(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システムであって、
主変圧器の２次巻線に接続された第１コンバータ部及び第１インバータ部を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、
前記主変圧器の３次巻線に接続された第２コンバータ部及び第２インバータ部を有し、補機に電力を供給する補機用変換回路と、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続する第１接触器と、
制御装置と、
を備え、
前記バッテリは、前記補機用変換回路の直流リンク部に接続され、前記架線モード時に前記第２コンバータ部のコンバータ動作による２次側出力電力で充電可能に構成されており、
前記制御装置は、
前記第１接触器を開放し、前記第２コンバータ部をコンバータ動作させることで前記架線モードに切り替える架線モード切替手段と、
前記第１接触器を投入し、前記第２コンバータ部をインバータ動作させることで前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
電気車の停止時に、前記第１接触器が投入されていない場合に投入し、前記架線からの交流電力をもとに前記第１コンバータ部に前記バッテリへの充電電力を供給させる制御を行う急速充電制御手段と、
を有する、
電気車用電源システム。
【請求項２】
前記第１コンバータ部は、動作停止時に純ブリッジ回路として機能するよう構成され、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第１コンバータ部の動作を停止させ、
前記バッテリモードにおいて、インバータ動作によって前記第２コンバータ部の１次側に発生する電力が前記主変圧器を介して前記第１コンバータ部に印加されるよう構成されてなり、前記バッテリモードにおける前記第１コンバータ部の２次側電圧と、前記バッテリの出力電圧とが略同一に設計されてなることを特徴とする請求項１に記載の電気車用電源システム。
【請求項３】
前記２次巻線と前記第１コンバータ部とを接続する第２接触器を更に備え、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第１コンバータ部の動作を停止させるとともに、前記第２接触器を開放する、
請求項１に記載の電気車用電源システム。
【請求項４】
主変圧器の２次巻線に接続された第１コンバータ部及び第１インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の３次巻線に接続された第２コンバータ部及び第２インバータ部を有して補機に電力を供給する補機用変換回路と、前記補機用変換回路の直流リンク部に接続されて前記第２コンバータ部のコンバータ動作による２次側出力電力で充電可能に構成されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとの接続を開放し、前記第２コンバータ部をコンバータ動作させて前記架線モードに切り替えるステップと、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続し、前記第２コンバータ部をインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
電気車の停止時に、前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとが接続されていない場合に接続し、前記架線からの交流電力をもとに前記第１コンバータ部に前記バッテリへの充電電力を供給させる制御を行うステップと、
を含む電力供給制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車用電源システム等に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電車にバッテリを搭載し、架線からの供給電力（架線電力）とバッテリの放電電力（直流電力）との一方或いは両方によって主電動機を駆動して走行する架線・バッテリハイブリッド電車が知られている。このハイブリッド電車には、回生エネルギーによってバッテリを充電したり、非電化区間ではバッテリの放電電力（直流電力）によって走行可能になるといった特長がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２５３０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
開発されたハイブリッド電車としても、本出願人が開発した架線・バッテリハイブリッドＬＲＶ「Ｈｉ−ｔｒａｍ」の他、多くの電車が存在する。しかし、何れのハイブリッド電車についても直流電車であり、交流電車については開発が進んでいないのが実情である。また、機関車については、ハイブリッドのディーゼル機関車の開発が進んでいるが、電気機関車のハイブリッド化は進んでいない。勿論、交流電気車の他、交直流電気車についても同様である。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、交流区間を走行可能な電気車の架線・バッテリハイブリッド化を可能とする技術を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための第１の形態は、
架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、バッテリ（例えば、図１のバッテリ５０Ａ）の出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システム（例えば、図１の電源システム１Ａ）であって、
主変圧器の２次巻線に接続された第１コンバータ部（例えば、図１の主回路側コンバータ３１）及び第１インバータ部（例えば、図１のインバータ３２）を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路（例えば、図１の主変換回路３０）と、
前記主変圧器の３次巻線に接続された第２コンバータ部（例えば、図１の補機側コンバータ４１）及び第２インバータ部（例えば、図１の静止形インバータ４２）を有し、補機に電力を供給する補機用変換回路（例えば、図１の補機用変換回路４０）と、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続する第１接触器（例えば、図１の接触器Ｋｐ）と、
制御装置（例えば、図１の制御部６０）と、
を備え、
前記バッテリは、前記補機用変換回路の直流リンク部に接続され、前記架線モード時に前記第２コンバータ部のコンバータ動作による２次側出力電力で充電可能に構成されており、
前記制御装置は、
前記第１接触器を開放し、前記第２コンバータ部をコンバータ動作させることで前記架線モードに切り替える架線モード切替手段と、
前記第１接触器を投入し、前記第２コンバータ部をインバータ動作させることで前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
を有する、
電気車用電源システムである。
【０００７】
また、他の形態として、
主変圧器の２次巻線に接続された第１コンバータ部及び第１インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の３次巻線に接続された第２コンバータ部及び第２インバータ部を有して補機に電力を供給する補機用変換回路と、前記補機用変換回路の直流リンク部に接続されて前記第２コンバータ部のコンバータ動作による２次側出力電力で充電可能に構成されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードと切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとの接続を開放し、前記第２コンバータ部をコンバータ動作させて前記架線モードに切り替えるステップと、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続し、前記第２コンバータ部をインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
を含む電力供給制御方法を構成しても良い。
【０００８】
この第１の形態等によれば、主電動機に電力を供給する主変換回路と、補機に電力を供給する補機用変換回路との他に、主変換回路の直流リンク部に第１接触器を介して接続されるとともに、補機用変換回路の直流リンク部に接続されたバッテリを備え、架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、バッテリの出力電圧をもとに走行するバッテリモードとを切り替え可能な電気車用電源システムが実現される。
【０００９】
すなわち、架線モードでは、第１接触器を開放することでバッテリを主変換回路の直流リンク部から切り離し、架線からの交流電力が主変換回路によって主電動機に供給される。またこのとき、架線からの交流電力が補機用変換回路によって補機に供給されるともに、第２コンバータ部のコンバータ動作によってバッテリが充電される。一方、バッテリモードでは、第１接触器を投入することでバッテリを主変換回路の直流リンク部に接続し、バッテリからの直流電力が第１インバータ部によって主電動機に供給されるとともに、第２コンバータ部のインバータ動作によって補機にも供給される。これにより、交流区間を走行可能な電気車における架線・バッテリハイブリッド化が実現される。
【００１０】
また、第２の形態として、第１の形態の電気車用電源システムであって、
前記第１コンバータ部は、動作停止時に純ブリッジ回路として機能するよう構成され、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第１コンバータ部の動作を停止させ、
前記バッテリモードにおいて、インバータ動作によって前記第２コンバータ部の１次側に発生する電力が前記主変圧器を介して前記第１コンバータ部に印加されるよう構成されてなり、前記バッテリモードにおける前記第１コンバータ部の２次側電圧と、前記バッテリの出力電圧とが略同一に設計されてなることを特徴とする電気車用電源システムを構成しても良い。
【００１１】
この第２の形態によれば、第１コンバータ部は、動作停止時に純ブリッジ回路（単相全波整流回路）として機能するように構成されている。そして、バッテリモードへの切り替えは、更に、第１コンバータ部の動作を停止させることでなされる。つまり、バッテリモードでは、主変換回路の直流リンク部には、第１コンバータ部の二次側電圧と、バッテリの出力電圧とが印加されるが、この両電圧は略同一となる。
【００１２】
また、第３の形態として、第１の形態の電気車用電源システムであって、
前記２次巻線と前記第１コンバータ部とを接続する第２接触器（例えば、図１１の接触器Ｋｓ）を更に備え、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第１コンバータ部の動作を停止させるとともに、前記２接触器を開放する、
電気車用電源システムを構成しても良い。
【００１３】
この第３の形態によれば、電気車用電源システムは、主変圧器の２次巻線と第１コンバータ部とを接続する第２接触器を更に備えて構成される。そして、バッテリモードへの切り替えは、更に、第１コンバータ部の動作を停止させるとともに、第２接触器を開放することでなされる。これにより、バッテリモードでは、主変換回路の直流リンク部には、バッテリの出力電圧のみが印加される。
【００１４】
また、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の電気車用電源システムであって、
前記制御装置は、電気車の停止時に、前記第１接触器を投入し、前記架線からの交流電力をもとに前記第１コンバータ部に前記バッテリへの充電電力を供給させる制御を行う急速充電制御手段を有する、
電気車用電源システムを構成しても良い。
【００１５】
この第４の形態によれば、電気車の停止時に、架線からの交流電力をもとに、第１コンバータ部がバッテリへの充電電力を供給する急速充電を行うことができる。第１接触器の投入によって主変換回路の直流リンク部とバッテリとが接続されることで、架線からの交流電力が第１コンバータ部を介してバッテリに供給可能となる。大容量の充電電力をバッテリに供給できるため、急速充電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態における電源システムの構成図。
【図２】架線モードにおける電力供給動作の説明図。
【図３】バッテリモードにおける電力供給動作の説明図。
【図４】主回路コンバータの回路構成図。
【図５】バッテリの急速充電における電力供給動作の説明図。
【図６】架線モードでの起動の際の制御手順の説明図。
【図７】架線モードからバッテリモードへの切り替えの際の制御手順の説明図。
【図８】バッテリモードから架線モードへの切り替えの際の制御手順の説明図。
【図９】バッテリモードでの起動の際の制御手順の説明図。
【図１０】バッテリの急速充電の際の制御手順の説明図。
【図１１】第２実施形態における電源システムの構成図。
【図１２】架線モードでの起動の際の制御手順の説明図。
【図１３】架線モードからバッテリモードへの切り替えの際の制御手順の説明図。
【図１４】バッテリモードから架線モードへの切り替えの際の制御手順の説明図。
【図１５】バッテリモードでの起動の際の制御手順の説明図。
【図１６】バッテリの急速充電の際の制御手順の説明図。
【図１７】第３実施形態における電源システムの構成図。
【図１８】第４実施形態における電源システムの構成図。
【図１９】第５実施形態における電源システムの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下では、電車の回路構成について説明するが、ＬＲＶや機関車にも本発明の適用可能である。また、交直流電気車に応用することも可能である。すなわち、本発明の適用可能な実施形態は以下に限定されるものではない。
【００１８】
［第１実施形態］
＜構成＞
図１は、第１実施形態における電源システム１Ａの回路構成図である。この電源システム１Ａは、真空遮断器ＶＣＢと、主変圧器２０と、主変換回路３０と、補機用変換回路４０と、バッテリ５０Ａと、接触器Ｋｎ，Ｋｐと、高速度遮断器ＢＨＢと、リアクトルＬと、制御部６０とを備えて構成される。
【００１９】
主変圧器２０の一次巻線２１は、真空遮断器ＶＣＢを介してパンタグラフ２と接続され、二次巻線２２は、主回路側コンバータ３１の入力端（一次側）に接続され、三次巻線２３は、補機側コンバータ４１の入力端（一次側）に接続されている。この主変圧器２０は、一次巻線２１に架線電圧の「２００００Ｖ」の単相交流電圧が印加されると、二次巻線２２に「１０００Ｖ」の単相交流電圧が発生し、三次巻線２３に「４４０Ｖ」の単相交流電圧が発生するように、一次巻線２１と、二次巻線２２及び三次巻線２３それぞれとの巻線比が構成されている。
【００２０】
主変換回路３０は、主電動機４を駆動するための電力供給系統であり、主回路側コンバータ３１（第１コンバータ部）と、インバータ３２（第１インバータ部）とを有している。
【００２１】
主回路側コンバータ３１の入力端（一次側）は、主変圧器２０の二次巻線２２に接続され、出力端（二次側）は、インバータ３２の入力端（一次側）に接続されている。この主回路側コンバータ３１は、入力端（一次側）に入力される交流電圧（単相１０００Ｖ）を直流電圧（１８００Ｖ）に変換する位相同期方式のＰＷＭコンバータとして機能する。
【００２２】
インバータ３２の入力端（一次側）は、主回路側コンバータ３１の出力端（二次側）に接続され、出力端（二次側）は、主電動機４に接続されている。このインバータ３２は、入力端（一次側）に入力される直流電圧（９００Ｖ〜１８００Ｖ）を、三相交流電力に変換して主電動機４に駆動電力を供給する。
【００２３】
主電動機４は、インバータ３２から電力が供給されることで車軸を回転させる主電動機（メインモータ）であり、例えば三相誘導電動機で実現される。なお、図面では、１台のインバータで４台の電動機を制御する１Ｃ４Ｍ方式を図示しているが、これは一例であり、１Ｃ１Ｍ方式などの他の方式にも本実施形態を適用可能であることは勿論である。
【００２４】
補機用変換回路４０は、空調装置や照明装置といった補助的な機器（補機）を駆動するための電力供給系統であり、補機側コンバータ４１（第２コンバータ部）と、静止形インバータ４２（第２インバータ部）とを有している。
【００２５】
補機側コンバータ４１の入力端（一次側）は、主変圧器２０の三次巻線２３に接続され、出力端（二次側）は、静止形インバータ４２の入力端（一次側）に接続されている。この補機側コンバータ４１は、入力端（一次側）に入力される交流電力（単相４４０Ｖ）を直流電力に変換する位相同期方式のＰＷＭコンバータとして機能する（順方向運転）。また、出力端（二次側）に入力される直流電力を交流電力（単相４４０Ｖ）に変換するＰＷＭインバータとして機能する（逆方向運転）ことも可能である。
【００２６】
静止形インバータ４２は、入力端（一次側）に入力された直流電力を交流電力（三相４４０Ｖ）に変換して補機に供給する。
【００２７】
そして、主変換回路３０の直流リンク部（主回路側コンバータ３１とインバータ３２との間）と、補機用変換回路４０の直流リンク部（補機側コンバータ４１と静止形インバータ４２との間）とが、接触器Ｋｎ，Ｋｐを介して接続されている。
【００２８】
バッテリ５０Ａは、例えばリチウムイオンバッテリ等のバッテリセルを複数接続したバッテリモジュールであり、定格電圧が「９００Ｖ以上１８００Ｖ以下」に構成されている。このバッテリ５０Ａは、高速度遮断器ＢＨＢ及びリアクトルＬを介して、補機用変換回路４０の直流リンク部（補機側コンバータ４１と静止形インバータ４２との間）に接続されているとともに、更に、接触器Ｋｎ，Ｋｐを介して、主変換回路３０の直流リンク部（主回路側コンバータ３１とインバータ３２との間）に接続されている。なお、接触器Ｋｎは、接地側の接触器であり、走行モードの切り替えにおいて常時投入されて問題ない（本実施形態では、常時投入）ため、原理的には設けなくとも支障はない。
【００２９】
制御部６０は、ＣＰＵや各種メモリ（ＲＯＭやＲＡＭ等）から構成されるコンピュータや各種の電子回路によって実現され、制御装置として機能する。この制御部６０は、後述する走行モードの切り替え制御を行う。具体的には、主回路側コンバータ３１や補機側コンバータ４１、インバータ３２、静止形インバータ４２それぞれの動作を制御するとともに、真空遮断器ＶＣＢや接触器Ｋｎ，Ｋｐ、高速度遮断器ＢＨＢそれぞれの投入／開放を制御する。
【００３０】
＜走行モード＞
電源システム１Ａにおける走行モードを説明する。走行モードには、「架線モード」及び「バッテリモード」の２種類がある。
【００３１】
（Ａ）架線モード
架線モードは、架線から供給される交流電圧（単相２００００Ｖ）によって主電動機４を駆動して走行するモードである。
【００３２】
図２は、架線モードにおける電源システム１Ａの電力供給動作を示す図である。架線モードでは、パンタグラフ２が上昇して架線に接触し、真空遮断器ＶＣＢが投入されている。高速度遮断器ＢＨＢ、及び、接触器Ｋｎは、ともに投入され、接触器Ｋｐは開放されている。また、主回路側コンバータ３１、及び、補機側コンバータ４１は、ともにコンバータ動作をするように制御されている。
【００３３】
電気の流れを見ると、架線電圧である交流電圧（単相２００００Ｖ）が主変圧器２０の一次巻線２１に印加され、二次巻線２２に交流電圧（単相１０００Ｖ）が発生し、三次巻線２３に交流電圧（単相４４０Ｖ）が発生している。二次巻線２２に発生した交流電圧（単相１０００Ｖ）は、主回路側コンバータ３１によって直流電圧（１８００Ｖ）に変換され、更にインバータ３２によって三相交流電圧に変換されて主電動機４に供給される。一方、三次巻線２３に発生した交流電圧（単相４４０Ｖ）は、補機側コンバータ４１によって直流電圧（９００Ｖ以上）に変換され、静止形インバータ４２に供給されているとともに、バッテリ５０Ａが充電されている。なお、バッテリ５０Ａが満充電状態であるなど、充電の必要が無いときには、高速度遮断器ＢＨＢを開放することができる。
【００３４】
（Ｂ）バッテリモード
バッテリモードは、バッテリ５０Ａの蓄積電力によって主電動機４を駆動して走行するモードである。
【００３５】
図３は、バッテリモードにおける電源システム１Ａの電力供給動作を示す図である。バッテリモードでは、パンタグラフ２は下降され、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。接触器Ｋｎ，Ｋｐ、及び、高速度遮断器ＢＨＢは、ともに投入されている。また、主回路側コンバータ３１は動作停止しており、補機側コンバータ４１はインバータ動作をするように制御されている。
【００３６】
電気の流れを見ると、バッテリ５０Ａの放電電圧（直流９００Ｖ以上）が、インバータ３２によって三相交流電力に変換されて主電動機４に供給される。また、バッテリ５０Ａの放電電圧（直流９００Ｖ以上）が、静止形インバータ４２に供給されるとともに、補機側コンバータ４１によって交流電圧（単相４４０Ｖ）に変換され、主変圧器２０の三次巻線２３に印加される。主変圧器２０の三次巻線２３に交流電圧（単相４４０Ｖ）が印加されていることで、一次巻線２１を介して、二次巻線２２に交流電圧（単相１０００Ｖ）が発生する。一次巻線２１に発生する電圧は架線モードと同じである。主変圧器２０の二次巻線２２に発生した交流電圧（単相１０００Ｖ）は、主回路側コンバータ３１の入力端（一次側）に入力されるが、主回路側コンバータ３１は動作停止しているため、直流電圧（９００Ｖ）に変換されてインバータ３２に供給される。つまり、インバータ３２の入力端（一次側）には、バッテリ５０Ａからの直流電圧（９００Ｖ以上）と、主回路側コンバータ３１からの直流電圧（９００Ｖ）とが供給される。
【００３７】
ここで、動作停止している主回路側コンバータ３１の出力が「９００Ｖ」の直流電圧になる理由を説明する。図４は、主回路側コンバータ３１の回路構成図である。主回路側コンバータ３１が動作停止している場合には、ＩＧＢＴが非導通となっており、ダイオードで構成された単相全波整流回路（単相ブリッジ整流回路）と等価となる。すなわち、いわゆる純ブリッジ回路として機能する。主回路側コンバータ３１の負荷側は純抵抗負荷（インダクタンスを含まない）とみなせるため、入力端子間に入力される交流電圧の「０．９倍」の直流電圧が、出力端子間に出力される。つまり、主回路側コンバータ３１が動作停止している場合、その入力端（一次側）に入力される「単相１０００Ｖ」の交流電圧の「０．９倍」である「９００Ｖ」の直流電圧が、出力端（二次側）から出力される。
【００３８】
また、補機側コンバータ４１も同様の回路構成であり、動作停止している場合、入力端（一次側）に入力される交流電圧の「０．９倍」の直流電圧が、出力端（二次側）から出力される。
【００３９】
なお、バッテリモードの状態のように、主変換回路３０の直流リンク部と補機用変換回路４０の直流リンク部とが接続され、互いの直流リンク部の電圧と、バッテリ５０Ａの端子電圧とが共通化された状態の電圧のことを、以下「中間共通電圧」という。
【００４０】
（Ｃ）急速充電
続いて、架線の供給電力によってバッテリ５０Ａを急速充電する場合を説明する。なお、この急速充電は、例えば駅などの停車場の停車中に行われる。
【００４１】
図５は、急速充電の際の電源システム１Ａの電力供給動作を示す図である。急速充電の際には、停車中であるため、インバータ３２は停止している。そして、急速充電時には、接触器Ｋｎ，Ｋｐ、及び、高速度遮断器ＢＨＢは、ともに投入される。また、パンタグラフ２が上昇して架線に接触し、真空遮断器ＶＣＢは投入される。主回路側コンバータ３１、及び、補機側コンバータ４１は、ともにコンバータ動作するように制御されている。
【００４２】
電気の流れは、主変圧器２０の一次巻線２１に、架線から供給される交流電圧（単相２００００Ｖ）が印加され、二次巻線２２に交流電圧（単相１０００Ｖ）が発生し、三次巻線２３に交流電圧（単相４４０Ｖ）が発生する。二次巻線２２に発生した交流電圧（単相１０００Ｖ）は、主回路側コンバータ３１によって直流電圧に変換され、バッテリ５０Ａが充電される。このとき、主回路側コンバータ３１の変調率制御によって、その出力端（二次側）からの出力電流（すなわち、バッテリ５０Ａの充電電流）が制御される。架線電力及び主回路側コンバータ３１の出力はともに大容量であるため、バッテリ５０Ａの急速充電が可能となる。
【００４３】
また、主変圧器２０の三次巻線２３に発生した交流電圧（単相４４０Ｖ）は、補機側コンバータ４１の入力端（一次側）に入力されるが、補機側コンバータ４１は、動作停止又は出力端（二次側）の出力電流（すなわち、バッテリ５０Ａの充電電流）が０となるように制御されているため、補機側コンバータ４１の出力電力によるバッテリ５０Ａの充電はなされない。
【００４４】
＜走行モードの切り替え＞
次に、これらの走行モードの切り替えの際の制御手順を説明する。この制御は、制御部６０によってなされる。
【００４５】
（ａ）架線モードでの起動
図６は、停車中から架線モードで起動する場合の制御手順である。但し、接触器Ｋｎ、及び、高速度遮断器ＢＨＢは、ともに投入されている。また、パンタグラフ２は下降され、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。主回路側コンバータ３１、インバータ３２、補機側コンバータ４１は、ともに動作停止している。
【００４６】
先ず、接触器Ｋｐを開放させる（ステップＡ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＡ３）、その後、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＡ５）。これにより、主変圧器２０の一次巻線２１に架線電圧である「単相２００００Ｖ」の交流電力が印加され、二次巻線２２に「単相１０００Ｖ」の交流電力が発生し、三次巻線２３に「単相４４０Ｖ」の交流電力が発生する。
【００４７】
そして、主回路側コンバータ３１の入力端（一次側）に「単相１０００Ｖ」の交流電圧が印加されるが、主回路側コンバータ３１は停止しているため、この時点では出力端（二次側）からは「約９００Ｖ」の直流電圧が出力される。また、補機側コンバータ４１の入力端（一次側）に「単相４４０Ｖ」の交流電圧が印加されるが、補機側コンバータ４１は停止しているため、出力端（二次側）からは「約３９６Ｖ」の直流電圧が出力されようとする。しかし、バッテリ５０Ａの両端電圧（バッテリ電圧）が「９００Ｖ以上」であるため、補機側コンバータ４１が有するダイオードによって逆流阻止されて、補機用変換回路４０の直流リンク部の電圧は、バッテリ５０Ａの両端電圧（バッテリ電圧）である「９００Ｖ以上」に維持される。
【００４８】
次いで、補機側コンバータ４１を、変調率制御によって出力電圧が「直流９００Ｖ以上」となるように、コンバータ動作させる（ステップＡ７）。また、主回路側コンバータ３１を、変調率制御によって出力電圧が「直流１８００Ｖ」となるように、コンバータ動作させる（ステップＡ９）。その後、インバータ３２を起動する（ステップＡ１１）。すると、インバータ３２によって、主回路側コンバータ３１から出力される「１８００Ｖ」の直流電力が三相交流電力に変換されて、主電動機４に供給される。
【００４９】
（ｂ）架線モードからバッテリモードへ切り替え
図７は、架線モードからバッテリモードへ切り替える場合の制御手順である。
先ず、インバータ３２を停止させ（ステップＢ１）、次いで、主回路側コンバータ３１を停止させる（ステップＢ３）。これにより、主回路側コンバータ３１の出力端（二次側）の出力電力が「直流９００Ｖ」となる。次いで、接触器Ｋｐを投入する（ステップＢ５）。これにより、バッテリ５０Ａから放電される「９００Ｖ以上」の直流電力が、主変換回路３０の直流リンク部に供給され、インバータ３２の入力端（一次側）に入力される。「９００Ｖ以上」が中間共通電圧となる。
【００５０】
そして、補機側コンバータ４１を、ＣＶＣＦ制御によるインバータ動作に変更させる（ステップＢ７）。これにより、バッテリ５０Ａから放電される直流電圧（９００Ｖ）が、補機側コンバータ４１によって交流電圧（単相４４０Ｖ）に変換されて三次巻線２３に印加される。続いて、真空遮断器ＶＣＢを開放させ（ステップＢ９）、パンタグラフ２を下降させる（ステップＢ１１）。その後、インバータ３２を起動（再起動）させる（ステップＢ１３）。
【００５１】
（ｃ）バッテリモードから架線モードへ切り替え、
図８は、バッテリモードから架線モードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ３２を停止させる（ステップＣ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＣ３）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＣ５）。続いて、補機側コンバータ４１を、変調率制御によるコンバータ動作に変更する（ステップＣ７）。そして、接触器Ｋｐを開放し（ステップＣ９）、主回路側コンバータ３１を、変調率制御によって出力電圧が「直流１８００Ｖ」となるよう、コンバータ動作させる（ステップＣ１１）。その後、インバータ３２を起動（再起動）させる（ステップＣ１３）、
【００５２】
（ｄ）バッテリモードでの起動
図９は、停車中からバッテリモードで起動する場合の制御手順である。但し、接触器Ｋｎ、及び、高速度遮断器ＢＨＢは、ともに投入されている。また、パンタグラフ２は下降され、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。主回路側コンバータ３１、インバータ３２、及び、補機側コンバータ４１は、ともに動作停止している。
【００５３】
先ず、接触器Ｋｐを投入する（ステップＤ１）。次いで、補機側コンバータ４１を、ＣＶＣＦ制御によって出力電圧が「単相４４０Ｖ」となるよう、インバータ動作させる（ステップＤ３）。その後、インバータ３２を起動させる（ステップＤ５）、
【００５４】
（ｅ）バッテリモードでの急速充電
図１０は、停車中にバッテリ５０Ａを急速充電する際の制御手順である。先ず、インバータ３２を停止させる（ステップＥ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＥ３）、その後、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＥ５）。続いて、補機側コンバータ４１を、動作停止、又は、出力電流（バッテリ５０Ａの充電電流）が「０」になるように変調率制御によるコンバータ動作をさせる（ステップＥ７）。そして、接触器Ｋｐを投入する（ステップＥ９）。その後、主回路側コンバータ３１を、所与の充電電流指令に応じた出力電流（充電電流）になるよう、変調率制御によるコンバータ動作をさせて、バッテリ５０Ａを充電する（ステップＥ１１）。
【００５５】
バッテリ５０Ａの充電が完了すると（ステップＥ１３）、走行するモード（バッテリモード／架線モード）を判断する。すなわち、「バッテリモード」で走行するならば（ステップＥ１５：バッテリ）、主回路側コンバータ３１を停止させる（ステップＥ１７）。次いで、補機側コンバータ４１を、出力電圧が「単相４４０Ｖ」となるよう、ＣＶＣＦ制御によるインバータ動作に変更させる（ステップＥ１９）。続いて、真空遮断器ＶＣＢを開放し（ステップＥ２１）、パンタグラフ２を下降させる（ステップＥ２３）。その後、インバータ３２を起動（再起動）する（ステップＥ３１）。
【００５６】
一方、「架線モード」で走行するならば（ステップＥ１５：バッテリ）、接触器Ｋｐを開放させ（ステップＥ２５）、補機側コンバータ４１を、出力電圧が「直流９００Ｖ」となるよう、変調率制御によるコンバータ動作に変更させる（ステップＥ２７）。また、主回路側コンバータ３１を、出力電圧が「直流１８００Ｖ」となるよう、変調率制御によるコンバータ動作に変更させる（ステップＥ２９）。その後、インバータ３２を起動（再起動）する（ステップＥ３１）。
【００５７】
＜作用効果＞
このように、本実施形態の電源システム１Ａは、主電動機４の駆動電力を供給する主変換回路３０と、補機へ電力を供給する補機用変換回路４０とを備えて構成されるとともに、バッテリ５０Ａが、高速度遮断器ＢＨＢを介して補機用変換回路４０の直流リンク部に接続されるとともに、更に、接触器Ｋｐを介して主変換回路３０の直流リンク部に接続されている。
【００５８】
これより、接触器Ｋｐの開放／投入を切り替え、主回路側コンバータ３１及び補機側コンバータ４１のコンバータ／インバータ動作を切り替えることで、架線からの供給電力（交流電力）によって主電動機４を駆動して走行する架線モードと、バッテリ５０Ａの放電電力（直流電力）によって主電動機４を駆動して走行するバッテリモードとの切り替えが可能となり、交流電気車の架線・バッテリハイブリッド化が実現される。
【００５９】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態を説明する。第２実施形態は、上述の第１実施形態において、主回路側コンバータ３１の入力端（一次側）を、接触器Ｋｓを介して主変圧器２０の二次巻線２２に接続する構成とした実施形態である。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態と同一の構成要素については同符号を付し、詳細な説明を省略或いは簡略する。
【００６０】
＜構成＞
図１１は、第２実施形態における電源システム１Ｂの回路構成図である。電源システム１Ｂは、真空遮断器ＶＣＢと、主変圧器２０と、主変換回路３０Ｂと、補機用変換回路４０Ｂと、バッテリ５０Ｂと、接触器Ｋｎ，Ｋｐと、高速度遮断器ＢＨＢと、リアクトルＬと、制御部６０Ｂとを備えて構成される。主変換回路３０Ｂは、接触器Ｋｓと、主回路側コンバータ３１Ｂと、インバータ３２Ｂとを有している。
【００６１】
接触器Ｋｓは、主変圧器２０の二次巻線２２と、主回路側コンバータ３１Ｂの入力端（一次側）との間に設けられている。この接触器Ｋｓは、架線モード、及び、バッテリ５０Ｂの急速充電の際に投入され、バッテリモードでは開放される。第２実施形態では、バッテリ５０Ｂの定格電圧を「７５０Ｖ」として説明するが、接触器Ｋｓによって、バッテリ５０Ｂの定格電圧を、三次巻線２３の電圧の０．９倍以上の直流電圧（例えば、４４０Ｖ×０．９＝３９６Ｖ以上）であれば自由に設計することが可能である。
【００６２】
すなわち、主変圧器２０の二次巻線２２に「単相１０００Ｖ」の直流電圧が発生している状態で、主回路側コンバータ３１Ｂが動作停止している場合、その出力端（二次側）には「９００Ｖ以上」の直流電圧が発生する。このため、第１実施形態における電源システム１Ａでは、バッテリ５０Ａの定格電圧を、この主回路側コンバータ３１の出力電圧に等しい「９００Ｖ」に構成する必要があった。しかし、第２実施形態によれば、バッテリモードにおいて、接触器Ｋｓを開放することで、主回路側コンバータ３１Ｂの出力が０となり、主変換回路３０Ｂの直流リンク部には、バッテリ５０Ｂの放電電圧のみが印加される。これにより、バッテリモードにおける中間共通電圧を下げることができ、バッテリ５０Ｂの定格電圧を、三次巻線２３の電圧の０．９倍以上の直流電圧であれば自由に設計することができる。
【００６３】
＜走行モードの切り替え＞
続いて、電源システム１Ｂにおける走行モードの切り替えを説明する。
【００６４】
（ａ）架線モードでの起動
なお、架線モードにおける電力供給動作は、上述の第１実施形態における架線モードの供給動作（図２参照）と同様である。
【００６５】
図１２は、停止中から架線モードで起動する場合の制御手順である。但し、接触器Ｋｎ、及び、高速度遮断器ＢＨＢは、ともに投入されている。また、パンタグラフ２は下降され、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。主回路側コンバータ３１Ｂ、インバータ３２Ｂ、及び、補機側コンバータ４１Ｂは、ともに動作停止している。
【００６６】
先ず、接触器Ｋｐを開放させ（ステップＡ１）、接触器Ｋｓを投入する（ステップＡ２）。次いで、パンタグラフ２を上昇させて架線に接触させ（ステップＡ３）、その後、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＡ５）。続いて、補機側コンバータ４１Ｂを、変調率制御によって出力電圧が「直流９００Ｖ以上」となるように、コンバータ動作させる（ステップＡ７）。また、主回路側コンバータ３１を、変調率制御によって出力電圧が「直流１８００Ｖ」となるように、コンバータ動作させる（ステップＡ９）。その後、インバータ３２Ｂを起動する（ステップＡ１１）。
【００６７】
（ｂ）架線モードからバッテリモードへ切り替え
図１３は、架線モードからバッテリモードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ３２Ｂを停止させ（ステップＢ１）、次いで、主回路側コンバータ３１Ｂを停止させる（ステップＢ３）。続いて、接触器Ｋｓを開放し（ステップＢ４）、接触器Ｋｐを投入する（ステップＢ５）。そして、補機側コンバータ４１Ｂを、ＣＶＣＦ制御によるインバータ動作に変更させる（ステップＢ７）。続いて、真空遮断器ＶＣＢを開放させ（ステップＢ９）、パンタグラフ２を下降させる（ステップＢ１１）。その後、インバータ３２Ｂを起動（再起動）させる（ステップＢ１３）。
【００６８】
（ｃ）バッテリモードから架線モードへ切り替え、
図１４は、バッテリモードから架線モードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ３２Ｂを停止させる（ステップＣ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＣ３）、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＣ５）。続いて、補機側コンバータ４１Ｂを、変調率制御によるコンバータ動作に変更する（ステップＣ７）。そして、接触器Ｋｐを開放し（ステップＣ９）、接触器Ｋｓを投入する（ステップＣ１０）。更に、主回路側コンバータ３１Ｂを、変調率制御によって出力電圧が「直流１８００Ｖ」となるよう、コンバータ動作させる（ステップＣ１１）。その後、インバータ３２Ｂを起動（再起動）させる（ステップＣ１３）、
【００６９】
（ｄ）バッテリモードでの起動
図１５は、停車中からバッテリモードで起動する場合の制御手順である。但し、接触器Ｋｎ、及び、高速度遮断器ＢＨＢは、ともに投入されている。また、パンタグラフ２は下降され、真空遮断器ＶＣＢは開放されている。主回路側コンバータ３１Ｂ、補機側コンバータ４Ｂ１、及び、インバータ３２Ｂは、ともに動作停止している。
【００７０】
先ず、接触器Ｋｐを投入し（ステップＤ１）、接触器Ｋｓを開放する（ステップ２）。次いで、補機側コンバータ４１Ｂを、ＣＶＣＦ制御によって出力電圧が「単相４４０Ｖ」となるよう、インバータ動作させる（ステップ３）。その後、インバータ３２Ｂを起動させる（ステップＤ５）。
【００７１】
（ｅ）バッテリ５０Ｂの急速充電
図１６は、バッテリ５０Ｂを急速充電する際の制御手順である。先ず、インバータ３２Ｂを停止させる（ステップＥ１）。次いで、パンタグラフ２を上昇させ（ステップＥ３）、その後、真空遮断器ＶＣＢを投入する（ステップＥ５）。続いて、補機側コンバータ４１Ｂを、動作停止、又は、出力電流（バッテリ５０Ｂの充電電流）が「０」になるように変調率制御によるコンバータ動作に変更させる（ステップＥ７）。そして、接触器Ｋｓを投入し（ステップＥ８）、接触器Ｋｐを投入する（ステップＥ９）。その後、主回路側コンバータ３１Ｂを、所与の充電電流指令に応じた出力電流（充電電流）になるよう、変調率制御によるコンバータ動作をさせて、バッテリ５０Ｂを充電する（ステップＥ１１）。
【００７２】
バッテリ５０Ｂの充電が完了すると（ステップＥ１３）、走行モードを判断する。すなわち、「バッテリモード」で走行するならば（ステップＥ１５：バッテリ）、主回路側コンバータ３１Ｂを停止させ（ステップＥ１７）、接触器Ｋｓを開放する（ステップＥ１８）。次いで、補機側コンバータ４１Ｂを、出力電圧が「単相４４０Ｖ」となるよう、ＣＶＣＦ制御によるインバータ動作に変更させる（ステップＥ１９）。続いて、真空遮断器ＶＣＢを開放し（ステップＥ２１）、パンタグラフ２を下降させる（ステップＥ２３）。その後、インバータ３２Ｂを起動（再起動）する（ステップＥ３１）。
【００７３】
一方、「架線モード」で走行するならば（ステップＥ１５：架線）、接触器Ｋｐを開放させ（ステップＥ２５）、補機側コンバータ４１Ｂを、出力電圧が「直流９００Ｖ」となるよう、変調率制御によるコンバータ動作に変更させる（ステップＥ２７）。その後、インバータ３２Ｂを起動（再起動）させる（ステップＥ２９）。
【００７４】
＜作用効果＞
このように、第２実施形態における電源システム１Ｂは、第１実施形態における電源システム１Ａにおいて、主変圧器２０の二次巻線２２と主回路側コンバータ３１との間に、接触器Ｋｓが接続されて構成される。そして、バッテリモードにおいて、接触器Ｋｓを開放することで、動作停止している主回路側コンバータ３１Ｂの出力を０（ゼロ）とすることができる。つまり、主変換回路３０Ｂの直流リンク部には、バッテリ５０Ｂの放電電圧のみが印加されることになる。これにより、第１実施形態における作用効果に加えて、バッテリ５０Ｂの定格電圧を、三次巻線２３の電圧の０．９倍以上の直流電圧であれば自由に設計することが可能となる。
【００７５】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態を説明する。第３実施形態と第１実施形態との主な違いは、主変圧器２０Ｃの二次巻線２２Ｃ及び三次巻線２３Ｃの降圧電圧をともに等しく「１０００Ｖ」とし、バッテリ５０Ｃの定格電圧を「１５００Ｖ」とし、主変換回路３０Ｃ及び補機用変換回路４０Ｃの直流リンク部をともに「１５００Ｖ」とした点である。すなわち、走行モードに関わらず、直流リンク部の電圧を共通とし、中間共通電圧を「１５００Ｖ」とした。なお、以下において、上述の第１及び第２実施形態と同一要素については同符号を付し、詳細な説明を省略或いは簡略する。
【００７６】
＜構成＞
図１７は、第３実施形態における電源システム１Ｃの回路構成図である。電源システム１Ｃは、真空遮断器ＶＣＢと、主変圧器２０ＣＣと、主変換回路３０Ｃと、補機用変換回路４０Ｃと、バッテリ５０Ｃと、接触器Ｋｎ，Ｋｐと、高速度遮断器ＢＨＢと、リアクトルＬと、制御部６０とを備えて構成される。
【００７７】
主変圧器２０Ｃは、一次巻線２１Ｃに架線電圧の「２００００Ｖ」の単相交流電圧が印加されると、二次巻線２２Ｃ及び三次巻線２３Ｃそれぞれに「１０００Ｖ」の単相交流電圧を発生するように、一次巻線２１Ｃと、二次巻線２２Ｃ及び三次巻線２３Ｃそれぞれとの巻線比が構成されている。
【００７８】
主回路側コンバータ３１Ｃは、主変圧器２０Ｃの二次巻線２２Ｃから入力端（一次側）に入力される「単相１０００Ｖ」の交流電圧を、「１５００Ｖ」の直流電圧に変換して出力する。
【００７９】
補機側コンバータ４１Ｃは、主変圧器２０Ｃの三次巻線２３Ｃから入力端（一次側）に入力される「単相１０００Ｖ」の交流電圧を「１５００Ｖ」の直流電力に変換して出力するコンバータ動作（順方向運転）と、出力端（二次側）から入力される「１５００Ｖ」の直流電圧を「単相１０００Ｖ」の交流電力に変換して出力するインバータ動作（逆方向運転）とが可能に構成されている。
【００８０】
バッテリ５０Ｃは、定格電圧が「１５００Ｖ」に設計されている。なお、本実施形態では、走行モードの切り替えにおいても接触器Ｋｎ，Ｋｐは常時投入されるため、原理的には設けなくとも支障はない。
【００８１】
つまり、何れの走行モードにおいても、主変換回路３０の直流リンク部と補機用変換回路４０の直流リンク部との電圧が共通化され、架線モード及びバッテリモードの何れにおいても、中間共通電圧「１５００Ｖ」の直流電圧が印加される。
【００８２】
また、架線モード、バッテリモード及び急速充電それぞれにおける電力供給動作は、架線モードにおいて接触器Ｋｐが投入された状態となり、バッテリモードにおいて主回路側コンバータ３１Ｃをコンバータ動作させる他は、図２，図３，図５と同様である。
【００８３】
＜走行モードの切り替え＞
走行モードにおける電力供給動作や、第１実施形態における走行モードの切り替えの制御手順（図６〜図１０参照）とほぼ同様であるが、次の２点で異なる。すなわち、架線モードにおいて、接触器Ｋｐを開放しないこと（図６のステップＡ１、図８のステップＣ９、図１０のステップＥ２５）、バッテリモードにおいて、主回路側コンバータ３１Ｃを停止させず、コンバータ動作をするように制御すること（図７のステップＢ３、図１０のステップＥ１７）である。
【００８４】
＜作用効果＞
このように、第３実施形態における電源システム１Ｃは、第１実施形態の電源システム１Ａと比べて、主変圧器２０Ｃの二次巻線２２Ｃ及び三次巻線２３Ｃそれぞれの降圧電圧を等しくし、何れの走行モードにおいても、バッテリ５０Ｃの定格電圧と、主変換回路３０Ｃ及び補機用変換回路４０Ｃの直流リンク部の直流リンク部の電圧を共通とした構成である。これにより、第１実施形態における作用効果に加えて、主変圧器２０の負荷バランスや高調波低減の効果が得られる。
【００８５】
［第４実施形態］
次に、第４実施形態を説明する。第４実施形態と第１実施形態との主な違いは、主変圧器２０Ｄの二次巻線２２Ｄ及び三次巻線２３Ｄの降圧電圧をともに等しく「４４０Ｖ」とし、バッテリ５０Ｄの定格電圧を「７５０Ｖ」とし、主変換回路３０Ｄ及び補機用変換回路４０Ｄの直流リンク部をともに「７５０Ｖ」とした点である。すなわち、走行モードに関わらず、直流リンク部の電圧を共通とし、中間共通電圧を「７５０Ｖ」とした。なお、以下の説明において、上述の第１〜第３実施形態と同一の構成要素については同符号を付し、詳細な説明を省略或いは簡略する。
【００８６】
＜構成＞
図１８は、第４実施形態における電源システム１Ｄの回路構成図である。電源システム１Ｄは、真空遮断器ＶＣＢと、主変圧器２０Ｄと、主変換回路３０Ｄと、補機用変換回路４０Ｄと、バッテリ５０Ｄと、接触器Ｋｎ，Ｋｐと、高速度遮断器ＢＨＢと、リアクトルＬと、制御部６０Ｄとを備えて構成される。
【００８７】
主変圧器２０Ｄは、一次巻線２１Ｄに架線電圧の「２００００Ｖ」の単相交流電圧が印加されると、二次巻線２２Ｄ及び三次巻線２３Ｄそれぞれに「４４０Ｖ」の単相交流電圧を発生するように、一次巻線２１Ｄと、二次巻線２２Ｄ及び三次巻線２３Ｄそれぞれとの巻線比が構成されている。
【００８８】
主回路側コンバータ３１Ｄは、主変圧器２０Ｄの二次巻線２２Ｄから入力端（一次側）に入力される「単相４４０Ｖ」の交流電圧を、「７５０Ｖ」の直流電圧に変換して出力する。
【００８９】
補機側コンバータ４１Ｄは、主変圧器２０Ｄの三次巻線２３Ｄから入力端（一次側）に入力される「単相４４０Ｖ」の交流電圧を「７５０Ｖ」の直流電圧に変換して出力するコンバータ動作（順方向運転）と、出力端（二次側）から入力される「７５０Ｖ」の直流電力を「単相４４０Ｖ」の交流電圧に変換して出力するインバータ動作（逆方向運転）とが可能に構成されている。
【００９０】
バッテリ５０Ｄは、定格電圧が「７５０Ｖ」に設計されている。なお、本実施形態では、走行モードの切り替えにおいても接触器Ｋｎ，Ｋｐは常時投入されるため、原理的には設けなくとも支障はない。
【００９１】
つまり、何れの走行モードにおいても、主変換回路３０Ｄの直流リンク部と補機用変換回路４０Ｄの直流リンク部と野電圧が共通化され、架線モード及びバッテリモードの何れにおいても、中間共通電圧「７５０Ｖ」の直流電圧が印加される。また、架線モード、バッテリモード及び急速充電それぞれにおける電力供給動作は、架線モードにおいて接触器Ｋｐが投入された状態となり、バッテリモードにおいて主回路側コンバータ３１Ｄをコンバータ動作させる他は、図２，図３，図５と同様である。
【００９２】
＜走行モードの切り替え＞
走行モードにおける電力供給動作や、第１実施形態における走行モードの切り替えの制御手順（図６〜図１０参照）とほぼ同様であるが、次の２点で異なる。すなわち、架線モードにおいて、接触器Ｋｐを開放しないこと（図６のステップＡ１、図８のステップＣ９、図１０のステップＥ２５）、バッテリモードにおいて、主回路側コンバータ３１Ｄを停止させず、コンバータ動作をするように制御すること（図７のステップＢ３、図１０のステップＥ１７）である。
【００９３】
＜作用効果＞
このように、第４実施形態における電源システム１Ｄは、第１実施形態の電源システム１Ａと比べて、主変圧器２０Ｄの二次巻線２２Ｄ及び三次巻線２３Ｄそれぞれの降圧電圧を等しくし、何れの走行モードにおいても、バッテリ５０Ｄの定格電圧と、主変換回路３０Ｄ及び補機用変換回路４０Ｄの直流リンク部の電圧を共通とした構成である。これにより、第１実施形態における作用効果に加えて、主変圧器２０Ｄの負荷バランスや高調波低減の効果が得られる。
【００９４】
なお、第３実施形態と第４実施形態とは中間共通電圧が異なる。バッテリ及び各種機器のコストや、バッテリの設置スペース、駆動力の要求仕様等に応じて、第３実施形態と第４実施形態の何れかを選択することができる。また、中間共通電圧として、第３実施形態では１５００Ｖ、第４実施形態では７５０Ｖとして説明したが、これは一例である。
【００９５】
［第５実施形態］
次に、第５実施形態を説明する。第５実施形態と第１実施形態との主な違いは、バッテリ５０Ｅの定格電圧を「１５００Ｖ」とし、バッテリモードにおける中間共通電圧を「１５００Ｖ」とした点である。なお、以下の説明において、上述の第１〜第４実施形態と同一の構成要素については同符号を付し、詳細な説明を省略或いは簡略する。
【００９６】
＜構成＞
図１９は、第５実施形態における電源システム１Ｅの回路構成図である。電源システム１Ｅは、真空遮断器ＶＣＢと、主変圧器２０と、主変換回路３０Ｅと、補機用変換回路４０Ｅと、バッテリ５０Ｅと、接触器Ｋｎ，Ｋｐと、高速度遮断器ＢＨＢと、リアクトルＬと、制御部６０Ｅとを備えて構成される。
【００９７】
補機側コンバータ４１Ｅは、主変圧器２０Ｅの三次巻線２３Ｅから入力端（一次側）に入力される「単相４４０Ｖ」の交流電圧を「１５００Ｖ」の直流電圧に変換して出力するコンバータ動作（順方向運転）と、出力端（二次側）から入力される「１５００Ｖ」の直流電圧を「単相４４０Ｖ」の交流電圧に変換して入力端（一次側）から出力するインバータ動作（逆方向運転）とを行うことが可能に構成されている。
【００９８】
バッテリ５０Ｅは、定格電圧が「１５００Ｖ」に設計されている。つまり、主変換回路３０Ｅの直流リンク部には、架線モードでは「１８００Ｖ」の直流電圧が印加され、バッテリモードでは「１５００Ｖ」の直流電圧が印加される。バッテリモードでは、主変換回路３０Ｅの直流リンク部と補機用変換回路４０Ｅの直流リンク部とが接続されるため、互いの直流リンク部の電圧が共通化され、「１５００Ｖ」の直流電圧が中間共通電圧となる。
【００９９】
＜走行モードの切り替え＞
走行モードにおける電力供給動作や、第１実施形態における走行モードの切り替えの制御手順（図６〜図１０参照）とほぼ同様であるが、次の点で異なる。すなわち、バッテリモードにおいて、主回路側コンバータ３１を停止させず、出力電圧が「１５００Ｖ」になるようコンバータ動作をするように制御する（図７のステップＢ３、図１０のステップＥ１７）。
【０１００】
＜作用効果＞
このように、第５実施形態における電源システム１Ｅは、バッテリ５０Ｅの定格電圧が「１５００Ｖ」に構成される。これにより、第１実施形態における作用効果に加えて、バッテリモードにおいてインバータ３２Ｅに入力される直流電力（直流１５００Ｖ）が第１実施形態の場合（直流７５０Ｖ）と比較して高くなることから、特にバッテリモードにおける主電動機４の駆動トルクを向上させることができる。
【０１０１】
［第１〜第５の実施形態の共通の作用効果］
本実施形態における電源システム１Ａ〜１Ｅを交流電気車に搭載することで、交流電気車の架線・バッテリハイブリッド化が可能となる。
これにより、様々な作用効果が奏される。
【０１０２】
例えば、上述の実施形態では、主電動機４への駆動電力の供給、すなわち力行時の説明を主にしたが、バッテリ５０Ａ〜５０Ｅは、主変換回路３０の直流リンク部に接続されているため、回生時には、主電動機４で発生した電力がバッテリ５０Ａ〜５０Ｅに蓄積されることになる。これにより、回生エネルギーをバッテリ５０Ａ〜５０Ｅに蓄積することで、回生失効を防止し、エネルギーの有効利用が可能となる。
【０１０３】
また、架線モードとバッテリモードとの切り替えが可能となるため、架線の停電時にバッテリモードに切り替えることで、最寄り駅まで走行するといったことが可能となる。
【０１０４】
また、交流区間では架線電圧が「２００００Ｖ〜２５０００Ｖ程度」と高いため、バッテリの急速充電時に、パンタ点に流れる電流が数十アンペアと小さくて済む。架線電圧が「１５００Ｖ程度」となる直流区間で急速充電を行おうとすると、大電流に対応した特殊な架線を用いる必要があるが、交流区間では通常（従来）のトロリー線で問題無い。例えば、１００ｋＷのバッテリ充電を行う場合には、５０Ａ（＝１００００Ｗ／２００００Ｖ）のパンタ点電流となる。
【０１０５】
また、交流電気車ではあるが、バッテリモードに切り替えることで、直流区間も走行できる。直流区間をバッテリモードで走行する際には、真空遮断器ＶＣＢを開放しておくことで、万が一、パンタグラフ２が上昇して架線に接触しても、架線電圧（直流電圧）が主変圧器２０に印加されることがないため、直流偏磁が発生しない。なお、交流電気車は高圧用に設計されているため、直流区間（１５００Ｖ程度程度）においてパンタグラフ２が上昇し、架線に接触したとしても、電圧的に問題が生じることはない。
【符号の説明】
【０１０６】
１Ａ〜１Ｅ  電源システム
ＶＣＢ  真空遮断器
２０  主変圧器、２１  一次巻線、２２  二次巻線、２３  三次巻線
３０  主変換回路、３１  主回路側コンバータ、３２インバータ
４０  補機用変換回路、４１  補機側コンバータ、４２  静止形インバータ
５０Ａ〜５０Ｅ  バッテリ
Ｋ，Ｋｓ，Ｋｐ，Ｋｎ  接触器、ＢＨＢ  高速度遮断器、Ｌ  リアクトル
６０  制御部
【図１】
0005914068.tif 000002
【図２】
0005914068.tif 000003
【図３】
0005914068.tif 000004
【図４】
0005914068.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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