(57)【要約】【課題】装置の大型化および複雑化を招くことなく、エネルギーの利用効率が高い電気車補助電源装置を提供する。【解決手段】バッテリ４３は、インバータ４２の直流入力側、すなわちコンバータ４１の直流出力側に接続され、コンバータ３２から主電動機３１へ供給される直流電力に比較して電圧の低いコンバータ４１からインバータ４２へ入力される直流電力によって充電される。そのため、バッテリ４３は、専用のＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく、コンバータ４１から出力された直流電力によって直接充電または放電が制御される。【選択図】図１
2011004566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線から集電した交流電力を降圧して主電動機に供給する変圧器と、
前記変圧器で変圧した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記コンバータの直流電力出力側に接続され、入力された直流電力を交流電力に変換して補助機器へ出力するインバータと、
前記インバータの直流入力側において正極と負極との間に接続され、前記架線からの電力および前記主電動機からの回生電力を充電、ならびに前記架線からの電力の供給が停止したとき前記主電動機および前記補助機器へ電力を放電する蓄電手段と、
を備えることを特徴とする電気車補助電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車補助電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、架線からの電力および主電動機からの回生電力を充電し、充電した電力を必要に応じて主電動機や各種の補助機器に供給する蓄電手段を備える電気車補助電源装置が公知である（例えば、特許文献１、２参照）。交流電気車の場合、例えば図３に示すように電気車１００は、架線１０１から集電装置１０２によって交流電力を集電する。電気車１００は、集電した交流電力を変圧器１０３により変圧した後、コンバータ１０４およびインバータ１０５によって主電動機１０６へ供給する電力を制御する。コンバータ１０４の直流出力側には、直流電圧を可変するＤＣ／ＤＣコンバータ１０７が接続されており、このＤＣ／ＤＣコンバータ１０７の出力側に例えばリチウムイオン電池などの蓄電手段１０８が接続されている。蓄電手段１０８は、比較的充電容量が大きく、一般的に主電動機１０６を駆動するための電力を充電および放電する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−０５６９３４号公報
【特許文献２】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】
しかしながら、このような従来の電気車１００の場合、蓄電手段１０８へ充電および放電するためにはコンバータ１０４から出力される直流電力の電圧を可変するＤＣ／ＤＣコンバータ１０７が必要となる。そのため、素子および機器の増加を招き装置の大型化および複雑化を招くという問題がある。一方、蓄電手段１０８を備えていない電気車１００の場合、例えば架線１０１の停電や、き電区分セクションいわゆる交−交セクションの通過時などのように電力を回生することができないとき、回生によって生じた電力は熱エネルギーとして消費するか、または機械的ブレーキによって制動する必要がある。その結果、エネルギーの無駄が生じるという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、装置の大型化および複雑化を招くことなく、エネルギーの利用効率が高い電気車補助電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために本発明の電気車補助電源装置は、架線から集電した交流電力を降圧して主電動機に供給する変圧器と、前記変圧器で変圧した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの直流電力出力側に接続され、入力された直流電力を交流電力に変換して補助機器へ出力するインバータと、前記インバータの直流入力側において正極と負極との間に接続され、前記架線からの電力および前記主電動機からの回生電力を充電、ならびに前記架線からの電力の供給が停止したとき前記主電動機および前記補助機器へ電力を放電する蓄電手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上記の構成により、蓄電手段は、補助機器へ電力を供給するインバータの直流入力側、すなわちコンバータの直流出力側に接続され、コンバータからインバータへ入力される直流電力によって充電される。補助機器へ電力を供給するコンバータから出力される直流電力は、主電動機へ供給される交流電力に変化する直流電力よりも電圧が低い。そのため、蓄電手段は、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく、コンバータから出力される直流電力によって充電または放電が制御される。これにより、蓄電手段は、架線からの電力および主電動機からの回生電力によって充電される。また、蓄電手段は、放電することにより、主電動機および補助機器へ電力を供給する。そのため、例えばデッドセクションや停電など架線から集電ができない状態で電気車が停止した場合でも、蓄電手段の放電による電力によって電気車は再力行可能である。したがって、装置の大型化および複雑化を招くことなく、エネルギーの利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態による電気車補助電源装置の電気的な構成を示す概略図
【図２】本発明の第２実施形態による電気車補助電源装置の電気的な構成を示す概略図
【図３】従来の電気車補助電源装置の電気的な構成を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態による電気車１０は、集電器１１および車輪１２を備えている。集電器１１は、例えばパンタグラフなどで構成され、交流の電力が供給されている架線１３に摺動または転がり接触する。電気車１０は、車輪１２が線路上を転がることにより走行する。電気車１０は、架線１３に接する集電器１１と線路に接する車輪１２との間に電気回路を形成することにより、架線１３から電力を集電する。集電器１１と車輪１２との間には、集電器１１側から順に遮断器１４および変圧器１５が接続されている。遮断器１４は、集電器１１と車輪１２との間に形成される電気回路を開閉する。また、変圧器１５は、集電器１１から集電した交流電力を降圧する。変圧器１５は、集電器１１と車輪１２との間の一次巻線２１、二次巻線２２および三次巻線２３を有している。
【００１０】
電気車１０は、主電動機３１へ供給する電力を制御するコンバータ３２およびインバータ３３を備えている。また、電気車１０は、電気車補助電源装置（以下、「補助電源装置」という。）４０を搭載している。補助電源装置４０は、コンバータ４１、インバータ４２および蓄電手段としてのバッテリ４３を備えている。コンバータ３２およびコンバータ４１は、交流電力を直流電力に変換する、いわゆるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によるＡＣ／ＤＣコンバータである。具体的には、コンバータ３２は、変圧器１５の二次巻線２２に接続している。また、コンバータ４１は、変圧器１５の三次巻線２３に接続している。これにより、コンバータ３２およびコンバータ４１は、集電器１１により架線１３から集電され、変圧器１５によって変圧された交流電力を直流電力に変換するとともに、その直流電力の電圧を制御して出力する。
【００１１】
インバータ３３は、コンバータ３２の直流電力出力側に接続されている。インバータ３３は、コンバータ３２から入力された直流電力を三相交流電力に変換して主電動機３１へ出力する。具体的には、インバータ３３は、コンバータ３２より入力された直流電力から電気車１０の走行状態に応じて電圧および周波数を可変した三相交流電力を出力するＶＶＶＦインバータで構成されている。また、インバータ４２は、コンバータ４１の直流電力出力側に接続されている。インバータ４２は、コンバータ４１から入力された直流電力を三相交流電力または単相交流電力に変換して出力する。インバータ４２は、例えばコンバータ４１より入力された直流電力から電圧および周波数が一定の交流電力を出力する静止形インバータで構成されている。
【００１２】
主電動機３１は、例えばかご形三相誘導電動機であり、インバータ３３の交流出力側から出力された三相交流電力によって駆動される。主電動機３１は、図示しない駆動機構を介して車輪１２と機械的に接続している。これにより、主電動機３１から発生した駆動力は、駆動機構を経由して車輪１２へ伝達される。その結果、電気車１０は、主電動機３１で発生した駆動力によって線路上を走行する。
【００１３】
インバータ４２の交流電力出力側には、一つ以上の補助機器４４が接続している。補助機器４４は、例えば空調機器、照明およびコンプレッサなどの各種の機器が含まれる。空調機器および照明は、電気車１０の客室内の空調および客室内や外部の照明を行う。コンプレッサは、電気車１０の制動装置、空気ばね、あるいは扉開閉装置などへ供給するための圧縮空気を生成する。補助機器４４は、インバータ４２から供給される三相交流電力または単相交流電力によって駆動される。
【００１４】
蓄電手段としてのバッテリ４３は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池で構成されている。また、蓄電手段は、バッテリ４３に代えて、電気二重層コンデンサで構成してもよい。このようなバッテリ４３や電気二重層コンデンサは、繰り返される充放電に対する耐久性が高く、かつ充電容量も十分に確保される。バッテリ４３は、コンバータ４１の直流出力側において正極と負極との間に接続されている。架線１３から集電された交流電力の一部は、変圧器１５の三次巻線２３およびコンバータ４１を経由してバッテリ４３に充電される。また、電気車１０の制動時に主電動機３１で発生した回生電力は、必要に応じてバッテリ４３に充電される。
【００１５】
コンバータ４１は、出力する直流電圧を制御する。この場合、コンバータ４１は、検出されたバッテリ４３の充電容量に基づいてバッテリ４３に印加する直流電圧を変更する。これにより、コンバータ４１から出力される直流電圧によって、バッテリ４３の充電および放電が制御される。変圧器１５の三次巻線２３から取り出される電圧は、二次巻線２２から取り出される電圧に比較して低く設定されている。そのため、三次巻線２３からコンバータ４１、およびコンバータ４１からバッテリ４３へ入力される電圧も低く設定される。その結果、三次巻線２３からバッテリ４３へ至る電気回路の絶縁仕様は簡略化される。このように、バッテリ４３の充電および放電を、補助機器４４に電力を供給するために設けたコンバータ４１から出力する直流電圧によって制御することにより、例えばバッテリに専用のＤＣ／ＤＣコンバータなどが不要になり、かつバッテリ４３周辺における回路の絶縁仕様も簡略化される。したがって、機器の小型化および軽量化が図られる。
【００１６】
次に、上記の構成による電気車１０の補助電源装置４０の作動について説明する。
電気車１０が架線１３から集電可能な状態にあるとき、バッテリ４３は集電した電力の一部によって充電される。バッテリ４３の充電率は、コンバータ４１から出力される直流電圧によって制御される。第１実施形態の場合、バッテリ４３の充電率は、１００％未満となるように充電容量に余裕が確保されている。すなわち、バッテリ４３は、常に充電可能な状態に制御されている。
【００１７】
電気車１０が力行時にあるとき、電気車１０は集電器１１により架線１３から交流電力を集電する。集電した交流電力は、変圧器１５、コンバータ３２およびインバータ３３を経由して主電動機３１に供給される。これにより、主電動機３１は車輪１２を駆動する駆動力を発生し、電気車１０は走行する。一方、電気車１０が制動時にあるとき、電気車１０は主電動機３１を発電機として機能させて回生制動を行う。制動時において主電動機３１で発生した電力は、力行時とは逆にインバータ３３およびコンバータ３２を経由して変圧器１５の二次巻線２２へ印加される。ここで、回生が有効に機能しているとき、二次巻線２２へ印加された交流電力は、一次巻線２１から集電器１１を経由して架線１３へ戻される。その結果、電気車１０の制動によって主電動機３１で発生した電力は、同一のき電区間すなわち同一のセクション内を走行する他の電気車によって消費されることにより回生される。
【００１８】
一方、回生が有効に機能していないとき、すなわち回生失効が生じているとき、二次巻線２２へ印加された交流電力は、三次巻線２３からコンバータ４１を経由してバッテリ４３に充電される。例えば同一のセクション内で力行する他の電気車の消費電力が自電気車の回生電力を下回るとき、交−交セクションを通過するとき、あるいは停電しているとき、主電動機３１で発生した電力を十分に回生することができない回生失効が生じる。このように回生失効が生じると、電気車１０は例えば図示しない抵抗器などで主電動機３１で発生した電力を熱として消費したり、機械的なブレーキを用いて制動する必要がある。そのため、エネルギー効率の低下や機械的なブレーキの不必要な摩耗を招くことになる。本実施形態の場合、上述のようにバッテリ４３の充電率は常に余裕が確保されている。そのため、このように回生失効が生じた場合でも、主電動機３１で発生した電力はバッテリ４３に充電することによって回生される。
【００１９】
バッテリ４３に充電された電力は、補助機器４４あるいは主電動機３１の駆動によって消費される。例えば停電などによって架線１３からの電力の供給が停止したとき、電気車１０の空調、照明および圧縮空気を生成するコンプレッサは、バッテリ４３に充電された電力によって駆動される。この場合、バッテリ４３に充電された電力は、インバータ４２で交流電力に変換された後、補助機器４４へ供給される。
【００２０】
また、例えば交−交セクションや交−直セクションなどの無電区間（デッドセクション）で電気車１０が停止した場合、電気車１０はバッテリ４３の放電による電力によって無電区間を自力で脱出する。この場合、バッテリ４３に充電された電力は、コンバータ４１で交流電力に変換された後、変圧器１５の三次巻線２３へ印加される。そして、変圧器１５の二次巻線２２から取り出された電力は、コンバータ３２で直流電力に変換された後、インバータ３３で再び交流電力に変換されて主電動機３１に供給される。主電動機３１は、上記の手順でバッテリ４３から供給された電力によって駆動力を発生し、電気車１０を駆動する。これにより、無電区間に停止した電気車１０は、この無電区間から自力で脱出することができる。
【００２１】
以上、説明した第１実施形態では、バッテリ４３は、インバータ４２の直流入力側、すなわちコンバータ４１の直流出力側に接続され、コンバータ４１からインバータ４２へ入力される直流電力によって充電される。補助機器４４へ電力を供給するためのコンバータ４１から出力される直流電力は、主電動機３１へ電力を供給するためのコンバータ３２から出力される直流電力よりも電圧が低い。そのため、バッテリ４３は、専用のＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく、コンバータ４１から出力された直流電力によって直接充電または放電が制御される。これにより、バッテリ４３は、架線１３からの電力および主電動機３１からの回生電力によって充電される。特に回生失効が生じているとき、主電動機３１で発生した電力は、バッテリ４３の充電によって回収される。したがって、装置の大型化および複雑化を招くことなく、エネルギーの利用効率を高めることができる。また、主電動機３１で発生した電力をバッテリ４３に回収することにより、制動時における機械的なブレーキの使用が低減される。したがって、機械的なブレーキの摩耗を低減することができる。
【００２２】
また、第１実施形態では、バッテリ４３は、放電することにより主電動機３１へ電力を供給することもできる。そのため、例えば交−交セクションなどのデッドセクションや停電など架線１３から集電ができない状態で電気車１０が停止した場合でも、バッテリ４３の放電による電力によって電気車１０は再力行可能である。さらに、第１実施形態では、バッテリ４３は、放電することにより空調、照明およびコンプレッサなどの補助機器４４へ電力を供給する。そのため、架線１３から集電ができない状態で電気車１０が停止した場合でも、電気車１０は再力行可能であるとともに、必要な補助機器４４にはバッテリ４３から電力が供給される。したがって、緊急時に対する電気車１０の安全性を高めることができる。
【００２３】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による補助電源装置を図２に示す。
図２に示すように、第２実施形態の場合、補助機器４４は二つ以上の機器４４１、４４２から構成されている。なお、図２では、説明の簡単のため、補助機器４４が二つの機器４４１、４４２を有する例を示している。インバータ４２と機器４４１とを接続する回路には接触器５１が設けられ、インバータ４２と機器４４２とを接続する回路には接触器５２が設けられている。また、補助電源装置４０は、電圧検出部６１および制御部６２をさらに備えている。電圧検出部６１は、集電器１１に接続され、架線１３の電圧を検出する。制御部６２は、電圧検出部６１で検出した架線１３の電圧に基づいて機器４４１の接触器５１または機器４４２の接触器５２を制御する。
【００２４】
バッテリ４３は充電容量に限りがある。そのため、架線１３からの交流電力の供給が停止した後、補助機器４４を構成するすべての機器４４１、４４２に対しバッテリ４３から電力を供給すると、バッテリ４３の充電容量は早期に低下する。その結果、補助機器４４を構成する機器４４１または機器４４２は、いずれも駆動できない状態となる。そこで、第２実施形態では、制御部６２は、電圧検出部６１によって架線１３の電圧を検出し、架線１３からの集電が可能であるか否かを判断する。例えば架線１３の電圧が低下したり、停電によって架線１３の電圧が０になると、制御部６２は架線１３からの集電が不可能であると判断する。そして、制御部６２は、架線１３からの集電が不可能であると判断すると、補助機器４４を構成する機器４４１および機器４４２のうち必要性のより低い機器４４１の接触器５１または機器４４２の接触器５２を開放する。
【００２５】
ここで、必要性の低い機器とは例えば照明や空調などのように電気車１０の走行に直接的な影響が小さいものであり、必要性の高い機器とは例えば制動のための圧縮空気を生成するコンプレッサなどのように電気車１０の安全な走行に影響が大きいものである。すなわち、この例の場合、制御部６２は、バッテリ４３からコンプレッサへの電力の供給を維持するために、照明や空調に接続する接触器を開放する。その結果、バッテリ４３に要求される負荷が低減するとともに、バッテリ４３の効率的な運用を図ることができる。なお、バッテリ４３から電力を供給する補助機器４４を構成する機器４４１、４４２の優先度は、任意に変更可能である。例えば、電気車１０の安全な走行への影響が大きな補助機器４４への電力の供給を維持した上で、夏期であれば空調の維持を優先したり、夜間であれば照明を優先したりしてもよい。
【００２６】
（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態では、補助機器４４の一例としてコンプレッサを示した。従来の電気車は、一般に制動や空気ばねへ圧縮空気を供給するための主コンプレッサと、パンタグラフなどの集電器へ圧縮空気を供給するための補助コンプレッサとを備えている。これは、集電器の格納時に電力が入手できないため、まずバッテリで補助コンプレッサを駆動して集電器を駆動した後、集電器によって架線から集電し主コンプレッサを駆動するためである。これに対し、本発明の複数の実施形態では、補助機器４４はバッテリ４３によって駆動される。そのため、集電器１１の格納時であっても、バッテリ４３に蓄えられている電力により主コンプレッサを駆動することができる。したがって、補助コンプレッサを省略することができ、電気車１０に搭載する機器を低減することができる。
【００２７】
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【符号の説明】
【００２８】
図面中、１０は電気車、１３は架線、３１は主電動機、４０は補助電源装置（電気車補助電源装置）、４１はコンバータ、４２はインバータ、４３はバッテリ（蓄電手段）、４４は補助機器を示す。
【図１】
2011004566.tif 000003
【図２】
2011004566.tif 000004
【図３】
2011004566.tif 000005