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JP2002369308A - 電気車両システム - Google Patents

電気車両システム

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Publication number
JP2002369308A
JP2002369308A JP2001177155A JP2001177155A JP2002369308A JP 2002369308 A JP2002369308 A JP 2002369308A JP 2001177155 A JP2001177155 A JP 2001177155A JP 2001177155 A JP2001177155 A JP 2001177155A JP 2002369308 A JP2002369308 A JP 2002369308A
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JP
Japan
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electric vehicle
vehicle system
circuit
chopper
voltage
Prior art date
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Application number
JP2001177155A
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English (en)
Inventor
Masamichi Ogasa
正道 小笠
Takamitsu Yamamoto
貴光 山本
Michihiro Yamashita
道寛 山下
Asaki Watanabe
朝紀 渡邉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Railway Technical Research Institute
Original Assignee
Railway Technical Research Institute
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 回生パワーの制限等により架線に変換できな
い余剰の回生エネルギーをバッテリまたはコンデンサに
蓄積し、高速域での力行時に、バッテリまたはコンデン
サからのパワーアシストを行って、効果的にエネルギー
を利用する電気車両システムを提供する。 【解決手段】 本発明の電気車両システムは、直流電圧
を制御する昇降圧チョッパ１２とインバータ１３とを備
えるＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０と、主電動機群１
４と、入力部１６と、応速度ブレーキ力パターンμに基
づいてＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０を制御する制御
部１７と、電源を蓄積及び供給するバッテリ２２（また
はコンデンサ）と、バッテリ２２（コンデンサ）に至る
経路上に接続されたブリッジ型可逆チョッパ２１と、を
備え、昇降圧チョッパ１２及びブリッジ型可逆チョッパ
２１は、４つ以上のゲート回路１２ａで構成することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、交流モータ等を用
いて鉄道車両（以下、単に「車両」ともいう）を加減速
させる電気車両システムに関する。特には、回生パワー
の制限等により架線に変換できない余剰の回生エネルギ
ーをバッテリまたはコンデンサに蓄積し、高速域での力
行時に、バッテリまたはコンデンサからのパワーアシス
トを行うことができる電気車両システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、交流モータ等を用いて車両を
加減速させる電気車両においては、駆動電動機を発電機
として電流を発生して車軸にトルクを与え車両を加減速
させる。即ち、車両の発進又は加速時には駆動電動機を
発電機として電流を発生して車軸に駆動トルクを与え、
逆に、車両の減速又は停止時には、電気ブレーキとして
車軸に制動トルクを与えて車両の減速又は停止を行って
いる。
【０００３】また、電気車両のブレーキシステムとして
は、電気ブレーキのほか摩擦ブレーキや流体ブレーキな
どが使用されている。摩擦ブレーキは、圧縮空気や油圧
などによって機械的に制輪子を車軸やブレーキディスク
などに押し付けて摩擦力を発生させ車両を減速及び停止
させるものである。また、流体ブレーキは、油などの流
体を回転翼などで攪拌し、その際の抵抗力をブレーキ力
として車両を減速及び停止させるものである。
【０００４】一般に、電気車両のブレーキにおいて、高
速域での電気ブレーキ力が低速度域に較べて低下するこ
とから、所要ブレーキ力を満足できない部分は機械ブレ
ーキにより補足している。
【０００５】この高速域での機械ブレーキ分担が増える
ことは、車輪やデイスクヘの熱的負荷の増大やブレーキ
シュー・ライニングの摩耗の増大を伴い、近年、特に運
行時分短縮のために高減速度の要求される機会が増えて
いるため、車輪踏面亀裂や凹摩耗などが発生する場合も
ある。
【０００６】このため、ブレーキ力の機械ブレーキ分担
分をなくし、電気ブレーキのみで賄うことも考えられ
る。この場合には、高速域での電気ブレーキ分担分を増
加させることで実現可能となる。
【０００７】図１０は、近郊電車における常用最大ブレ
ーキ設定を示す図である。図１０に示すように、最近で
は、車種によって、中速度〜高速度にかけて簡単な応速
度ブレーキ力パターンを持たせて、高速域での期待粘着
係数（摩擦係数）μ’を若干緩和したものもある。
【０００８】ここで、期待粘着係数μ’とは、駆動伝達
力と車軸重量の比であり、 ＜式１＞ 期待粘着係数μ’＝駆動伝達力／車軸重量 で示される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電気車両では、主電動機への印加電圧が架線電圧相当の
印加電圧で頭打ちになる速度（以下、単に「定格速度」
ともいう）より高速域の弱磁束領域・特性領域におい
て、主電動機の制御特性上、定トルク領域に較べて電動
機トルクが速度とともに急激に低下する。これは、架線
電圧上限値相当以上の電圧を主電動機に印加できないか
らである。
【００１０】このため、直流き電区間では、回生失効時
や回生パワーの制限等により、回生ブレーキ時の回生エ
ネルギーを全て架線に返すことが困難であるという問題
があった。また、所要のブレーキ力が得られない場合に
は、機械ブレーキを使用したり、発電抵抗器で回生エネ
ルギーを消費したりしていた。このため、エネルギーの
無駄な消費が生じ、エネルギー効率に無駄が生じる場合
があった。
【００１１】このような場合、インバータにかかる電圧
を上昇させる方法があるが、この場合、力行及び回生の
両方向に対応可能な昇降圧チョッパを設ける必要がある
が、架線返還できるパワーには限界があるため、回生ブ
レーキ力を増加させても処理できない余剰パワーを生じ
る場合があった。
【００１２】本発明はこのような背景の中でなされたも
のであって、回生パワーの制限等により架線に変換でき
ない余剰の回生エネルギーをバッテリまたはコンデンサ
に蓄積し、高速域での力行時に、バッテリまたはコンデ
ンサからのパワーアシストを行うことにより、効果的に
エネルギーを利用することができる電気車両システムを
提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の電気車両システムは、交流電圧の印可を受
けて該交流電圧に対応したトルクを車軸に与える主電動
機と、電源を蓄積及び供給するバッテリまたはコンデン
サと、入力された直流電圧を交流電圧に変換して、主電
動機に変換した交流電圧を印可するインバータと、イン
バータに接続され、インバータに入力する直流電圧を制
御する昇降圧回路とを有する電圧制御回路と、電圧制御
回路のインバータと昇降圧回路の間の経路上から分岐し
て、バッテリまたはコンデンサに至る経路上に接続され
た変換器回路と、を備える、ことを特徴とする。
【００１４】ここで、電圧制御回路は、ＰＡＭ制御方式
の回路にするとよい。このとき、昇降圧回路は、ＤＣ／
ＤＣ双方向チョッパの構成にすることもでき、４象現可
逆チョッパまたは２並列２象現直流可逆チョッパの構成
にすることもできる。このとき、直流区間では昇降圧チ
ョッパとして機能し、交流区間ではＰＷＭコンバータと
して機能する、こともできる。
【００１５】また、変換器回路は、ＤＣ／ＤＣ双方向チ
ョッパの構成にすることができ、高周波トランス回路の
構成にすることもできる。このとき、変換器回路とバッ
テリまたはコンデンサの間に、バッテリまたはコンデン
サの過充電を防止する保護回路を設ることもできる。
【００１６】また、昇降圧回路は、電流可逆チョッパの
構成にすることができる。このとき、変換器回路は、電
流可逆チョッパの構成にするとよい。
【００１７】さらに、電圧制御回路を所定の粘着ブレー
キパターンμに基づいて制御する制御手段を備える、こ
とができる。このとき、粘着ブレーキパターンμは、車
両速度をＶｔ［ｋｍ／ｈ］としたとき、「μ＝ｂ／（Ｖ
ｔ＋ａ）」の関数で示され、係数ａ及びｂは、関数で示
される反比例曲線上の任意の２点での値によって決定さ
れる、ようにするとよい。また、係数ａは、約７８であ
り、係数ｂは、約１５．８４にするとよい。
【００１８】上述の本発明の電気車両システムにおいて
は、回生パワーの制限等により架線に変換できない余剰
の回生エネルギーをバッテリまたはコンデンサに蓄積
し、高速域での力行時に、バッテリまたはコンデンサか
らのパワーアシストを行うことにより、効果的にエネル
ギーを利用することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下本発明の電気ブレーキの制御
方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２０】図１及び図２は、本発明の電気車両システ
ムの実施の形態の一例を示すブロック図である。ここ
で、図２（Ａ）は、直流区間における電気車両システム
の実施の形態の一例を示すブロック図であり、図２
（Ｂ）は、交流区間における電気車両システムの実施の
形態の一例を示すブロック図である。また、図３は、本
名発明の電気車両システムにおける母線電圧と車両速度
の関係を示す図である。図１〜図３において、この電気
車両システムは、パンタグラフ１１から入力された架線
１８からの直流電圧を制御する昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ（以下、単に「昇降圧チョッパ」ともいう）１２と
ＤＣ／ＡＣ変換器であるインバータ１３とを有するＰＡ
Ｍ（Pulse Amplitude Modulation）制御方式昇降圧主回
路２０と、ＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０からの電圧
に応じて車輪１５の車軸（図示せず）に電動機トルクを
与える三相交流電動機（以下、単に「主電動機群」とも
いう）１４と、力行信号やブレーキ信号を入力する入力
部１６と、入力部１６からの信号に応じて、予め設定さ
れた応速度ブレーキ力パターン（粘着パターン）μに基
づいて、ＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０を制御する制
御部１７と、電源を蓄積及び供給するバッテリ２２と、
インバータ１３と昇降圧チョッパ１２の間の経路上から
分岐して、バッテリ２２に至る経路上に接続された変換
器回路であるブリッジ型可逆チョッパ（ＤＣ／ＤＣ双方
向チョッパ）２１と、を備えている。
【００２１】ここで、インバータ１３は、例えば、ＰＷ
Ｍ（Pulse Width Modulation）制御によって直流を交流
に変換する電力変換装置を使用するとよい。さらに、こ
のＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）を使用したインバー
タ１３には、ＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）ＶＶＶＦ
（Variable Voltage Variable Frequency）インバータ
とするとよい。このＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）Ｖ
ＶＶＦ（可変電圧可変周波数）インバータは、ＰＷＭ制
御（パルス幅変調制御）によって正負２レベルまたは３
レベルのパルス電圧を出力し、平均電圧として目的の振
幅と周波数を持った交流電圧を得ることができる。
【００２２】また、昇降圧チョッパ１２は、４つのゲー
ト回路１２ａで構成されるＤＣ／ＤＣ双方向チョッパで
構成されている。また、ブリッジ型可逆チョッパ２１
は、４つのゲート回路１２ａで構成することができる。
ここで、昇降圧チョッパ１２及びブリッジ型可逆チョッ
パ２１は、２並列２象現直流可逆チョッパとすることも
できる。
【００２３】以下、制御部１７においてＰＡＭ制御方式
昇降圧主回路２０を制御する期待粘着ブレーキパターン
μについて説明する。
【００２４】期待粘着ブレーキパターン（駆動伝達力／
軸重比）μが速度Ｖｔ（Velocity of Train）に反比例
するパターンを設定し、 ＜式２＞ μ＝ｂ／（Ｖｔ＋ａ） を満たす関数とする。
【００２５】ここで、係数ａ、ｂは，反比例曲線上の２
点Ａ（Ｖｔ＿ａ、μａ）、Ｂ（Ｖｔ＿ｂ、μｂ）を設定
すれば一意に決まり、以下の式で計算することができ
る。 ＜式３＞ ａ＝（μｂ×Ｖｔ＿ｂ−μａ×Ｖｔ＿ａ）／（μａ−μ
ｂ） ｂ＝μａ×μｂ（Ｖｔ＿ｂ−Ｖｔ＿ａ）／（μａ−μ
ｂ） Ｖｔ＿ａ≦Ｖｔ＿ｂ μａ≧μｂ
【００２６】ここで、２点Ａ、Ｂの与え方を変えること
で、いろいろなμパターンが作成できる。例えば、新幹
線における計画粘着式はこのような反比例近似を用いて
おり、 ＜式４＞ μ＝１３．６／（Ｖｔ＋８５） が用いられている。
【００２７】また、在来線は車種別、乾燥・湿潤別の計
算式もある一方で、平均値として、 ＜式５＞ μ＝３２．７４／（Ｖｔ＋１８７） が用いられている。
【００２８】例えば、Ａ（１０［ｋｍ／ｈ］、０．１
８）、Ｂ（１２０［ｋｍ／ｈ］、０．０８）とすると、 ＜式６＞ μ＝１５．８４／（Ｖｔ＋７８） となる。
【００２９】図４は、期待粘着ブレーキパターンμが式
６のときの粘着パターン変更による設計減速度（常用最
大ブレーキ設定）を示す図である。図３に示すように、
式６に示した期待粘着ブレーキパターンμは、現状の動
力分散列車の粘着性能に適した値であるといえる。な
お、速度１０［ｋｍ／ｈ］以下をフラットなパターンに
してもよい。
【００３０】次に、＜式６＞の場合の減速度・停止距離
の算出を示す。電気ブレーキで負担するブレーキ力をＦ
ｅ＿ｔ［Ｎ］、電気ブレーキで分担する減速度をβｅ
［Ｋｍ／ｈ／ｓ］とする。いま、編成全体両数ｋ
［両］、電動車数ｎ［両］、１両当たりの満車荷重を１
７．０［ｔｏｎ／両］とし、簡単のために電動車質量
（空車）Ｍ０［ｋｇ／両］、付随車質量（空車）Ｔ０
「ｋｇ／両」、荷重載荷時の電動車質量ＭＬ［ｋｇ／
両］とすると、編成全体の最大質量Ｍ’［ｋｇ］は、 ＜式７＞ Ｍ’＝ｎ×（Ｍ０＋１７０００）＋（ｋ−ｎ）×（Ｔ０＋１７０００） ＝ｎ×Ｍ０＋（ｋ−ｎ）×Ｔ０＋１７０００×ｋ となる。
【００３１】このとき、列車編成としての並進系運動方
程式は、 ＜式８＞ （Ｍ’／３．６）×（ｄＶｔ／ｄｔ）＝ｎ×μ×ＭＬ×
ｇ となる。
【００３２】また、動軸１軸当たりの慣性モーメントＪ
ｗ［ｋｇｍ2］、車輪の回転角速度ωｗ［ｒａｄ／
ｓ］、車輪半径ｒｗ［ｍ］、車輪への印加トルクτｗ
［Ｎｍ］、車輪周引張力ｆｗ［Ｎ］とすると、動軸の回
転系運動方程式は、 ＜式９＞ Ｊｗ×（ｄωｗ／ｄｔ）＝τｗ−μ×（ＭＬ／４）×ｇ
×ｒｗ または、並進系に換算して、 ＜式１０＞ Ｊｗ／ｒｗ2×（ｄＶｔ／ｄｔ）×（１／３．６）＝ｆ
ｗ−μ×（ＭＬ／４）×ｇ 但し、Ｊｗ／ｒｗ2は、慣性質量［ｋｇ］となる。
【００３３】上述の＜式７＞〜＜式１０＞より、μの項
を消去すると、 ＜式１１＞ ｜βｅ｜＝ｄＶｔ／ｄｔ ＝３．６×（４×ｎ×ｆｗ）／（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／ｒｗ2） となり、編成全体としての減速度βｅが算出できる。
【００３４】次に，編成全体の印加電気ブレーキカＦｅ
＿ｔ［Ｎ］は、 ＜式１２＞ Ｆｅ＿ｔ＝４×ｎ×ｆｗ ＝（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／ｒｗ2）×｜βｅ｜×３．６ となり、電動車１軸当たりの期待粘着ブレーキパターン
（粘着係数）μ（＝駆動伝達力／軸重比）は、 ＜式１３＞ μ＝Ｍ’／（ｎ×ＭＬ）×｜βｅ｜／（３．６×ｇ） となる。
【００３５】いま、＜式２＞の期待粘着ブレーキパター
ンμならば、この＜式２＞を＜式１３＞に代入して、 ＜式１４＞ ｜βｅ｜＝３．６×ｇ×ｎ×ＭＬ／Ｍ’×ｂ／（Ｖｔ＋ａ） ＝ｂ’／（Ｖｔ＋ａ） 但し、ｂ’＝３．６×ｇ×ｎ×ＭＬ／Ｍ’×ｂ を得ることができる。
【００３６】このとき、速度Ｖｔは以下の微分方程式を
満足する。 ＜式１５＞ ｜βｅ｜＝―ｄＶｔ／ｄｔ ＝ｂ’／（Ｖｔ＋ａ） Ｖｔ×（Ｖｔ＋ａ）＝−ｂ’
【００３７】ここで、＜式１５＞を時刻０［秒］―＞ｔ
１［秒］まで定積分すると、 ＜式１６＞ （１／２）×｛Ｖｔ（ｔ１）2―Ｖｔ（０）2｝＋ａ×
｛Ｖｔ（ｔ１）−Ｖｔ（０）｝＝−ｂ’×ｔ１ となり、＜式１６＞をＶｔの次数ごとに整理し、実数か
つＶｔ（ｔ１）≧０の条件より、Ｖｔ（ｔ１）をｔ１の
関数としてＶｔを求めると、 ＜式１７＞ Ｖｔ（ｔ１）＝−ａ＋√｛ａ2＋Ｖｔ（０）2＋２×ａ×
Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１｝ となる。
【００３８】従って、Ｖｔ（０）―＞Ｖｔ（ｔ１）まで
の減速時間ｔ１［秒］は、 ＜式１８＞ ｔ１＝｛Ｖｔ（０）−Ｖｔ（ｔ１）｝×｛２×ａ＋Ｖｔ
（０）＋Ｖｔ（ｔ１）｝／（２×ｂ’） 走行距離ｌ［ｍ］は、＜式１７＞及び＜式１８＞より、 ＜式１９＞ ｌ＝∫t10｛Ｖｔ（ｔ１）／３．６｝ｄｔ ＝｛Ｖｔ（０）2×｛３×ａ＋２×Ｖｔ（０）｝ ―Ｖｔ（ｔ１）2×｛３×ａ＋２×Ｖｔ（ｔ１）｝｝ ／（３．６×６×ｂ’） となる。
【００３９】ここで、速度０までの時間ｔ０と距離ｌ０
は、Ｖｔ（ｔ１）＝０を代入して、 ＜式２０＞ ｔ０＝Ｖｔ（０）×｛２×ａ＋Ｖｔ（０）｝／（２×
ｂ’） ｌ（ｔ０）＝｛Ｖｔ（０）2×｛３×ａ＋２×Ｖｔ
（０）｝／（３．６×６×ｂ’）｝ となる。
【００４０】編成全体としての平均減速度βａｖｒ［ｋ
ｍ／ｈ／ｓ］は、 ＜式２１＞ βａｖｒ＝Ｖｔ（０）／ｔ０ ＝２×ｂ’／｛２×ａ＋Ｖｔ（０）｝ であり、電動軸の平均期待粘着係数（平均期待粘着ブレ
ーキパターン）μａｖｒは、 ＜式２２＞ μａｖｒ＝βａｖｒ／（３．６×ｇ） ＝（２×ｂ×ｎ×ＭＬ／Ｍ’）／｛２×ａ＋Ｖｔ（０）｝ となる。
【００４１】次に、ブレーキ力（引張力）、編成パワ
ー、及び運動エネルギーについて説明する。時刻ｔ１
［秒］での印加力Ｆｅ＿ｔは、＜式１２＞及び＜式１４
＞より、 ＜式２３＞ Ｆｅ＿ｔ＝ｎ×ＭＬ×ｇ×（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／ｒｗ2）／Ｍ’×ｂ ／（Ｖｔ（ｔ１）＋ａ） ＝ｎ×ＭＬ×ｇ×ｋｊ×ｂ ／√（ａ2＋Ｖｔ（０）2＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’×ｔ１） 但し、慣性係数ｋｊは、ｋｊ＝（Ｍ’＋４×ｎ×Ｊｗ／
ｒｗ2）／Ｍ’となる。
【００４２】ブレーキ初速における編成全体のブレーキ
力は、 ＜式２４＞ Ｆｅ＿ｔ（ｔ１＝０）＝ｎ×ＭＬ×ｇ×ｋｊ×ｂ／（Ｖ
ｔ（０）＋ａ） となる。
【００４３】時刻ｔ１［秒］後の編成パワーＰ［Ｗ］
（車輪周基準）は、 ＜式２５＞ Ｐ（ｔ１）＝Ｆｅ＿ｔ×Ｖｔ／３．６ ＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ×Ｖｔ（ｔ１） ／（Ｖｔ（ｔ１）＋ａ） ＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ ×｛１−ａ／√（ａ2＋Ｖｔ（０）2 ＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’× ｔ１）｝ で表され、Ｖｔ（ｔ）≧０の範囲において、０≦ａ≦ｂ
なるいかなるａ、ｂの値を与えても、時刻ｔ１の増加に
伴ってＰ［Ｗ］が単調減少することを示している。
【００４４】すなわち、いかなる反比例μパターン（粘
着パターン）を与えても、最高速度におけるμパターン
の設定値で最大パワーが決定される。
【００４５】編成全体の最大パワーＰｍａｘ［Ｗ］は、 ＜式２６＞ Ｐｍａｘ＝Ｐ（ｔ１＝０） ＝Ｆｅ＿ｔ（ｔ＝０）×Ｖｔ（０）／３．６ ＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ×Ｖｔ（０） ／（Ｖｔ（０）＋ａ） となる。
【００４６】ここで、時刻０［秒］−＞ｔ１［秒］まで
に編成全体で吸収すべき運動エネルギーＥ［Ｊ］は、 ＜式２７＞ Ｅ＝∫t10｛Ｐｔ（ｔ）｝ｄｔ ＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ ×∫t10｛１−ａ／√（ａ2＋Ｖｔ（０）2 ＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’× ｔ１）｝ ＝ｎ×ＭＬ×（ｇ／３．６）×ｋｊ×ｂ ×｛ｔ１＋ａ／ｂ’×√（ａ2＋Ｖｔ（０）2 ＋２×ａ×Ｖｔ（０）−２×ｂ’× ｔ１） −ａ／ｂ’×（ａ＋Ｖｔ（０）｝ となる。
【００４７】次に、本発明の電気車両システムの電機容
量計算を行う。以下においては、簡単のために電気機器
の効率・損失等を無視することとする。
【００４８】いかなる反比例のμパターンを与えても、
編成としての最大パワーが最高速度時になることは、＜
式２５＞により明らかである。これはつまり、最高速度
まで電気ブレーキのみで所要ブレーキ力を期待する以上
は、主電動機群１４の制御特性上、定電力域から特性域
への移行速度を最高速度に設定しなければならないこと
を意味する。
【００４９】これを通常の架線電圧に直接繋がったイン
バータで実現するならば、架線電圧で規定される主電動
機への最大電圧と主電動機電流の積の定数倍がパワーで
あることから、大電流主電動機が必要になる。このと
き、実際の車両に大電流主電動機を搭載することも考え
られるが、そうすると現状の主電動機に対して大幅な設
計変更を余儀なくされる上、電流値に見合った大電流イ
ンバータの設計も必要となる。
【００５０】これを回避するために、本発明の電機ブレ
ーキシステムにおいては、主電動機群１４への印加電圧
を任意に選定できる主回路として、ＰＡＭ制御方式昇降
圧主回路２０を採用し、このＰＡＭ方式により最大パワ
ー時でも主電動機群１４の電流最大値を増加せさずに回
生ブレーキ力増大を行うことができる。
【００５１】以上のように、本発明の電気車両システム
の電気ブレーキにおいては、高速域での総合ブレーキ力
を下げて電気ブレーキの分担分を大きくし、低速域で電
気ブレーキのかかる車軸の軸数を増加させるような粘着
ブレーキパターンμを適用することにより、常用最大ブ
レーキの要件である「最高速度から６００［ｍ］以内で
Ｙ信号速度である５５［ｋｍ／ｈ］〜４５［ｋｍ／ｈ］
まで減速すること」を満足することができる。これによ
り、常用最大ブレーキを電気ブレーキのみで賄うことが
できる。
【００５２】ここで、ＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０
は、現状の直流電車における架線１８に接触するパンタ
グラフ１１と主電動機群１４の間に設けられている。こ
のＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０としては、ＤＣ／Ｄ
Ｃ双方向チョッパである４象限チョッパの昇降圧チョッ
パ１２とＰＷＭインバータ１３の組合せ、または２並列
２象現直流可逆チョッパの昇降圧チョッパ１２とＰＷＭ
インバータ１３の組合せを適用している。
【００５３】これにより、ごく低速では一定電圧印加に
よる非同期ＰＷＭ制御を行い、その後、１パルスモード
で駆動しながら直流中間回路電圧を速度とともに上昇さ
せ、最高速度で最高電圧を主電動機群１４に印加するよ
うに制御することができる。
【００５４】また、本発明の電気車両システムにおける
ＰＡＭ制御方式昇降圧主回路２０の昇降圧チョッパ１２
は、４象限チョッパまたは２並列２象現直流可逆チョッ
パを使用している。このため、ＰＷＭコンバータと同一
の単相ブリッジ主回路構成となり、主変圧器を準備すれ
ば交流及び直流の両用車両として使用することができ
る。即ち、直流区間では昇降圧チョッパとして機能し、
交流区間ではＰＷＭコンバータとして機能するため、特
に、交流車両の既存主回路の変更を伴わずに、交流車両
が直流き電区間にそのまま乗り入れることができ、且
つ、高速域での力行トルク、回生トルクを増大すること
ができる。
【００５５】以上述べた通り、本発明の電気車両システ
ムによれば、主電動機最大電流を抑制しながら最高速度
からμパターンに添った電気ブレーキ力を実現できる。
また、弱磁束（定電力）領域を持たせないこともでき、
その場合には、すべり周波数を定トルク域と同じ値に固
定できるため、電動機効率を高く維持することができ
る。また、低速度から１パルスモードで駆動することが
可能であり、主電動機群１４やインバータ１３の発生熱
的に有利になる。
【００５６】また、架線側変換器のスイッチング周波数
を一定にできるため、架線または帰線に流出する高調波
の抑制対策が容易になる。さらに、高周波トランスを用
いることもでき、その場合には、架線１８側と絶縁する
ことも可能となる。また、速度０から最高速度まで直流
中間回路電圧を最大電圧に固定し、従来どおりのＰＷＭ
制御を行うこともできる。
【００５７】次に、架線１８へ返らない余剰回生パワー
の処理について説明する。上述のように、本発明の電気
車両システムにおいては、常用最大ブレーキを電気ブレ
ーキのみで賄うことが可能なことが明らかになった。例
えば、最高速度１３０［ｋｍ／ｈ］からの車両では、電
動車１０［両］が要求されるが、最高速度１２０［ｋｍ
／ｈ］であれば電動車８［両］と付随車２［両］又は車
両重量次第では電動車７［両］と付随車３［両］でも十
分可能である。
【００５８】実際には、連結器の座屈強度の制約から、
遅れ込め制御によるノンブレーキ軸の割合が制限される
ため、電動車７［両］と付随車３［両］程度が電動車Ｍ
と付随車Ｔの比率（以下、単に「ＭＴ比率」ともいう）
の下限と考えられる。最高速度からの常用最大ブレーキ
における所要ブレーキ力をμパターン設定によって下げ
ることができるが、電気ブレーキ力自体は、かなり大き
くなっている。
【００５９】例えば、図１０で示した従来の通勤電車３
の定トルク域終端のパワーは、編成全体で約５０００
［ｋＷ］であるが、図４のμパターンどおりに電気ブレ
ーキをかける場合、編成全体の最大パワーは、電動車満
車１０［両］編成の場合には、例えば、約１５０００
［ｋＷ］程度にもなる。
【００６０】このような最大パワーの増加に対して、本
発明の電気車両システムでは、インバータ１３と昇降圧
ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇降圧チョッパ）１２の間の経
路上から分岐して設けたＤＣ／ＤＣ双方向チョッパ２１
で、余剰パワー相当の回生エネルギーを電池電圧に変換
してバッテリ２２に蓄積することができる。
【００６１】一方、高速域での力行時には、電動機トル
クが低下する場合に、バッテリ２２からパワーをアシス
トすることで、架線１８から得られるパワー以上のパワ
ーを主電動機群１４に供給することができ、高速域にお
ける力行時間短縮が可能になる。
【００６２】図５、図６、図７、図８及び図９は、本発
明による電気車両システムの他の実施の一形態を示す図
である。図５においては、図１のブリッジ型可変チョッ
パ２１の替わりに、高周波トランス回路４１を使用して
いる。また、高周波トランス回路４１とバッテリ２２の
間には、バッテリ２２の過充電を防止するための保護回
路４２が設けられている。ここで、高周波トランス回路
４１は、双方向にそれぞれ４つのゲート回路１２ａを構
成している。
【００６３】また、図６においては、図１の昇降圧チョ
ッパ１２が電流可逆チョッパとして設けられており、ブ
リッジ型可変チョッパ２１の替わりに、電流可逆チョッ
パ５２を使用している。ここで、電流可逆チョッパ１
２、５２はそれぞれ、２つのゲート回路１２ａで構成す
ることができる。
【００６４】また、図７においては、昇降圧チョッパ１
２では、２つの２象現直流可逆チョッパ７１、７２がバ
ッテリ２２ａ、２２ｂの昇降圧用チョッパとして設けら
れている。図７（Ａ）に示すように、直流区間では、直
流中間回路電圧を固定したときの大電流インバータ１３
による２並列２象現直流可逆チョッパ７１、７２での、
バッテリ２２ａ、２２ｂへのエネルギーの蓄積を可能と
している。また、図７（Ｂ）に示すように、交流区間で
は、２つの２象現直流可逆チョッパ７１、７２が１つの
ＰＷＭコンバータ７３として作用する。
【００６５】また、図８においては、昇降圧チョッパ１
２には、２つの２象現直流可逆チョッパ８１、８２が設
けられており、２象現直流可逆チョッパ８１は、直流中
間電圧昇降圧用として作用し、２象現直流可逆チョッパ
８２は、バッテリ２２の昇降圧用チョッパとして作用す
る。図８（Ａ）に示すように、直流区間では、ＰＡＭ方
式の２象現直流可逆チョッパ８２での、バッテリ２２へ
のエネルギーの蓄積を可能としている。また、図８
（Ｂ）に示すように、交流区間では、２つの２象現直流
可逆チョッパ８１、８２が１つのＰＷＭコンバータ８３
として作用する。
【００６６】また、図９においては、昇降圧チョッパ１
２には、３つの２象現直流可逆チョッパ９１、９２、９
３が設けられており、２象現直流可逆チョッパ８１は、
直流中間電圧昇降圧用として作用し、２象現直流可逆チ
ョッパ９２は、エネルギ蓄積用のコンデンサＣ１の昇降
圧用チョッパとして作用し、２象現直流可逆チョッパ９
３は、バッテリ２２の昇降圧用チョッパとして作用す
る。図９（Ａ）に示すように、直流区間では、２象現直
流可逆チョッパ９２での、コンデンサＣ１へのエネルギ
ーの蓄積を可能とし、２象現直流可逆チョッパ９３で
の、バッテリ２２へのエネルギーの蓄積を可能としてい
る。また、図９（Ｂ）に示すように、交流区間では、２
つの２象現直流可逆チョッパ９１、９２が１つのＰＷＭ
コンバータ９４として作用する。
【００６７】以上のように、図５〜図９に示した回路構
成においても、図１と同様の効果を得ることができる。
【００６８】以上本発明の電気車両システムについて説
明したが、上述のバッテリ２２、２２ａ、２２ｂの代わ
りに所定の容量のコンデンサを用いることができる。
【００６９】
【発明の効果】以上述べた通り、本発明の電気車両シス
テムによれば、き電抵抗制限による架線へ変換できる以
上の回生パワーをバッテリまたはコンデンサで蓄積する
ことができるようになった。このため、回生失効を防止
することができ、信頼度の高い電気ブレーキを実現する
ことができるようになった。
【００７０】また、バッテリまたはコンデンサの利用に
より、停電などのき電停止時の場合にも、車両の移動が
可能になり、非電化区間への乗り入れもできるようにな
った。
【００７１】また、高速域での力行時には、電動機トル
クが低下する場合に、バッテリまたはコンデンサからパ
ワーをアシストすることで、架線から得られるパワー以
上のパワーを主電動機に供給することができ、高速域に
おける力行時間短縮が可能になった。
【００７２】また、き電回路やバックパワーなどの地上
設備の増強を行うことなく、運転時間の短縮が可能にな
った。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電気車両システムの実施の一形態
を示す概略図である。
【図２】本発明による電気車両システムの実施の一形態
を示す概略図である。
【図３】図２は、本名発明の電気車両システムにおける
母線電圧と車両速度の関係を示す図である。
【図４】期待粘着ブレーキパターンμの粘着パターン変
更による設計減速度（常用最大ブレーキ設定）を示す図
である。
【図５】本発明による電気車両システムの実施の一形態
を示す概略図である。
【図６】本発明による電気車両システムの実施の一形態
を示す概略図である。
【図７】本発明による電気車両システムの実施の一形態
を示す概略図である。
【図８】本発明による電気車両システムの実施の一形態
を示す概略図である。
【図９】本発明による電気車両システムの実施の一形態
を示す概略図である。
【図１０】近郊電車における常用最大ブレーキ設定を示
す図である。
【符号の説明】
１１ パンタグラフ １２ 昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇降圧チョッパ） １２ａ ゲート回路 １３ インバータ １４ 主電動機群 １５ 車輪 １６ 入力部 １７ 制御部 １８ 架線 ２０ ＰＡＭ制御方式昇降圧主回路 ２１ ブリッジ型可逆チョッパ ２２、２２ａ、２２ｂ バッテリ ４１ 高周波トランス回路 ４２ 保護回路 ５２ 電流可逆チョッパ ７１、７２、８１、８２、９１、９２、９３、９５ ２
象現直流可逆チョッパ ７３、８３、９４ ＰＷＭコンバータ Ｃ１ コンデンサ
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｐ 3/18 １０１ Ｈ０２Ｐ 3/18 １０１Ｚ (72)発明者 山下 道寛 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人 鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 渡邉 朝紀 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人 鉄道総合技術研究所内 Ｆターム(参考） 5G003 AA00 AA07 BA01 CA11 DA16 FA06 GB03 GB06 5H115 PA08 PA11 PC02 PG01 PI02 PI03 PI16 PO02 PO17 PU08 PV03 PV09 PV23 QE08 QE10 QI03 QI04 QI11 RB22 RB25 SE04 TR14 TR15 TU05 5H530 AA05 AA21 BB40 CC18 CC19 CD34 CF02 DD03 DD05 DD13 EE05 EE06

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 交流電圧の印可を受けて該交流電圧に対
    応したトルクを車軸に与える主電動機と、 電源を蓄積及び供給するバッテリまたはコンデンサと、 入力された直流電圧を交流電圧に変換して、前記主電動
    機に変換した交流電圧を印可するインバータと、前記イ
    ンバータに接続され、前記インバータに入力する直流電
    圧を制御する昇降圧回路とを有する電圧制御回路と、 前記電圧制御回路の前記インバータと前記昇降圧回路の
    間の経路上から分岐して、前記バッテリまたはコンデン
    サに至る経路上に接続された変換器回路と、 を備える、 ことを特徴とする電気車両システム。
  2. 【請求項２】 前記電圧制御回路は、ＰＡＭ（Pulse Am
    plitude Modulation）制御方式の回路である、ことを特
    徴とする請求項１記載の電気車両システム。
  3. 【請求項３】 前記昇降圧回路は、ＤＣ／ＤＣ双方向チ
    ョッパの構成である、ことを特徴とする請求項１又は２
    記載の電気車両システム。
  4. 【請求項４】 前記昇降圧回路は、４象現可逆チョッパ
    または２並列２象現直流可逆チョッパの構成である、こ
    とを特徴とする請求項１又は２記載の電気車両システ
    ム。
  5. 【請求項５】 前記昇降圧回路は、直流区間では昇降圧
    チョッパとして機能し、交流区間ではＰＷＭ（Pulse Wi
    dth Modulation）コンバータとして機能する、ことを特
    徴とする請求項４記載の電気車両システム。
  6. 【請求項６】 前記変換器回路は、ＤＣ／ＤＣ双方向チ
    ョッパの構成である、ことを特徴とする請求項１乃至５
    記載の電気車両システム。
  7. 【請求項７】 前記変換器回路は、高周波トランス回路
    の構成である、ことを特徴とする請求項１乃至５記載の
    電気車両システム。
  8. 【請求項８】 前記変換器回路と前記バッテリまたはコ
    ンデンサの間に、前記バッテリまたはコンデンサの過充
    電を防止する保護回路を設けた構成である、ことを特徴
    とする請求項７記載の電気車両システム。
  9. 【請求項９】 前記昇降圧回路は、電流可逆チョッパの
    構成である、ことを特徴とする請求項１記載の電気車両
    システム。
  10. 【請求項１０】 前記変換器回路は、電流可逆チョッパ
    の構成である、ことを特徴とする請求項９記載の電気車
    両システム。
  11. 【請求項１１】 さらに、前記電圧制御回路を所定の粘
    着ブレーキパターンμに基づいて制御する制御手段を備
    える、ことを特徴とする請求項１乃至１０記載の電気車
    両システム。
  12. 【請求項１２】 前記粘着ブレーキパターンμは、車両
    速度をＶｔ［ｋｍ／ｈ］としたとき、 μ＝ｂ／（Ｖｔ＋ａ）、 の関数で示され、 前記係数ａ及びｂは、前記関数で示される反比例曲線上
    の任意の２点での値によって決定される、 ことを特徴とする請求項１１記載の電気車両システム。
  13. 【請求項１３】 前記係数ａは、約７８であり、 前記係数ｂは、約１５．８４である、 ことを特徴とする請求項１２記載の電気車両システム。
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