JP2010200576A - 電力供給方法及び交直流電車用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な回路構成を有する交直流電車用電源システムの実現。
【解決手段】交直流電車用電源システム１００は、直流区間では、パンタグラフ３を介してき電線から供給される直流電力が主変換装置２０の直流リンク部に印加され、インバータ部４０が三相交流電力を生成して主電動機１を駆動する。また、直流リンク部に印加された直流電力を、逆方向運転されるコンバータ部３０が単相交流電力に変換して主変圧器５０の二次巻線５２に出力し、この単相交流電力が主変圧器５０の補助巻線５３を通じて補助機器２の電源ラインＬに供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、交直流電車用電源システムにおける電力供給方法等に関する。

交流区間と直流区間両方を走行できる電車として交直流電車が知られている。一般的に、交直流電車は、交流区間では、パンタグラフで集電された単相交流電力を主変圧器で降圧した後にコンバータ部で直流電力に変換し、インバータ部で三相交流電力に変換して主電動機を駆動している。また、直流区間では、主変圧器及びコンバータ部を介さずに、パンタグラフで集電される直流電力をインバータ部で三相交流電力に変換して主電動機を駆動している（例えば、特許文献１参照）。

また、電車には、主電動機を駆動するための主回路の他に、冷暖房装置や照明装置、空気圧縮機等の補助的な機器（以下、「補助機器」という）を駆動するための補助回路がある。交直流電車の補助回路は、上述した主回路のコンバータ部に相当する補助整流装置と、主回路のインバータ部に相当する静止形インバータ部（ＳＩＶ）とを備えて構成されるのが一般的である。この補助回路においては、交流区間では、主変圧器の補助巻線で降圧された単相交流電力が補助整流装置で直流に変換され、静止形インバータ部で三相交流電力に変換されて補助機器に供給される。また、直流区間では、補助整流装置を介さずに、パンタグラフで集電された直流電力が静止形インバータ部で三相交流電力に変換されて補助機器に供給される。

特開平７−７８０８号公報

しかしながら、交直流電車は、交流区間と直流区間を走行するために上述した種々の装置を備えているが、直流区間では未使用となる装置があった。例えば、コンバータ部は高価な装置であるにもかかわらず、直流区間では作動していなかった。また、大型で且つ高価な静止形インバータ部を不要とすることができれば、床下設置スペースの点でも、コストの点でも有利である。本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、効率的な回路構成を有する交直流電車用電源システムを実現することである。

以上の課題を解決するための第１の発明は、
交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の二次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車の電力供給方法であって、
前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を交流電力に変換して前記二次巻線へ出力する単相インバータとして機能させるコンバータ部制御ステップと、
交流区間においては前記き電線からの交流電力を前記主変圧器の補助巻線で降圧して補助機器の電源ラインに供給し、直流区間においては前記逆方向運転により前記コンバータ部から前記二次巻線へ出力された交流電力を前記主変圧器の補助巻線で降圧して前記補助機器の電源ラインに供給する補助機器電力供給ステップと、
を含む電力供給方法である。

また、他の発明として、
交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の二次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車用電源システムであって、
前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を交流電力に変換して前記二次巻線へ出力する単相インバータとして機能させるコンバータ部制御部を備えるとともに、
補助機器の電源ラインが前記主変圧器の補助巻線に接続されてなり、
交流区間においては前記き電線からの交流電力が前記主変圧器の補助巻線で降圧されて前記補助機器の電源ラインに供給され、直流区間においては前記逆方向運転により前記コンバータ部から前記二次巻線へ出力された交流電力が前記主変圧器の補助巻線で降圧されて前記補助機器の電源ラインに供給される、
交直流電車用電源システムを構成しても良い。

この第１の発明等によれば、コンバータ部は、交流区間においては、順方向運転してコンバータとして機能するが、直流区間においては、逆方向運転して単相インバータとして機能し、き電線からの交流電力の直流電力を交流電力に変換して入力端から主変圧器の二次巻線へ出力する。そして、補助機器の電源ラインには、交流区間においては、き電線からの交流電力が主変圧器の補助巻線を介して供給されるが、直流区間においては、逆方向運転するコンバータ部の入力端から主変圧器の二次巻線に出力された交流電力が供給される。従って、コンバータ部は、交流区間及び直流区間の何れの区間においても使用されるため、利用率の向上を実現できる。また、補助機器の電源ラインには、交流区間及び直流区間の何れの区間においても交流電力が供給されることとなるため、交流電力を電源とする一般的な交流電車の補助機器類を交直流電車に装備することで、補助整流装置や静止形インバータを不要とすることができる。

第２の発明は、
交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の二次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車の電力供給方法であって、
前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を交流電力に変換して入力端から出力する単相インバータとして機能させるコンバータ部制御ステップと、
交流区間においては前記主変圧器の補助巻線から出力された交流電力を補助機器の電源ラインに供給し、直流区間においては前記逆方向運転により前記コンバータ部の前記入力端から出力された交流電力を前記補助機器の電源ラインに供給する補助機器電力供給ステップと、
を含む電力供給方法である。

また、他の発明として、
交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の二次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車用電源システムであって、
前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を交流電力に変換して入力端から出力する単相インバータとして機能させるコンバータ部制御部と、
補助機器の電源ラインに供給する交流電力を、交流区間においては前記主変圧器の補助巻線から出力された交流電力に切り替え、直流区間においては前記逆方向運転により前記コンバータ部の前記入力端から出力された交流電力に切り替える補助機器電力供給切替部と、
を備えた交直流電車用電源システムを構成することとしても良い。

この第２の発明等によれば、コンバータ部は、交流区間においては、順方向運転してコンバータとして機能するが、直流区間においては、逆方向運転して単相インバータとして機能し、き電線からの交流電力の直流電力を交流電力に変換して入力端から主変圧器の二次巻線へ出力する。そして、補助機器の電源ラインには、交流区間においては、き電線からの交流電力が主変圧器の補助巻線を介して供給されるが、直流区間においては、逆方向運転するコンバータ部の入力端から出力された交流電力が供給される。従って、コンバータ部は、交流区間及び直流区間の何れの区間においても使用されるため、利用率の向上を実現できる。また、補助機器の電源ラインには、交流区間及び直流区間の何れの区間においても交流電力が供給されることとなるため、交流電力を電源とする一般的な交流電車の補助機器類を交直流電車に装備することで、補助整流装置や静止形インバータを不要とすることができる。

この場合、第３の発明として、
前記補助機器電力供給ステップは、直流区間において、前記逆方向運転により前記コンバータ部の前記入力端から出力された交流電力を絶縁トランスを介して前記補助機器の電源ラインに供給するステップである、
電力供給方法を構成することとしても良い。

この第３の発明によれば、直流区間において、逆方向運転によりコンバータ部の入力端から出力された交流電力が、絶縁トランスを介して補助機器の電源ラインに供給される。つまり、直流区間においては、コンバータ部からの交流電力が主変圧器を介さずに絶縁トランスを介して補助機器の電源ラインに供給されるので、コンバータ部からの出力電圧変化に起因して主変圧器の一次巻線に瞬間的な高電圧が発生することを防止し得る。

また、第４の発明として、第１〜第３の何れかの発明の電力供給方法であって、
前記交直流電車は、前記主変換装置を備える複数の車両で編成されてなり、
前記コンバータ部制御ステップは、直流区間において、前記主変換装置それぞれの前記コンバータ部を前記単相インバータとして逆方向運転するとともに、当該各単相インバータから発生される電圧脈動成分を打ち消し合うように位相差運転するステップを含む、
電力供給方法を構成することとしても良い。

補助機器の電源ラインには、直流区間であっても交流区間であっても単相交流電力が供給されるため、直流区間では主変換装置の直流リンク部、並びにそれに接続するき電線に電圧脈動が生じ得る。そこで、この第４の発明のように、交直流電車が主変換装置を備える複数の車両で編成されるならば、直流区間において、主変換装置それぞれのコンバータ部を単相インバータとして逆方向運転するとともに、各単相インバータを位相差をつけて運転することで、主変換装置の直流リンク部、並びにそれに接続するき電線の電圧脈動を抑制できる。

また、第５の発明として、第１〜第３の何れかの発明の電力供給方法であって、
前記交直流電車は、前記主変換装置を備える複数の車両で編成されてなり、
前記コンバータ部制御ステップは、直流区間において、前記主変換装置の何れかの前記コンバータ部を選択的に運転させる選択制御ステップを含み、
前記補助機器電力供給ステップは、直流区間において、前記選択されて運転された前記コンバータ部によって生成された交流電力を前記補助機器の電源ラインに供給するステップである、
電力供給方法を構成することとしても良い。

直流区間においてもコンバータ部が使用される結果、コンバータ部の故障率が向上し得る。コンバータ部が故障した場合には、後段のインバータ部に電力を供給することができず、交流区間において主電動機を駆動できなくなるが、編成内の他車両の主電動機が不足分のトルクを補うことで列車を走行させることが可能である。しかし、直流区間では補助機器への電源供給が停止するため、補助機器が作動できない事態が生じる。

そこで、この第５の発明のように、交直流電車が主変換装置を備える複数の車両で編成されるならば、直流区間において、主変換装置の何れかのコンバータ部を選択的に運転し、このコンバータ部によって生成された交流電力を補助機器の電源ラインに供給することで、１つの車両のコンバータ部が故障した場合であっても、他の車両のコンバータ部が補助機器に電力を供給でき、補助機器が作動不能となる事態を回避できる。

また、第６の発明として、第１〜第３の何れかの発明の電力供給方法であって、
前記コンバータ部の故障を検出する故障検出ステップと、
直流区間において、前記故障検出がなされた場合に、前記インバータ部による前記主電動機の駆動を切り離し、前記インバータ部を単相出力回路に切り換え、前記インバータ部から出力される単相交流電力を前記補助機器の電源ラインに供給するコンバータ部故障時対応ステップと、
を含む電力供給方法を構成することとしても良い。

この第６の発明によっても、コンバータ部の故障によって補助機器が作動不能となる事態を回避できる。すなわち、コンバータ部の故障検出がなされた場合に、インバータ部による主電動機の駆動を切り離し、前記インバータ部を単相出力回路に切り換え、インバータ部から出力される単相交流電力を補助機器の電源ラインに供給することによって、補助機器が作動不能となる事態を回避できる。

第１実施形態の交直流電車用電源システムの回路構成の一例。 第１実施形態の交直流電車用電源システムの回路構成の一例。 交直流電車用電源システムの変形例。 交直流電車用電源システムの変形例。 交直流電車用電源システムの変形例。 第２実施形態の交直流電車用電源システムの回路構成の一例。 交直流電車用電源システムの変形例。 従来の交直流電車用電源システムの回路構成の一例。 従来の交直流電車用電源システムの回路構成の一例。

以下、図面を参照して、本発明に好適な実施形態の一例を説明する。但し、本発明を適用可能な実施形態がこれに限定されるわけではない。

１．従来の交直流電車用電源システム
本発明を適用した実施形態を説明する前に、従来の交直流電車用電源システムの回路構成について簡単に説明する。図８，図９は、従来の交直流電車用電源システム９００の概略的な回路構成を示す図である。図８は、交流区間を走行する際の電力供給動作を、図９は、直流区間を走行する際の電力供給動作を示している。

交直流電車用電源システム９００は、主変圧器５０と、主変換装置２０と、補助整流装置９１０と、静止形インバータ９２０と、スイッチ部６１，９５，９６，９７とを備えて構成され、主電動機１を駆動するための電力供給系統である主回路と、補助機器を駆動するための電力供給系統である補助回路とに大別される。また、主変換装置２０は、コンバータ部３０と、インバータ部４０と、インバータ部４０の入力端に並列接続されたフィルタコンデンサ２２とを備えて構成される。また、図示していないが、交直流電車用電源システム９００は、各種のスイッチ部を制御するとともに、交直流電車用電源システム９００を統括的に制御する制御装置を備える。

スイッチ部６１，９５，９６，９７は、接触器や高速度遮断器等で構成される公知のスイッチ機構を有する。スイッチ部６１は、交流区間（図８）においては、主変圧器５０をパンタグラフ３に接続し、直流区間（図９）においては、コンバータ部３０とインバータ部４０との間の直流リング部をパンタグラフ３に接続するように切り替えられる。スイッチ部９５，９７は、交流区間においては開動作し（図８）、直流区間においては閉動作する（図９）ように制御され、スイッチ部９６は、交流区間においては閉動作し（図８）、直流区間においては開動作する（図９）ように制御される。

全体として、交直流電車用電源システム９００の主回路側は、交流区間においては、パンタグラフ３を介してき電線から供給される単相交流電力を主変圧器５０が降圧し、降圧された交流電力をコンバータ部３０が直流電力に変換し、更にインバータ部４０が三相交流電力を生成して主電動機１を駆動する。また、補助回路側は、主変圧器５０の補助巻線５３を通じて供給される交流電力を補助整流装置９１０が直流電力に変換し、更に静止形インバータ９２０が三相交流電力に変換してＡＣ三相電源補助機器９の電源ラインに供給する。

一方、直流区間においては、主回路側は、パンタグラフ３を介してき電線から供給される直流電力が主変換装置２０の直流リンク部に印加され、インバータ部４０が主電動機１を駆動するための三相交流電力を生成する。補助回路側は、静止形インバータ９２０の入力端にパンタグラフ３からの直流電力が印加され、静止形インバータ９２０が三相交流電力を生成してＡＣ三相電源補助機器９の電源ラインに供給する。

従って、直流区間においては、コンバータ部３０及び補助整流装置９１０が非稼働の状態となる。また、交直流電車用電源システム９００の補助回路は、交流区間及び直流区間の双方に対応するために静止形インバータ９２０を備えて構成され、冷暖房装置等の比較的大容量の補助機器がＡＣ三相電源補助機器９として構成されていた。勿論、ＡＣ単相電源の補助機器や直流電源の補助機器も搭載されるが、これらの補助機器用の電源は、静止形インバータ９２０の後段に接続された補助変圧器や補助整流器によって供給されていた。

２．本発明を適用した交直流電車用電源システム
続いて、本発明を適用した交直流電車用電源システムにかかる２つの実施形態を説明する。なお、以下において、従来の交直流電車用電源システム９００と同一の構成要素については同符号を付して説明を省略する。

２．１ 第１実施形態
図１，２は、第１実施形態における交直流電車用電源システム１００の概略的な回路構成を示す図である。図１は、交流区間を走行する際の電力供給動作を示し、図２は、直流区間を走行する際の電力供給動作を示している。

交直流電車用電源システム１００は、制御装置１０と、主変換装置２０と、主変圧器５０と、スイッチ部６１とを備えて構成される。従来の交直流電車用電源システム９００と大きく異なる点は、補助回路の電源を単相交流として補助機器をＡＣ単相電源補助機器２とし、補助整流装置９１０及び静止形インバータ９２０が不要とされている点である。

スイッチ部６１は、接触器等で構成される公知のスイッチ機構を有して構成され、制御装置１０によって切替動作が制御される。すなわち、スイッチ部６１は、交流区間（図１）においては、主変圧器５０をパンタグラフ３に接続し、直流区間（図２）においては、コンバータ部３０とインバータ部４０間の直流リンク部をパンタグラフ３に接続するように切り替えられる。

コンバータ部３０の入力端は、主変圧器５０の二次巻線５２に接続され、コンバータ部３０の出力端は、スイッチ部６１を介してパンタグラフ３に接続されている。コンバータ部３０は、交流区間においては、順方向運転によってＰＷＭコンバータとして機能し、直流区間においては、逆方向運転によって単相インバータとして機能するように制御装置１０によって制御される。すなわち、コンバータ部３０は、交流区間においては、ＰＷＭコンバータとして機能することで、主変圧器５０の二次巻線５２からの単相交流電力を直流電力に変換して出力し、直流区間においては、パンタグラフ３を介してき電線から直流リンク部に印加された直流電圧を単相交流に変換し入力端から出力する。

そして、交直流電車用電源システム１００の全体回路動作は次のようになる。すなわち、交流区間においては、図１に示すように、パンタグラフ３を介してき電線から供給される単相交流電力を主変圧器５０が降圧し、降圧された交流電力をコンバータ部３０が直流電力に変換し、インバータ部４０が三相交流電力を生成して主電動機１を駆動する。また、主変圧器５０に供給される単相交流電力が、補助巻線５３を通じて補助機器２の電源ラインＬに供給される。

一方、直流区間においては、図２に示すように、パンタグラフ３を介してき電線から供給される直流電力が主変換装置２０の直流リンク部に印加され、インバータ部４０が三相交流電力を生成して主電動機１を駆動する。また、直流リンク部に印加された直流電力を、制御装置１０の制御によって逆方向運転されるコンバータ部３０が単相交流電力に変換して主変圧器５０の二次巻線５２に出力し、この単相交流電力が主変圧器５０の補助巻線５３を通じて補助機器２の電源ラインＬに供給される。

従って、コンバータ部３０は、交流区間及び直流区間の何れの区間においても使用される。また、補助機器の電源ラインＬには、交流区間であろうと直流区間であろうと単相交流電力が供給される。このため、ＡＣ電源補助機器２は、単相交流電力を電源とする一般的な交流電車の補助機器類で構成可能である。このため、静止形インバータを必要としない補助回路を実現できる。

２．２ 第１実施形態の変形例
（１）電圧脈動
なお、本実施形態の交直流電車用電源システム１００では、補助回路の電源として単相交流電力が供給されるため、直流リンク部や、これに接続されるき電線の電圧に脈動が発生し、主回路の制御やき電設備、軌道回路設備等に悪影響を及ぼす可能性がある。ある程度の電圧脈動は、フィルタコンデンサ２２の容量選定によって抑制可能であるが、より確実に抑制するため次のように構成することとしても良い。

（１Ａ）
例えば、図３に示すように、異なるユニット間のコンバータ部を位相差運転させる交直流電車用電源システム１００Ａを構成する。なお、同図は、直流区間における電力供給動作を示している。

この場合、交直流電車用電源システム１００Ａは、編成内の複数のユニットＹ（Ｙ１，Ｙ２）それぞれに設けられる。そして、直流区間において、異なるユニットのコンバータ部３０それぞれが出力する単相交流電力の位相差が所定位相となるように、制御装置１０によって動作制御される。この位相差は、具体的には、同図に示すような２ユニットの場合は９０度とし、３ユニットの場合には６０度とする。

これは、各ユニットの交直流電車用電源システム１００Ａにおいて生じる電圧脈動を、異なるユニット間で相殺し合うようにするためである。すなわち、直流リンク部の電圧脈動の大きさは供給電力の大きさに比例するが、各ユニットの補助機器への供給電力はほぼ同じであるため、各ユニットの各コンバータ部３０から発生する電圧脈動の振幅はほぼ等しい。また、電圧脈動の周波数は補助電源の供給電力の周波数に依存するので、供給電力の周波数を等しくすることで、電圧脈動の周波数は等しくなる。そして、各ユニットＹのコンバータ部３０が出力する単相交流電力に位相差をつけることで、補助巻線５３を通じて補助機器の電源ラインＬに供給される単相交流電力に位相差をつけることができるためである。

（２）コンバータ部４０の故障
また、本実施形態の交直流電車用電源システム１００においては、コンバータ部３０が常時稼働している状態となるため、従来の交直流電車用電源システム９００に比べて故障率が向上する可能性がある。コンバータ部３０が故障した場合、交流区間においては、主電動機１を駆動するための電力が供給できなくなるが、編成内の他のＭ車によって不足分のトルクが補われるため、列車の走行は可能である。しかし、直流区間においては、補助機器の電源ラインＬへの電力供給ができなくなるため、補助機器が作動できない事態が生じる。そこで、コンバータ部の故障による補助機器の動作不能を回避するため、次のように構成することとしても良い。

（２Ａ）
例えば、図４に示すように、編成内の他のコンバータ部３０を利用する交直流電車用電源システム１００Ｄを構成する。なお、同図は、直流区間における電力供給動作を示している。

この交直流電車用電源システム１００Ｄは、複数のＭ車（同図では、Ｍ１，Ｍ２車の２台）で１ユニットを構成した場合の実施形態である。また、各Ｍ車において、コンバータ部３０の入力端がスイッチ部６３，６４を介して主変圧器５０の二次巻線５２に接続されている。

補助回路に供給する電力は主回路に比べて少ない。このため、直流区間では複数台のコンバータ３０で並列に単相電力を供給することも、１台のコンバータ３０のみで電力を供給することも可能である。スイッチ部６３，６４は、制御装置１０によって開閉動作が制御される。例えば、直流区間でＭ１車のコンバータ３０のみで電力供給を行う場合には、直流区間ではスイッチ部６３は閉動作され、スイッチ部６４は開動作される。そして、直流区間において、Ｍ１車のコンバータ部３０が故障すると、スイッチ部６３が開動作されて、Ｍ１車のコンバータ部３０と主変圧器５０の二次巻線５２−１との間が切り離されるとともに、制御装置１０がＭ２車のコンバータ部３０を逆方向運転させて単相インバータとして機能させる。そして、スイッチ部６４が閉動作されて、Ｍ２車のコンバータ部３０と二次巻線５２−２との間が接続される。これにより、編成内の他のＭ車（Ｍ２車）のコンバータ部３０からの単相交流電源が、共通の主変圧器５０の補助巻線５３を通じて補助機器２の電源ラインＬに供給される。また、Ｍ１車、Ｍ２車のコンバータ部３０で並列して電力供給を行っている場合には、Ｍ１車のコンバータ部３０が故障すると、制御装置１０がスイッチ部６３を開動作させ、Ｍ２車のコンバータ部３０の運転状態を変化させることで、単相交流電源が、共通の主変圧器５０の補助巻き線５３を通じて補助機器２の電源ラインＬに供給される。

交直流電車用電源システム１００Ｄのように構成することで、直流区間において、１つの車両のコンバータ部が故障した場合であっても、他の車両のコンバータ部がバックアップ稼動するため、補助機器が動作不能となる事態を回避することができる。

（２Ｂ）
また、図５に示すように、主変換装置が、１台のコンバータ部３０と複数台のインバータ部４０（４０−１，４０−２・・・）によって構成されている場合には、ある１台のインバータ部４０を単相インバータとして利用する交直流電車用電源システム１００Ｅを構成することとしてもよい。なお、同図では、直流区間における電力供給動作を示している。

図５の例では、交直流電車用電源システム１００Ｅは、２台の主電動機１−１，１−２に対してインバータ部４０−１，４０−２それぞれが電源を供給している。２台のインバータ部４０のうち、一方のインバータ部４０−１の三相の出力端それぞれは、スイッチ部６５，６６，６７を介して駆動対象の主電動機１−１に接続されている。

スイッチ部６５，６６，６７は、制御装置１０によって開閉動作及び切替動作が制御される。すなわち、正常時には、スイッチ部６５，６６，６７は、インバータ部４０−１の出力端を主電動機１−１に接続するように制御されている。

そして、直流区間においてコンバータ部３０が故障すると、インバータ部４０−１の三相出力のうちの２つの出力端がコンバータ部３０の入力端に接続するようにスイッチ部６５，６６が切り替えられるとともに、スイッチ部６７が開動作されてインバータ部４０−１と主電動機１−１とが切り離される。すなわち、主電動機１−１は駆動対象から外され、主電動機１−１の駆動輪は従輪となる。これにより、単相インバータとして機能するインバータ部４０−１からの単相交流電力が二次巻線５２に供給され、補助巻線５３を通じて補助機器２の電源ラインＬに供給される。

２．３ 第２実施形態
図６は、第２実施形態における交直流電車用電源システム２００の概略的な回路構成を示す図であり、直流区間を走行する際の電力供給動作を示している。

交直流電車用電源システム２００は、制御装置１０と、主変換装置２０と、主変圧器５０と、スイッチ部６１，９１，９２，９３と、絶縁トランス８０とを備えて構成される。上述の第１実施形態における交直流電車用電源システム１００と異なる点は、コンバータ部３０の入力端と補助機器２の電源ラインＬとの間に絶縁トランス８０が設けられている点である。第１実施形態の交直流電車用電源システム１００では、直流区間において、コンバータ部３０が逆方向運転されることでコンバータ部３０の入力端から主変圧器５０の二次巻線５２に交流電力が出力される結果、主変圧器５０の一次巻線５１に高電圧が発生し得る。そのため、第２実施形態の交直流電車用電源システム２００では、直流区間においては、絶縁トランス８０を介してコンバータ部３０の入力端と補助機器２の電源ラインＬとを接続する。

絶縁トランス８０は、一次側がスイッチ部９３を介してコンバータ部３０の入力端に接続され、二次側が補助機器２の電源ラインＬに接続されている。

また、コンバータ部３０の入力端が、スイッチ部９１を介して主変圧器５０の二次巻線５２に接続され、主変圧器５０の補助巻線５３が、スイッチ部９２を介して電源ラインＬに接続されている。スイッチ部９１，９２，９３は、制御装置１０によって開閉動作又は切替動作が制御される。

そして、交直流電車用電源システム２００の回路動作は次のようになる。すなわち、交流区間においては、スイッチ部６１が、主変圧器５０をパンタグラフ３に接続するように切り替えられる。また、スイッチ部９１，９２が閉動作されるとともに、スイッチ部９３が開動作される。つまり、第１実施形態における交直流電車用電源システム１００と同様に、パンタグラフ３を介したき電線からの単相交流電力が主変圧器５０に供給され、コンバータ部３０が直流電力に変換し、インバータ部４０が三相交流電力を生成して主電動機１を駆動するとともに、補助巻線５３を通じて単相交流電力が補助機器の電源ラインＬに供給される。

一方、直流区間においては、図６に示すように、スイッチ部６１が、直流リンク部をパンタグラフ３に接続するように切り替えられる。また、スイッチ部９１，９２が開動作されるとともに、スイッチ部９３が閉動作される。従って、逆方向運転して単相インバータとして機能するコンバータ部３０の入力端から出力される単相交流電力が絶縁トランス８０の一次側に供給され、絶縁トランス８０の二次側に発生した単相交流電力が補助機器２の電源ラインＬに供給される。

２．４ 第２実施形態の変形例
（１）コンバータ部４０の故障
本実施形態の交直流電車用電源システム２００においても、第１実施形態における交直流電車用電源システム１００と同様に、コンバータ部３０が常時稼働している状態となるため、従来の交直流電車用電源システム９００に比べて故障率が向上する可能性がある。そこで、コンバータ部の故障による補助機器の動作不能を回避するため、交直流電車用電源システム２００を次のように構成することとしても良い。

例えば、図７に示すように、編成内の他のコンバータ部３０を利用する交直流電車用電源システム２００Ａを構成する。なお、同図は、直流区間における電力供給動作を示している。

この交直流電車用電源システム２００Ａは、複数のＭ車で１ユニットを構成した場合の実施形態である。また、絶縁トランス８０の二次側は、スイッチ部９４−１，９４−２を介して補助機器の電源ラインＬに接続されている。

スイッチ部９４−１，９４−２は、制御装置１０によって開閉動作が制御される。すなわち、スイッチ部９４−１，９４−２は、交流区間においては開動作するように制御され、直流区間においては、逆方向運転されているコンバータ部３０に対応するスイッチ部が選択的に閉動作するように制御される。例えば、直流区間において、Ｍ１車のコンバータ部３０が逆方向運転されている場合にはスイッチ部９４−１が閉動作するように制御され、スイッチ部９４−２が開動作するように制御される。そして、例えばＭ１車のコンバータ部３０が故障したことを検出した場合、スイッチ部９４−１が開動作されてＭ１車のコンバータ部３０の稼動が停止され、Ｍ２車のコンバータ部３０が逆方向運転するように稼動される。そして、Ｍ２車のコンバータ部３０に対応するスイッチ部９４−２が閉動作されて、Ｍ２車のコンバータ部３０から出力された交流電力がＭ２車の絶縁トランス８０を介して補助機器２の電源ラインＬに供給される。

なお、直流区間においては、スイッチ部９４−１，９４−２双方を閉動作し、Ｍ１，Ｍ２車双方のコンバータ部３０を逆方向運転させて並列運転させておいてもよい。

このように構成することで、１つの車両のコンバータ部が故障した場合であっても、補助機器が動作不能となる事態を回避することができる。

１００，２００ 交直流電車用電源システム
１０ 制御装置
２０ 主変換装置、３０ コンバータ部、４０ インバータ部
５０ 主変圧器、５１ 一次巻線、５２ 二次巻線、５３ 補助巻線
６１−６９，９１，９２ スイッチ部
８０ 絶縁トランス
１ 主電動機
２ ＡＣ単相電源補助機器、Ｌ 電源ライン
３ パンタグラフ
４ 接地

Claims (8)

1. 交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の二次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車の電力供給方法であって、
   前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を交流電力に変換して前記二次巻線へ出力する単相インバータとして機能させるコンバータ部制御ステップと、
   交流区間においては前記き電線からの交流電力を前記主変圧器の補助巻線で降圧して補助機器の電源ラインに供給し、直流区間においては前記逆方向運転により前記コンバータ部から前記二次巻線へ出力された交流電力を前記主変圧器の補助巻線で降圧して前記補助機器の電源ラインに供給する補助機器電力供給ステップと、
   を含む電力供給方法。
2. 交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の二次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車の電力供給方法であって、
   前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を交流電力に変換して入力端から出力する単相インバータとして機能させるコンバータ部制御ステップと、
   交流区間においては前記主変圧器の補助巻線から出力された交流電力を補助機器の電源ラインに供給し、直流区間においては前記逆方向運転により前記コンバータ部の前記入力端から出力された交流電力を前記補助機器の電源ラインに供給する補助機器電力供給ステップと、
   を含む電力供給方法。
3. 前記補助機器電力供給ステップは、直流区間において、前記逆方向運転により前記コンバータ部の前記入力端から出力された交流電力を絶縁トランスを介して前記補助機器の電源ラインに供給するステップである、
   請求項２に記載の電力供給方法。
4. 前記交直流電車は、前記主変換装置を備える複数の車両で編成されてなり、
   前記コンバータ部制御ステップは、直流区間において、前記主変換装置それぞれの前記コンバータ部を前記単相インバータとして逆方向運転するとともに、当該各単相インバータから発生される電圧脈動成分を打ち消し合うように位相差運転するステップを含む、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の電力供給方法。
5. 前記交直流電車は、前記主変換装置を備える複数の車両で編成されてなり、
   前記コンバータ部制御ステップは、直流区間において、前記主変換装置の何れかの前記コンバータ部を選択的に運転させる選択制御ステップを含み、
   前記補助機器電力供給ステップは、直流区間において、前記選択されて運転された前記コンバータ部によって生成された交流電力を前記補助機器の電源ラインに供給するステップである、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の電力供給方法。
6. 前記コンバータ部の故障を検出する故障検出ステップと、
   直流区間において、前記故障検出がなされた場合に、前記インバータ部による前記主電動機の駆動を切り離し、前記インバータ部を単相出力回路に切り換え、前記インバータ部から出力される単相交流電力を前記補助機器の電源ラインに供給するコンバータ部故障時対応ステップと、
   を含む請求項１〜３の何れか一項に記載の電力供給方法。
7. 交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の二次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車用電源システムであって、
   前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を交流電力に変換して前記二次巻線へ出力する単相インバータとして機能させるコンバータ部制御部を備えるとともに、
   補助機器の電源ラインが前記主変圧器の補助巻線に接続されてなり、
   交流区間においては前記き電線からの交流電力が前記主変圧器の補助巻線で降圧されて前記補助機器の電源ラインに供給され、直流区間においては前記逆方向運転により前記コンバータ部から前記二次巻線へ出力された交流電力が前記主変圧器の補助巻線で降圧されて前記補助機器の電源ラインに供給される、
   交直流電車用電源システム。
8. 交流区間ではき電線からの交流電力を主変圧器に印加して、前記主変圧器の二次巻線に接続されたコンバータ部及びインバータ部を有する主変換装置を介して主電動機を駆動し、直流区間では前記き電線からの直流電力を前記主変換装置の直流リンク部に印加して前記主電動機を駆動する交直流電車用電源システムであって、
   前記コンバータ部を、交流区間においては順方向運転してコンバータとして機能させ、直流区間においては逆方向運転して前記直流リンク部に印加される直流電力を交流電力に変換して入力端から出力する単相インバータとして機能させるコンバータ部制御部と、
   補助機器の電源ラインに供給する交流電力を、交流区間においては前記主変圧器の補助巻線から出力された交流電力に切り替え、直流区間においては前記逆方向運転により前記コンバータ部の前記入力端から出力された交流電力に切り替える補助機器電力供給切替部と、
   を備えた交直流電車用電源システム。

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