(57)【要約】      （修正有）【課題】交流と複数の直流を含む架線電圧区間を走行する鉄道車両における、直流電圧のうち低い電圧での車両の出力が低下することを防止し、補助電源装置の低圧化を実現する。【解決手段】本発明は、電圧の異なる２つの直流を集電可能な集電装置Ｐと、交流モータ１０７を制御するインバータ１０６と、交流モータ１０７を制御するインバータ１０６よりも低い電圧で動作して定電圧定周波数制御を行うインバータ１０５と、電圧を昇降圧可能な昇降圧チョッパ１０８と、電流経路を選択的に切り替え可能な回路切り替え手段Ｓ１〜Ｓ６とを有し、高い電圧下では、昇降圧チョッパ１０８によって降圧させた電力を定電圧定周波数制御を行うインバータ１０５へ供給し、低い電圧下では、昇降圧チョッパ１０８によって昇圧させた電力を交流モータ１０７を駆動するインバータ１０６へ供給することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の異なる２つの直流を集電可能な集電装置と、
交流モータを制御するインバータと、
前記交流モータを制御するインバータよりも低い電圧で動作して定電圧定周波数制御を行うインバータと、
入力される直流に対して出力する直流の電圧を昇降圧可能な昇降圧チョッパと、
電流経路を選択的に切り替え可能な第１の回路切り替え手段とを有し、
前記第１の回路切り替え手段は、
前記２つの直流のうち、高い電圧の直流を前記集電装置が集電する場合、前記昇降圧チョッパによって降圧させた電力を前記定電圧定周波数制御を行うインバータへ供給し、
前記２つの直流のうち、低い電圧の直流を前記集電装置が集電する場合、前記昇降圧チョッパによって昇圧させた電力を前記交流モータを駆動するインバータへ供給するように電流経路を切り換えること
を特徴とする多電源用鉄道車両の車両駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の多電源用鉄道車両の車両駆動装置において、
前記第１の回路切り替え手段は、
前記２つの直流のうち、高い電圧の直流を前記集電装置が集電する場合、前記交流モータを駆動するインバータに対しては、前記高い電圧の直流を供給するように電流経路を切り換え、
前記２つの直流のうち、低い電圧の直流を前記集電装置が集電する場合、前記定電圧定周波数制御を行うインバータに対しては、前記低い電圧の直流電力を供給するように電流経路を切り換えること
を特徴とする多電源用鉄道車両の車両駆動装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の多電源用鉄道車両の車両駆動装置において、
前記交流モータを駆動するインバータよりも、前記定電圧定周波数制御を行うインバータの方が、耐電圧の低い半導体素子を用いること
を特徴とする多電源用鉄道車両の車両駆動装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の多電源用鉄道車両の車両駆動装置において、
交流を集電可能な前記集電装置と、
入力される交流に対して出力する交流の電圧を変圧可能な変圧器と、
前記変圧器で変圧された交流を直流に変換するコンバータと、
電流経路を選択的に切り替え可能な第２の回路切り替え手段とを有し、
前記第２の回路切り換え手段は、
前記集電装置が交流を集電する場合、前記交流は前記集電装置から前記変圧器へと流れ、
前記交流モータを駆動するインバータには、前記コンバータによって直流に変換された電力を供給し、
前記電圧定周波数制御を行うインバータには、前記コンバータによって直流に変換され、前記昇降圧チョッパによって降圧された電力を供給するように電流経路を切り換えること
を特徴とする多電源用鉄道車両の車両駆動装置。
【請求項５】
請求項４に記載の多電源用鉄道車両の車両駆動装置において、
電流経路を選択的に切り替え可能な第３の回路切り替え手段と、
前記第３の回路切り替え手段と直列に接続された抵抗器とを備え、
前記第３の回路切り替え手段は、
前記集電装置が直流を集電する場合、前記抵抗器と前記コンバータとを接続し、前記コンバータを構成するアームを降圧制御するように電流経路を切り換えること
を特徴とする多電源用鉄道車両の車両駆動装置。
【請求項６】
請求項４に記載の多電源用鉄道車両の車両駆動装置において、
前記交流モータを制御するインバータを構成するアームの数と、前記コンバータを構成するアームの数が等しいこと
を特徴とする多電源用鉄道車両の車両駆動装置。
【請求項７】
請求項４に記載の多電源用鉄道車両の車両駆動装置において、
前記集電装置と前記第１の回路切り替え手段との間に電流経路を選択的に切り替え可能な第４の回路切り替え手段を備え、
前記第４の回路切り替え手段は、
前記集電装置が直流を集電する場合、電流が前記変圧器を介して前記第１の回路切り替え手段へと流れるように電流経路を切り換えること
を特徴とする多電源用鉄道車両の車両駆動装置。
【請求項８】
請求項４に記載の多電源用鉄道車両の車両駆動装置において、
前記コンバータと前記昇降圧チョッパとの間に接続され、少なくともコンデンサで構成されるフィルタ回路を備えること
を特徴とする多電源用鉄道車両の車両駆動装置。
【請求項９】
請求項４ないし請求項８のいずれかに記載の多電源用鉄道車両の車両駆動装置において、
電圧の異なる２つの交流を集電可能な前記集電装置と、
前記２つの交流の電圧に応じて、前記変圧器の巻線比を切り換え可能な第５の回路切り替え手段とを有すること
を特徴とする多電源用鉄道車両の車両駆動装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の多電源用鉄道車両の車両駆動装置において、
前記２つの直流は、直流３０００Ｖ、及び直流１５００Ｖであり、
前記２つの交流は、交流２５ｋＶ−５０Ｈｚ、及び交流１５ｋＶ−１６．７Ｈｚであること
を特徴とする多電源用鉄道車両の車両駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多電源用鉄道車両の車両駆動装置に関する。その中でも、多電源に対応した電力変換器、補助電源装置、および駆動モータ用電力変換器を構成要素にもつ車両駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の電気鉄道車両では、電車線より得られる電力を電力変換器によって三相交流に変換し、駆動用のモータの速度制御を行う車両駆動装置を搭載している。その他に、鉄道車両は車内の照明や空調装置への安定した電力供給が可能な補助電源装置などを搭載する。
【０００３】
電圧の異なる複数の交流電化区間または直流電化区間およびその両方を走行する車両の場合では、その電車線電圧の方式に応じた制御を行うことで、車両駆動装置を構成する車両駆動用インバータや、補助電源装置を動作させている。
【０００４】
交流、直流３０００Ｖ、および直流１５００Ｖのき電区間を走行する技術として、特表２００５−５００７９７号公報（特許文献１）がある。この公報には、直流３０００Ｖ架線では、コンバータ装置を構成する半導体素子のダイオードを通して、インバータに電力を供給し、直流１５００Ｖ架線では、上記コンバータ装置のうち１アームを昇圧チョッパとして動作を行い、架線電圧以上の電圧を得て、上記インバータ装置に電力を供給する技術が記載されている。
【０００５】
また、直流１５００Ｖ、直流７５０Ｖ、そして直流６００Ｖのき電区間を走行する技術として、特開２０１１−１３０５７９号公報（特許文献２）がある。この公報には、き電電圧が、電気車の動作電圧である７５０Ｖより高い１５００Ｖの区間、もしくは低い６００Ｖの区間を走行する際には、コンデンサをき電電圧で充電し、この電圧を電圧コンバータで７５０Ｖまで降圧もしくは昇圧する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５００７９７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３０５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電圧の異なる複数の交流、または直流電車線区間が存在する地域は、例えば欧州が挙げられる。欧州を走行する鉄道は、交流２５ｋＶ−５０Ｈｚ、交流１５ｋＶ−１６．７Ｈｚ、直流３０００Ｖ、直流１５００Ｖの４種類のき電区間が存在するため、これらの電化区間の直通運転が課題となる。
【０００８】
このとき、車両駆動用インバータは、高い車両出力を実現するため入力電圧も高いものが望まれ、一方で補助電源装置はコストを下げるために、入力電圧は低く抑えたいというトレードオフな関係が生じる。
【０００９】
つまり、低直流架線電圧では  高直流架線電圧で走行する場合よりも車両出力の低下をまねき、逆に補助電源装置は、高直流架線電圧に対応する場合は、高価な高耐圧素子を使用することになるため、コストが増加してしまう。
【００１０】
もちろん、それぞれの種類の電化区間に対応する装置を搭載すると、装置の有効使用率が著しく低下し、装置が大型化し、コストも高くなってしまう。
【００１１】
前記特許文献１では、４つのき電区間を走行する仕組みが記載されている。しかし、特許文献１では、交流区間で使用する補助電源装置用の巻線を別途設けていることによる装置の増加に加え、直流１５００Ｖ区間で４象限コンバータの１アームで昇圧された直流に対して、もう一度別アームを使い低圧の直流に変換して補助電源装置へ供給するため、電力変換器やチョッパ用リアクトルによる効率の低下が大きい。
【００１２】
前記特許文献２では、車両駆動用インバータと補助電源装置との入力電圧が等しいため、補助電源装置の低コスト化要求と、車両駆動用インバータの出力要求とを満たすことができない。
【００１３】
そこで、本発明は、少なくとも異なる直流電圧区間を走行する列車において、低電圧時の車両駆動用インバータの出力低下を防ぎ、補助電源装置の低コスト化要求に応え、システムの効率を向上させる多電源用鉄道車両の車両駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明は、電圧の異なる２つの直流を集電可能な集電装置と、交流モータを制御するインバータと、交流モータを制御するインバータよりも低い電圧で動作して定電圧定周波数制御を行うインバータと、入力される直流に対して出力する直流の電圧を昇降圧可能な昇降圧チョッパと、電流経路を選択的に切り替え可能な第１の回路切り替え手段とを有し、第１の回路切り替え手段は、２つの直流のうち、高い電圧の直流を集電装置が集電する場合、昇降圧チョッパによって降圧させた電力を定電圧定周波数制御を行うインバータへ供給し、２つの直流のうち、低い電圧の直流を集電装置が集電する場合、昇降圧チョッパによって昇圧させた電力を交流モータを駆動するインバータへ供給するように電流経路を切り換えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
複数の架線電圧区間を走行する電気鉄道車両に搭載される車両駆動装置において、低直流架線電圧での車両出力低下を防ぎ、また補助電源装置での高耐圧素子の使用を防止し、装置の小型化と低コスト化を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は本発明の電力変換器構成の実施例１を示す。
【図２】図２は本発明の電力変換器構成の実施例２として、昇降圧チョッパのチョッパリアクトルＣＨＬを省略し、それにリアクトルＦＬ１とリアクトルＦＬ２を利用した場合の回路構成を示す。
【図３】図３は本発明の電力変換器構成の実施例３として、直流３０００Ｖき電の架線区間を走行する際に、中間直流部１０４に搭載され、交流き電区間でフィルタ１０３を構成するリアクトルＬＲを、直流フィルタリアクトルの一部として使用する回路構成を示す。
【図４】図４は本発明の電力変換器構成の実施例４として、直流き電の架線区間において、主として交流を直流に変換する電力変換器１０２を構成する半導体素子のアームＣ２をブレーキチョッパとして再利用するときの回路構成を示す。
【図５】図５は本発明の電力変換器構成の実施例５として、中間直流部１０４に設ける昇降圧チョッパを、４象限コンバータ装置を構成する電力変換器１０２の半導体素子のアームＣ３として、構成したときの回路構成を示す。
【図６】図６は本発明の電力変換器構成の実施例６として、直流き電の架線区間において、主変圧器１０１の二次巻線の漏れインダクタンスを直流フィルタリアクトルＦＬ１の代替として再利用する構成を示す。
【図７】図７は中間直流部１０４に接続される交流分を吸収するフィルタ１０３の詳細構成例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、６５００Ｖ耐圧の半導体素子を利用した複数き電方式に対応した車両の電力変換器の構成において、従来例のような切り換えの煩雑さの問題、き電電圧が低い直流区間における車両出力の低下問題を解決し、補助電源装置の入力電圧の直流低電圧化を実現するものである。
上記の半導体素子とは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）と呼ばれるものであり、駆動制御用インバータ装置や補助電源装置に搭載される電力変換器の主要な構成要素となっている。現在では半導体技術の進歩によって、このＩＧＢＴの耐電圧が６５００Ｖに達し、素子１つで直流３０００Ｖ架線電圧にも耐えられるようになった。これにより、この半導体素子を使用することによって、低耐圧素子のものよりもコストはかかるが、直流３０００Ｖ架線だけでなく、それを含む複数の電圧方式に対応した車両においても簡素な電力変換器構成が可能となり、装置全体の効率や冗長性の面では有利になる。
また、複数き電方式とは、国別に複数のき電方式の電圧区間が存在する欧州を想定し、それぞれについて用いられる電力変換装置や機器の例を挙げる。
【００１８】
交流２５ｋＶ−５０Ｈｚでは、主変圧器、４象限コンバータ装置(主に単相交流を直流に変換する電力変換器)、駆動制御用インバータ装置（上記コンバータ装置で得られた直流を三相交流に変換し、モータを駆動する電力変換器）、補助電源装置（主変圧器で電気的に絶縁されるため、絶縁形である必要はない）が用いられる。
【００１９】
交流１５ｋＶ−１６．７Ｈｚでは、主変圧器、４象限コンバータ装置(同上)、駆動制御用インバータ装置（同上）、補助電源装置（主変圧器で電気的に絶縁されるため、絶縁形である必要はない）が用いられる。
【００２０】
直流３０００Ｖでは、入力フィルタ、駆動制御用インバータ装置（架線から入力フィルタを通して得られた直流を三相交流に変換し、モータを駆動する電力変換器）、ブレーキチョッパ（回生失効時にエネルギーを消費する機器）、補助電源装置（架線と電気的に絶縁されることが必要）が用いられる。
【００２１】
直流１５００Ｖでは、入力フィルタ、駆動制御用インバータ装置（直流３０００Ｖに同じ）、ブレーキチョッパ（直流３０００Ｖに同じ）、補助電源装置（直流３０００Ｖに同じ）が用いられる。
このようなすべての電圧方式に応じて個別に変換器や回路を構成し切り替えを行うと、装置の有効使用率が著しく低下し、装置の大型化を招くことは明らかである。そのため、複数の電源方式によって車両を駆動するために、各変換器や回路に複数の機能を持たせることで共通化し、装置の有効使用率を向上させることが求められる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２２】
本実施例では、多電源に対応した電力変換機器の構成と動作原理を説明する。
図１は、本実施例の電力変換器の構成図の例を示す図である。主変圧器１０１は１つの一次巻線と複数の二次巻線Ｗ１〜Ｗ４を有する単相変圧器、電力変換器１０２は単相交流と直流の変換と逆変換が可能な４象限コンバータ装置を構成する電力変換器、フィルタ１０３は共振フィルタリアクトルＬＲとコンデンサＣＲで構成されるフィルタ回路、電力変換器１０６は駆動制御用のインバータ装置、補助電源装置１０５は車内の空調や照明などの補機を駆動するために定電圧定周波数制御を行うインバータ装置、電力変換器１０８は昇降圧手段であるチョッパ装置を構成する電力変換器である。また、Ｐはパンタグラフまたは集電装置、選択的に電流経路を切り換え可能な回路切り換え手段Ｓ１〜Ｓ６は、例えば接触器であり、Ｃ１、Ｃ２はそれぞれ上記電力変換器１０２を構成する半導体素子アーム、Ｉ１〜Ｉ３はそれぞれ上記電力変換器１０６を構成する半導体素子アームを示す。
ここで、き電方式は交流区間（２５ｋＶ−５０Ｈｚあるいは１５ｋＶ−１６．７Ｈｚ）か直流区間（３ｋＶあるいは１．５ｋＶ）のいずれかに属するとする。
なお、図１において、主変圧器１０１は車両駆動装置と同じ数の二次巻線Ｗ１〜Ｗ４を備えるが、場合によっては三次巻線を備え、暖房用などに用いてもよい。図１に示されるのは１つの車両駆動装置に関する図であり、同様構成を持つ他の車両駆動装置ＴＣ２〜ＴＣ４の車両駆動装置群は示していない。また、これは本発明における１つの一次巻線に対する二次巻線数と、そこに接続される４象限コンバータ装置や車両駆動装置の数を限定するものではない。すなわち、中間直流部１０４には複数個の二次巻線から複数個の電力変換器１０２を介して接続されていてもよいし、該中間直流部１０４に複数個の電力変換器１０６が接続され複数個の駆動用モータ１０７を接続してもよい。
上記の事項に関しては、以下の実施例２〜６においても同様である。
上記の各き電方式の区間を走行する場合の回路の構成と動作を以下に記載する。
交流２５ｋＶ−５０Ｈｚでは、図１に記載の回路切り換え手段Ｓ１〜Ｓ６のうち、Ｓ１とＳ３が投入される。これにより、主変圧器１０１にはパンタグラフまたは集電装置Ｐより架線から交流電流が供給される。該主変圧器１０１の二次側には４象限コンバータ装置を構成する電力変換器１０２が接続され、該主変圧器１０１の二次側より得られた単相交流を直流に変換し、中間直流部１０４に出力する。この中間直流部１０４には上記電力変換器１０２の整流作用により、交流分としてき電周波数の２倍である１００Ｈｚの整流リップルが重畳する。この交流分は中間直流部１０４に接続されるフィルタ１０３により吸収され、安定した直流を得る。フィルタ１０３を構成する要素は、リアクトルを省略してもよいし、リアクトルとコンデンサや抵抗などを組み合わせてもよい。ここでは、リアクトルＬＲとコンデンサＣＲで構成するとして記述する。
上記フィルタ１０３を構成するリアクトルＬＲは厳密には図７に示すようにインダクタンス値が変更可能な切り換え手段ＳＲを有している。これにより、２５ｋＶ−５０Ｈｚき電区間の場合は、以下の数１で示される共振周波数が１００Ｈｚとなるようにインダクタンスを決定する。
【００２３】
【数１】
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上記中間直流部１０４には、駆動制御用インバータ装置の電力変換器１０６と昇降圧チョッパの電力変換器１０８が接続される。また、上記電力変換器１０２および電力変換器１０６、電力変換器１０８は半導体素子のスイッチング動作によって電力変換が行われるため、中間直流部１０４にはスイッチングリップルが重畳するため、該リップル分を吸収するためのコンデンサＣＤを設ける。
上記電力変換器１０６は上記中間直流部１０４から得られる直流電力を駆動用モータ１０７が所望の出力を行うように電力を制御し、車両推進のための駆動制御を行う。
一方、昇降圧チョッパ動作を行う電力変換器１０８はリアクトルＣＨＬとリアクトルＦＬ２を介して補助電源装置１０５と接続される。この際、上記電力変換器１０８は上記中間直流部１０４の電圧Ｖｄを入力とし出力が電圧Ｖａ（ただし、電圧Ｖｄ＞電圧Ｖａ）となるように、リアクトルＣＨＬおよびリアクトルＦＬ２を利用して変換する。この時、電圧Ｖａは車両が走行可能な直流き電方式のうち低いき電電圧である１５００Ｖとする。上記電力変換器１０８で得られた上記直流電圧Ｖａを入力とし、補助電源装置１０５は補機を駆動させる。
交流１５ｋＶ−１６．７Ｈｚでは、図１に記載の回路切り換え手段Ｓ１〜Ｓ６のうち、Ｓ１とＳ２が投入される。また、中間直流部１０４に接続されるフィルタ１０３を構成するリアクトルＬＲのインダクタンス値を変更する切り換え手段ＳＲを開放状態とし、数１のリアクトルＬＲとコンデンサＣＲで決まる共振周波数をき電周波数の２倍の３３Ｈｚと変更する。これ以外の回路の動作は、上記２５ｋＶ−５０Ｈｚと同様である。
直流３０００Ｖでは、図１に記載の回路切り換え手段Ｓ１〜Ｓ６のうち、Ｓ５とＳ６が投入される。これにより、中間直流部１０４はリアクトルＦＬ１を介してパンタグラフまたは集電装置Ｐより直流電力が供給される。上記中間直流部１０４には、駆動制御用インバータ装置の電力変換器１０６と昇降圧チョッパの電力変換器１０８が接続される。また、電力変換器１０６、電力変換器１０８は半導体素子のスイッチング動作によって電力変換が行われるため、中間直流部１０４にはスイッチングリップルが重畳するため、該リップル分を吸収するためのコンデンサＣＤを設ける。この際、上記中間直流部１０４に接続されるフィルタ１０３は、切り離してもよいしそのままでもよい。
以下、交流２５ｋＶ−５０Ｈｚ区間と同様に、上記電力変換器１０６は上記中間直流部１０４から得られる直流電力を駆動用モータ１０７が所望の出力を行うように電力を制御し、車両推進のための駆動制御を行う。
一方、昇降圧チョッパ動作を行う電力変換器１０８はリアクトルＣＨＬとリアクトルＦＬ２を介して補助電源装置１０５と接続される。この際、上記電力変換器１０８は上記中間直流部１０４の電圧Ｖｄを入力とし出力が電圧Ｖａ（ただし、電圧Ｖｄ＞電圧Ｖａ）となるように、リアクトルＣＨＬおよびリアクトルＦＬ２を利用して降圧変換する。この時、電圧Ｖａは車両が走行可能な直流き電方式のうち低いき電電圧である１５００Ｖとする。上記電力変換器１０８で得られた上記直流電圧Ｖａを入力とし、補助電源装置１０５は補機を駆動させる。
直流１５００Ｖでは、図１に記載の回路切り換え手段Ｓ１〜Ｓ６のうち、Ｓ４とＳ６が投入される。これにより、パンタグラフまたは集電装置Ｐと昇降圧チョッパ動作を行う電力変換器１０８はリアクトルＦＬ１とリアクトルＣＨＬを介して接続され、中間直流部１０４に直流電力を供給する。上記電力変換器１０８は直流１５００Ｖの架線電圧を入力とし、出力が電圧Ｖｄ（ただし、電圧Ｖｄ＞１５００ボルト）となるように、上記リアクトルＦＬ１およびリアクトルＣＨＬを利用して昇圧変換する。
中間直流部１０４の電圧Ｖｄは駆動制御用インバータ装置の電力変換器１０６の変換効率を高くすることが可能となる直流３０００Ｖき電に相当する電圧と設定してもよい。
さらに、上記中間直流部１０４には、駆動制御用インバータ装置の電力変換器１０６と昇降圧チョッパの電力変換器１０８が接続される。また、電力変換器１０６、電力変換器１０８は半導体素子のスイッチング動作によって電力変換が行われるため、中間直流部１０４にはスイッチングリップルが重畳するため、該リップル分を吸収するためのコンデンサＣＤを設ける。この際、上記中間直流部１０４に接続されるフィルタ１０３は、切り離してもよいしそのままでもよい。
上記電力変換器１０６は上記中間直流部１０４から得られる直流電力を駆動用モータ１０７が所望の出力を行うように電力を制御し、車両推進のための駆動制御を行う。
一方、補助電源装置１０５は、パンタグラフまたは集電装置ＰよりリアクトルＦＬ１とリアクトルＦＬ２を介して、直流１５００Ｖき電区間での架線電圧を直接入力し補機を駆動させる。
【００２４】
このように、本実施例の構成によって、き電からの給電が直流３０００Ｖの場合、電力変換器１０６へは電圧を昇降圧させずに３０００Ｖを入力し、補助電源装置１０５へは電力変換器１０８によって降圧された１５００Ｖを入力することができ、き電からの給電が直流１５００Ｖの場合、電力変換器１０６へは電力変換器１０８によって昇圧された３０００Ｖを入力し、補助電源装置１０５へは電圧を昇降圧させずに１５００Ｖを入力することができる。き電からの給電によって電力変換器１０８への経路を切り換えることで、電力変換器などでの効率の低下を防ぎ、高出力が望まれる電力変換器１０６の入力電圧を高くし、低コスト化要求が高い補助電源装置１０５の入力電圧は低く保つことが可能となる。
【００２５】
本実施例、及び以下の実施例では、き電の直流電圧が１５００Ｖと３０００Ｖとの場合についての説明であるが、本質的には異なる直流電化区間において、補助電源装置の入力電圧は低い電圧区間に対応させ、車両駆動用インバータの入力電圧は高い電圧区間に対応させれば、本実施例の効果は実現される。また、印加されている電圧が異なる場合に適用できるものであり、き電区間自体が同じであっても、時間帯などによって印加電圧が切り換わる場合も、本発明を適用可能である。もちろん本発明は架線に限定するものではなく、電車線一般に適用できることは明らかである。実施形態として、実施例１に限らず、以下で説明する実施例２〜実施例６のいずれであっても、本発明の効果は発揮される。
【実施例２】
【００２６】
本実施例では、実施例１のリアクトルＣＨＬを省略可能とする例を説明する。
図２は、実施例２における電力変換器構成を示す図である。実施例２では、中間直流部１０４に接続され、昇降圧チョッパ動作を行う電力変換器１０８は、交流２５ｋＶ−５０Ｈｚあるいは１５ｋＶ１６．７Ｈｚもしくは直流３０００Ｖき電区間でリアクトルＦＬ２を利用して降圧動作を行い、直流１５００Ｖき電区間ではリアクトルＦＬ１を使用して昇圧動作を行う。リアクトルＣＨＬの省略によって、実施例１よりも装置をさらに簡略化することができる。
その他の、電力変換器の構成、及び回路の切り換え方法は実施例１と同様である。
【実施例３】
【００２７】
本実施例では、実施例１のリアクトルＦＬ１の負荷を小さくすることを可能とする例を説明する。
図３は、実施例３における電力変換器構成を示す図である。中間直流部１０４に接続されるフィルタ１０３を構成するリアクトルＬＲとコンデンサＣＲの接続点に中点Ｍを設け、パンタグラフまたは集電装置Ｐと該中点ＭとをＦＬ１と回路切り換え手段Ｓ５を介して接続する。
き電区間が直流３０００Ｖである区間を走行する際に、回路切り換え手段Ｓ５とＳ６を投入する。これにより、上記中間直流部１０４はリアクトルＦＬ１とリアクトルＬＲとを介してパンタグラフまたは集電装置Ｐより直流電力が供給されるため、リアクトルＦＬ１のインダクタンス値を小さく設定することが可能となり、装置をより小型化することができる。上記中間直流部１０４に電力が供給された後の動作と、他の交流き電区間と直流１５００Ｖき電区間における動作は実施例１と同様である。
【実施例４】
【００２８】
本実施例では、実施例１の電力変換器１０２をブレーキチョッパとして再利用可能とする例を説明する。
図４は、実施例４における電力変換器構成を示す図である。一般的に交流き電区間においては、車両がブレーキ動作を行った場合に発生するエネルギーを架線に戻す回生ブレーキが可能であるが、直流３０００Ｖ及び１５００Ｖき電区間においては回生ブレーキが困難である場合がある。
４象限コンバータ装置を構成する電力変換器１０２が持つ１つのアームの主変圧器１０１との接続点に回路切り換え手段Ｓ７と抵抗器ＢＲとを中間直流部１０４のマイナス側に接続する。直流３０００Ｖ及び１５００Ｖでのき電区間においては、回路切り換え手段Ｓ７を投入することで、上記電力変換器１０２の１アームであるＣ２をブレーキチョッパとして再利用することが可能となる。この時、ブレーキによって発生するエネルギーは抵抗器ＢＲで消費可能となる。他の動作は、実施例１と同様である。
【実施例５】
【００２９】
本実施例では、実施例１の変換器を共通化させることで、実装をより簡略化する例を説明する。
図５は、実施例５における電力変換器構成を示す図である。中間直流部１０４に接続される昇降圧チョッパの電力変換器１０８を、４象限コンバータ装置を構成する電力変換器１０２を構成する第３のアームＣ３として構成して利用する方法である。この方法によって、上記電力変換器１０２は駆動制御用インバータを構成する電力変換器１０６と同様の３アームを備える電力変換器構成となり、変換器の共通化が可能である。つまり、実施例１の電力変換器１０２と電力変換器１０６のように別構成の電力変換器を用意する必要がなく、実装が容易となる。
【実施例６】
【００３０】
本実施例では、実施例１のリアクトルＦＬ１を省略可能とする例を説明する。
図６は、実施例６における電力変換器構成を示す図である。直流き電区間で使用するリアクトルＦＬ１の代わりに、主変圧器１０１の二次巻線Ｗ１が有する漏れインダクタンスを利用した回路構成を形成する。具体的には、リアクトル直流き電区間で使用するパンタグラフまたは集電装置Ｐと上記主変圧器１０１の二次巻線Ｗ１の一方の端子との間に回路切り換え手段Ｓ８を介して接続し、さらに、二次巻線Ｗ１のもう一方の端子と回路切り替え手段Ｓ４、Ｓ５との間に回路切り換え手段Ｓ９を介して接続する構成である。
各き電方式の区間を走行する場合の回路の構成と動作を以下に記載する。
交流き電区間では、実施例１と同一の動作を行う。
直流３０００Ｖでは、図６に記載の回路切り換え手段Ｓ１〜Ｓ９のうち、Ｓ５とＳ６およびＳ８とＳ９が投入される。これにより、中間直流部１０４はリアクトルＦＬ１のインダクタンスの代わりとして、主変圧器１０１の二次巻線が持つ漏れインダクタンスを介してパンタグラフまたは集電装置Ｐより直流電力が供給される。上記中間直流部１０４には、駆動制御用インバータ装置の電力変換器１０６と昇降圧チョッパの電力変換器１０８が接続される。また、電力変換器１０６、電力変換器１０８は半導体素子のスイッチング動作によって電力変換が行われるため、中間直流部１０４にはスイッチングリップルが重畳するため、該リップル分を吸収するためのコンデンサＣＤを設ける。この際、上記中間直流部１０４に接続されるフィルタ１０３は、切り離してもよいしそのままでもよい。
以下、実施例１と同様に、上記電力変換器１０６は上記中間直流部１０４から得られる直流電力を駆動用モータ１０７が所望の出力を行うように電力を制御し、車両推進のための駆動制御を行う。
昇降圧チョッパ動作を行う電力変換器１０８も実施例１と同様に、リアクトルＣＨＬとリアクトルＦＬ２を介して補助電源装置１０５と接続される。この際、上記電力変換器１０８は上記中間直流部１０４の電圧Ｖｄを入力とし出力が電圧Ｖａ（ただし、電圧Ｖｄ＞電圧Ｖａ）となるように、リアクトルＣＨＬおよびリアクトルＦＬ２を利用して降圧変換する。この時、電圧Ｖａは車両が走行可能な直流き電方式のうち低いき電電圧である１５００Ｖとする。上記電力変換器１０８で得られた上記直流電圧Ｖａを入力とし、補助電源装置１０５は補機を駆動させる。
直流１５００Ｖでは、図６に記載の回路切り換え手段Ｓ１〜Ｓ９のうち、Ｓ４とＳ６およびＳ８とＳ９が投入される。これにより、パンタグラフまたは集電装置Ｐと昇降圧チョッパ動作を行う電力変換器１０８はリアクトルＦＬ１のインダクタンスの代わりとして、主変圧器１０１の二次巻線が持つ漏れインダクタンスとリアクトルＣＨＬを介して接続され、中間直流部１０４に直流電力を供給する。上記電力変換器１０８は直流１５００Ｖの架線電圧を入力とし、出力が電圧Ｖｄ（ただし、電圧Ｖｄ＞１５００ボルト）となるように、上記リアクトルＦＬ２およびリアクトルＣＨＬを利用して昇圧変換する。
中間直流部１０４の電圧Ｖｄは駆動制御用インバータ装置の電力変換器１０６の変換効率を高くすることが可能となる直流３０００Ｖき電に相当する電圧と設定してもよい。
さらに、上記中間直流部１０４には、駆動制御用インバータ装置の電力変換器１０６と昇降圧チョッパの電力変換器１０８が接続される。また、電力変換器１０６、電力変換器１０８は半導体素子のスイッチング動作によって電力変換が行われるため、中間直流部１０４にはスイッチングリップルが重畳するため、該リップル分を吸収するためのコンデンサＣＤを設ける。この際、上記中間直流部１０４に接続されるフィルタ１０３は、切り離してもよいしそのままでもよい。
上記電力変換器１０６は上記中間直流部１０４から得られる直流電力を駆動用モータ１０７が所望の出力を行うように電力を制御し、車両推進のための駆動制御を行う。
一方、補助電源装置１０５は、パンタグラフまたは集電装置ＰよりリアクトルＦＬ１のインダクタンスの代わりとして、主変圧器１０１の二次巻線が持つ漏れインダクタンスとリアクトルＦＬ２を介して、直流１５００Ｖき電区間での架線電圧を直接入力し補機を駆動させる。
以上により、実施例１でのリアクトルＦＬ１の代わりに二次巻線Ｗ１を再利用することで、装置を簡略化可能となる。
【符号の説明】
【００３１】
１０１:主変圧器
１０２、１０６、１０８:電力変換器
１０３:フィルタ
１０４:中間直流部
１０５:補助電源装置
１０７:駆動用モータ
ＢＲ:  抵抗器
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３:アーム
ＣＤ、ＣＲ:コンデンサ
ＣＨＬ、ＦＬ１、ＦＬ２、ＬＲ:リアクトル
Ｐ:パンタグラフまたは集電装置
Ｓ１〜Ｓ９、ＳＲ:切り換え手段
ＴＣ２、ＴＣ３、ＴＣ４:車両駆動装置
Ｖａ、Ｖｄ:電圧
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４:二次巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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