(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パンタグラフの電源系統を直流電源系に変換し、この直流電源系を三相交流電源系に変換して誘導モータを制御する電気車の電源回路において、複数パンタグラフの電源系統を、直流変換した後の直流電源系で並列接続し、先頭側及び後尾側電気車が系統を異にするトロリー線から電力を受けることになってもトロリー線を短絡させることなく運転することを特徴とする電気車の電源回路方式。
【請求項２】
パンタグラフの電源系統を直流電源系に変換し、この直流電源系を三相交流電源系に変換して誘導モータを制御する電気車の電源回路において、複数パンタグラフの電源系統を、直流電源系から三相変換した後の三相交流電源系で並列接続したことを特徴とする電気車の電源回路方式。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電気車の電源回路方式により、パンタグラフの間隔がデッドセクションの長さ以上の電気車をデッドセクションを力行したままアークを引くことなく通過できるようにしたことを特徴とするき電システム。
【請求項４】
新幹線電気車の電源回路を請求項１又は２に記載の電気車の電源回路方式とすると共に、新幹線の異電源突き合せ個所をデッドセクションによるき電構成とし、パンタグラフの間隔がデッドセクションの長さ以上の新幹線電気車を切替セクション無しで高速走行できるようにしたことを特徴とするき電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流及び交直両用ＶＶＶＦ電気車が異電源区間（交流―交流又は交流―直流）を力行したままの状態で通過するための電気車電源回路及びき電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
交流電気鉄道では、三相電源をスコット変圧器またはウッドブリッジ変圧器を用いてそのＭ座，Ｔ座巻線から９０°位相の違う２つの単相（Ｍ座，Ｔ座電源）に変換してき電している。また、き電系は連続しているため隣り合う変電所の電源突き合わせ箇所がある。
【０００３】
これら電源突き合わせ場所にはトロリー線から電源を集電する列車のパンタグラフが、異電源を短絡させることなく通過できるような構成となっている。
【０００４】
在来線では図３に示すように、異電源のトロリー線１1，１2間に約８ｍのＦＲＰ又はウッド等の絶縁材料を挿入してデッドセクション２として絶縁を保っている。列車１０はこの異電源区間を通過する時アークが発生したり、異電源のトロリー線１1，１2間に短絡を起こさないように、デッドセクション２の手前に設けたデッドセクション標識５1を見てノッチオフとし、デッドセクション通過位置に設けたデッドセクション標識５2を見てノッチオンとしている。
【０００５】
新幹線においては図４に示すように、異電源のトロリー線１1，１2間に約１ｋｍの切替セクション（中セクション）４を設け、トロリー線１1と切替セクション４間及びトロリー線１2と切替セクション４間にそれぞれ切替遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を接続し、切替遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を列車１０の進行に合わせて切替て、セクション４がトロリー線１1のＭ（Ａ）座電源又はトロリー線１2のＴ（Ｂ）座電源により加圧され、ノッチオンのまま列車１０が通過しうるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記在来線の場合、デッドセクション付近で運転手は、デッドセクション標識に従いノッチオフとして通過しなければならず、高速運転に適しない。また、デッドセクション通過時ノッチオフとしても補機電力等はオン状態のままであり、トロリー線からデッドセクションに移るときある程度アークが発生するため、定期的なデッドセクションの点検、交換が必要であり、保守費が嵩む。また、パンタグラフがデッドセクションを通過する時、照明や空調、車内表示器等が一旦止まり、サービス低下となっている。
【０００７】
上記新幹線の場合、変電所やき電区分所に切替設備を設ける必要があり、設備費が嵩む。また、車両の走行に合わせて電源の切替えを行うため、中セクションの長さは１０００ｍ以上必要となる。また、中セクションの電源切替え時に、２５０ｍｓ〜３５０ｍｓの瞬時停電が発生する。また、切替遮断器は車両の通過の度にオン、オフが繰り返されので、保守が必要であり、故障も多い。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、電気車がデッドセクションを力行したままの状態で通過することのできる車両電源回路及びき電システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであり、請求項１に記載の電気車の電源回路方式は、パンタグラフの電源系統を直流電源系に変換し、この直流電源系を三相交流電源系に変換して誘導モータを制御する電気車の電源回路において、複数パンタグラフの電源系統を、直流変換した後の直流電源系で並列接続し、先頭側及び後尾側電気車が系統を異にするトロリー線から電力を受けることになってもトロリー線を短絡させることなく運転することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の電気車の電源回路方式は、パンタグラフの電源系統を直流電源系に変換し、この直流電源系を三相交流電源系に変換して誘導モータを制御する電気車の電源回路において、複数パンタグラフの電源系統を、直流電源系から三相変換した後の三相交流電源系で並列接続したことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載のき電システムは、請求項１又は２に記載の電気車の電源回路方式により、パンタグラフの間隔がデッドセクションの長さ以上の電気車をデッドセクションを力行したままアークを引くことなく通過できるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載のき電システムは、新幹線電気車の電源回路を請求項１又は２に記載の電気車の電源回路方式とすると共に、新幹線の異電源突き合せ個所をデッドセクションによるき電構成とし、パンタグラフの間隔がデッドセクションの長さ以上の新幹線電気車を切替セクション無しで高速走行できるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施形態１
図１に本発明の実施形態１に係る交流電鉄用電気車の直流並列接続方式の電源回路構成図を示す。図中、１1、１2は、デッドセクション２で接続されているトロリー線、１０ａ、１０ｂは、先頭側と後尾側のＶＶＶＦ制御の電気車で、電気車１０ａ、１０ｂの電源回路は同じく構成されている。電気車１０ａ、１０ｂは、それぞれトロリー線１1又は１2からパンタグラフ１１を通し真空遮断器１２を介して主変圧器１４の一次側１４ａに電源引込みを行う。なお、パンタグラフ１１の間隔は、デッドセクション２の長さ（交流の場合８ｍ、交直両用の場合２０ｍ又は４５ｍ）以上とする。
【００１４】
電気車１０ａ、１０ｂの主変圧器１４の二次側１４ｂ1〜１４ｂ4にはコンバータ１６1〜１６4が接続されており、コンバータ１６1、１６2には電気車駆動用誘導モータ１８1、１８2を制御する第１のＶＶＶＦ三相インバータ１７1が、コンバータ１６3、１６4には車両駆動用誘導モータ１８3、１８4を制御する第２のＶＶＶＦ三相インバータ１７2が接続されている。そして、電気車１０ａと１０ｂのコンバータ１６1、１６2の出力側（第１の直流電源系）は第１のケーブル２１ａで並列に接続され、電気車１０ａ、１０ｂは第１の直流電源系の電力を融通しうるようにしてある。同様に電気車１０ａと１０ｂのコンバータ１６3、１６4の出力側（第２の直流電源系）は第２のケーブル２１ｂで並列に接続され、電気車１０ａ、１０ｂは第２の直流電源系の電力を融通しうるようにしてある。即ち、電気車１０ａ、１０ｂの電源回路は、複数パンタグラフの電源系統が直流変換した後の直流電源系で並列接続した電源回路方式としてある。
【００１５】
また、電気車１０ａ、１０ｂの主変圧器１４二次側１４ｂ5には補助機用のコンバータ１６5が接続されており、電気車１０ａ、１０ｂのコンバータ１６5の直流側はケーブル２２で並列に接続され、電気車１０ａ、１０ｂの補助機系直流電力を融通しうるようにしてある。
【００１６】
上記電気車の動作について説明する。今、先頭側及び後尾側電気車１０ａ、１０ｂはトロリー線１1側をトロリー線１2方向に力行運転により走行しているとする。このとき電気車１０ａ、１０ｂは共にトロリー線１1から電力を受けて走行する。即ち、トロリー線１1から電気車１０ａ、１０ｂのパンタグラフ１１で引込まれた単相交流は変圧器１４で降圧され、コンバータ１６1〜１６4で直流電源系に変換される。インバータ１７1、１７2はこの直流をＶＶＶＦの三相交流に変換して誘導モータ１８1、〜１８4を制御し、電気車１０ａ、１０ｂを所定の速度で走行させる。
【００１７】
上記力行運転している電気車１０ａ、１０ｂの先頭側電気車１０ａのパンタグラフ１１がデッドセクション２に入ると、後尾側の電気車１０ｂはトロリー線１1から引続き電力を受けられるが、先頭側電気車１０ａはトロリー線から電力を受けることができなくなる。しかし、電気車１０ａ、１０ｂのコンバータ１６1〜１６4の直流側は第１、第２のケーブル２１ａ、２１ｂで並列に接続されているので、先頭側電気車１０ａの第１、第２のインバータ１７1、１７2は後尾側電気車１０ｂのコンバータ１６1〜１６4で変換された直流を三相交流に変換して誘導モータ１８1、〜１８4を制御する。従って電気車１０ａがトロリー線１1に入っても電気車１０ａ、１０ｂは力行運転のまま走行できる。また、先頭側電気車１０ａの補機用電源はケーブル２２を介して後尾側電気車１０ｂのコンバータ１６5から得られるので、補機停電となることはない。
【００１８】
上記力行運転で先頭側の電気車１０ａのパンタグラフ１１がデッドセクション２を通り抜けトロリー線１2に入ると、電気車１０ａ及び１０ｂは、系統を異にするトロリー線１2及び１1から電力を受けることになる。しかし、電気車１０ａと１０ｂのパンタグラフ１１の電源系は、直流変換後の直流電源系で接続されており、電気車１０ａと１０ｂのパンタグラフ１１同士はケーブルで接続されていないので、電気車１０ａ及び１０ｂが系統を異にするトロリー線１2及び１1から電力を受けることになってもトロリー線１1、１2間を短絡させることなく力行運転のまま走行できる。
【００１９】
力行運転で後尾側の電気車１０ｂのパンタグラフ１１がデッドセクション２に入ると、電気車１０ａはトロリー線１2から電力を受けられるが、電気車１０ｂはトロリー線から電力を受けることができなくなる。しかし、後尾側電気車１０ｂの第１、第２のインバータ１７1、１７2は、第１、第２のケーブル２１ａ、２１ｂを介して先頭側電気車１０ａのコンバータ１６1〜１６4で変換した直流を三相に変換して誘導モータ１８1、〜１８4を駆動する。従って電気車１０ｂがデッドセクション２に入っても電気車１０ａ、１０ｂは力行運転のまま走行できる。また、後尾側電気車１０ｂの補機用電源はケーブル２２を介して先頭側電気車１０ａのコンバータ１６5から得られるので、補機停電となることはない。
【００２０】
後尾側の電気車１０ｂのパンタグラフ１１がデッドセクション２を通り抜けにトロリー線１2に入ると、電気車１０ａ、１０ｂは同じトロリー線１2から電力を受けて走行する。
【００２１】
以上のように電気車１０ａ、１０ｂは、力行運転のままデッドセクション２を通りぬけることができるので、従来のようにデッドセクション標識に従ってデッドセクション２をノッチオフとして通過する必要はない。従って高速運転が可能になる。
【００２２】
実施形態２
図２に本発明の実施形態２に係る交流電鉄用電気車の三相交流並列接続方式の電源回路構成図を示す。図中、１1、１2は、デッドセクション２で接続されているトロリー線、１０ａ、１０ｂは、先頭側と後尾側のＶＶＶＦ制御の電気車で、電気車１０ａ、１０ｂの電源回路は同じく構成はされている。電気車１０ａ、１０ｂは、それぞれトロリー線１1又は１2からパンタグラフ１１を通し真空遮断器１２を介して主変圧器１４の一次側１４ａに電源引込みを行う。なお、パンタグラフ１１の間隔は、デッドセクション２の長さ（交流の場合８ｍ、交直両用の場合２０ｍ又は４５ｍ）以上とする。
【００２３】
電気車１０ａ、１０ｂの主変圧器１４の二次側１４ｂ1〜１４ｂ4にはコンバータ１６1〜１６4が接続されており、コンバータ１６1、１６2には車両駆動用誘導モータ１８1、１８2を制御する第１のＶＶＶＦ三相インバータ１７1が、コンバータ１６3、１６4には車両駆動用誘導モータ１８3、１８4を制御する第２のＶＶＶＦ三相インバータ１７2が接続されている。そして、電気車１０ａと１０ｂの第１のインバータ１７1出力側（第１の三相交流電源系）は第１のケーブル２３ａで並列に接続され、電気車１０ａ、１０ｂの第１の三相交流を融通しうるようにしてある。同様に電気車１０ａと１０ｂのインバータ１７2出力側（第２の三相交流電源系）は第２のケーブル２３ｂで並列に接続され、電気車１０ａ、１０ｂの第２の三相交流を融通しうるようにしてある。即ち、電気車１０ａ、１０ｂの電源回路は、複数パンタグラフの電源系統を直流から三相変換した後の三相交流電源系で並列接続した電源回路方式としてある。
【００２４】
また、電気車１０ａ、１０ｂの主変圧器１４二次側１４ｂ5には補助機用のコンバータ１６5が接続されており、電気車１０ａ、１０ｂのコンバータ１６5の直流側は図示省略のケーブルで並列に接続され、電気車１０ａ、１０ｂの補助機系直流電力を融通しうるようにしてある。
【００２５】
上記電気車の動作について説明する。今、先頭側電気車１０ａと後尾側電気車１０ｂはトロリー線１1側を力行運転でトロリー線１2方向に走行しているとする。このとき電気車１０ａ、１０ｂはトロリー線１1から電力を受けて走行する。即ち、トロリー線１1から電気車１０ａ、１０ｂのパンタグラフ１１で引込まれ変圧器１４で降圧された単相交流はコンバータ１６1〜１６4で直流に変換される。インバータ１７1、１７2はこの直流をＶＶＶＦの三相交流に変換して誘導モータ１８1、〜１８4を駆動し、電気車１０ａ、１０ｂを所定の速度で走行させる。
【００２６】
力行運転している電気車１０ａ、１０ｂの先頭側電気車１０ａのパンタグラフ１１がデッドセクション２に入ると、後尾側の電気車１０ｂはトロリー線１1から引続き電力を受けられるが、先頭側電気車１０ａはトロリー線から電力を受けることができなくなる。しかし、電気車１０ａと１０ｂの第１、第２インバータ１７1、１７2の三相交流側は第１、第２のケーブル２３ａ、２３ｂで並列に接続されているので、先頭側電気車１０ａの誘導モータ１８1、１８2は後尾側電気車１０ｂのインバータ１７1からの三相交流により駆動される。従って電気車１０ａ、１０ｂは力行運転のまま走行することができる。また、先頭側電気車１０ａの補機用電源は、図示省略のケーブルを介して後尾側電気車１０ｂのコンバータ１６5から得られるので、補機停電となることはない。
【００２７】
力行運転で先頭側の電気車１０ａのパンタグラフ１１がデッドセクション２を通り抜けトロリー線１2に入ると、電気車１０ａ及び１０ｂは、系統を異にするトロリー線１2及び１1から電力を受けることになる。しかし、電気車１０ａと１０ｂのパンタグラフ１１の電源系は、三相変換後の三相交流電源系で接続されており、電気車１０ａと１０ｂのパンタグラフ１１はケーブルで接続されていないので、電気車１０ａ、１０ｂが系統を異にするトロリー線１2及び１1から電力を受けることになってもトロリー線１1、１2間を短絡させることなく走行できる。
【００２８】
力行運転で後尾側の電気車１０ｂのパンタグラフ１１がデッドセクション２に入ると、電気車１０ａはトロリー線１2から電力を受けられるが、電気車１０ｂはトロリー線から電力を受けることができなくなる。しかし、電気車１０ａ、１０ｂの第１、第２インバータ１７1、１７2の三相交流側は第１、第２のケーブル２３ａ、２３ｂで並列に接続されているので、後尾側電気車１０ｂの誘導モータ１８1〜１８4は先頭側電気車１０ａのインバータ１７1、１７12の三相交流により駆動される。従って電気車１０ａ、１０ｂは力行運転のまま走行できる。また、後尾側電気車１０ｂの補機用電源は図示省略のケーブルを介して先頭側電気車１０ａのコンバータ１６5から得られるので、補機停電となることはない。
【００２９】
後尾側の電気車１０ｂのパンタグラフ１１がデッドセクション２を通り抜けにトロリー線１2に入ると、電気車１０ａ、１０ｂは共にトロリー線１2から電力を受けて走行する。
【００３０】
以上のように電気車１０ａ、１０ｂは、力行運転でデッドセクション２を通り抜けることができるので、従来のようにデッドセクション標識に従いデッドセクション２をノッチオフとして通過する必要はない。従って高速運転が可能になる。
【００３１】
なお、実施形態１，２では、各電気車のコンバータは４台、インバータは２台、車両駆動用モータは４台となつており、変換された直流電源系や交流電源系が２系統となっているが、本発明はこれに限定されるものではない。また、実施形態１，２は、異電源区間が交流―交流の場合であるが、異電源区間が交流―直流の場合は、例えば、パンタグラフ電源系統を直流電源系統に変換する回路として、上記主変圧器１４とコンバータ１６1〜１６4の回路、及びＤＣ−ＤＣコンバータを設け、パンタグラフ電源系統が交流のとき主変圧器１４とコンバータ１６1〜１６4の回路で直流変換し、直流のときＤＣ−ＤＣコンバータで直流変換する自動切換回路を用いる。
【００３２】
【発明の効果】
（１）運転手はデッドセクション標識を意識せずに運転できるので、負担が軽減される。
（２）ノッチオンのまま走行できるため、高速走行に適しており、標定速度向上が期待される。
（３）補機電源の停電がなくなり、サービス向上につながる。
（４）デッドセクション通過に伴う車両電源停電がなくなり、頻繁な停復電による突流がなくなり、機器の寿命に良い。
（５）複数パンダグラフを持つ車両の場合、どちらかのパンダグラフが必ず集電でき、力行のままデッドセクションを通過できるため、従来のようにデッドセクションを設備する場所に対する考慮は一切不要となる。
（６）この方式を新幹線に適用すると、新幹線の切り替えセクションは一切不要となり、在来線並みのデッドセクションによる力行運転が可能となり、経済的な新幹線き電システムが構築できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係る交流電鉄用電気車の直流並列接続方式の電源回路構成図。
【図２】実施形態１に係る交流電鉄用電気車の三相交流並列接続方式の電源回路構成図。
【図３】従来例に係る在来線の異電源区間の構成説明図。
【図４】従来例に係る新幹線の異電源区間の構成説明図。
【符号の説明】
１1、１2…異電源のトロリー線
２…デッドセクション
１０ａ、１０ｂ…電気車
１１…パンタグラフ
１４…主変圧器
１６…コンバータ
１７…ＶＶＶＦインバータ
１８…車両駆動用モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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