(57)【要約】【課題】切替セクション及び無電圧区間を極力減らして設備投資や維持費を低減できる交流き電装置を提供する。【解決手段】この交流き電装置は、商用系統の三相交流電力を直流電力に変換するコンバータ３と、前記直流電力を単相の交流電力に変換するインバータ４とをそれぞれ組み合わせた複数の電力変換装置７から構成され、トロリー線６に単相交流電力を供給する。電力変換装置７ｃは所定の周波数と大きさの単相交流電圧をトロリー線６に供給するようインバータ４ｃを制御するインバータ制御装置５１を有する。複数の第２電力変換装置７ａ、７ｂ、７ｄ、７ｅは予め定められた区間のき電線の電流検出値を基準値として、直交変換器４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅの出力電圧値を決定する定電流制御器６８−２をそれぞれ有する。【選択図】    図１
2008296825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用系統の三相交流電力を直流電力に変換する交直変換器と、前記直流電力を単相の交流電力に変換する直交変換器とをそれぞれ組み合わせた複数の電力変換装置を具備し、き電線に単相交流電力を供給する交流き電装置であって、
所定の周波数と大きさの単相交流電圧を前記き電線に供給するよう直交変換器を制御する制御手段を有する第１電力変換装置と、
予め定められた区間の前記き電線の電流検出値を基準値として、直交変換器の出力電圧値を決定する定電流制御手段をそれぞれ有する複数の第２電力変換装置と、
を具備することを特徴とする電気鉄道用交流き電装置。
【請求項２】
商用系統の三相交流電力を二相の交流電力に変換するき電変圧器と、
商用系統の三相交流電力を直流電力に変換する交直変換器及び前記直流電力を単相の交流電力に変換する直交変換器をそれぞれ組み合わせた複数の電力変換装置とを有し、き電線に単相交流電力を供給する交流き電装置であって、
前記電力変換装置は、予め定められた区間の前記き電線の電流検出値を基準値として、直交変換器の出力電圧値を決定する定電流制御手段を有することを特徴とする電気鉄道用交流き電装置。
【請求項３】
商用系統の三相交流電力を直流電力に変換する交直変換器と、直流電力を単相の交流電力に変換する直交変換器をそれぞれ組み合わせた複数の電力変換装置を具備し、き電線に単相交流電力を供給する交流き電装置であって、
前記き電線の電圧を予め定められた設定電圧に維持する電圧制御手段と、前記き電線の電圧周波数を基本周波数に維持する周波数制御手段と、交流電力をフライホイールの回転エネルギーとして蓄える蓄電手段と、前記フライホイールの回転数に基づく電流指令値を提供し前記フライホイールの回転数を制御する回転数制御手段とを有する第１電力変換装置と、
予め定められた区間の前記き電線の電流検出値と、前記回転数制御手段から提供される電流指令値との加算値を基準値として、直交変換器の出力電圧値を決定する定電流制御手段を含む第２電力変換装置と、
を具備することを特徴とする電気鉄道用交流き電装置。
【請求項４】
一区間のき電線に流れる電流の半分の電流値を当該き電線区間の両端に位置する電力変換装置の前記基準値として、前記定電流制御手段に与えるよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうち１項記載の電気鉄道用交流き電装置。
【請求項５】
前記き電線の電流検出値の変化率を制限する変化率制限手段を有し、前記変化率制限手段の出力が前記基準値として前記定電流制御手段に提供されることを特徴とする請求項１乃至４のうち１項記載の電気鉄道用交流き電装置。
【請求項６】
前記第２電力変換装置は、前記き電線の電圧検出値と予め定められた設定電圧との比較に基づいて、自端の直交変換器の出力電圧値を前記設定電圧に維持する定電圧制御手段を更に具備していることを特徴とする請求項１乃至５のうち１項記載の電気鉄道用交流き電装置。
【請求項７】
前記き電変圧器の二相側電流値を、ぞれぞれの相に接続されている電力変換装置の前記定電流制御手段の基準値に加算するよう構成されていることを特徴とする請求項２記載の電気鉄道用交流き電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道のトロリー線に単相交流電力を供給する電気鉄道用交流き電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に交流き電方式では、図２１に示すように、スコット変圧器等の三相二相変圧器９により三相交流電力を９０°の位相差をもつ二相交流電力に変換して電車に給電している。同図において１ａ、１ｂは電力系統、６ａ〜６ｄはトロリー線である。各トロリー線で位相が異なることから、変電所内や変電所間でこれら二相の電源を接続することはできず、無電圧区間が生じる。無電圧区間を挟んで電源位相が急変することによる電車内の電気系統へのダメージを避けるため、無電圧区間では惰性で走行するが、新幹線では高速走行や過密な運行を実現するため、無電圧区間を無くす対策として異位相電源間に切替セクション１０を設けている。
【０００３】
切替セクション１０は２つのエアセクションで区切られた中セクション２１と真空開閉器２２で構成され、電車の位置を検出して、中セクション２１への給電を進行方向手前から進行方向先へ切り替えることにより、僅かな無電圧時間あるだけで、電車は力行状態で通過することができる（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】最新  電気鉄道工学（１７７〜１７８頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
真空開閉器は電車が通過する度に開閉を繰り返すため、保守や更新が不可欠であること、更に故障に備えて予備回路を設けておく必要があることから、設備投資や維持費として多額の資金を必要とするという課題がある。
【０００５】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、切替セクション及び無電圧区間を極力減らして設備投資や維持費を低減できる交流き電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】
【０００６】
本発明の１実施例に係る電気鉄道用交流き電装置は、商用系統の三相交流電力を直流電力に変換する交直変換器と、前記直流電力を単相の交流電力に変換する直交変換器をそれぞれ組み合わせた複数の電力変換装置から構成され、き電線に単相交流電力を供給する交流き電装置であって、所定の周波数と大きさの単相交流電圧を前記き電線に供給するよう直交変換器を制御する制御手段５１を含む第１電力変換装置と、予め定められた区間の前記き電線の電流検出値を基準値として、直交変換器の出力電圧値を決定する定電流制御回路を含む第２電力変換装置とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
切替セクション及び無電圧区間を極力減らし設備投資や維持費を低減できる交流き電装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【０００９】
［第１実施例］
図１は本発明によるき電装置の第１実施例の全体的な回路構成と制御装置との関係を示した図である。この第１実施例は、変換器用変圧器２と、コンバータ（交直変換器）３と、インバータ（直交変換器）４と、直流コンデンサ５から構成される三相電力を単相電力に変換する複数の電力変換装置７ａ〜７ｅにより、異なる電力系統１ａ〜１ｅからトロリー線（き電線）６ａ〜６ｆに電力を供給する構成となっている。尚、電力変換装置７の台数は説明の便宜上５台としたが、これは台数を限定するものではなく、必要に応じて変化する。
【００１０】
コンバータ３は、自己消弧形素子とダイオードをそれぞれ逆並列接続 した複数のスイッチング回路をブリッジ接続して構成され、コンバータ制御装置５３の制御により三相電圧を一定の直流電圧に変換する。コンバータ制御装置５３は、電力系統１と電力変換装置７の間に設置された電流検出器１０５と、電力系統１に設置された電圧検出器１０６と、コンバータ３とインバータ４間の直流回路に設置された直流電圧検出器１０７からの信号を入力とし、コンバータ３を制御する。
【００１１】
インバータ４は、自己消弧形素子とダイオードをそれぞれ逆並列接続 した複数のスイッチング回路をブリッジ接続して構成され、コンバータ３により生成された直流電圧を単相交流電圧に変換する。インバータのうちの１台（インバータ４ｃ）は、トロリー線に設置された電圧検出器１０４ｃの信号を入力とするインバータ制御装置５１により、予め定められた周波数と大きさの電圧を出力するように制御される。残りのインバータ４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅは、電力変換装置７とトロリー線６の間に設置された電流検出器１０１の電流値と、トロリー線６に設置された電流検出器１０３の電流値と、トロリー線６に設置された電圧検出器１０４の電圧値を入力とするインバータ制御装置５２により、電流検出器１０３の電流値とインバータ４の電流が等しくなるように制御される構成となっている。
【００１２】
次に、コンバータ制御装置の構成と作用を説明する。コンバータ制御装置５３の構成を図２に示す。尚、コンバータ制御装置５３ａ〜５３ｅはすべて同じ構成と作用である。図において、信号線の上方に記載された数字は信号線の線数を示す。例えば電流検出器１０５ｂから三相／二相変換器７０への信号線は３線である。
【００１３】
コンバータ制御装置５３は、電圧検出器１０６ｂの電力系統電圧信号を入力とする位相検出回路６４−２と、電流検出器１０５ｂのコンバータ電流信号と位相検出回路６４−２の出力信号θａｃを入力とする三相／二相変換器７０と、直流電圧検出器１０７ｂの直流電圧信号と直流電圧設定値Ｅｄｒｅｆを入力とする定電圧制御器６３−２と、無効電流指令値Ｉｃｑｒｅｆと定電圧制御器６３−２からの有効電流指令値Ｉｃｄｒｅｆと三相／二相変換器７０の出力信号Ｉｃｄ、Ｉｃｑを入力とする定電流制御器６８−２と、定電流制御器６８−２の出力信号Ｖｃ＊、θｃ＊と位相検出回路６４−２の出力信号θａｃを入力とするゲート信号生成器６９−２から構成される。
【００１４】
位相検出回路６４−２は電圧検出器１０６ｂで検出された電力系統１ｂの電圧の位相角θａｃを検出する。この位相角θａｃは三相電圧の例えばｕ相電圧の位相角である。三相／二相変換器７０は位相角θａｃに基づいて、電流検出器１０５ｂで検出されたコンバータ電流を三相／二相変換し、コンバータ電流の有効分Ｉｃｄと無効分Ｉｃｑを生成する。定電圧制御器６３−２は直流電圧検出器１０７ｂで検出された直流電圧と直流電圧指令値Ｅｄｒｅｆの差分に応じた有効電流指令値Ｉｃｄｒｅｆを生成する。定電流制御器６８−２は有効電流指令値Ｉｃｄｒｅｆと有効電流分Ｉｃｄが等しく、無効電流指令値Ｉｃｑｒｅｆと無効電流分Ｉｃｑが等しくなるコンバータ電圧の出力電圧指令値Ｖｃ＊と位相差指令値θｃ＊を生成する。ゲート信号生成器６９−２は電圧指令値Ｖｃ＊の大きさと、位相角θａｃに対して位相差指令値θｃ＊の位相差を有する次式（１）で示されるコンバータ交流出力電圧が得られるように、コンバータへのゲート信号を三角波比較ＰＷＭ制御等により生成する。
【００１５】
Ｖｃ＊・ｓｉｎ（θａｃ＋θｃ＊）
Ｖｃ＊・ｓｉｎ（θａｃ＋θｃ＊＋２π／３）      …（１）
Ｖｃ＊・ｓｉｎ（θａｃ＋θｃ＊−２π／３）
図３は定電圧制御器６３−２及び定電流制御器６８−２の詳細構成を示す図である。減算器３１は、直流電圧指令値Ｅｄｒｅｆから、直流電圧検出器１０７ｂにより検出された直流電圧Ｅｄｃを減算する。ＰＩ制御部３２は入力側が減算器３１に接続され、減算器３１の出力に基づいてＰＩ制御を行い、コンバータ有効電流指令値Ｉｃｄｒｅｆを出力する。減算器３３は、コンバータ有効電流指令値Ｉｃｄｒｅｆからコンバータ有効電流値Ｉｃｄを減算する。ＰＩ制御部３４は入力側が減算器３３に接続され、減算器３３の出力に基づいてＰＩ制御を行う。乗算器３５はコンバータ無効電流指令値Ｉｃｑｒｅｆに変圧器２のリアクタンスＸを乗算する。Ｖｄ、Ｖｑは電力系統電圧を三相／二相変化して得られる有効電圧及び無効電圧である。加算器３６はＰＩ制御部３４の出力と乗算器３５の出力と有効電圧Ｖｄを加算し、コンバータ有効電圧指令値Ｖｃｄを出力する。
【００１６】
減算器３７は、コンバータ無効電流指令値Ｉｃｑｒｅｆからコンバータ無効電流値Ｉｃｑを減算する。尚、コンバータ無効電流指令値Ｉｃｑｒｅｆは、本実施例では一例として０．０を適用する。ＰＩ制御部３８は入力側が減算器３７に接続され、減算器３７の出力に基づいてＰＩ制御を行う。乗算器３９はコンバータ有効電流指令値Ｉｃｄｒｅｆに変圧器２のリアクタンスＸを乗算する。演算部２３は乗算器３９の出力と電力系統無効電圧Ｖｑとを加算した値からＰＩ制御部３８の出力を減算し、コンバータ無効電圧指令値Ｖｃｑを出力する。
【００１７】
演算部２４は、コンバータ有効電圧指令値Ｖｃｄと無効電圧指令値Ｖｃｑのそれぞれの二乗の和の平方根を演算し、コンバータ３の出力電圧指令値（最大振幅）Ｖｃ＊を出力する。演算部２５は、コンバータ有効電圧指令値Ｖｃｄと無効電圧指令値Ｖｃｑに基づいて、系統電圧とコンバータ電圧の位相差指令値θｃ＊を演算する。
【００１８】
次に、コンバータ制御装置５３及びコンバータ３の動作を説明する。
【００１９】
コンバータ３は図４のように、電力系統の電圧Ｖａｃ（位相角：θａｃ）に対して遅れ位相のコンバータ電圧Ｖｃ（位相角：θｃ＋θａｃ）を生成する。生成するコンバータ交流出力電圧の大きさＶｃと位相差θｃを、コンバータ制御装置５３により変化させることで有効電流Ｉｃｄ、無効電流Ｉｃｑをそれぞれ任意の量に制御することができる。以下、具体的な動作例を説明する。
【００２０】
電車が一定速度で走行しているときのような定常状態では、コンバータ３は電力系統から直流回路に電流（エネルギー）を流す。このとき、コンバータ有効電圧指令値Ｖｃｄは１．０付近、無効電圧指令値Ｖｃｑは０．０付近の値で、コンバータ出力電圧指令値Ｖｃ＊は１．０付近、位相差指令値θｃ＊は０．０付近の負の値である。
【００２１】
電車が力行しているときのように、インバータによって、き電回路に送る有効電力が増加した場合、その直後はコンバータ３で電力系統からコンデンサ５に送られる有効電力は前の状態を維持しているので、コンデンサ５にチャージされていたエネルギーが減少して直流電圧Ｅｄｃが低下する。直流電圧Ｅｄｃが低下すると、コンバータ有効電流指令値Ｉｃｄｒｅｆが減少し、ＰＩ制御部３４の出力は減少し、コンバータ有効電圧指令値Ｖｃｄが低下する。このとき、乗算器３９の出力（Ｘ・Ｉｃｄｒｅｆ）は減少し、コンバータ無効電圧指令値Ｖｃｑが低下（負側に増大）する。この場合、ｔａｎ−１（Ｖｃｑ／Ｖｃｄ）の結果はＶｃｑの変化の影響を強く受けるので、位相差指令値θｃ＊は負側に拡大し、コンバータ有効電流Ｉｃｄが増加する。すると、インバータによって、き電回路に流される有効電流よりコンバータ有効電流Ｉｃｄが大きくなり、その電流差によって直流コンデンサが充電されて直流電圧Ｅｄｃは上昇する。
【００２２】
電車が減速したときのように、インバータによって、き電回路に送る有効電力が減少した場合、その直後はコンバータ３で電力系統からコンデンサ５に送られる有効電力は前の状態を維持しているので、コンデンサ５にチャージされるエネルギーが増加して直流電圧Ｅｄｃが上昇する。直流電圧Ｅｄｃが上昇すると、コンバータ有効電流指令値Ｉｃｄｒｅｆは増加し、ＰＩ制御部３４の出力が増加し、コンバータ有効電流指令値Ｖｃｄも増加する。このとき、乗算器３９の出力（Ｘ・Ｉｃｄｒｅｆ）は増加し、コンバータ無効電圧指令値Ｖｃｑが上昇（負側で減少）する。この場合、ｔａｎ−１（Ｖｃｑ／Ｖｃｄ）の結果はＶｃｑの変化の影響を強く受けるので、位相差指令値θｃ＊は負側で減少し、コンバータ有効電流Ｉｃｄが減少する。すると、インバータによって、き電回路に流される有効電流よりコンバータ有効電流Ｉｃｄが小さくなり、その電流差が直流コンデンサから放電されて直流電圧Ｅｄｃは低下する。
【００２３】
又、インバータによって、き電回路に流される電流が０となったことで直流電圧Ｅｄｃが直流電圧指令値Ｅｄｒｅｆより上昇すると、上記した動作によりＶｃｑが上昇して正の値となり、電力系統１の電圧に対してコンバータ出力電圧が進み位相となるので、コンバータ３を介して直流回路から電力系統１に有効電流が流れ、直流コンデンサが放電され直流電圧Ｅｄｃは低下する。以上の動作によって、直流電圧Ｅｄｃは一定に保たれる。
【００２４】
次に、インバータ制御装置の構成と作用を説明する。
【００２５】
インバータ制御装置５１の構成を図５に示す。インバータ制御装置５１は、電圧検出器１０４ｃで検出されたトロリー線電圧値と予め設定された電圧設定値Ｖｒｅｆｃを入力とする定電圧制御器６３−１ｃと、予め設定された基本周波数ｆ０を入力とする位相角生成器７１と、定電圧制御器６３−１ｃの出力と位相角生成器７１の出力を入力とするゲート信号生成器６９−１ｃから構成される。
【００２６】
定電圧制御器６３−１ｃは、図２の定電圧制御器６３−２のようにＰＩ制御を行い、電圧検出器１０４ｃで得られたトロリー線電圧値（実効値）と電圧設定値Ｖｒｅｆｃが等しくなるためのインバータ４ｃの出力電圧指令値（最大振幅）Ｖｍを生成する。位相角生成器７１は基本周波数ｆ０（例えば５０Ｈｚ）に同期した位相角θｉ’を生成する。ゲート信号生成器６９−１ｃは、インバータ４ｃの出力電圧が次式（２）で示される正弦波となるようにゲート信号を生成し、インバータ４ｃに与える。この結果、予め設定された大きさＶｒｅｆｃと周波数ｆ０の電圧がインバータ４ｃから出力される。
【００２７】
Ｖｍ・ｓｉｎθｉ’                  …（２）
インバータ制御装置５２の構成を図６に示す。図６は一例として電力変換装置７ｂのインバータ制御装置５２ｂを示したものであるが、電力変換装置７ａ、７ｄ、７ｅのインバータ制御装置も構成及び作用は同様である。インバータ制御装置５２ｂは、電圧検出器１０４ｂで検出されたトロリー線電圧信号を入力とする位相検出回路６４−１と、電流検出器１０３ｂで検出されたトロリー線電流信号と位相検出回路６４−１の出力を入力とする有効分検出器６１−１と、電流検出器１０１ｂで検出されたインバータ電流信号と位相検出回路６４−１の出力を入力とする有効分検出器６１−２及び無効分検出器６２と、予め設定された電圧設定値Ｖｒｅｆと電圧検出器１０４ｂで検出されたトロリー線電圧信号を入力とする定電圧制御器６３−１と、有効分検出器６１−１の出力を入力とする変化率制限器６７と、変化率制限器６７の出力と有効分検出器６１−２の出力と無効分検出器６２の出力及び定電圧制御器６３−１の出力を入力とする定電流制御器６８−１と、定電流制御器６８−１の出力と位相検出回路６４−１の出力を入力とするゲート信号生成器６９−１から構成される。
【００２８】
位相検出回路６４−１は電圧検出器１０４ｂで得られたトロリー線電圧の位相角θｉｂを検出し、有効分検出器６１−１は位相角θｉｂを基準として電流検出器１０３ｂで得られたトロリー線電流の有効分（トロリー線電圧と同相の成分）を検出する。同様に、有効分検出器６１−２は電流検出器１０１ｂで検出されたインバータ電流の有効分（トロリー線電圧と同相の成分）Ｉｉｄを検出し、無効分検出器６２はインバータ電流の無効分（トロリー線電圧と直交する成分）Ｉｉｑを検出する。変化率制限器６７はトロリー線電流の有効分の変化率が一定範囲内となるように制限して有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆとして出力する。定電圧制御器６３−１は、図２の定電圧制御器６３−２のようにＰＩ制御を行い、電圧検出器１０４ｂで得られたトロリー線電圧と電圧設定値Ｖｒｅｆを等しくするための無効電流指令値Ｉｉｑｒｅｆを出力する。定電流制御器６８−１は有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆとインバータ電流有効分Ｉｉｄ（実効値）とを等しくし、無効電流指令値Ｉｉｑｒｅｆとインバータ電流無効分Ｉｉｑ（実効値）を等しくするための出力電圧指令値Ｖｉ＊と位相差指令値θｉ＊を出力する。ゲート信号生成器６９−１は、インバータ出力電圧が次式（３）で示される正弦波となるゲート信号を生成する。
【００２９】
Ｖｉ＊・ｓｉｎ（θｉｂ＋θｉ＊）      …（３）
図７は定電圧制御器６３−１及び定電流制御器６８−１の詳細構成を示す図である。減算器４１は、トロリー線電圧指令値Ｖｒｅｆから、電圧検出器１０４ｂにより検出されたトロリー線電圧値を減算する。ＰＩ制御部４１は入力側が減算器４１に接続され、減算器４１の出力に基づいてＰＩ制御を行い、インバータ無効電流指令値Ｉｉｑｒｅｆを出力する。これ以降の定電流制御器６８−１の構成及び動作は、図３の定電流制御器６８−２と同様であるから、詳細な説明は割愛する。
【００３０】
次に、インバータ制御装置５２及びインバータ４の動作例を説明する。
【００３１】
インバータ４は図８のように、トロリー線の電圧Ｖｉｂ（位相角：θｉｂ）に対して進み位相のインバータ電圧Ｖｉ（位相角：θｉｂ＋θｉ）を生成する。生成するインバータ出力電圧の大きさＶｉと位相差θｉを、インバータ制御装置５２により変化させることで有効電流Ｉｉｄ、無効電流Ｉｉｑをそれぞれ任意の量に制御することができる。以下、インバータ制御装置５２の具体的な動作例を説明する。
【００３２】
定常状態では、インバータは直流回路からトロリー線に電流（エネルギー）を流す。このとき、電流Ｉｉは正の数値となり、θｉ＞０、インバータ有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆも正の数値となる。インバータ有効電圧指令値Ｖｉｄは１．０付近、インバータ無効電圧指令値Ｖｉｑは０．０付近の値で、Ｖｉは１．０付近、位相差指令値θｉ＊は０．０付近の正の値である。
【００３３】
有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆが減少すると、ＰＩ制御部４４の出力は減少し、インバータ有効電圧指令値Ｖｉｄが低下する。このとき、乗算器４９の出力（Ｘ・Ｉｉｄｒｅｆ）は減少し、インバータ無効電圧指令値Ｖｉｑが低下する。この場合、ｔａｎ−１（Ｖｉｑ／Ｖｉｄ）の結果はＶｉｑの変化の影響を強く受けるので、位相差指令値θｉ＊は減少し、インバータ有効電流Ｉｉｄが減少する。
【００３４】
有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆが増加すると、ＰＩ制御部４４の出力は増加し、インバータ有効電圧指令値Ｖｉｄが上昇する。このとき、乗算器４９の出力（Ｘ・Ｉｉｄｒｅｆ）は増加し、インバータ無効電圧指令値Ｖｉｑが上昇する。この場合、ｔａｎ−１（Ｖｉｑ／Ｖｉｄ）の結果はＶｉｑの変化の影響を強く受けるので、位相差指令値θｉ＊は増加し、インバータ有効電流Ｉｉｄが増加する。
【００３５】
トロリー線電圧Ｖｉｂが低下すると、インバータ無効電流指令値Ｉｉｑｒｅｆが増加し、ＰＩ制御部４８の出力は増加し、インバータ無効電圧指令値Ｖｉｑが低下する。このとき、乗算器４５の出力（Ｘ・Ｉｉｑｒｅｆ）は増加し、インバータ有効電圧指令値Ｖｉｄが上昇する。この場合、ＶｉｄとＶｉｑの二乗和の平方根はＶｉｄの変化の影響を強く受けるので、インバータ出力電圧指令値Ｖｉ＊は増加し、インバータの無効電流Ｉｉｑが増加する。
【００３６】
トロリー線電圧Ｖｉｂが上昇すると、インバータ無効電流指令値Ｉｉｑｒｅｆが減少し、ＰＩ制御部４８の出力は減少し、インバータ無効電圧指令値Ｖｉｑが上昇する。このとき、乗算器４５の出力（Ｘ・Ｉｉｑｒｅｆ）は減少し、インバータ有効電圧指令値Ｖｉｄが低下する。この場合、ＶｉｄとＶｉｑの二乗和の平方根はＶｉｄの変化の影響を強く受けるので、インバータ出力電圧指令値Ｖｉ＊は減少し、インバータの無効電流Ｉｉｑが減少する。
【００３７】
又、有効電流Ｉｉｄが有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆより小さい場合、定電流制御器６８−１は位相差指令値θｉ＊が大きくなるように動作するので、トロリー線電圧に対してインバータ出力電圧の位相差が大きくなり、有効電流が増加する。逆に、有効電流Ｉｉｄが有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆより大きい場合は位相差指令値θｉ＊が小さくなるように動作するので、トロリー線電圧に対してインバータ出力電圧の位相差が小さくなり、有効電流が減少する。故に、有効電流Ｉｉｄが有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆと等しくなるように制御される。これにより、電車に近い電力変換装置から電車で消費される分の電力が供給される。
【００３８】
これと同時に、無効電流Ｉｉｑが無効電流指令値Ｉｉｑｒｅｆより小さい場合は出力電圧指令値Ｖｉ＊が大きくなるように動作するので、トロリー線電圧に対してインバータ出力電圧が大きくなり、無効電流が増加する。逆に、無効電流Ｉｉｑが無効電流指令値Ｉｉｑｒｅｆより大きい場合は出力電圧指令値Ｖｉ＊が小さくなるように動作するので、トロリー線電圧に対してインバータ出力電圧が小さくなり、無効電流が減少する。故に、無効電流Ｉｉｑが無効電流指令値Ｉｉｑｒｅｆと等しくなるように制御される。
【００３９】
一方、定電圧制御器６３−１は、トロリー線電圧が電圧設定値Ｖｒｅｆより低いと、無効電流指令値Ｉｉｑｒｅｆは大きくなるように動作するので、無効電流Ｉｉｑが増加してトロリー線電圧は上昇する。逆に、トロリー線電圧が電圧設定値Ｖｒｅｆより高いと、無効電流指令値Ｉｉｑｒｅｆは小さくなるように動作するので、無効電流Ｉｉｑが減少してトロリー線電圧は低下する。故に、トロリー線電圧は電圧設定値Ｖｒｅｆと等しくなるように制御される。
【００４０】
以上、本発明の第１実施例によれば、各変電所からトロリー線に、大きく位相が異なることのない単相電力を供給することができるので、切替セクションを無くした交流き電回路を提供することができる。また、トロリー線電圧の高低に応じてインバータから無効電力が供給されるので、トロリー線電圧の変動を抑制することができる。
【００４１】
［第２実施例］
図９は本発明による第２実施例の全体的な回路構成と制御装置との関係を示した図である。第１実施例の構成図である図１との相違点は、トロリー線に設置された電流検出器１０２ａ〜１０２ｅと１０３ｃを新たに設け、隣接するインバータ制御装置間でトロリー線電流の有効分を授受している点である。
【００４２】
図１０は第２実施例に関わるインバータ制御装置５０の構成を示した図である。第１実施例のインバータ制御装置５１の構成図である図５との相違点は、電圧検出器１０４ｃの信号を入力とする位相検出回路６４−１ｃと、電流検出器１０２ｃの信号と位相検出回路６４−１ｃの出力を入力とする有効分検出器６１−３ｃと、電流検出器１０３ｃの信号と位相検出回路６４−１ｃの出力を入力とする有効分検出器６１−１ｃを新たに設け、有効分検出器６１−３ｃの出力をインバータ制御装置５４ｄへ、有効分検出器６１−１ｃの出力をインバータ制御装置５４ｂへ伝送している点である。
【００４３】
位相検出回路６４−１ｃは、電圧検出器１０４ｃで得られたトロリー線電圧の位相角θｉｃを検出し、有効分検出器６１−３ｃは、位相角θｉｃを基準として電流検出器１０２ｃで得られたトロリー線６ｄの電流の有効分Ｉｄ１０２ｃを検出する。同様に、有効分検出器６１−１ｃは、電流検出器１０３ｃで検出されたトロリー線６ｃの電流の有効分Ｉｄ１０３ｃを検出する。電流の有効分Ｉｄ１０２ｃ、Ｉｄ１０３ｃは制御に使用するため隣接するインバータ制御装置に伝送される。尚、インバータ４ｃの制御に関しては第１実施例と差異はない。
【００４４】
図１１は第２実施例に関わるインバータ制御装置５４の構成を示した図である。図１１は一例として電力変換装置７ｂのインバータ制御装置５４ｂを示したものであるが、電力変換装置７ａ、７ｄ、７ｅのインバータ制御装置も構成及び作用は同様である。第１実施例のインバータ制御装置５２の構成図である図６との相違点は、電流検出器１０２ｂの信号と位相検出回路６４−１の出力を入力とする有効分検出器６１−３と、有効分検出器６１−１、６１−３の出力とインバータ制御装置５４ａで検出されたトロリー線電流の有効分Ｉｄ１０２ａとインバータ制御装置５０で検出されたトロリー線電流の有効分Ｉｄ１０３ｃを入力とする加算器６５と、加算器６５の出力を入力とするゲイン６６を新たに設け、変化率制限器６７の入力をゲイン６６の出力に変更している点である。
【００４５】
電流検出器１０２ｂで得られた電流の有効分Ｉｄ１０２ｂと電流検出器１０３ｂで得られた電流の有効分Ｉｄ１０３ｂとインバータ制御装置５４ａから伝送された電流有効分Ｉｄ１０２ａとインバータ制御装置５０から伝送された電流有効分Ｉｄ１０３ｃを加算することにより、加算器６５は電力変換装置７ｂの両側に位置するトロリー線６ｂ、６ｃにある電車の負荷電流の総和が計算される。
【００４６】
例えば図１２に示すように、トロリー線６ｂと６ｃに負荷電流１００Ａの電車が１台ずつあるとき、どの電力変換装置から電力を供給していたとしても、加算器６５に相当する（１）式の結果は必ず電車の負荷電流の総和である２００Ａとなる。従って、加算器６５の出力をゲイン６６で０．５倍したものを変化率制限器６７に入力し、変化率制限器６７の出力を有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆとすることで、電力変換装置７ｂに接するトロリー線６ｂ、６ｃにある電車の負荷電流の半分が電力変換装置７ｂから供給されることになる。
【００４７】
隣接する電力変換装置も同様のインバータ制御装置を具備していれば、図１２の例では電力変換装置７ａが５０Ａ、電力変換装置７ｂが１００Ａ、電力変換装置７ｃが５０Ａを出力するように制御される。そして、図１３のように１台の電車が時間とともに移動した場合を考えると、第１実施例では接するトロリー線のうち片方の電流を検出して有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆとしているので、時刻ｔ１では電力変換器７ａ、時刻ｔ２では電力変換器７ｂ、時刻ｔ３では電力変換器７ｃが電車の負荷電流（１００Ａ）を１００％供給するように制御されるため、電車の移動によって電力変換装置の出力電流は０Ａ→１００Ａ→０Ａと変化することになる。これに対して、第２実施例では電車の負荷電流を隣接する電力変換装置と５０％ずつ供給するので、電力変換装置の出力電流は０Ａ→５０Ａ→０Ａとなり、変化幅が小さくなる。
【００４８】
両端のトロリー線の負荷電流  ＝  Ｉｄ１０２ａ＋Ｉｄ１０３ｂ
＋Ｉｄ１０２ｂ＋Ｉｄ１０３ｃ  …（４）
以上、本実施の形態によれば、トロリー線に大きく位相が異なることのない単相電力を各変電所から供給することができるので、切替セクションを無くした交流き電回路を提供することができる。また、トロリー線電圧の高低に応じてインバータから無効電力が供給されるので、トロリー線電圧の変動を抑制することができる。電車の通過による電力変換装置の融通電力の変化が小さくなるので、電力系統１ａ〜１ｅへの影響を軽減できる。
【００４９】
［第３実施例］
図１４は本発明による第３実施例の全体的な回路構成と制御装置との関係を示した図である。第１実施例の構成図である図１との相違点は、電力変換装置７ｃに代わり三相二相変圧器９により電力系統１ｃとトロリー線６ｃ、６ｄを接続している点と、トロリー線６ｃとトロリー線６ｄの間に切替セクション１０を設けている点と、トロリー線６ｃに電流検出器１０２ｂと電流検出器１０３ｃ、トロリー線６ｄに電流検出器１０２ｃと電流検出器１０２ｄと電圧検出器１０４ｆを新たに設けている点と、電流検出器１０２ｃの信号と電流検出器１０３ｃの信号と電圧検出器１０４ｃと電圧検出器１０４ｆの信号を入力とする有効電流検出装置５６を新たに設けている点と、インバータ制御装置５２ｂ、５２ｄの内容を変更して制御装置５５ｂ、５５ｄとしている点である。
【００５０】
次に、変更点の主な要素である有効電流検出装置５６とインバータ制御装置５５ｂ、５５ｄを説明する。
【００５１】
図１５は有効電流検出装置５６の構成を示す図である。電圧検出器１０４ｆの信号を入力とする位相検出回路６４−１と、電流検出器１０２ｃの信号と位相検出回路６４−１の出力を入力とする有効分検出器６１−３と、電圧検出器１０４ｃの信号を入力とする位相検出回路６４−２と、電流検出器１０３ｃの信号と位相検出回路６４−２の出力を入力とする有効分検出器６１−１から構成される。
【００５２】
位相検出回路６４−１は電圧検出器１０４ｆで検出されたトロリー線６ｄの電圧位相角を検出し、有効分検出器６１−３は位相検出回路６４−１の位相角を基準として電流検出器１０２ｃで検出された三相二相変圧器９からトロリー線６ｄへ流れる電流の有効分Ｉｄ１０２ｃを検出する。同様に、位相検出回路６４−２は電圧検出器１０４ｃで検出されたトロリー線６ｃの電圧位相角を検出し、有効分検出器６１−１は位相検出回路６４−２の位相角を基準として電流検出器１０３ｃで検出された三相二相変圧器９からトロリー線６ｃへ流れる電流の有効分Ｉｄ１０３ｃを検出する。
【００５３】
図１６は一例としてインバータ制御装置５５ｂの構成を示した図であるが、インバータ制御装置５５ｄも入力信号の供給源が異なるだけで、構成及び作用は同様である。第１実施例のインバータ制御装置５２の構成を示す図６との相違点は、電流検出器１０２ｂの信号と位相検出回路６４−１の出力を入力とする有効分検出器６１−３と、有効電流検出装置５６の出力と有効分検出器６１−１の出力と有効分検出器６１−３の出力を入力とする加算器６５を新たに設け、加算器６５の出力を変化率制限器６７に入力している点である。
【００５４】
電流検出器１０２ｂは電力変換装置７ｂからトロリー線６ｃへ流れる電流を検出し、有効分検出器６１−３は前記電流の有効分Ｉｄ１０２ｂを検出する。同様に、電流検出器１０３ｂは電力変換装置７ｂからトロリー線６ｂへ流れる電流を検出し、有効分検出器６１−１は前記電流の有効分Ｉｄ１０３ｂを検出する。有効電流検出装置５６は三相二相変圧器９からトロリー線６ｃへ流れる電流の有効分Ｉｄ１０３ｃを検出する。前記電流の有効分Ｉｄ１０２ｂとＩｄ１０３ｃとＩｄ１０３ｂを加算する加算器６５の出力はトロリー線６ｂと６ｃに位置する電車の負荷電流の合計となる。加算器６５の出力を変化率制限器６７を介して有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆとすることにより、トロリー線６ｂとトロリー線６ｃに位置する電車には電力変換装置７ｂから有効電力が供給され、三相二相変圧器９からトロリー線６ｃへ流れる電流の有効分は概ね０となる。同様に、トロリー線６ｄとトロリー線６ｅに位置する電車には電力変換装置７ｄから有効電力が供給され、三相二相変圧器９からトロリー線６ｄへ流れる電流の有効分は概ね０となる。また、第１実施例と同様に、トロリー線６ａに位置する電車には電力変換装置７ａから、トロリー線６ｆに位置する電車には電力変換装置７ｅから有効電力が供給される。
【００５５】
以上、本実施の形態によれば、切替セクションの数を減らすことができるとともに、トロリー線６ａ〜６ｆの電圧が概ね一定に制御された交流き電回路を提供することができる。また、三相二相変圧器９から供給される電力を隣接する電力変換装置からすべて供給することで電流の不平衡を回避することができる。この方式は、図２１で示したような従来の路線を、三相二相変圧器及び切り替えセクションを電力変換装置に置き換えて図１のような構成とする場合、複数の三相二相変圧器及び複数の切り替えセクションを一度に全部切り替えるのではなく、徐々に切り替える場合に適している方式である。この方式であれば、例えば切り替え工事に伴うダイヤの乱れを最小限に抑えることが可能となる。更にこの方式は、初期設備コスト及びランニングコストの両面を考えた総合的なコストの低減のために、三相二相変圧器及び切り替えセクションと、電力変換器の両方を用いた方が有効となる場合に、好適に適用できる方式である。
【００５６】
［第４実施例］
図１７は本発明による第４実施例の全体的な回路構成と制御装置との関係を示した図である。第３実施例の構成図である図１４との相違点は、三相二相変圧器９で電力系統１ｃとトロリー線６ｃ及びトロリー線６ｄを接続するのに代わりに、フライホイール１２と巻線形誘導機１３と電力変換装置７ｆと回転数検出器１０８から成るフライホイール装置１１を設けた点と、インバータ制御装置５５ｂの内容を変更し、インバータ制御装置５８とした点と、電流検出器１０２ｃ及び１０３ｃと電圧検出器１０４ｃ及び１０４ｆと有効電流検出装置５６を廃した点と、電圧検出器１０４ｂの信号と回転数検出器１０８の信号を入力としてインバータ４ｆへゲート信号を出力し、インバータ制御装置５８へ有効電流指令値を出力するフライホイール制御装置５７を設けた点である。
【００５７】
次に、変更点の主な要素であるフライホイール制御装置５７とインバータ制御装置５８を説明する。
【００５８】
図１８はインバータ制御装置５８の構成を示す図である。第３実施例のインバータ制御装置５５ｂとの相違点は、有効電流検出器５６からの信号に代わり、フライホイール制御装置５７からの信号を加算器６５に入力している点である。
【００５９】
この変更によって、加算器６５の出力はトロリー線６ｂに流れる負荷電流の有効分とトロリー線６ｄに流れる負荷電流の有効分とフライホイール制御装置５７からの信号の合計となる。加算器６５の出力は変化率制限器６７を介して有効電流指令値Ｉｉｄｒｅｆとなるので、フライホイール制御装置５７の信号の増減にも応じてインバータ４ｂの有効電流は増減する。
【００６０】
図１９はフライホイール制御装置５７の構成を示す図である。電圧検出器１０４ｂの信号と電圧設定値Ｖｒｅｆを入力とする定電圧制御器６３−１と、電圧検出器１０４ｂの信号を入力する周波数検出器７６と、周波数検出器７６の出力と基本周波数ｆ０を入力とする周波数制御器７７と、定電圧制御器６３−１の出力と周波数制御器７７の出力を入力とするゲート信号生成器６９−１と、回転数検出器１０８の信号を入力とする不感帯７４と、不感帯７４の出力を入力とする回転数制御器から構成され、ゲート信号生成器６９−１の出力はインバータ４ｆに、回転数制御器７５の出力はインバータ制御装置５８に伝送される。
【００６１】
周波数検出器７６は電圧検出器１０４ｂで検出されたトロリー線電圧の周波数を検出し、周波数制御器７７は周波数検出器７６で検出された周波数と基本周波数ｆ０の差分に応じて位相角指令値θｉ’を出力する。図２０は周波数制御器７７の構成を示す図である。減算器７８は周波数検出器７６により検出されたトロリー線電圧の周波数と基本周波数ｆ０の差分周波数を演算する。ＰＩ制御器７９は減算器７８で演算された差分周波数に基づいてＰＩ制御を行い、角周波数指令値ωｉを生成する。積分器８０は角周波数指令値ωｉを積分し、位相角指令値θｉ’を出力する。
【００６２】
定電圧制御器６３−１は電圧検出器１０４ｂの検出電圧が電圧設定値Ｖｒｅｆと等しくなるインバータ出力電圧の大きさの指令値Ｖｍを出力し、ゲート信号生成器６９−１は次式（５）で求められる交流電圧をインバータ４ｆに発生させるゲート信号を生成する。
【００６３】
Ｖｍ・ｓｉｎθｉ’                …（５）
周波数制御器７７はトロリー線電圧の周波数が基本周波数ｆ０より低いと角周波数指令値ωｉを大きくするように動作し、インバータ出力電圧の周波数を上昇させるので、巻線形誘導機１３の二次巻線に励磁される電圧の周波数が上昇する。すると、二次巻線に誘導される磁束は励磁電圧の周波数分だけ上昇し、一次巻線に印加されている電圧の周波数より大きくなると巻線形誘導機１３からトロリー線に有効電力が供給され、その分フライホイール１１の運動エネルギーが消費される。これは、巻線形誘導機１３のすべりが負になるのと等価であり、巻線形誘導機１３が発電機として動作することを表す。
【００６４】
逆に、周波数制御器７７はトロリー線電圧の周波数が基本周波数より高いと角周波数指令値ωｉを小さくするように動作し、インバータ出力電圧の周波数を低下させるので、巻線形誘導機１３の二次巻線に励磁される電圧の周波数が低下する。すると、二次巻線に誘導される磁束は励磁電圧の周波数分だけ低下し、一次巻線に印加されている電圧の周波数より低くなるとトロリー線から巻線形誘導機１３に有効電力が吸収され、フライホイール１１に運動エネルギーとして蓄えられる。これは、巻線形誘導機１３のすべりが正になるのと等価であり、モーターとして動作することを表す。このような作用により、トロリー線の電圧は基本周波数ｆ０に保たれる。
【００６５】
また、インバータ４ｆで生成される電圧は、電圧検出器１０４ｂの信号であるトロリー線６ｄの電圧が電圧設定値Ｖｒｅｆより低いと定電圧制御器６３−１の出力が変化して高くなり、逆にトロリー線６ｄの電圧が電圧設定値Ｖｒｅｆより高いとインバータ４ｆの出力電圧は低くなる。インバータ４ｆの出力電圧が高くなると巻線形誘導機１３の一次巻線に誘導される電圧も高くなるのでトロリー線６ｄの電圧も高くなり、インバータ４ｆの出力電圧が低くなると巻線形誘導機１３の一次巻線に誘導される電圧も低くなるのでトロリー線６ｄの電圧も低くなる。定電圧制御器６３−１はインバータ４ｆの出力電圧の大きさとして、トロリー線６ｄと電圧設定値Ｖｒｅｆの差分に応じた信号を出力するので、その結果トロリー線６ｄの電圧は電圧設定値Ｖｒｅｆに制御される。
【００６６】
一方、不感帯７４は回転数検出器１０８で検出されたフライホイール１２の回転数が予め設定してある範囲内では０を出力し、範囲を超過する場合は回転数の超過分に比例した正の数値を、範囲を下回る場合は回転数の不足分に比例した負の数値を出力する。回転数制御器７５は不感帯７４の出力に応じた有効電流指令値を生成する。このとき、有効電流指令値は不感帯７４の出力が正ならば負の数値、出力が負ならば正の数値となる。
【００６７】
回転数制御器７５の出力はインバータ制御装置５８に入力され、電流指令値に加算されるので、フライホイール１２の回転数が上昇すると回転数制御器７５の出力は負となってインバータ４ｂの有効電流は減少し、トロリー線６ｄの電圧周波数は低下する。すると、フライホイール装置１１から有効電力がトロリー線６ｄに供給され、その分だけフライホイール１２の運動エネルギーが消費されて回転数が低下し、定格回転数付近に制御される。
【００６８】
逆に、回転数が低下すると回転数制御器７５の出力は正となってインバータ４ｂの有効電流は増加し、トロリー線６ｄの電圧周波数は上昇する。すると、トロリー線６ｄからフライホイール装置１１に有効電力が吸収され、その分がフライホイール１２の運動エネルギーとなって回転数が上昇し、定格回転数付近に制御される。
【００６９】
本実施例によれば、切替セクションを無くすことができるとともに、トロリー線６ａ〜６ｆの電圧が概ね一定に制御された交流き電回路を提供することができる。通常、回生電力が多く発生している場合、インバータへのゲート指令により電力をコンデンサ５側に移し、更にコンバータを介して電力は電力系統側に戻される。本実施によれば、電車の回生電力が多く発生して周波数が上昇する場合には、フライホイール装置１１にエネルギーが蓄えられるので、電力系統に戻すことなく有効に回生電力を活用することができる。
【００７０】
以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明による第１実施例の全体構成図。
【図２】図１のコンバータ制御装置５３ｂの構成図。
【図３】図２の定電圧制御器６３−１及び定電流制御器６８−２の詳細構成図。
【図４】図１のコンバータ３の概略動作説明図。
【図５】図１のインバータ制御装置５１の構成図。
【図６】図１のインバータ制御装置５２ｂの構成図。
【図７】図６の定電圧制御器１０４ｂ及び定電流制御器６８−１の詳細構成図。
【図８】図１のインバータ４の概略動作説明図。
【図９】本発明による第２実施例の全体構成図。
【図１０】図９のインバータ制御装置５０の構成図。
【図１１】図９のインバータ制御装置５４ｂの構成図。
【図１２】電力変換装置による電流分担の説明図。
【図１３】電力変換装置による電流分担の説明図。
【図１４】本発明による第３実施例の全体構成図。
【図１５】図１４の有効電流検出装置５６の構成図。
【図１６】図１４のインバータ制御装置５５ｂの構成図。
【図１７】本発明による第４実施例の全体構成図。
【図１８】図１７のインバータ制御装置５８の構成図。
【図１９】図１７のフライホイール制御装置５７の構成図。
【図２０】図１９の周波数制御器７７の構成図。
【図２１】従来の交流き電回路の構成図。
【符号の説明】
【００７２】
１ａ〜１ｅ…電力系統、６ａ〜６ｆ…トロリー線、３ａ〜３ｅ…コンバータ、４ａ〜４ｅ…インバータ、７ａ〜７ｅ…電力変換装置、９…三相二相変圧器、１０…  切替セクション、１０１ａ〜１０１ｅ、１０２ａ〜１０２ｅ１０３ａ〜１０３ｅ、１０５ａ〜１０５ｅ…電流検出器、１０４ａ〜１０４ｅ、１０６ａ〜１０６ｅ…電圧検出器。
【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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【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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【図２０】
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【図２１】
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