクトルとを備え、
前記フィルタリアクトルは、前記蓄電手段の充電時における回路では、前記蓄電手段と前記降圧チョッパとの間に位置し、前記電気車の力行時における回路では、前記受電手段と前記インバータとの間に位置する箇所に設けられたことを特徴とする電気車の主回路システム。
【請求項２】
前記第１の遮断器は、前記蓄電手段が前記直流架線から供給された直流電力を蓄電する場合、開放状態であり、前記電気車の力行時の場合、投入状態であり、
前記第２の遮断器は、前記蓄電手段が前記直流架線から供給された直流電力を蓄電する場合、投入状態であり、前記電気車の力行時の場合、開放状態であることを特徴とする請求項１に記載の電気車の主回路システム。
【請求項３】
前記蓄電手段から前記インバータに直流電力を供給するための電気経路に設けられた第３の遮断器と、
前記蓄電手段から前記インバータに直流電力を供給するための電気経路に、前記第３の遮断器と並列に接続され、フィルタコンデンサに流れ込む電流を抑制するための充電抵抗とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気車の主回路システム。
【請求項４】
前記蓄電手段から前記インバータに直流電力を供給するための電気経路に設けられ、前記蓄電手段から前記インバータに流れる電流を通し、前記インバータから前記蓄電手段に流れる電流を阻止するダイオードと、
前記蓄電手段から前記インバータに直流電力を供給するための電気経路に設けられ、前記ダイオードと並列に接続されたダイオード接続遮断器とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電気車の主回路システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車に適用される主回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電化区間と比較的長い非電化区間が混在する路線が知られている。このような路線に適用されるシステムに、非電化区間では、車両を車両搭載のバッテリで走行させるシステムがある。
【０００３】
このような車両には、次のような充電方法が取られる。非電化区間の路線が長い場合は、バッテリの容量に限度があるため、車両が停車する特定の駅などの地上に直流電源を設置する。車両は、地上に設置された直流電源によりバッテリを充電する。
【０００４】
地上側の直流電源は、車両のパンタグラフ、入力フィルタ、昇降圧チョッパを順次に介して、車両搭載のバッテリを充電する。駅停車の充電では、地上側の直流電源は、車両搭載のＳＩＶ(static inverter)等の主要な機器にも電力供給をする。よって、ＳＩＶは、駅停車中においても、動作を継続することができる。つまり、非電化区間での駅停車では、車両は、バッテリを充電し、かつ、車両の蛍光灯や冷暖房装置への電力供給を継続して行う（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、電化区間を走行している場合、車両は、架線からパンタグラフを介して受電し、ＶＶＶＦ（variable voltage variable frequency）インバータ及びＳＩＶを動作させる。このとき、車両は、架線からバッテリに供給される電力を遮断するための遮断器を開放する。また、非電化区間を走行している場合、車両は、バッテリから供給される直流電圧を昇圧チョッパで昇圧し、ＶＶＶＦインバータ及びＳＩＶに印加する。このとき、車両は、架線からＶＶＶＦインバータ等に供給される電力を遮断するために、該当する遮断器を開放する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１６８２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述のような電気車の主回路は、大きなスペースを必要とし、大型化及び重量化する。これは、架線から受電した電力により運転するための回路に加え、バッテリを充電及び放電するための回路を備える必要があるからである。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、バッテリを充電及び放電するための回路を備え、小型化又は軽量化することのできる電気車の主回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の観点に従った電気車の主回路は、電気車が走行するための誘導電動機と、直流架線から直流電力を受電する受電手段と、前記受電手段により受電した直流電力を、前記誘導電動機に供給するために交流電力に変換する可変電圧可変周波数のインバータと、前記受電手段から前記インバータに直流電力を供給するための電気経路に設けられた第１の遮断器と、前記インバータの直流側に接続されたフィルタコンデンサと、前記インバータの直流側に接続され、電気エネルギーを蓄える蓄電手段と、前記受電手段により受電した直流電力の電圧を、前記蓄電手段に充電するために降圧する降圧チョッパと、前記受電手段から前記降圧チョッパに直流電力を供給するための電気経路に設けられた第２の遮断器と、前記フィルタコンデンサと共に高調波を抑制するフィルタを構成し、前記降圧チョッパによる降圧に用いられる平滑リアクトルとして機能するフィルタリアクトルとを備え、前記フィルタリアクトルは、前記蓄電手段の充電時における回路では、前記蓄電手段と前記降圧チョッパとの間に位置し、前記電気車の力行時における回路では、前記受電手段と前記インバータとの間に位置する箇所に設けられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、バッテリを充電及び放電するための回路を備え、小型化又は軽量化することのできる電気車の主回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電気車の主回路システムの構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態に係る電気車の主回路システムの動作に対する状態を示す対応図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る電気車の主回路システムの構成を示すブロック図。
【図４】第２の実施形態に係る電気車の主回路システムの動作に対する状態を示す対応図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気車の主回路システム１０の構成を示すブロック図である。なお、各図における同一部分には、同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。
【００１４】
電気車の主回路システム１０は、主電動機１と、ＶＶＶＦインバータ２と、蓄電装置３と、昇降圧チョッパ４と、集電装置５と、フィルタコンデンサＦＣと、フィルタリアクトルＦＬと、充電抵抗器ＣｈＲと、ブロッキングダイオードＢＤと、高速度遮断器ＨＢと、遮断器ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ１１，ＬＢ１２，ＬＢ１３とを備えている。
【００１５】
集電装置５は、直流架線１１と電気的に接触するように電気車に設けられている。集電装置５は、高速度遮断器ＨＢ、フィルタリアクトルＦＬ、遮断器ＬＢ１、遮断器ＬＢ２を順次に介して、ＶＶＶＦインバータ２の直流側の正極に接続されている。ＶＶＶＦインバータ２の直流側の負極は、レールに接触する車輪に接続（接地）されている。充電抵抗器ＣｈＲは、遮断器ＬＢ２と並列に接続されている。フィルタコンデンサＦＣの両端は、ＶＶＶＦインバータ２の直流側の正極と負極にそれぞれ接続されている。主電動機１は、ＶＶＶＦインバータ２の交流側に接続されている。
【００１６】
昇降圧チョッパ４の中性点は、遮断器ＬＢ１１を介して、フィルタリアクトルＦＬと遮断器ＬＢ１との間のＶＶＶＦインバータ２の直流側の正極に接続されている。昇降圧チョッパ４の正極は、蓄電装置３の正極と接続されている。昇降圧チョッパ４の負極は、蓄電装置３の負極と接続されている。
【００１７】
蓄電装置３の正極は、ブロッキングダイオードＢＤのアノードと接続されている。ブロッキングダイオードＢＤのカソードは、遮断器ＬＢ１３を介して、遮断器ＬＢ１３と遮断器ＬＢ２との間のＶＶＶＦインバータ２の直流側の正極に接続されている。遮断器ＬＢ１２は、ブロッキングダイオードＢＤと並列に接続されている。蓄電装置３の負極は、ＶＶＶＦインバータ２の直流側の負極に接続されている。
【００１８】
主電動機１は、電気車を走行させる動力源となる誘導電動機である。電気車の力行時では、主電動機１は、ＶＶＶＦインバータ２から供給される三相交流電力により駆動する。電気車の回生時では、主電動機１は、発生させた三相交流電力（回生電力）をＶＶＶＦインバータ２に供給（返還）する。
【００１９】
次に、主回路システム１０を構成する各機器について説明する。
【００２０】
集電装置５は、直流架線１１から直流電力を受電する。集電装置５は、受電した直流電力を、フィルタリアクトルＦＬ等を介して、ＶＶＶＦインバータ２に供給する。集電装置５は、例えばパンタグラフである。
【００２１】
ＶＶＶＦインバータ２は、可変電圧可変周波数のインバータである。ＶＶＶＦインバータ２は、電気車の力行時では、集電装置５により受電した直流電力を三相交流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータ２は、変換した三相交流電力を主電動機１に供給する。ＶＶＶＦインバータ２は、交流電力を主電動機１に供給することにより、主電動機１を駆動する。ＶＶＶＦインバータ２は、電気車の回生時では、主電動機１から供給された三相交流電力を直流電力に変換する。ＶＶＶＦインバータ２は、変換した直流電力を直流側から出力する。ＶＶＶＦインバータ２から出力された直流電力は、直流架線１１又は蓄電装置３に供給される。
【００２２】
蓄電装置３は、電気エネルギーを蓄える装置である。蓄電装置３は、車両に搭載されている。蓄電装置３は、非電化区間では、主電動機１を駆動するための電源となる。蓄電装置３は、電気車の駅停車時に、地上に設置された直流電源により充電される。
【００２３】
高速度遮断器ＨＢは、異常な直流電流を高速度で検知し、故障電流を遮断する遮断器である。
【００２４】
充電抵抗器ＣｈＲは、遮断器ＬＢ２の両端を短絡するように設けられている。充電抵抗器ＣｈＲは、遮断器ＬＢ２を投入した時に、フィルタコンデンサＦＣに急激に過大な電流が流れ込まないようにするために設けられている。
【００２５】
フィルタリアクトルＦＬは、電化区間においては、フィルタコンデンサＦＣと共に、逆Ｌ形のフィルタ回路を構成する。電気車と変電所の位置関係は、電気車が走行することにより変化する。フィルタリアクトルＦＬ及びフィルタコンデンサＦＣによるフィルタ回路は、電気車と変電所の位置関係がどのように変化しても、高調波を増幅させないようにする。フィルタリアクトルＦＬは、非電化区間において、蓄電装置３の充電時は、昇降圧チョッパ４の平滑リアクトルとして機能する。
【００２６】
ブロッキングダイオードＢＤは、直流架線１１又はＶＶＶＦインバータ２から蓄電装置３に流れ込む電流を阻止するための素子である。
【００２７】
昇降圧チョッパ４は、蓄電装置３の充電時に、地上に設置された直流電源（充電スタンド）から直流架線１１を介して受電した直流電力の電圧を昇圧する。昇降圧チョッパ４は、昇圧した直流電力により、蓄電装置３を充電する。
【００２８】
昇降圧チョッパ４は、スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２及びダイオードＤ１，Ｄ２を含む回路である。
【００２９】
スイッチング素子Ｔ１のコレクタは、昇降圧チョッパ４の正極となる。スイッチング素子Ｔ１のエミッタは、スイッチング素子Ｔ２のコレクタに接続されている。即ち、スイッチング素子Ｔ１とスイッチング素子Ｔ２は、直列に接続されている。スイッチング素子Ｔ２のエミッタは、昇降圧チョッパ４の負極となる。
【００３０】
ダイオードＤ１のカソードは、スイッチング素子Ｔ１のコレクタに接続されている。ダイオードＤ１のアノードは、ダイオードＤ２のカソードに接続されている。即ち、ダイオードＤ１とダイオードＤ２は、直列に接続されている。ダイオードＤ２のアノードは、スイッチング素子Ｔ２のエミッタに接続されている。
【００３１】
ダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ２のカソードとの接続点は、スイッチング素子Ｔ１のエミッタとスイッチング素子Ｔ２のコレクタとの接続点と接続されている。即ち、直列に接続された２つのダイオードＤ１，Ｄ２の中点と、直列に接続された２つのスイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の中点が接続されている。これらの２つの中点の接続点が昇降圧チョッパ４の中性点となる。
【００３２】
図２は、本実施形態に係る電気車の主回路システム１０の動作に対する状態を示す対応図である。図中において、遮断器ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ１１，ＬＢ１２，ＬＢ１３については、「○」は投入状態を、無印は開放状態をそれぞれ示している。昇降圧チョッパ４については、「○」はスイッチング動作状態を、無印は停止状態をそれぞれ示している。
【００３３】
主回路システム１０は、電化区間を走行中は、遮断器ＬＢ１，ＬＢ２を投入し、遮断器ＬＢ１１，ＬＢ１２，ＬＢ１３を開放する（図２の「通常動作」）。
【００３４】
主回路システム１０は、電化区間を走行中に、電源として、直流架線１１から供給される直流電力に、蓄電装置３から出力される直流電力を加えて走行する場合、通常動作から遮断器ＬＢ１３を投入する（図２の「バッテリ入り」）。
【００３５】
主回路システム１０は、非電化区間の手前の電化区間で、通常動作から遮断器ＬＢ１を開放し、遮断器ＬＢ１３を投入する。この場合、遮断器ＬＢ１を開放した時点で、ＶＶＶＦインバータ２には、蓄電装置３から直流電力が供給される（図２の「架線と分離」）。
【００３６】
主回路システム１０は、非電化区間の充電スタンドでの蓄電装置３の充電中は、遮断器ＬＢ２，ＬＢ１１，ＬＢ１３を投入し、遮断器ＬＢ１，ＬＢ１２を開放し、昇降圧チョッパ４を昇圧動作させる（図２の「充電期間」）。昇降圧チョッパ４は、スイッチング素子Ｔ２及びダイオードＤ１の組合せによる回路により、昇圧動作をする。これにより、蓄電装置３は、充電スタンドからの出力電圧よりも高い電圧で、充電される。このとき、フィルタリアクトルＦＬは、平滑リアクトルとして機能する。また、昇降圧チョッパ４により昇圧された電力は、ＶＶＶＦインバータ２にも供給される。
【００３７】
主回路システム１０は、非電化区間での蓄電装置３による走行中は、遮断器ＬＢ２，ＬＢ１２，ＬＢ１３を投入し、遮断器ＬＢ１，ＬＢ１１を開放する。これにより、蓄電装置３は、ＶＶＶＦインバータ２と直結した状態になる（図２の「バッテリ走行」）。
【００３８】
主回路システム１０は、非電化区間で電源を落としてから再起動する場合は、遮断器ＬＢ１３を投入後、遮断器ＬＢ２を投入する（図２の「再起動シーケンス」）。このシーケンスにより、充電抵抗器ＣｈＲは、フィルタコンデンサＦＣへの突入電流を抑制する。
【００３９】
本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。
【００４０】
電化区間では、フィルタリアクトルＦＬは、高調波を抑制するための本来のフィルタとして機能する。非電化区間において、蓄電装置３を電源として、昇降圧チョッパ４が動作する場合は、フィルタリアクトルＦＬは、平滑リアクトルとして機能する。これにより、主回路システム１０には、フィルタリアクトルＦＬとは別に、平滑リアクトルを設ける必要がない。
【００４１】
従って、電気車の主回路システム１０は、フィルタリアクトルＦＬを平滑リアクトルとしても機能させることにより、小型化及び軽量化をすることができる。
【００４２】
また、主回路システム１０は、昇降圧チョッパ４により、充電スタンドからの出力電圧よりも高い電圧で、蓄電装置３を充電するため、充電スタンドからの出力電圧が蓄電装置３のバッテリ電圧よりも低い場合に適している。
【００４３】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る電気車の主回路システム１０Ａの構成を示すブロック図である。
【００４４】
電気車の主回路システム１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る電力系統システム１０において、昇降圧チョッパ４、遮断器ＬＢ１１、及びフィルタリアクトルＦＬの回路での配置を、昇降圧チョッパ４Ａ、遮断器ＬＢ１１Ａ、及びフィルタリアクトルＦＬＡにそれぞれ変えている。その他の点は、主回路システム１０Ａは、第１の実施形態に係る主回路システム１０と同様である。
【００４５】
フィルタリアクトルＦＬＡは、遮断器ＬＢ１と遮断器ＬＢ２との間に接続されている。フィルタリアクトルＦＬＡは、電化区間においては、フィルタコンデンサＦＣと共に、逆Ｌ形のフィルタ回路を構成する。フィルタリアクトルＦＬＡは、非電化区間において、蓄電装置３の充電時は、昇降圧チョッパ４Ａの平滑リアクトルとして機能する。
【００４６】
昇降圧チョッパ４Ａの正極は、高速度遮断器ＨＢと遮断器ＬＢ１との間に接続されている。昇降圧チョッパ４Ａの負極は、蓄電装置３の負極と接続されている。昇降圧チョッパ４Ａの中性点は、遮断器ＬＢ１１Ａを介して、遮断器ＬＢ１とフィルタリアクトルＦＬＡとの間に接続されている。
【００４７】
昇降圧チョッパ４Ａ、遮断器ＬＢ１１Ａ、及びフィルタリアクトルＦＬＡは、回路における配置が異なる点以外は、第１の実施形態に係る昇降圧チョッパ４、遮断器ＬＢ１１、及びフィルタリアクトルＦＬとそれぞれ同様である。
【００４８】
図４は、本実施形態に係る電気車の主回路システム１０Ａの動作に対する状態を示す対応図である。図中において、遮断器ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ１１Ａ，ＬＢ１２，ＬＢ１３については、「○」は投入状態を、無印は開放状態をそれぞれ示している。昇降圧チョッパ４Ａについては、「○」はスイッチング動作状態を、無印は停止状態をそれぞれ示している。
【００４９】
主回路システム１０Ａは、電化区間を走行中は、遮断器ＬＢ１，ＬＢ２を投入し、遮断器ＬＢ１１Ａ，ＬＢ１２，ＬＢ１３を開放する（図４の「通常動作」）。
【００５０】
主回路システム１０Ａは、電化区間を走行中に、電源として、直流架線１１から供給される直流電力に、蓄電装置３から出力される直流電力を加えて走行する場合、通常動作からさらに遮断器ＬＢ１３を投入する（図４の「バッテリ入り」）。
【００５１】
主回路システム１０Ａは、非電化区間の手前の電化区間で、通常動作から遮断器ＬＢ１を開放し、遮断器ＬＢ１３を投入する。この場合、遮断器ＬＢ１を開放した時点で、ＶＶＶＦインバータ２には、蓄電装置３から直流電力が供給される（図４の「架線と分離」）。
【００５２】
主回路システム１０Ａは、非電化区間の充電スタンドでの蓄電装置３の充電中は、遮断器ＬＢ２，ＬＢ１１Ａ，ＬＢ１２，ＬＢ１３を投入し、遮断器ＬＢ１を開放し、昇降圧チョッパ４を降圧動作させる（図４の「充電期間」）。昇降圧チョッパ４は、スイッチング素子Ｔ１及びダイオードＤ２の組合せによる回路により、降圧動作をする。これにより、蓄電装置３は、充電スタンドからの出力電圧（例えば、１５００ボルト）よりも低い電圧（例えば、７５０ボルト）で、充電される。このとき、フィルタリアクトルＦＬは、平滑リアクトルとして機能する。
【００５３】
主回路システム１０Ａは、非電化区間での蓄電装置３による走行中は、遮断器ＬＢ２，ＬＢ１２，ＬＢ１３を投入し、遮断器ＬＢ１，ＬＢ１１Ａを開放する。これにより、蓄電装置３は、ＶＶＶＦインバータ２と直結した状態になる（図４の「バッテリ走行」）。
【００５４】
主回路システム１０Ａは、非電化区間で電源を落としてから再起動する場合は、遮断器ＬＢ１３を投入後、遮断器ＬＢ２を投入する（図４の「再起動シーケンス」）。このシーケンスにより、充電抵抗器ＣｈＲは、フィルタコンデンサＦＣへの突入電流を抑制する。
【００５５】
本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。
【００５６】
フィルタリアクトルＦＬＡは、電化区間では、高調波を抑制するための本来のフィルタとして機能する。フィルタリアクトルＦＬＡは、非電化区間では、蓄電装置３を電源として、昇降圧チョッパ４Ａが動作する場合は、平滑リアクトルとして機能する。これにより、主回路システム１０Ａには、フィルタリアクトルＦＬＡとは別に、平滑リアクトルを設ける必要がない。
【００５７】
従って、電気車の主回路システム１０Ａは、フィルタリアクトルＦＬＡを平滑リアクトルとしても機能させることにより、小型化及び軽量化することができる。
【００５８】
また、主回路システム１０Ａは、昇降圧チョッパ４Ａにより、充電スタンドからの出力電圧よりも低い電圧で、蓄電装置３を充電するため、充電スタンドからの出力電圧が蓄電装置３のバッテリ電圧よりも高い場合に適している。
【００５９】
充電スタンドの出力電圧を高くすることで、集電装置５に流れる電流を抑えることができる。電気車の蓄電装置３は、駅停車位置に合せて設置された充電スタンドにより、短時間で充電されることが多い。この場合、充電電圧が低い場合は、直流架線１１と集電装置５の接線部に大電流が流れることになる。この結果、接触部を溶損する恐れがある。充電電圧が高ければ、同じ電力でも、この接触部を流れる電流は小さくなる。このため、このような溶損を避けることができる。
【００６０】
なお、各実施形態では、主回路システム１０Ａは、主電動機１を駆動するためのＶＶＶＦインバータ２に直流電力を供給する構成について説明したが、これに限らない。主回路システム１０Ａは、ＶＶＶＦインバータ２とともに、ＳＩＶに直流電力を供給する構成としてもよい。この場合において、ＳＩＶは、供給された直流電力を電力変換して、車両負荷に電力供給することができる。
【００６１】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１…主電動機、２…ＶＶＶＦインバータ、３…蓄電装置、４…昇降圧チョッパ、５…集電装置、１０…電気車の主回路システム、１１…直流架線、ＢＤ…ブロッキングダイオード、ＣｈＲ…充電抵抗器、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード、ＦＣ…フィルタコンデンサ、ＦＬ…フィルタリアクトル、ＨＢ…高速度遮断器、ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ１１，ＬＢ１２，ＬＢ１３…遮断器、Ｔ１，Ｔ２…スイッチング素子。
【図１】
0005570839.tif 000002
【図２】
0005570839.tif 000003
【図３】
0005570839.tif 000004
【図４】
0005570839.tif 000005