(57)【要約】【課題】き電線に電気二重層キャパシを接続し、き電線電圧の変動時に電気二重層キャパシタを介して電気エネルギーを充放電するよう構成したとき、電気二重層キャパシタを直接き電線に接続すると、より電力を必要とするときのエネルギーが少なくなる。【解決手段】き電線と電気二重層キャパシタとの間にダイオードとスイッチを並列接続して構成した充放電部を設ける。また、き電線電圧が予め定められた電圧値にまで低下したことを検出するスイッチ回路を設ける。スイッチ回路が出力信号を発生したときスイッチをオン状態とし、電気二重層キャパシタに蓄積された電気エネルギーをスイッチを介してき電線に放電する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流の電気鉄道用き電線にエネルギー蓄積部を有する電圧安定化装置を接続し、き電線に回生電流発生時にはエネルギー蓄積部にエネルギーを蓄積し、き電線電圧が基準電圧より所定値低下したときにエネルギー蓄積部から電気エネルギーをき電線に供給するものにおいて、
前記き電線とエネルギー蓄積部との間にダイオードとスイッチとの並列接続にて構成された充放電部を設けると共に、前記き電線に接続されたスイッチ制御回路を設け、このスイッチ制御回路により、き電線電圧が予め定められた電圧値にまで低下したことの検出信号でスイッチを閉路し、前記エネルギー蓄積部に蓄積された電気エネルギーをこのスイッチを介して放電するよう構成したことを特徴とした直流電鉄用き電線電圧の補償装置。
【請求項２】
前記スイッチは、半導体スイッチで構成されたことを特徴とした請求項１記載の直流電鉄用き電線電圧の補償装置。
【請求項３】
予め設定されるスイッチ制御回路の設定電圧は、き電線電圧の基準電圧に対して１０％から２０％の低下範囲内に設定されることを特徴とした請求項１又は２記載の直流電鉄用き電線電圧の補償装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は直流電鉄用き電線電圧の補償装置に係り、特にエネルギー蓄積部に蓄積されたエネルギーの放電を抑制したき電線電圧の補償装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流電鉄用き電システムでは、図４で示すように直流電気車の力行時には電力を消費し、電気車の減速・停止時には回生電流をき電線に供給するためき電線の電圧が上昇する。き電線電圧の変動を抑えるために、特許文献１のように電圧安定化装置を設けるものが公知となっている。特許文献１では、図５で示すように
き電線１に電圧変換回路２とエネルギー蓄積部３（ここでは、電気二重層キャパシタ）よりなる安定化装置４を接続し、電気車５の減速・停止時に発生する回生電流を電圧変換回路２を介してエネルギー蓄積部３に蓄積することでき電線電圧の上昇を抑える。また、電気車５の力行時には、エネルギー蓄積部３に蓄積されたエネルギーを電圧変換回路２を介してき電線１に供給することでき電線電圧の低下を抑えている。
【特許文献１】特開２００１−２６０７１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図５で示すような安定化装置では次のような問題を有している。
（１）．電圧変換回路２は、エネルギーを充電する機能と所定の電圧値を放電するための機能を備えること等により、その装置が複雑となり、且つ高価となる。
（２）．問題（１）を解決するために、電気二重層キャパシタをき電線に直接接続することも考えられるが、その際、き電線電圧が基準電圧に対して僅かに低下しても、電気二重層キャパシタは放電してしまう。
（３）．問題（２）と関連して、朝の通勤ラッシュ時などのように力行車両数も多く、大きな消費電力が必要な場合、つまり、図７で示すＢ点で示すように、き電線電圧が１５００Ｖから１２００Ｖに低下するような場合、そのＢ点の前のＡ点の電圧低下で電気エネルギーを放電してしまう。したがって、大きな電圧低下時に放電可能なエネルギーが少なくなってしまう。この問題点について具体的な数字に基づいて説明する。
【０００４】
エネルギー蓄積部である電気二重層キャパシタに蓄えられる電気エネルギーは、
Ｅ＝１／２ＣＶ2            ……（１）
ただし、Ｃ：静電容量、Ｖ：電圧、Ｅ：エネルギー
ここで、例えば、き電線基準電圧を１５００Ｖ、電気二重層キャパシタの静電容量を２０Ｆとし、図６で示すようにき電線電圧が低下したときの放電される電気エネルギー差を試算する。
ａ．き電線の電圧が、電車力行により基準電圧から１０％電圧が下がって１３５０Ｖになると、電気二重層キャパシタから放電できるエネルギーは、電圧１５００Ｖ→１３５０Ｖであることから、
ΔＥ1500V→1350V＝１／２ＣＶH2−１／２ＣＶL2＝１／２｛２０（１５００2−１３５０2）｝＝４．２７５ＭＪ            ……（２）
ｂ．図６で示すＡ点から、更に力行電車が増えてＢ点となり、電圧が２０％低下すると、
ΔＥ1350V→1200V＝１／２ＣＶH2−１／２ＣＶL2＝１／２｛２０（１３５０2−１２００2）｝＝３．８２５ＭＪ            ……（３）
となる。つまり、電力をより必要とするＢ点以降の場合に、電気二重層キャパシタから放電できるエネルギーはＡ点の場合より少なくなってしまう。
【０００５】
そこで、本発明が目的とするとこは、電圧安定化装置は簡単で、エネルギーをより必要とするときに供給できるき電線電圧の補償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】
本発明の請求項１は、直流の電気鉄道用き電線にエネルギー蓄積部を有する電圧安定化装置を接続し、き電線に回生電流発生時にはエネルギー蓄積部にエネルギーを蓄積し、き電線電圧が基準電圧より所定値低下したときにエネルギー蓄積部から電気エネルギーをき電線に供給するものにおいて、
前記き電線とエネルギー蓄積部との間にダイオードとスイッチとの並列接続にて構成された充放電部を設けると共に、前記き電線に接続されたスイッチ制御回路を設け、このスイッチ制御回路により、き電線電圧が予め定められた電圧値にまで低下したことの検出信号にてスイッチを閉路し、前記エネルギー蓄積部に蓄積された電気エネルギーをこのスイッチを介して放電するよう構成したことを特徴としたものである。
【０００７】
本発明の請求項２は、前記スイッチは、半導体スイッチで構成されたことを特徴としたものである。
【０００８】
本発明の請求項３は、予め設定されるスイッチ制御回路の設定電圧は、き電線電圧の基準電圧に対して１０％から２０％の低下範囲内に設定されることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【０００９】
以上のとおり、本発明によれば、電力をあまり必要としない小さな電圧低下では電気エネルギーを放出せずに充電時の電圧を保ち、より電力を必要とする大きな電圧低下時に保存された電気エネルギーを放電することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の実施例を示す構成図で、１はき電線、５は電気車、１１は正極側がき電線に接続され、負極側がエネルギー蓄積部１３に接続されたダイオードで、このダイオード１１と並列にスイッチ１３が接続されている。そして、このダイオード１１とスイッチ１２とにより充放電部１０が構成される。ここでは、エネルギー蓄積部１３として電気二重層キャパシタが使用されている。また、スイッチ１２は機械式のスイッチからなり、スイッチ制御回路１４の出力信号によってオン・オフ制御される。スイッチ制御回路１４はき電線の電圧を検出する検出手段と、予め設定された放電開始電圧以下となったときにスイッチ１２に対してオン指令を出力する出力手段を有している。
【００１１】
図３は本発明によるき電線電圧の変動例を示したものである。き電線の基準電圧がＶ１、スイッチ制御回路１４に設定された放電開始電圧をＶ３としたとき、時刻ｔ１において、ある負荷を有する電気車５の進入によりき電線電圧が基準電圧Ｖ１からＶ２に低下したとする。このＶ２への電圧低下ではスイッチ制御回路１４の放電開始指令は出力されないため、スイッチ１２は開路状態のままである。
時刻ｔ２となり、き電線１への負荷が更に投入されて電圧Ｖ３以下に低下すると、
スイッチ制御回路１４はこれを検出して制御指令を出力し、スイッチ１２を閉路する。これにより、点線で示すように電気二重層キャパシタ１３は放電を開始する。
【００１２】
時刻ｔ３となってき電線電圧がＶ３以上になると、スイッチ制御回路１４はスイッチ１３に対するオン指令を停止し、電気二重層キャパシタ１３による放電回路を開放する。また、き電線の電圧上昇によって電気二重層キャパシタ１３は
Ｖ１まで回復する（ｔ３〜ｔ４の期間）。
次に、時刻ｔ４となり、電気車５の減速・停止動作によって回生電流が発生した場合、回生電流はダイオード１１を通って電気二重層キャパシタ１３に流れ、これを充電する。以下同様にして充放電部１０を介して電気二重層キャパシタ１３の充放電が繰返される。
【００１３】
したがって、この実施例によれば、図３で示すように電力をあまり必要としない小さな電圧低下では電気エネルギーを放出せずに充電時の電圧を保ち、より電力を必要とする大きな電圧低下時に保存された電気エネルギーを放電することができる。
【００１４】
電気二重層キャパシタを直接き電線に接続場合の放電量を比較してみる。
例として、図７のように放電開始電圧を設定できるようにようにする。き電線の電変化は図６と同じとし、スイッチ制御回路１４に設定される放電開始電圧を予めき電線の基準電圧より１０％以下の例えば１５％に設定されたとする。
図６で示すＡ点で電気車の力行により、き電線の基準電圧が１０％下がって１３５０Ｖになったとしても、電気二重層キャパシタは放電されず、電気エネルギーは維持される。したがって、放電されるエネルギー０ＭＪである。
【００１５】
次に、Ｂ点となり、更にき電線電圧が基準電圧より２０％低下すると、電気二重層キャパシタは放電を開始する。その時の放電エネルギーは
ΔＥ1500V→1200V＝１／２ＣＶH2−１／２ＣＶL2＝１／２｛２０（１５００2−１２００2）｝＝８．１ＭＪ            ……（４）
となり、より大きな電力が必要となるＢ点での電圧低下では、供給できるエネルギーは（３）式の２倍強となる。
【００１６】
図２は他の実施例を示すもので、図１と相違する点は機械式スイッチ１２に代えて半導体スイッチ１２’としたものである。この場合も、図示省略されたスイッチ制御回路は、き電線電圧が予め設定された電圧値となったことを検出して半導体スイッチ１２’の制御極にオン信号を出力し、半導体スイッチ１２’をオン状態として電気二重層キャパシタ１３に蓄積された電気エネルギーをき電線に放出する。また、き電線電圧が予め設定された電圧値以上となったときには、半導体スイッチ１２’をオフ状態にする。
したがって、この実施例の場合も、図１の実施例と同様の効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例を示す構成図。
【図２】本発明の他の実施例を示す構成図。
【図３】き電線の電圧変動説明図。
【図４】き電線の電圧変化図。
【図５】従来の電圧安定化装置の設置状態図。
【図６】き電線電圧低下と電気二重層キャパシタ電圧との関係図。
【図７】き電線電圧低下と電気二重層キャパシタの放電との関係図。
【符号の説明】
【００１８】
１…  き電線
２…  電圧変換回路
３、１３…  エネルギー蓄積部
４、１５…  電圧安定化装置
５…  電気車
１０…  充放電部
１１…  ダイオード
１２…  スイッチ
１４…  スイッチ制御回路
【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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