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JP2004056934A - 補助電源装置 - Google Patents

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寺田　泰也
Keiichiro Kondo
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Abstract

【課題】回生電力を有効に利用する電気車の補助電源装置を提供すること。
【解決手段】鉄道車両１００の回生時に、誘導電動機７から発生する回生電力を二次電池１３に充電する。そして力行時および惰行時に、二次電池１３に充電された電力を昇降圧チョッパ回路１２および補助電源回路８を介して負荷回路９に供給する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機を駆動する主電源電力を電源ラインを通じて供給する電気車に用いられる補助電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気車の１つである従来の鉄道車両２００の主回路モデルを図３に示す。図３において、鉄道車両２００は、フィルタリアクトル３、サーキットブレーカ１１、インバータ６、誘導電動機７、補助電源回路８、負荷回路９、ダイオード１０、フィルタコンデンサ１６および１７等を備える。そして電気車２００はパンタグラフ２によって架線１に接続されており、整流器１５を含む変電所から電力が供給されている。
【０００３】
鉄道車両２００の力行時では、架線１に接触して集電するパンタグラフ２からサーキットブレーカ１１およびフィルタリアクトル３を介してインバータ６に電力が供給され、同様に補助電源回路８にもダイオード１０を介して電力が供給される。そして、インバータ６は直流を交流に変換し、誘導電動機７に三相交流を供給する。補助電源回路８は半導体素子等で構成されたインバータであり、直流を交流に変換して負荷回路９に電力を供給する。負荷回路９はコンプレッサや鉄道車両２００内の照明、空調を制御する回路等を含む。接地側の帰線電流はインバータ６および補助電源回路８から車輪４を介してレール５に流れる。
【０００４】
一方、回生時は、誘導電動機７を発電機として作用させ、発生した回生電力を架線１に戻して他の力行状態の電気車に供給する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、力行状態で走行している他の鉄道車両が鉄道車両２００の近くに存在しない場合、回生電力を効率的に利用することができない。即ち、このような場合には、回生絞り込み制御を行って回生ブレーキの負担を減らし、機械ブレーキの負担を増やす方法を用いたり、車載の抵抗器によって回生電力を熱エネルギーに変換することで回生ブレーキ力を得る等の方法が採られている。こうした方法を採用することは、鉄道車両に係るエネルギーの浪費につながる。
【０００６】
ところで、補助電源回路８には、力行／回生時に関わらず、常に架線１から電力が供給されている。自車で発生する回生電力を一旦二次電池に蓄積して、補助電源回路８を通じた負荷回路９で利用することができれば、他の鉄道車両の存在に関わらず回生ブレーキをかけることができ、鉄道車両（ひいては電気車）に係るエネルギーの効率化を図れるのではないか。本発明の目的はここにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、請求項１記載の発明の補助電源装置は、電動機を駆動する主電源電力を電源ラインを通じて供給する電気車に用いられる補助電源装置において、二次電池（例えば、図１の二次電池１３）を有する充放電手段と、前記主電源電力を補助電源電力に変換して出力する電力変換手段（例えば、図１の補助電源回路８）と、を備え、前記充放電手段と前記電力変換手段とが、前記電源ラインに共通接続されることを特徴としている。
【０００８】
この請求項１記載の発明によれば、電気車の回生時に発生する電動機の回生電力を、電源ラインを介して二次電池に充電することができる。そして、二次電池に充電された電力を電力変換手段で補助電源電力に変換することによって、電力変換手段は自車内の電力で補助電源を賄うことができ、省エネルギーに貢献できる。
【０００９】
また更に、請求項２記載の発明のように、電源ラインを前記電動機の駆動用および回生用の共用の電源ラインとし、当該電源ラインに充放電手段および電力変換手段を共通接続するように構成して、前記電動機の動作状態に応じて前記二次電池の充放電を行ってもよい。
【００１０】
この請求項２記載の発明によれば、電動機の動作状態に応じて充放電させれば、二次電池の充放電を制御する為の遮断器等を備える必要がない。
【００１１】
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の補助電源装置であって、前記充放電手段および前記電力変換手段は、遮断器（例えば、図１のサーキットブレーカ１４）を介して前記電源ラインに接続され、当該遮断器の作動により前記電源ラインとの電気的な切り離しが可能に構成されていることを特徴としている。
【００１２】
この請求項３記載の発明によれば、電源ラインに異常が発生した場合、充放電手段および電力変換手段を遮断機によって電源ラインの異常から保護することができ、更に二次電池に充電された電力を電力変換手段で補助電源電力に変換することができる。従って、異常が発生した場合でも、補助電源電力を使用する回路等を動作させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
電気車の一例として鉄道車両に本発明を適用した場合の実施の形態を、以下詳述するが、本発明が適用可能な電気車は鉄道車両に関わらず、電気自動車等であってもよいことは勿論である。
【００１４】
図１は、本実施の形態における鉄道車両１００の主回路モデルを示した図である。図３の従来の鉄道車両２００と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、以下、異なる部分を中心に説明する。
【００１５】
図１において、フィルタリアクトル３と車輪４の間には、インバータ６および補助電源装置８０が接続されている。補助電源装置８０は補助電源回路８（電力変換手段）を備え、更に昇降圧チョッパ回路１２が並列に接続されている。そして昇降圧チョッパ回路１２には二次電池１３が接続され、この昇降圧チョッパ回路１２及び二次電池１３により充放電手段が構成される。二次電池１３は、充放電を繰り返し行える一般的な二次電池であり、例えば、鉛蓄電池により構成される。
【００１６】
補助電源回路８は直流／交流変換を行う回路であってもよいし、交流／直流変換、直流／直流変換を行う回路であってもよい。例えば、一般的な鉄道車両の場合、架線１（電源ライン）にかかる電圧はＤＣ１５００［Ｖ］であり、補助電源回路８によってＡＣ４４０［Ｖ］に変換される。また電気自動車の場合、例えば主電源（電源ライン；鉄道車両における架線１にかかる電圧に相当）はＤＣ４２［Ｖ］であり、補助電源回路によってＤＣ１２［Ｖ］に変換される。
【００１７】
図２は誘導電動機７の各動作状態における、鉄道車両１００の主回路の電力の流れを示した図である。図２の表中において、▲１▼は電源ライン、▲２▼は誘導電動機７、▲３▼は二次電池１３、▲４▼は負荷回路９を示す。図１および図２を用いて主回路モデルの動作について説明する。
【００１８】
まず、誘導電動機７の回生時から説明する。回生時は、誘導電動機７が発電機として作用し、発生した回生電力は補助電源回路８を介して負荷回路９に供給される（図２の回生時▲２▼→▲４▼）。更に、負荷回路９に電力を供給しても回生電力に余剰電力がある場合、当該余剰電力は昇降圧チョッパ回路１２によって所定電圧に降圧され二次電池１３に充電される（図２の回生時▲２▼→▲３▼）。更に、二次電池１３の充電が十分完了し、他の力行負荷車が存在する場合は、回生電力の余剰電力は架線１に戻され、他の力行状態の電気車等に供給される（図２の回生時▲２▼→▲１▼）。
【００１９】
力行時においては、架線１に接触して集電するパンタグラフ２からフィルタリアクトル３を介してインバータ６に電力が供給され、誘導電動機７が駆動される（図２の力行時▲１▼→▲２▼）。そして、二次電池１３に電力が十分蓄えられている場合、二次電池１３は放電状態となり、二次電池１３の出力電力は、昇降圧チョッパ回路１２によって昇圧され、補助電源回路８を介して負荷回路９に供給される（図２の力行時▲３▼→▲４▼）。二次電池１３の蓄電した電力量が減少し、二次電池１３による電力の供給量が負荷回路９の需要量を下回ると、架線１にかかる電力が補助電源回路８を介して負荷回路９に供給される（図２の力行時▲１▼→▲４▼）。また、架線１の電力が昇降圧チョッパ回路１２によって所定電圧に降圧され、二次電池１３が充電される（図２の力行時▲１▼→▲３▼）。
【００２０】
惰行時においては、二次電池１３に電力が十分蓄えられている場合、二次電池１３は放電状態となり、二次電池１３の出力電力は、昇降圧チョッパ回路１２によって昇圧され、補助電源回路８を介して負荷回路９に供給される（図２の惰行時▲３▼→▲４▼）。二次電池１３の蓄電した電力量が減少し、二次電池１３による電力の供給量が負荷回路９の需要量を下回ると、架線１にかかる電力が補助電源回路８を介して負荷回路９に供給される（図２の惰行時▲１▼→▲４▼）。また、架線１の電力が昇降圧チョッパ回路１２によって所定電圧に降圧され、二次電池１３が充電される（図２の惰行時▲１▼→▲３▼）。
【００２１】
ここで、二次電池１３は、回生時においては誘導電動機７から電力を吸収して充電を十分に行う。そして、鉄道車両１００が力行状態および惰行状態に切り換わると、二次電池１３に放電制御を行い、負荷回路９に電力を供給する。その後、放電によって二次電池１３が十分な電力を負荷回路９に加えられなくなり、放電制御を止めると、負荷回路９の電力の供給源は架線１に自動的に切り替わる。このように、負荷回路９の電力は、負荷回路９に近い電源から優先的に供給される。
【００２２】
これは、補助電源装置８０として、電源ラインと並列に二次電池１３が接続されており、架線１から補助電源回路８までの電気線路の距離が、誘導電動機７や二次電池１３から補助電源回路８までの距離よりも長いことに起因したものである。すなわち、電気線路の抵抗値や、線路途中に配設された回路素子等の影響により上記事象が生じているものである。
【００２３】
尚、パンタグラフ２が架線１を離線した瞬間等の、いわゆる瞬停の場合には、補助電源装置８０および負荷回路９は電源ラインと切り離される。そして、二次電池１３の電力が昇降圧チョッパ回路１２および補助電源回路８を介して、負荷回路９に供給される。従って、架線１から電力の供給が途絶える瞬間があっても、二次電池１３による電力供給により、鉄道車両１００内の照明、空調を制御する回路等の動作を維持することができる。
【００２４】
以上のように、回生電力を補助電源装置８０の二次電池１３に蓄えることができるため、回生電力の利用の高率化を図ることができ、ひいては鉄道車両という電気車に係るエネルギーを効率的に利用することができる。具体的には、他の鉄道車両の存在に関わらず回生電力を二次電池１３に蓄電することができ、二次電池１３の蓄電電力を力行時および惰行時に、負荷回路９の供給電力として利用できる。
【００２５】
また、瞬時停電時等の架線１から鉄道車両１００に電力が供給されない瞬間も、二次電池１３の電力を補助電源回路８に供給することによって、鉄道車両１００内の様々な制御回路を含む負荷回路９を作動させることができる。
【００２６】
尚、本発明は、上記実施の形態の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施の形態では誘導電動機７を用いたが同期電動機でも良く、昇降圧チョッパ回路１２を用いたが高周波交流リンク方式等のＤＣ／ＤＣコンバータを用いても良い。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、電気車の回生時に発生する電動機の回生電力を、電源ラインを介して二次電池に充電することができる。そして、二次電池に充電された電力を電力変換手段で補助電源電力に変換することによって、電力変換手段は自車内の電力で補助電源を賄うことができ、省エネルギーに貢献できる。
【００２８】
請求項２記載の発明によれば、電動機の動作状態に応じて二次電池の充放電を行えば、二次電池の充放電を制御するための遮断器等を備える必要がない。
【００２９】
請求項３記載の発明によれば、電源ラインに異常が発生した場合、充放電手段および電力変換手段を遮断機によって電源ラインの異常から保護することができ、更に二次電池に充電された電力を電力変換手段で補助電源電力に変換することができる。従って、異常が発生した場合でも、補助電源電力を使用する回路等を動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の鉄道車両の主回路モデルを示した図。
【図２】誘導電動機の各動作状態における、鉄道車両の主回路の電力の流れを示した図。
【図３】従来の鉄道車両の主回路モデルを示した図。
【符号の説明】
１　　架線
２　　パンタグラフ
３　　フィルタリアクトル
４　　車輪
５　　レール
６　　インバータ
７　　誘導電動機
８０　　補助電源装置
８　　補助電源回路
１２　　昇降圧チョッパ回路
１３　　二次電池
９　　負荷回路
１１、１４　　サーキットブレーカ
１５　　整流器
１６、１７　　フィルタコンデンサ

Claims (3)

  1. 電動機を駆動する主電源電力を電源ラインを通じて供給する電気車に用いられる補助電源装置において、
    二次電池を有する充放電手段と、
    前記主電源電力を補助電源電力に変換して出力する電力変換手段と、
    を備え、前記充放電手段と前記電力変換手段とが、前記電源ラインに共通接続されることを特徴とする補助電源装置。
  2. 前記電源ラインは前記電動機の駆動用および回生用の共用の電源ラインであり、前記電動機の動作状態に応じて前記二次電池の充放電を制御することを特徴とする請求項１記載の補助電源装置。
  3. 前記充放電手段および前記電力変換手段は、遮断器を介して前記電源ラインに接続され、当該遮断器の作動により前記電源ラインとの電気的な切り離しが可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の補助電源装置。
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