JP5281372B2 - 電気鉄道車両の駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、電気鉄道車両の駆動システムに係り、電力蓄積手段を設備し、車庫内などで第三軌条、架線などの電力供給手段が設備されていない線路においても、電力蓄積手段の電力により車両を加速するため、その蓄電量を適切に管理する充放電手段および制御方式に関する。

鉄道電気車両に外部から電力を供給する方法は、架線方式と、第三軌条方式が主流である。架線方式は、車両屋根上の空間に引張された電線から、パンタグラフ等により給電する方式であり、設備上の自由度が高いことから、民鉄線などの都市間鉄道から新幹線まで広く採用されている。

一方、第三軌条方式は、車両が走行する空間が限られ、架線方式の電線を設備することが難しい地下鉄などでおもに採用されている。走行用の２本のレールと並行に、電力供給用の第３のレールを併設し、車両の台車上に設備した集電靴が、第３のレール上に接触しながら走行して電力を供給する。

ところで、第三軌条方式では、車両機器が搭載されている床下と、第三軌条の位置が接近している。このため、車庫線において車両メンテナンスを行う場合、作業の種類によっては、安全を確保するため、第三軌条を敷設していない床下作業用区域に車両を引き込む場合がある。第三軌条が敷設されている区域から、床下作業用区域へ車両を移動する場合は、第三軌条は敷設されている区域で力行してある程度の速度まで加速した後、惰性により床下作業用区域に移動して目的の位置で停止する。

一方、床下作業用区域から、第三軌条が敷設されている区域に移動する場合は、まず、床下作業用区域で、作業者が車両の集電靴に電力供給線をジャンパ線にて接続し、この電力によりある速度まで力行する。力行オフ後、車両はそのまま第三軌条が敷設されている区域まで惰性にて移動し，同じく作業者が集電靴からジャンパ線を引き抜く。

このように、床下作業用区域から、第三軌条が敷設されている区域への移動の際には、作業者による手作業が介在する。これは、次のような危険をともなう作業である。
（１）高電圧の電力が供給されている電力線（ジャンパ線）を扱うことによる感電の危険性。
（２）ジャンパ線を装着したまま、車両の走行状態で行うことによる巻き込みの危険性。

以上のように、第三軌条方式の鉄道では、車庫線内の第三軌条を敷設できない区域で車両を運用するとき、現状では危険な作業をともなうことが、大きな課題である。

ところで、最近、ディーゼルエンジンで走行する鉄道車両である、気動車の環境負荷を低減する切り札として、「ハイブリッド気動車」が注目を集めている。従来の気動車は、一般的な自動車と同様に、エンジン回転力を変速機、減速機を介して輪軸を駆動して車両を加速させていた。

これに対して、ハイブリッド気動車は、まずエンジンの回転力を基に交流発電機を駆動し、発生した交流電力をＡＣ／ＤＣコンバータで直流電力に変換する。この直流電力をＤＣ／ＡＣインバータで、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency、電圧可変・周波数可変）の交流電力に変換して、交流電動機を駆動する。同時に、ＡＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＡＣインバータの間に位置する直流電力部分に蓄電装置を接続して、車両の減速時に得られた回生電力を、交流電動機、ＤＣ／ＡＣインバータを介して直流電力に変換後、蓄電装置に充電できる構成としている。

このハイブリッド気動車では、駅停車時から加速する時、エンジン発電をすることなく蓄電装置からＤＣ／ＡＣインバータに直流電力を供給して車両を加速させ、駅構内を通過してからエンジン発電を開始する「アイドルストップ運転」により駅構内のエンジン騒音を防止している。すなわち、ハイブリッド気動車は、低速域は蓄電装置の電力だけで車両を加速させる性能を実現している。

ハイブリッド気動車のＤＣ／ＡＣインバータは、通常の電車と同じ構成である。このため、通常の電車でも、蓄電装置を適切に設計すれば、架線、第三軌条からの供給電力ではなく、蓄電装置の放電電力により、インバータ装置を駆動して車両を加速できるといえる。すなわち、車庫線内の第三軌条を敷設できない区域で車両を運用するときも、蓄電装置の電力で車両を加速できれば、前述の高電圧電力線（ジャンパ線）の取扱い、車両走行時のジャンパ線の引き抜きといった、危険作業を廃止できる。

架線から給電を受けて使用するように設定されたインバータ制御装置によって駆動される電気車両において、架線より電圧の低い蓄電池により給電を受けた場合でも、インバータ制御装置を動作させる構成について、特許文献１のインバータ制御式鉄道電気車両に開示されている。

図５に、特許文献１の図４に示されている、架線からの給電と、架線より電圧の低い別電源による給電の何れかで駆動されるインバータ制御式鉄道電気車両を実現させる機器構成を示す。

インバータ制御式電気車両が架線からの給電により運転されるときは、パンタグラフ１０２が架線に接触することから、パンタグラフ切断スイッチ１２２が閉じ、パンタグラフ切断スイッチ１２２とインターロックされる連動接点１２３が開き、制御回路部分１２７の各励磁コイル１２４、１２５、１２６が励磁されないので、パンタグラフ１０２、パンタグラフ切断スイッチ１２２、遮断器１３３、主回路主接点１２８を介して各インバータ制御装置１０３に電力が給電され、各三相交流電動機１０７を駆動し、車両が運転される。

一方、蓄電池１０６による運転を行うためには、パンタグラフ１０２が折りたたまれるため、この動作と連動してパンタグラフ切断スイッチ１２２が切りとなり、次いで、切替スイッチ１２１を操作すると、パンタグラフ切断スイッチ１２２とインターロックされている連動接点１２３が閉じているので、各励磁コイル１２４、１２５、１２６が励磁され、蓄電池運転のための回路が構成される。つまり、インバータ制御装置１０３が１組だけ、蓄電池１０６と主回路蓄電池接点１３０、遮断器１３３および主回路接点１２８を介して接続され、１組のインバータ制御装置１０３を蓄電池１０６により荷電し、三相交流電動機１０７を駆動する。
特開平６−９８４０９号公報

特許文献１のインバータ制御式鉄道電気車両によれば、本来架線から給電を受けて使用するように設定されたインバータ制御装置によって駆動される電気車両において、架線より電圧の低い別電源により給電を受けた場合でも、インバータ制御装置を動作させることができる。

ところで、架線より電圧の低い別電源により給電により、インバータ制御装置を駆動する場合、予め架線より電圧の低い別電源に電力を蓄えておく必要がある。この架線より電圧の低い別電源に電力を蓄えておくための充電については特許文献１のインバータ制御式鉄道電気車両では、架線より給電される電力を補機回路電源装置で一端三相ＡＣ４４０Ｖ電源に変換し、これを充電装置でＤＣ６００Ｖに変換することに行う方式が開示されている。

すなわち、架線からの給電により運転するモードから、蓄電池１０６からの給電により運転するモードに切替えるに際し、連動接点１２３とパンタグラフ切断スイッチ１２２とはインターロックをとっているため、モード切替えの誤動作を防止する。また、同時に、補機回路電源装置１０４、充電装置１０５および補機回路の蓄電池電源接点１３１を介して蓄電池１０６を充電する。また、補機回路１３２の負荷には補機回路電源装置１０４から電力が供給される。

この方式によれば、蓄電装置を充電するための充電経路と、蓄電装置を放電するための経路を、それぞれ個別に設ける必要があるため、経路の切替に要する断流器を多数設置する必要がある。また、補機回路電源装置から得られる交流電力（ＡＣ４４０Ｖ）を、充電装置で直流電力（ＤＣ６００Ｖ）に変換する必要があるため、装置構成が大掛かりとなる。

車庫線内の第三軌条を敷設できない区域で、蓄電装置の電力で車両を加速させるためには、車両が第三軌条を敷設できない区域に到達する前までに、充分な蓄電量まで充電しておく必要がある。蓄電装置の充電タイミングについては、特許文献１では、「架線からの給電により運転するモードから、蓄電池からの給電により運転するモードに切替えるに際し」、という記述はあるが、具体的な充電タイミングについては述べられていない。また、蓄電池を充電する際の蓄電量についても、記述は見られない。

本発明の目的は、列車編成を構成する車両の少なくとも１車両に簡便な蓄電装置を搭載することで、架線など外部から電力を得られ、かつ、その電力を電力変換装置が消費していない状況では蓄電装置を充電し、架線など外部から電力を得られない状況では、蓄電装置の電力を電力変換装置に供給して車両を加速させることができる電気鉄道車両の駆動システムを提供することにある。

本発明の電気鉄道車両の駆動システムは、車両の外部から電力を得る第一の給電手段と、前記車両に設備され蓄電機能をもつ第二の給電手段と、前記第一および第二の給電手段より得られる直流電力を交流電力に変換する電力変換手段と、前記電力変換手段により変換された交流電力により駆動され前記車両をけん引する力を発生する交流電動機と、を備えた電気鉄道車両の駆動システムにおいて、前記第一の給電手段と前記第二の給電手段との間に接続され、前記第二の給電手段の充電および放電の断流と通流とを選択的に制御可能な第一の断流器と、前記第一の断流器と直列に接続され、前記第二の給電手段に入出力される電流を減流する抵抗器と、前記抵抗器と並列に接続され、断流と通流とを選択的に制御可能な第二の断流器とを備えている。

そして、前記第二の給電手段を充電する場合、電流は前記第二の断流器を経由せずに前記抵抗器を経由し、前記第二の給電手段を放電する場合、電流は前記第二の断流器を経由し、前記第一の給電手段の出力電圧が所定値未満であり、前記第二の給電手段の蓄電量が所定値より大きいとき、運転台からの操作による前記第一の断流器の投入に応じて、前記第二の給電手段から前記電力変換手段への電力の供給を可能とするように前記第二の給電手段から放電し、かつ、前記第二の給電手段から放電される電流は、前記抵抗器を経由して前記電力変換器のコンデンサに供給し、前記コンデンサの充電完了を判断して前記抵抗器を経由せずに前記電力変換手段に供給するように、前記第二の断流器を動作させる。

本発明によれば、列車編成を構成する車両の少なくとも１車両に搭載する蓄電装置により、架線など外部から電力を得られ、かつ、その電力を電力変換装置が消費していない状況では蓄電装置を充電し、架線など外部から電力を得られない状況では、蓄電装置の電力を電力変換装置に供給して、車両を加速させることができる、電気鉄道車両の駆動システムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明していく。

図１は、本発明の実施例の電気鉄道車両の駆動システムの基本構成を示す図である。車両１ａ、１ｂ、１ｃは、列車編成を構成する車両、またはその一部である。車両１ａと車両１ｂは車間連結器２ａで連結されている。車両１ｂと車両１ｃは車間連結器２ｂで連結されている。

車両１ａは、台車４ａを介して輪軸５ａ、５ｂにより、また、台車４ｂを介して輪軸５ｃ、５ｄにより、レール面上に支持されている。車両１ｂは、台車４ｃを介して輪軸５ｅ、５ｆにより、また、台車４ｄを介して輪軸５ｇ、５ｈにより、レール面上に支持されている。車両１ｃは、台車４ｅを介して輪軸５ｉ、５ｊにより、また、台車４ｆを介して輪軸５ｋ、５ｌにより、レール面上に支持されている。

車両１ａには、電力変換装置６ａ、蓄電装置７、電流遮断装置６１ａが搭載されている。電力変換装置６ａは、図示していない電力線から、集電装置３ａにより電力が供給される。この電力は、電力変換装置６ａにより、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の交流電力に変換され、図示していない電動機に供給して、輪軸５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを駆動する。蓄電装置７は、蓄電された直流電力を放電して、電力変換装置６ａに供給できる。また、集電装置３ａにより得られた電力を、電力変換装置６ａを介して充電できる。電流遮断装置６１ａは、電力変換装置６ａ、蓄電装置７への電力供給を遮断する機能をもつ。

車両１ｂには、電力変換装置６ｂ、電流遮断装置６１ｂが搭載されている。電力変換装置６ｂには、図示していない電力線から、集電装置３ｂにより電力が供給される。この電力は、電力変換装置６ｂにより、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の交流電力に変換され、図示していない電動機に供給して、輪軸５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈを駆動する。電力変換装置６ｂへの電力供給を遮断する機能をもつ。

車両１ｃには、電力変換装置６ｃ、電流遮断装置６１ｃが搭載されている。電力変換装置６ｃには、図示していない電力線から、集電装置３ｃにより電力が供給される。この電力は、電力変換装置６ｃにより、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の交流電力に変換され、図示していない電動機に供給して、輪軸５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌを駆動する。電流遮断装置６１ｃは、電力変換装置６ｃへの電力供給を遮断する機能をもつ。

以上のように、本実施例では、車両１ａ、１ｂ、１ｃで構成された列車編成のうち、車両１ａには電力変換装置６ａ、蓄電装置７ａ、車両１ｂには電力変換装置６ｂ、車両１ｃには電力変換装置６ｃが搭載されている例を示している。

しかし、これは本発明として、蓄電装置７ａの搭載位置を、列車編成の先頭に位置する車両１ａに限定するものではない。本発明の鉄道車両の駆動システムは、列車編成を構成する車両のうち、少なくとも１両に蓄電装置を搭載して、集電装置で電力を得られる状況では、その電力をもとに蓄電装置を構成する蓄電手段への充電を可能とし、また、集電装置で電力を得られない状況では、その状況を判別して蓄電装置の放電を許可し、その電力を電力変換装置で可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の交流電力に変換して、電動機を駆動し車両を加速させる。

また一般に、列車編成には、車両１ａ、１ｂ、１ｃのように輪軸を電動機で駆動する電動車のほかに、輪軸を電動機で駆動しない付随車が存在する。本発明の鉄道車両の駆動システムにおいても、車両１ａ、１ｂ、１ｃと同様の電動車のほか、付随車も連結した列車編成とすることが可能である。

以上、説明したように、この構成によると、車両検査場など、架線や第三軌条などの集電装置３ａ、３ｂ、３ｃから電力を得られない状況では、蓄電装置７から電力変換装置６ａに電力を供給して、蓄電装置７に蓄電されている電力の範囲内で車両を加速させられる。そのために使用する電力は、架線や第三軌条から電力を得られる状況、かつ電力変換装置６ａが電動機を駆動しておらず、車両１ａ、１ｂ、１ｃが加速していない状況において、集電装置３ａから得られる電力、あるいは電動機の発電により電力変換装置６ａが出力する電力を蓄電装置７に充電する。

すなわち、本発明によれば、列車編成を構成する車両の少なくとも１車両に蓄電装置を搭載して、架線など外部から電力を得られ、かつ、その電力を電力変換装置が消費していない状況では蓄電装置を充電し、架線など外部から電力を得られない状況では、蓄電装置の電力を電力変換装置に供給して、車両を加速させることができる電気鉄道車両の駆動システムを提供できる。

図２は、本発明の実施例の電気鉄道車両の駆動システムの機器構成を示す図である。
集電装置３ａから給電された電力は、電流遮断装置６１ａを経由する。電流遮断装置６１ａでは、電力変換装置６ａ、蓄電装置７が動作していないとき、および緊急時には、断流器８ａ、電流遮断器９により集電装置３からの給電を切断できる。電流遮断装置６１ａを経由した電力は、まず電力変換装置６ａの一構成要素である断流器８ｂと、蓄電装置７の一構成要素である断流器８ｃに送られる。

断流器８ｂはインバータ回路１２が動作していないときに、電力線とインバータ回路１２の接続を断つ役割をもつ。また、断流器８ｂは、蓄電手段１５を充放電しないときに、電力線と蓄電手段１５の接続を断つ役割をもつ。電流遮断装置６１ａ内の電圧検出器５１ａは、集電装置３と接地点３０の間に設置し、集電装置３から供給される電力の電圧値Ｖ_ｓ（対地電位）を検出する。

電力変換装置６ａでは、断流器８ｂを経由した電力は、リアクトル１０、およびコンデンサ１１で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）で高周波数域の変動分を除去して、インバータ回路１２に入力する。インバータ回路１２は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の３相交流電力に変換して、主電動機１３ａ、１３ｂを駆動する。

電力変換装置６ａ内の電圧検出器５１ｂは、コンデンサ１１の両端の直流部電圧Ｖ_ｆｃを検出する。電流検出器５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、インバータ回路１２と、主電動機１３ａ、１３ｂの間の３相交流電力線を流れる各相の電流をＩ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗを検出する。電流検出器５２ｄは、集電装置３とインバータ回路１２の間にある直流電力部のうち、断流器８ｂよりも、インバータ回路１２に近い側に配置して、インバータ回路１２の入出力電流を検出する。

なお、本実施形態では、インバータ回路１２が駆動する主電動機が２台（電動機１３ａ、１３ｂ）の場合を示しているが、これは本発明としてインバータ回路１２駆動する主電動機の台数は限定するものではない。

蓄電装置７では、断流器８ｃを経由した電力は、抵抗器１４ｂを介して蓄電手段１５に入力する。抵抗器１４ｂには並列に断流器８ｄが接続されている。断流器８ｄを開放すると電力は抵抗器１４ｂを経由し、断流器８ｄを投入すると電力は抵抗器１４ｂを経由せず、断流器８ｄを直接通流する。すなわち、断流器８ｄを開放／投入する制御により、蓄電装置７の電力を、抵抗器１４ｂを経由して送信するか否かを選択的に制御することが可能である。

蓄電装置７内の電圧検出器５１ｃは、蓄電手段１５の正極端子と負極端子を結ぶように配置して、蓄電手段１５の端子間電圧Ｖ_ｂｔｒを検出する。電流検出器５２ｅは、蓄電手段１５の出力端子の直近に配置して、蓄電手段１５ａの入出力電流を検出する。

蓄電手段１５を充電するときは、蓄電装置７内の断流器８ｄを開放したまま断流器８ｃを投入して、蓄電装置７内の抵抗器１４ｂを経由して充電電流が流れるようにする。集電装置３ａから得られる電力の電圧（対地電位）が、蓄電手段１５の端子電圧（対地電位）よりも高位であれば、集電装置３ａから蓄電手段１５に充電電流が流れる。

しかし、一般に蓄電手段１５の充電電流はその制限値（最大充電電流）が仕様として定められており、最大充電電流値を超えた充電はできない。このため、蓄電装置７内の抵抗器１４ｂを経由するように構成することで充電電流を制限する。すなわち、蓄電装置７内の抵抗器１４ｂは、集電装置３ａから得られる電力の電圧と、蓄電手段１５の端子電圧の電圧差で、最大充電電流値以下で充電電流が通流するように、その抵抗値を設計する。

蓄電手段１５に蓄電された電力で、インバータ回路１２を動作させるときは、まず、電力変換装置６ａ内の断流器８ｂと蓄電装置７内の８ｃの双方を投入して、蓄電手段１５の電力を、蓄電装置７内の抵抗器１４ｂを経由して電力変換装置６ａ内のフィルタコンデンサ１１を充電する。このとき、蓄電手段１５からフィルタコンデンサ１１に突入電流が流れる可能性があるので、抵抗器１４ｂはこの突入電流に対して充分な容量を考慮した設計とする。蓄電手段１５の端子電圧と、フィルタコンデンサ１１の端子電圧が等しくなった時点で、蓄電装置７内の断流器８ｄを投入する。これにより、蓄電手段１５からインバータ回路１２への電力供給が確立され、インバータ回路１２を動作させることにより電動機１３ａ、１３ｂを駆動して車両１ａ、１ｂが加速させることができる。

しかし、一般に蓄電手段１５の放電電流はその制限値（最大放電電流）が仕様として定められており、最大放電電流値を超えた放電はできない。このため、インバータ回路１２の動作による電動機１３ａ、１３ｂの駆動は、インバータ回路１２の入力電流（消費電流）が、蓄電手段１５の最大放電電流値を超えないように制御する。

以上、本実施例の構成によると、車両検査場など架線や第三軌条等が設備されておらず、集電装置３ａから電力を得られない状況を電圧検出器５１ａで判別できる。また、この判別結果に基づいた運転手のスイッチ操作に応じて、断流器８ａ、８ｂが投入され、さらにコンデンサ１１の充電完了により断流器８ｃを投入することで、蓄電装置７からインバータ回路６ａへの電力供給が確立され、蓄電装置７に蓄積されている電力の範囲内で車両を加速させることができる。

また、そのために使用する電力は、架線や第三軌条等が設備されており、集電装置３ａから電力を得られる状況を電圧検出器５１ｄで判別し、かつインバータ装置６ａが電動機１３ａ、１３ｂを駆動して車両１ａ、１ｂが加速していない状況を判別することにより、断流器８ｃが投入されて、集電装置３ａから得られる電力、あるいは電動機１３ａ、１３ｂの発電によりインバータ回路１２が出力する電力を蓄電装置７に充電する。

すなわち、本発明によれば、列車編成を構成する車両の少なくとも１車両に蓄電装置を搭載して、架線など外部から電力を得られ、かつ、その電力をインバータ装置が消費していない状況では蓄電装置を充電し、架線など外部から電力を得られない状況では、蓄電装置の電力をインバータ装置に供給して車両を加速させることができる鉄道車両の駆動システムを提供できる。

図３は、本発明の実施例の電気鉄道車両の駆動システムの機器制御方式を示す図である。
ここでは、蓄電手段１５の充電および放電を制御する断流器８ｃ（ＢＬＢ）、断流器８ｄ（ＢＫ１）の動作制御方式について説明する。

まず、蓄電手段１５を充電するときの制御方式について説明する。比較器１６ａは、架線電圧Ｖ_ｓを入力として、Ｖ_ｓが所定値よりも大きいときに架線電圧状態（高位）フラグ（Ｖｓ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ）を出力する。架線電圧Ｖ_ｓがＶｓ０未満の状態では「Ｖｓ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ＝０」を出力する。「Ｖｓ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ＝０」のとき、架線電圧Ｖ_ｓがＶｓ１以上に増加すると「Ｖｓ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ＝１」を出力する。「Ｖｓ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ＝１」のとき架線電圧Ｖ_ｓがＶｓ０未満まで減少すると「Ｖｓ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ＝０」を出力する。

比較器１６ｂは、蓄電手段蓄電量ＳＯＣ（State of Charge）を入力として、ＳＯＣが所定値よりも小さいときにＳＯＣ（低位）フラグ（ＳＯＣ_ｌｏｗ_ｆｌｇ）を出力する。蓄電手段蓄電量ＳＯＣがＳＯＣ０未満の状態では「ＳＯＣ_ｌｏｗ_ｆｌｇ＝１」を出力する。「ＳＯＣ_ｌｏｗ_ｆｌｇ＝１」のとき、蓄電手段蓄電量ＳＯＣがＳＯＣ１以上に増加すると「ＳＯＣ_ｌｏｗ_ｆｌｇ＝０」を出力する。「ＳＯＣ_ｌｏｗ_ｆｌｇ＝０」のとき蓄電手段蓄電量ＳＯＣがＳＯＣ１未満まで減少すると「ＳＯＣ_ｌｏｗ_ｆｌｇ＝１」を出力する。

論理積回路１７ａは、断流器８ａの投入状態を示すＬＢ１オン状態フラグ（ＬＢ１_ｆｌｇ）と、断流器８ｂの投入状態を示すＬＢ２オン状態フラグ（ＬＢ２_ｆｌｇ）と、電流遮断器９の投入状態を示すＨＢオン状態フラグ（ＨＢ_ｆｌｇ）を入力として、遮断器オン状態フラグ（ＬＢＨＢ_ｆｌｇ）を出力する。ＬＢ１_ｆｌｇ、ＬＢ２_ｆｌｇ、ＨＢ_ｆｌｇのすべてが「１」のとき、「ＬＢＨＢ_ｆｌｇ＝１」を出力し、ＬＢ１_ｆｌｇ、ＬＢ２_ｆｌｇ、ＨＢ_ｆｌｇのいずれかが「０」のとき、「ＬＢＨＢ_ｆｌｇ＝０」を出力する。

論理積回路１７ｂは、架線電圧状態（高位）フラグ（Ｖｓ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ）と、ＳＯＣ（低位）フラグ（ＳＯＣ_ｌｏｗ_ｆｌｇ）と、断流器８ｂの投入状態を示すＬＢ２オン状態フラグ（ＬＢ２_ｆｌｇ）を入力として、断流器８ｃ（ＢＬＢ）の投入を促すＢＬＢオン要求フラグ（ＢＬＢＯＮ_００_ｆｌｇ）を出力する。Ｖｓ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ、ＳＯＣ_ｌｏｗ_ｆｌｇ、ＬＢ２_ｆｌｇのすべてが「１」のとき、「ＢＬＢＯＮ_００_ｆｌｇ＝１」を出力し、Ｖｓ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ、ＳＯＣ_ｌｏｗ_ｆｌｇ、ＬＢ２_ｆｌｇのいずれかが「０」のとき、「ＢＬＢＯＮ_００_ｆｌｇ＝０」を出力する。

論理積回路１７ｃは、ＢＬＢオン要求フラグ（ＢＬＢＯＮ_００_ｆｌｇ）と、力行ゲートスタートフラグ（ＰＧＳＴ_ｆｌｇ）を論理反転回路１８により負論理とした非力行ゲートスタート信号（ＮＰＧＳＴ_ｆｌｇ）を入力として、断流器８ｃ（ＢＬＢ）の投入指令であるＢＬＢオン指令フラグ（ＢＬＢＯＮ_ｆｌｇ）を出力する。ＢＬＢＯＮ_００_ｆｌｇと、ＮＰＧＳＴ_ｆｌｇがともに「１」のとき、「ＢＬＢＯＮ_ｆｌｇ＝１」を出力し、ＢＬＢＯＮ_００_ｆｌｇと、ＮＰＧＳＴ_ｆｌｇのいずれかが「０」のとき、「ＢＬＢＯＮ_ｆｌｇ＝０」を出力する。

次に、蓄電手段１５を放電するときの制御方式について説明する。比較器１６ｃは、架線電圧Ｖ_ｓを入力として、Ｖ_ｓが所定値よりも小さいに架線電圧状態（低位）フラグ（Ｖｓ_ｌｏｗ_ｆｌｇ）を出力する。架線電圧Ｖ_ｓがＶｓ０未満の状態では「Ｖｓ_ｌｏｗ_ｆｌｇ＝０」を出力する。「Ｖｓ_ｌｏｗ_ｆｌｇ＝０」のとき、架線電圧Ｖ_ｓがＶｓ１以上に増加すると「Ｖｓ_ｌｏｗ_ｆｌｇ＝１」を出力する。「Ｖｓ_ｌｏｗ_ｆｌｇ＝１」のとき、架線電圧Ｖ_ｓがＶｓ０未満まで減少すると「Ｖｓ_ｌｏｗ_ｆｌｇ＝０」を出力する。

比較器１６ｄは、蓄電手段蓄電量ＳＯＣを入力として、ＳＯＣが所定値よりも大きいときにＳＯＣ（高位）フラグ（ＳＯＣ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ）を出力する。蓄電手段蓄電量ＳＯＣがＳＯＣ０未満の状態では「ＳＯＣ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ＝１」を出力する。「ＳＯＣ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ＝１」のとき、蓄電手段蓄電量ＳＯＣがＳＯＣ１以上に増加すると「ＳＯＣ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ＝０」を出力する。「ＳＯＣ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ＝０」のとき、蓄電手段蓄電量ＳＯＣがＳＯＣ１未満まで減少すると「ＳＯＣ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ＝１」を出力する。

論理積回路１７ｄは、架線電圧状態（低位）フラグ（Ｖｓ_ｌｏｗ_ｆｌｇ）と、回送ＡＴＣフラグ（ＡＯＳ_ｆｌｇ）と、バッテリ走行指令フラグ（ＢＲＯＮ_ｆｌｇ）を入力として、バッテリ走行有効フラグ（ＢＲＥＢＬ_ｆｌｇ）を出力する。Ｖｓ_ｌｏｗ_ｆｌｇ、ＢＲＯＮ_ｆｌｇ、ＢＲＥＢＬ_ｆｌｇのすべてが「１」のとき、「ＢＲＥＢＬ_ｆｌｇ＝１」を出力し、Ｖｓ_ｌｏｗ_ｆｌｇ、ＢＲＯＮ_ｆｌｇ、ＢＲＥＢＬ_ｆｌｇのいずれかが「０」のとき、「ＢＲＥＢＬ_ｆｌｇ＝０」を出力する。

論理積回路１７ｅは、バッテリ走行有効フラグ（ＢＲＥＢＬ_ｆｌｇ）、断流器８ｈの投入状態を示すＬＢ２オン状態フラグ（ＬＢ２_ｆｌｇ）、ＳＯＣ（高位）フラグ（ＳＯＣ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇ）を入力として、断流器８ｃ（ＢＬＢ）の投入を促すＢＬＢオン要求フラグ（ＢＬＢＯＮ_１０_ｆｌｇ）を出力する。ＢＲＥＢＬ_ｆｌｇ、ＬＢ１_ｆｌｇ、ＳＯＣ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇのすべてが「１」のとき、「ＢＬＢＯＮ_１０_ｆｌｇ＝１」を出力し、ＢＲＥＢＬ_ｆｌｇ、ＬＢ１_ｆｌｇ、ＳＯＣ_ｈｉｇｈ_ｆｌｇのいずれかが「０」のとき、「ＢＬＢＯＮ_１０_ｆｌｇ＝０」を出力する。

時間遅れ要素（立下り時）１９は、ＢＬＢオン要求フラグ（ＢＬＢＯＮ_１０_ｆｌｇ）を入力として、ＢＬＢＯＮ_１０_ｆｌｇが「１」から「０」に変化した時、その変化を時間Ｔｄｏｆだけ遅れさせたフラグとして、断流器８ｃ（ＢＬＢ）の投入指令であるＢＬＢオン指令フラグ（ＢＬＢＯＮ_ｆｌｇ）を出力する。

論理積回路１７ｆは、ＢＬＢオン指令フラグ（ＢＬＢＯＮ_ｆｌｇ）、断流器８ｃ（ＢＬＢ）の投入状態を示すＢＬＢオン状態フラグ（ＢＬＢ_ｆｌｇ）、断流器９（ＨＢ）の投入状態を示すＨＢオン状態フラグ（ＨＢ_ｆｌｇ）の反転を入力として、断流器８ｄ（ＢＫ１）の投入を促すＢＫ１オン要求フラグ（ＢＫ１ＯＮ_０_ｆｌｇ）を出力する。ＢＬＢＯＮ_ｆｌｇ、ＢＬＢ_ｆｌｇ、ＨＢ_ｆｌｇのすべてが「１」のとき、「ＢＫ１ＯＮ_０_ｆｌｇ＝１」を出力し、ＢＬＢＯＮ_ｆｌｇ、ＢＬＢ_ｆｌｇ、ＨＢ_ｆｌｇのいずれかが「０」のとき、「ＢＫ１ＯＮ_０_ｆｌｇ＝０」を出力する。

時間遅れ要素（立上り時）２０は、ＢＫ１オン要求フラグ（ＢＫ１ＯＮ_０_ｆｌｇ）を入力として、ＢＫ１ＯＮ_０_ｆｌｇが「１」から「０」に変化した時、その変化を時間Ｔｄｏｎだけ遅れさせたフラグとして、断流器８ｄ（ＢＫ１）の投入指令であるＢＫ１オン指令フラグ（ＢＫ１ＯＮ_ｆｌｇ）を出力する。

以上のように、本実施例では、蓄電手段１５の充電は、集電装置３ａの出力電圧が所定値以上で、電力変換装置６ａが集電装置３ａより得られる電力を消費していないとき、蓄電手段１５の蓄電量が所定値に達するまで充電されるように、断流器８ｃを投入し、かつ、蓄電手段１５を充電する電流は、集電装置３ａより得られる電力により、抵抗器１４ｂを経由して行われるように、断流器８ｄを開放し、また、蓄電手段１５の放電は、集電装置３ａの出力電圧が所定値未満であり、蓄電手段１５の蓄電量が所定値未満のとき、運転台からの操作により断流器８ｃを投入して、蓄電手段１５から電力変換装置６ａへの電力の供給を可能とし、かつ、蓄電手段１５から放電される電流は、抵抗器１４ｂを経由せずに電力変換装置６ａに供給するように、断流器８ｄを投入する。

すなわち、本発明によれば、列車編成を構成する車両の少なくとも１車両に蓄電装置を搭載して、架線など外部から電力を得られ、かつ、その電力をインバータ装置が消費していない状況では蓄電装置を充電し、架線など外部から電力を得られない状況では、蓄電装置の電力をインバータ装置に供給して車両を加速させることができる、鉄道車両の駆動システムを提供できる。

図４は、本発明の電気鉄道車両の駆動システムの一実施形態における機器動作を示す波形図である。図４には、蓄電手段１５への充電時、および蓄電手段１５からの放電時それぞれについて、各機器の動作順序を横軸時間のタイムチャートに示したものである。
（１）蓄電手段１５を充電する時
集電装置３ａより得られる電力を、蓄電手段１５に充電するときの機器動作順序について説明する。蓄電手段１５の充電は、集電装置３ａが架線、第三軌条などの電力供給設備から電力を得られる状態であること、およびインバータ回路１２に電力が供給され、車両１ａ、１ｂ、１ｃは力行による加速、回生ブレーキによる減速ができる準備状態であることを判断して行われる。ただし、車両が加速している状態では、集電装置３ａからインバータ回路１２への電力供給を優先するため、蓄電手段１５の充電は行わない。

集電装置３ａが架線、第三軌条などに接して電力供給されている状態を、架線電圧Ｖ_ｓが所定値以上に達したことで判断する。このとき、断流器８ａ、８ｂ（ＬＢ１、ＬＢ２）を投入すると、集電装置３ａからの電力によりコンデンサ１１が充電される。コンデンサ１１を充電する電流は抵抗器１４ａを経由して流れるので、過大な電流が流れることはない。

コンデンサ１１の端子間電圧Ｖ_ｆｃは電圧検出器５１ｂで検出され、これが架線電圧Ｖ_ｓ近傍まで達したことでコンデンサ１１の充電完了を判断し、電流遮断器９（ＨＢ）を投入する。これにより、集電装置３ａからインバータ回路１２まで抵抗器１４ａを経由せずに電流を流すことができ、車両１ａ、１ｂ、１ｃは力行による加速、回生ブレーキによる減速ができる準備状態となる。

この準備状態において、蓄電手段１５の蓄電量（ＳＯＣ）が所定値ＳＯＣ_Ｈ未満であるとき、断流器８ｃ（ＢＬＢ）を投入することで、蓄電手段１５の充電が開始される。ただし、車両が加速している状態では、集電装置３ａからインバータ回路１２への電力供給を優先するため、断流器８ｃ（ＢＬＢ）は投入せず、蓄電手段１５の充電は行わない。このとき、集電装置３ａから抵抗器１４ｂを経由して蓄電手段１５を充電する電流が流れるので、過大な充電電流が流れることはない。蓄電手段１５の蓄電量（ＳＯＣ）が所定値ＳＯＣ_Ｈを上回った時点で断流器８ｃを開放して充電を終了する。

（２）蓄電手段１５を放電するとき
蓄電手段１５の放電電力をインバータ装置１２に供給して電動機１３ａ、１３ｂを駆動するときの機器動作順序について説明する。蓄電手段１５の放電は、集電装置３ａが架線、第三軌条などの電力供給設備から電力を得られない状態であること、車両１ａ、１ｂ、１ｃが営業運転とは異なる運転状態であること、および運転手の操作により蓄電手段１５の放電が許可されていることを判断して行われる。このとき、蓄電手段１５の放電電力は、インバータ装置１２に供給して電動機１３ａ、１３ｂを駆動し、車両１ａ、１ｂ、１ｃを加速させることができる。

集電装置３ａが架線、第三軌条などに接しておらず電力供給されていない状態を、架線電圧Ｖ_ｓが所定値未満であることで判断する。また、車両１ａ、１ｂ、１ｃが営業運転とは異なる運転状態であることを、自動列車制御装置（ＡＴＣ）が所定の指令信号を受信していないことで判断する。これら２つの判断が成立しているとき、運転手の操作により蓄電手段１５の放電力行指令（Battery Run Command）が出力されると、断流器８ｂ、８ｃ（ＬＢ２、ＢＬＢ）を投入され、蓄電手段１５の電力によりコンデンサ１１が充電される。コンデンサ１１を充電する電流は抵抗器１４ｂを経由して流れるので、過大な電流が流れることはない。

コンデンサ１１の端子間電圧Ｖ_ｆｃは電圧検出器５１ｂで検出され、これが蓄電手段１５の端子間電圧Ｖ_ｓ近傍まで達したことでコンデンサ１１の充電完了を判断し、断流器８ｄ（ＢＫ１）を投入する。これにより、蓄電手段１５からインバータ回路１２まで抵抗器１４ｂを経由せずに電流を流すことができ、車両１ａ、１ｂ、１ｃは力行による加速ができる準備状態となる。

インバータ回路１２により電動機１３ａ、１３ｂを駆動することにより車両１ａ、１ｂ、１ｃは加速して速度が増加する。一方、加速に必要なエネルギは蓄電手段１５により供給されるため、蓄電手段１５の蓄電量ＳＯＣは減少する。蓄電手段１５の蓄電量（ＳＯＣ）が所定値ＳＯＣ_Ｌを下回った時点で断流器８ｃ（ＢＬＢ）と断流器８ｄ（ＢＫ１）を開放して放電を終了する。これにより、インバータ回路１２への電力供給はなくなるため、電動機１３ａ、１３ｂの駆動も終了する。

図１は本発明の実施例の電気鉄道車両の駆動システムにおける一実施形態の基本構成を示す図である。 図２は本発明の実施例の電気鉄道車両の駆動システムの機器構成を示す図である。 図３は本発明の実施例の電気鉄道車両の駆動システムの機器の制御方式を示す図である。 図４は本発明の実施例の電気鉄道車両の駆動システムの実施例の総合的な動作を示す波形図である。 図５は従来の電気車の駆動システムを示す図である。

符号の説明

１ 車両
２ 車間連結器
３ 集電装置
４ 台車
５ 輪軸
６ インバータ装置
７ 蓄電装置
８ 断流器
９ 電流遮断器
１０ リアクトル
１１ コンデンサ
１２ インバータ回路
１３ 電動機
１４ 抵抗器
１５ 蓄電手段
１６ 比較器
１７ 論理積回路
１８ 論理反転回路
１９ 時間遅れ要素（立上り時）
２０ 時間遅れ要素（立下り時）
３０ 接地点
５１ 電圧検出器
５２ 電流検出器
１０２ パンタグラフ
１０３ インバータ制御装置
１０５ 充電装置
１０６ 蓄電池
１０７ 三相交流電動機
１２１ 切替スイッチ
１２２ パンタグラフ切断スイッチ
１２３ パンタグラフ切断スイッチとの連動接点
１２４ 補機回路の蓄電池電源接点の励磁コイル
１２５ 主回路蓄電池電源接点の励磁コイル
１２６ 主回路主接点の励磁コイル
１２８ 主回路主接点
１３０ 主回路蓄電池接点
１３１ 補機回路の蓄電池電源接点
１３２ 補機回路部分
１３３ 遮断器

Claims (1)

1. 車両の外部から電力を得る第一の給電手段と、
   前記車両に設備され蓄電機能をもつ第二の給電手段と、
   前記第一および第二の給電手段より得られる直流電力を交流電力に変換する電力変換手段と、
   前記電力変換手段により変換された交流電力により駆動され前記車両をけん引する力を発生する交流電動機と、
   を備えた電気鉄道車両の駆動システムにおいて、
   前記第一の給電手段と前記第二の給電手段との間に接続され、前記第二の給電手段の充電および放電の断流と通流とを選択的に制御可能な第一の断流器と、
   前記第一の断流器と直列に接続され、前記第二の給電手段に入出力される電流を減流する抵抗器と、
   前記抵抗器と並列に接続され、断流と通流とを選択的に制御可能な第二の断流器とを備え、
   前記第二の給電手段を充電する場合、電流は前記第二の断流器を経由せずに前記抵抗器を経由し、
   前記第二の給電手段を放電する場合、電流は前記第二の断流器を経由し、
   前記第一の給電手段の出力電圧が所定値未満であり、前記第二の給電手段の蓄電量が所定値より大きいとき、
   運転台からの操作による前記第一の断流器の投入に応じて、前記第二の給電手段から前記電力変換手段への電力の供給を可能とするように前記第二の給電手段から放電し、
   かつ、前記第二の給電手段から放電される電流は、前記抵抗器を経由して前記電力変換器のコンデンサに供給し、前記コンデンサの充電完了を判断して前記抵抗器を経由せずに前記電力変換手段に供給するように、前記第二の断流器を動作させること
   を特徴とする電気鉄道車両の駆動システム。

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