JP5995470B2 - 電気車用電源システム及び電力供給制御方法 - Google Patents
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Description
架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、バッテリ(例えば、図1のバッテリ60A)の出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システム(例えば、図1の電源システム1A)であって、
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部(例えば、図1の主回路側コンバータ31)及び第1インバータ部(例えば、図1のインバータ32)を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路(例えば、図1の主変換回路30)と、
前記主変圧器の3次巻線に接続され、補機に電力を供給する補機用変換回路(例えば、図1の補機用変換回路40)と、
前記補機用変換回路と並列に前記3次巻線に接続され、前記架線モード時に前記バッテリを充電する電力を供給する第2コンバータ部(例えば、図1の三次巻線側コンバータ51)と、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続する遮断器(例えば、図1の高速度遮断器BHB)と、
制御装置(例えば、図1の制御部70)と、
を備え、
前記制御装置は、
前記遮断器を開放することで前記架線モードに切り替える架線モード切替手段と、
前記遮断器を投入し、前記第2コンバータ部をインバータ動作させることで前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
を有する、
電気車用電源システムである。
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の3次巻線に接続されて補機に電力を供給する補機用変換回路と、前記補機用変換回路と並列に前記3次巻線に接続された第2コンバータ部と、前記第2コンバータ部のコンバータ動作による2次側出力電力で充電可能に構成されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードと切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとの接続を開放することで前記架線モードに切り替えるステップと、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続し、前記第2コンバータ部をインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
を含む電力供給制御方法を構成しても良い。
前記第1コンバータ部は、動作停止時に純ブリッジ回路として機能するよう構成され、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第1コンバータ部の動作を停止させ、
前記バッテリモードにおいて、インバータ動作によって前記第2コンバータ部の1次側に発生する電力が前記主変圧器を介して前記第1コンバータ部に印加されるよう構成されてなり、前記バッテリモードにおける前記第1コンバータ部の2次側電圧と、前記バッテリの出力電圧とが略同一に設計されてなることを特徴とする電気車用電源システムを構成しても良い。
前記2次巻線と前記第1コンバータ部とを接続する接触器(例えば、図11の接触器Ks)を更に備え、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第1コンバータ部の動作を停止させるとともに、前記接触器を開放する、
電気車用電源システムを構成しても良い。
前記制御装置は、電気車の停止時に、前記遮断器を投入し、前記架線からの交流電力をもとに前記第1コンバータ部に前記バッテリへの充電電力を供給させる制御を行う急速充電制御手段を有する、
電気車用電源システムを構成しても良い。
図1は、第1実施形態における電源システム1Aの回路構成図である。この電源システム1Aは、真空遮断器VCBと、主変圧器20と、主変換回路30と、補機用変換回路40と、三次巻線側コンバータ51(第2コンバータ部)と、バッテリ60Aと、接触器Kと、高速度遮断器BHB(遮断器)と、リアクトルLと、制御部70とを備えて構成される。
電源システム1Aにおける走行モードを説明する。走行モードには、「架線モード」及び「バッテリモード」の2種類がある。
架線モードは、架線から供給される交流電圧(単相20000V)によって主電動機4を駆動して走行するモードである。
バッテリモードは、バッテリ60Aの蓄積電力によって主電動機4を駆動して走行するモードである。
続いて、架線の供給電力(交流電力)によってバッテリ60Aを急速充電する場合を説明する。なお、この急速充電は、例えば駅などの停車場の停車中に行われる。
次に、これらの走行モードの切り替えの際の制御手順を説明する。この制御は、制御部70によってなされる。
図6は、停車中から架線モードで起動する場合の制御手順である。但し、高速度遮断器BHBは開放され、接触器Kは投入されている。また、パンタグラフ2は下降され、真空遮断器VCBは開放されている。また、インバータ32、主回路側コンバータ31、及び、三次巻線側コンバータ51は、ともに動作停止している。
図7は、架線モードからバッテリモードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ32を停止させ(ステップB1)、次いで、主回路側コンバータ31を停止させる(ステップB3)。これにより、主回路側コンバータ31の出力端(二次側)の出力電力が「直流900V以上」となる。
図8は、バッテリモードから架線走行へ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ32を停止させる(ステップC1)。次いで、パンタグラフ2を上昇させ(ステップC3)、真空遮断器VCBを投入する(ステップC5)。
図9は、停車中からバッテリモードで起動する場合の制御手順である。但し、高速度遮断器BHBは開放され、パンタグラフ2は降下し、真空遮断器VCBは開放されている。また、インバータ32、主回路側コンバータ31、及び、三次巻線側コンバータ51は、ともに動作停止している。
図10は、バッテリ60Aを急速充電する場合の制御手順である。先ず、インバータ32を停止させる(ステップE1)。次いで、パンタグラフ2を上昇させ(ステップE3)、真空遮断器VCBを投入する(ステップE5)。続いて、三次巻線側コンバータ51を、出力電流(バッテリ60Aの充電電流)が「0」になるよう、変調率制御によるコンバータ動作させる(ステップE7)。
このように、本実施形態の電源システム1Aは、主変圧器20の三次巻線23に、バッテリ60Aを充電するための三次巻線側コンバータ51が補機用変換回路40と並列に接続されるとともに、バッテリ60Aが、高速度遮断器BHBを介して主変換回路30の直流リンク部に接続されて構成される。
次に、第2実施形態を説明する。第2実施形態は、上述の第1実施形態において、主回路側コンバータ31の入力端(一次側)を、接触器Ksを介して主変圧器20の二次巻線22に接続する構成とした実施形態である。なお、以下において、上述の実施形態と同一要素については同符号を付し、その詳細な説明を省略又は簡略する。
図11は、第2実施形態における電源システム1Bの回路構成図である。電源システム1Bは、真空遮断器VCBと、主変圧器20と、主変換回路30と、補機用変換回路40と、三次巻線側コンバータ51と、バッテリ60Bと、接触器Kと、高速度遮断器BHBと、リアクトルLと、補機用変換回路40と、制御部70とを備えて構成される。主変換回路30は、接触器Ksと、主回路側コンバータ31と、インバータ32とを有している。
続いて、電源システム1Bにおける走行モードの切り替えを説明する。
なお、架線モードにおける電力供給動作は、上述の第1実施形態における架線モードでの電力供給動作(図2参照)と同様である。
図13は、架線モードからバッテリモードへ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ32を停止させ(ステップB1)、次いで、主回路側コンバータ31を停止させる(ステップB3)。続いて、接触器Ksを開放し(ステップB4)、その後、高速度遮断器BHBを投入する(ステップB5)。
図14は、バッテリモードから架線走行へ切り替える場合の制御手順である。先ず、インバータ32を停止させる(ステップC1)。次いで、パンタグラフ2を上昇させ(ステップC3)、真空遮断器VCBを投入する(ステップC5)。
図15は、停車中からバッテリモードで起動する場合の制御手順である。但し、高速度遮断器BHBは開放され、パンタグラフ2は降下し、真空遮断器VCBは開放されている。また、インバータ32、主回路側コンバータ31、及び、三次巻線側コンバータ51は、ともに動作停止している。
図16は、バッテリ60Aを急速充電する場合の制御手順である。先ず、インバータ32を停止させる(ステップE1)。次いで、パンタグラフ2を上昇させ(ステップE3)、真空遮断器VCBを投入する(ステップE5)。
このように、第2実施形態における電源システム1Bは、第1実施形態における電源システム1Aにおいて、主変圧器20の二次巻線22と主回路側コンバータ31との間に接触器Ksが接続されて構成される。そして、バッテリモードにおいて、接触器Ksを開放することで、動作停止している主回路側コンバータ31の出力を0とすることができる。つまり、主変換回路30の直流リンク部には、バッテリ60Aの放電電圧のみが印加されることになる。これにより、第1実施形態における作用・効果に加えて、バッテリ60Bの定格電圧を、三次巻線23の電圧の0.9倍以上の直流電圧であれば自由に設計することが可能となる。
本実施形態における電源システム1A,1Bを交流電気車に搭載することで、交流電気車の架線・バッテリハイブリッド化が可能となる。これにより様々な作用効果が奏される。
例えば、上述の実施形態では電動機4への駆動電力の供給、すなわち力行時の説明を主にしたが、バッテリ60A,60Bは主変換回路30の直流リンク部に接続されているため、回生時には電動機4で発生した電力がバッテリ60A,60Bに蓄積されることとなる。これにより、回生エネルギーをバッテリ60A,60Bに蓄積することで、回生失効を防止し、エネルギーの有効利用が可能となる。
VCB 真空遮断器
20 主変圧器、21 一次巻線、22 二次巻線、23 三次巻線
30 主変換回路、31 主回路側コンバータ、32 インバータ
40 補機用変換回路、41 静止形インバータ
51 三次巻線側コンバータ
60A、60B バッテリ
K,Ks 接触器、BHB 高速度遮断器、L リアクトル
70 制御部
2 パンタグラフ、3 車輪、4 主電動機
Claims (5)
- 架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードとを切替可能な電気車用電源システムであって、
主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有し、主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、
前記主変圧器の3次巻線に接続され、補機に電力を供給する補機用変換回路と、
前記補機用変換回路と並列に前記3次巻線に接続され、前記架線モード時に前記バッテリを充電する電力を供給する第2コンバータ部と、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続する遮断器と、
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記遮断器を開放することで前記架線モードに切り替える架線モード切替手段と、
前記遮断器を投入し、前記第2コンバータ部をインバータ動作させることで前記バッテリモードに切り替えるバッテリモード切替手段と、
を有し、
前記補機用変換回路は、前記架線モード及び前記バッテリモードの何れにおいても前記3次巻線側に係る交流電力に基づいて、前記補機へ電力供給が可能に構成された、
電気車用電源システム。 - 前記第1コンバータ部は、動作停止時に純ブリッジ回路として機能するよう構成され、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第1コンバータ部の動作を停止させ、
前記バッテリモードにおいて、インバータ動作によって前記第2コンバータ部の1次側に発生する電力が前記主変圧器を介して前記第1コンバータ部に印加されるよう構成されてなり、前記バッテリモードにおける前記第1コンバータ部の2次側電圧と、前記バッテリの出力電圧とが略同一に設計されてなることを特徴とする請求項1に記載の電気車用電
源システム。 - 前記2次巻線と前記第1コンバータ部とを接続する接触器を更に備え、
前記バッテリモード切替手段は、更に、前記第1コンバータ部の動作を停止させるとともに、前記接触器を開放する、
請求項1に記載の電気車用電源システム。 - 前記制御装置は、電気車の停止時に、前記遮断器を投入し、前記架線からの交流電力をもとに前記第1コンバータ部に前記バッテリへの充電電力を供給させる制御を行う急速充電制御手段を有する、
請求項1〜3の何れか一項に記載の電気車用電源システム。 - 主変圧器の2次巻線に接続された第1コンバータ部及び第1インバータ部を有して主電動機を駆動する電力を供給する主変換回路と、前記主変圧器の3次巻線に接続されて補機に電力を供給する補機用変換回路と、前記補機用変換回路と並列に前記3次巻線に接続された第2コンバータ部と、前記第2コンバータ部のコンバータ動作による2次側出力電力で充電可能に構成されたバッテリとを備えた電気車用電源システムにおいて、架線からの交流電力をもとに走行する架線モードと、前記バッテリの出力電力をもとに走行するバッテリモードと切り替えて電力供給を制御する電力供給制御方法であって、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとの接続を開放することで前記架線モードに切り替えるステップと、
前記主変換回路の直流リンク部と前記バッテリとを接続し、前記第2コンバータ部をインバータ動作させて前記バッテリモードに切り替えるステップと、
を含み、前記架線モード及び前記バッテリモードの何れにおいても前記3次巻線側に係る交流電力に基づいて、前記補機用変換回路が前記補機へ電力を供給する、
電力供給制御方法。
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