JP2009072003A - 電気鉄道システム - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの充電、駆動系などへの給電の制御装置を纏め、バッテリと駆動系などを並列に接続することで、架線・非架線区間の相互間移行時に制御の切替を必要としない電気鉄道システムを提供すること。
【解決手段】主給電系５と電力調整装置４０と走行駆動用の三相誘導電動機２１とＶＶＶＦインバータ２０とバッテリ３５及び補機類用給電系２２とを有すると共に、架線区間では架線７からの電力で電動機２１を駆動し、非架線区間ではバッテリ３５からの電力で電動機２１を駆動するように構成した電気鉄道システム１であって、電力調整装置４０の入力端が主給電系５に接続され、出力端がインバータ２０，２２とバッテリ３５に接続された構成を有し、架線区間中にバッテリ３５への充電電流を所定の充電電流設定手段を用いて設定し、この充電電流でバッテリ３５に充電するように電力調整装置４０を制御する電力制御手段５０と、を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気鉄道システムにおいて、特に、架線区間在線中には架線からの給電で車載バッテリを充電すると共に駆動系や補機類用給電系にも給電し、非架線区間ではバッテリから駆動系や補機類用給電系に給電する電気鉄道システムに関する。

従来、インバータにより誘導電動機が駆動される電気鉄道において、この鉄道車両にバッテリを搭載し、架線区間在線中には架線からの給電でこのバッテリを充電し、非架線区間ではこのバッテリに充電された充電電力を放電しながらインバータに給電し、誘導電動機を駆動させるようにして、所謂無電化路線を走行可能にした、バッテリを搭載し効果的にバッテリを充放電させる電気鉄道システムが種々提案されている。

例えば、特許文献１に記載のバッテリ駆動の鉄道車両は、電力線で並列に接続されたバッテリが複数車両に搭載され、昇降圧チョッパとインバータと誘導電動機を備えた鉄道車両において、力行時には架線区間在線中に充電されたバッテリから充電電力が昇降圧チョッパにより昇圧されインバータに給電され電動機が駆動されることで、非架線区間を走行可能にしている。電力回生時には、インバータで回生された回生電力が昇降圧チョッパで降圧されてからバッテリが充電される。

また、特許文献２に記載のバッテリが搭載された電気鉄道の駆動システムでは、双方向チョッパと大容量の２次電池或いはキャパシタから構成される大容量蓄電装置と、インバータと誘導電動機を備えた電気鉄道において、架線区間在線中では、この蓄電装置の放電によりインバータを駆動させると共に、力行時には蓄電装置の蓄電電力では足りない分を架線から給電し、回生時には、大容量蓄電装置で回収しきれない回生電力を架線で回収させることで、架線から電気鉄道に供給する電力量と電気鉄道が架線に回生する電力量が低減されるように制御される。
特開２００１−３５２６０７号公報 特開２００３−１８７０２号公報

しかし、特許文献１のバッテリ駆動の鉄道車両では、架線区間在線中において架線から給電されバッテリが充電されるときは、バッテリ及び架線から直接インバータへの給電を実行することができない。つまり、架線区間・非架線区間の相互間移行時において、充電・放電の制御回路の切替が必要となる。力行時と電力回生時の切替をするときにも、バッテリとインバータとの間の昇降圧チョッパの切替制御を行う必要があり、制御の煩雑さが増加してしまう。

また、特許文献２の電気鉄道の駆動システムでは、回生時に発生する回生電力をバッテリで回収しきれない分を架線で回収させるので架線の電圧変動が起こり、この電気鉄道の近くに別の車両が走行していないと回生失効が生じて電力効率を悪化させる虞がある。さらに、この電気鉄道は、架線電圧がそのままインバータに給電されるため、複数の架線電圧への対応が難しく使用される路線が限定されてくる。

ところで、最近、高電圧で且つ高速で充放電可能な大容量のバッテリが開発されている。回生電力が架線に回収されることで架線電圧が変動し、近くを走る鉄道車両が無いと回生失効が生じることを考慮すると、このバッテリを鉄道車両に組み込むことで、回生電力を架線に供給せずにバッテリで１００％回収させ、その回収された電力を非架線区間で消費させるという効率の良い電力システムの構築が可能となる。

そこで、高電圧で充放電可能な耐久性を有するバッテリを使用することで、昇降圧手段を介して昇圧させずともバッテリから直接インバータに給電、或いは誘導電動機から回生される回生電力を降圧させることなく直接バッテリに充電することが可能となる。これにより、バッテリとインバータとの間に昇降圧手段を介設する必要がなくなり、力行時及び回生時の回路や制御の切替を省略することが可能となる。

本発明の目的は、バッテリの充電、駆動系や補機類用給電系への給電を実施するための制御装置を纏め、バッテリと駆動系と補機類用給電系を並列に接続することで、架線区間・非架線区間の相互間移行時に回路・制御の切替を必要としない電気鉄道システムを提供することである。

請求項１の電気鉄道システムは、架線から給電可能な主給電系と、この主給電系の電力を調整する電力調整装置と、走行駆動用の三相誘導電動機と三相誘導電動機を駆動する可変電圧可変周波数型インバータとで構成された駆動系と、バッテリ及び補機類用給電系とを有すると共に、架線区間では架線からの電力で前記電動機を駆動し、非架線区間ではバッテリからの電力で前記電動機を駆動するように構成した電気鉄道システムであって、前記電力調整装置の入力端が前記主給電系に接続され、出力端が前記駆動系とバッテリと補機類用給電系に夫々接続された構成を有し、架線区間在線中にバッテリへの充電電流を所定の充電電流設定手段を用いて設定し、この充電電流でバッテリに充電するように電力調整装置を制御する電力制御手段と、を備えたことを特徴としている。

架線区間在線中において、この電気鉄道システムは、先ず架線から主給電系に接続された電力調整装置に給電し、次に、この電力調整装置を介して常時バッテリを充電すると共に補機類用給電系に給電し、力行時には駆動系にも給電する。電力回生時には、電力調整装置により架線側への逆流が阻止されるので、何もすることなく、誘導電動機で回生された回生電力は補機類用給電系で消費される分を除いてバッテリに回収される。

バッテリを充電する充電電流は、所定の充電電流設定手段により、架線区間在線中に非架線区間で消費される電力分を回復可能な充電電流値が設定される。非架線区間では、架線から電力が供給されないため電力調整装置は不動作となり、バッテリが自動的に放電し、補機類用給電系に給電し、力行時には駆動系にも給電する。

請求項２の電気鉄道システムは、請求項１の発明において、前記充電電流設定手段は、前記バッテリへの充電電流を検出する第１電流検出手段と、前記バッテリ電圧を検出する第１電圧検出手段と、走行路線の運行テーブルとを備え、前記第１電流検出手段と第１電圧検出手段の出力を受けて、架線区間在線中にバッテリの放電状態と、前記走行路線の運行テーブルから演算した現在の架線区間に在る在線時間とに基づいてバッテリへの充電電流を演算する充電電流演算手段とを備えたことを特徴としている。

請求項３の電気鉄道システムは、請求項２の発明において、前記充電電流設定手段は、前記駆動系と補機類用給電系への供給電流を検出可能で且つ電動機による回生電流から補機類用給電系への供給電流を減算した電流を検出可能な第２電流検出手段と、前記架線から主給電系へ供給される電流を検出可能な第３電流検出手段と、架線電圧を検出可能な第２電圧検出手段を有することを特徴としている。

請求項４の電気鉄道システムは、請求項２の発明において、架線区間在線時には、前記第１電流検出手段で検出される電流が略一定となるように電力調整装置を制御することを特徴としている。

請求項５の電気鉄道システムは、請求項３の発明において、架線区間在線時に、電力回生以外のときには略一定の充電電流となるように電力調整装置を制御し、電力回生時には前記第１電流検出手段で検出される電流と前記第２電流検出手段で検出される電流との差が略一定となるように電力調整装置を制御することを特徴としている。

請求項６の電気鉄道システムは、請求項３の発明において、前記電力制御手段は、前記第３電流検出手段で検出される電流が略一定となるように電力調整装置を制御し得るように構成されたことを特徴としている。

請求項７の電気鉄道システムは、請求項１〜６の何れかの発明において、前記電力調整装置は、電力回生時には回生電力の全量を前記バッテリ及び補機類用給電系に供給するように構成されたことを特徴としている。

請求項８の電気鉄道システムは、請求項１〜７の何れかの発明において、１５００Ｖｄｃ，７５０Ｖｄｃ，６００Ｖｄｃから選択される架線電圧に対して使用可能に構成されたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、この電気鉄道システムは、電力調整装置の入力端が主給電系に接続され、出力端がバッテリと駆動系と補機類用給電系に夫々接続されているので、架線区間在線中には常時バッテリを充電可能であると共に補機類用給電系に給電可能であり、力行時には駆動系にも給電可能である。非架線区間では、架線から電力が供給されないためバッテリから補機類用給電系やインバータに直接給電可能となる。

つまり、鉄道車両が架線区間から非架線区間に移行し、架線から電力調整装置への給電が停止すると電力調整装置が不動作となり、バッテリと補機類用給電系及び駆動系との間に制御回路が存在せず直接に接続されているため、電力調整装置とは無関係にバッテリが自動的に放電し、補機類用給電系や、力行時には駆動系に給電される。これにより、鉄道車両の架線区間・非架線区間相互間移行時に制御・回路の切替が不要となり、従来の切替作業の煩雑さから開放されることになる。

また、架線区間在線中に、バッテリに充電される充電電流が、充電電流設定手段により設定された電流値になるように電力制御手段により電力調整装置が制御され、この設定された充電電流によりバッテリが充電されるので、非架線区間で駆動系や補機類用給電系で消費されたバッテリ放電量は、架線区間で効率良くバッテリに充電されバッテリの放電量を回復することができる。

非架線区間で駆動系や補機類用給電系で消費されたバッテリ放電量は、非架線区間のターミナルの地上に設けた電源から、ターミナル停車中の短時間（例えば５分）の急速充電により回復させる必要が生じる場合がある。このため電力調整装置は急速充電に対応できる能力が要求され、大電流に耐える大容量素子で構成されることになる。結果として、架線区間において、上記電力調整装置を使用して、駆動系、補機類用給電系とバッテリ充電を纏めて制御することが可能となる。

請求項２の発明によれば、この充電電流設定手段が、バッテリ電圧を検出する第１電圧検出手段と、充電電流を検出する第１電流検出手段と、走行路線の運行テーブルと、充電電流の値を演算する充電電流演算手段を備えるので、第１電圧検出手段と第１電流検出手段とによりバッテリの充放電状態を常時把握することが可能となり、充電電流演算手段によりバッテリの放電状態と、走行路線の運行テーブルから演算した現在の架線区間における在線時間を考慮し演算された充電電流により、非架線区間で消費されたバッテリ放電分を架線区間在線中に効率良くバッテリに充電し放電量の回復が可能となる。

請求項３の発明によれば、この充電電流設定手段が、第２電流検出手段と第３電流検出手段と第２電圧検出手段とを備え、第２電流検出手段が、電動機と補機類用給電系への供給電流と電動機による回生電流から補機類用給電系への供給電流を減算した電流を検出し、第３電流検出手段が、架線から主給電系へ供給される電流を検出し、第２電圧検出手段が、主給電系に印加される架線電圧を検出するので、第２，第３電流検出手段及び第２電圧検出手段の何れかで検出される電流値及び電圧値に基づいて電力調整装置を適宜制御することができる。

請求項４の発明によれば、この電力制御手段は、第１電流検出手段で検出される電流値が略一定になるように電力調整装置を制御するので、力行時・回生時に関わらず、常時バッテリへ流入する充電電流が略一定に維持され、バッテリへの充電を効率良く制御することが出来ると共に、バッテリへ流入する充電電流に変動がないためバッテリへの負荷を抑制することができる。

請求項５の発明によれば、この電力制御手段は、第１電流検出手段と第２電流検出手段とで検出される電流に基づいて、力行時は第１電流検出手段の検出電流が略一定、回生時は第１電流検出手段と第２電流検出手段の検出電流の差が略一定となるように電力調整装置を制御するので、電力回生時に回生電流がバッテリに流入してくるにも関わらず、電力調整装置から供給される充電電流を常時略一定に維持することができるので、必然的に回生電流成分は架線側からの一定値に重畳されることになり、ブレーキ時の回生成分を随意的な扱いにすることができる。

請求項６の発明によれば、この電力制御手段は、第３電流検出手段で検出される電流が常時略一定となるように電力調整装置を制御することにより、或いは、第３電流検出手段で検出される電流と第２電圧検出手段で検出される電圧の積が常時略一定となるように電力調整装置を制御することにより、従来の力行毎に変電所などの電力供給系側からピーク電力を供給する必要がなくなり、鉄道車両への供給電力を平準化できるので、電力会社に対するデマンドの抑制にも効果がある。電力供給系の電力を有効に使用できると共に同じ電力供給系からより多くの鉄道車両に電力の供給が可能となる。

上記電力制御手段は、架線区間・非架線区間を直通で運用されるシステムを前提としている電力制御手段であるが、例えば、架線区間のみで運用されるシステムの場合でも鉄道車両にバッテリと電力調整装置を搭載し、この電力制御手段で電力調整装置を制御することにより上記デマンド効果が期待できる。

請求項７の発明によれば、この電力調整装置が、架線側への電力の流出を防止するダイオードなどの弁作用を有し、電力回生時に回生される回生電力の全量をバッテリ及び補機類用給電系に供給することができるので、架線に回生電力が流出されること無く、架線の電圧変動を抑制することができ、電流の流れが架線側からバッテリ、駆動系や補機類用給電系への一方通行のため、バッテリの充放電や駆動系の制御が容易になる。

請求項８の発明によれば、１５００Ｖｄｃ、７５０Ｖｄｃ、６００Ｖｄｃから成る複数の架線電圧に対して使用可能に構成されたので、電力調整装置の出力側の回路を変更することなく、走行可能な路線を限定する必要がなくなり、１５００Ｖｄｃ、７５０Ｖｄｃ、６００Ｖｄｃに対応した架線区間、非架線区間を自由に移動できるシステムを構築することができる。

本実施例は、電気鉄道の車両にバッテリが搭載され、架線区間在線中ではこのバッテリを充電し、非架線区間ではこのバッテリを放電しながら走行する電気鉄道システムに本発明を適用したものである。以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、この電気鉄道システム１は、鉄道車両２の内部において、直流電力を架線７から給電可能な主給電系５と、主給電系５の電力を調整する電力調整装置４０と、誘導電動機２１を駆動するためのＶＶＶＦインバータ２０と、走行駆動用の三相交流用の誘導電動機２１と（駆動系に相当する）、補機類２３を駆動するためのＣＶＣＦインバータ２２（補機類用給電系に相当する）と、空調や照明等の補機類２３と、車載バッテリ３５と、充電電流設定手段を使用して電力調整装置４０を制御する電力制御手段５０などを備え、架線区間では架線７からの電力で電動機２１を駆動し、非架線区間ではバッテリ３５からの電力で電動機２１を駆動するように構成されている。電力調整装置４０の入力端に主給電系５の電力線１１ａが接続され、出力端に、ＶＶＶＦインバータ２０の直流部と、ＣＶＣＦインバータ２２の直流部と、車載バッテリ３５の直流部が夫々接続されている電力線１１ｂが接続されている。

主給電系５は、図示外の変電所から直流が供給されている架線７と、この架線７から集電するパンタグラフ９と、このパンタグラフ９に連結され電力調整装置４０の入力端に接続されている電力線１１ａと、架線７からの供給電力を遮断する遮断スイッチ１４とで構成されている。架線区間在線中のときで且つ遮断スイッチ１４がオンのとき、主給電系５は、電力線１１ａに接続された電力調整装置４０を介してバッテリ３５とインバータ２０，２２に給電し、遮断スイッチ１４がオフのとき及び非架線区間のときは、主給電系５は不動作となる。

この主給電系５において、架線７側の電力線１１ａに介装されたリアクトル１６と、電力線１１ａとグランドライン１２との間に介設されたキャパシタ１７は協働してＥＭＩフィルタとして機能する。これは、電力調整装置４０が高速で電流を切り入れするため、供給電流には広範囲の高調波成分を含んでしまう。そのため、電力調整装置４０が架線７に接続される場合、高調波成分が架線７及びレールに流出してしまう。鉄道によってはレールを流れる信号回路の電源に商用周波数が使用されており、電力調整装置４０から商用周波数成分が流出した場合、信号電流と誤検知される虞がある。ＥＭＩフィルタを設置するのは、この高調波成分を吸収し、架線７側に高調波成分が流出するのを防止するためである。

ＶＶＶＦインバータ２０は、図示外の６つのスイッチング素子と還流ダイオードとをブリッジ状に接続し、ＶＶＶＦ制御（可変電圧可変周波数制御）が可能な周知のインバータであり、車載バッテリ３５や電力調整装置４０からリアクトル２４を介して供給される直流電力をＶ（電圧）／Ｆ（周波数）一定の三相交流に変換して誘導電動機２１を駆動可能にしている。

誘導電動機２１は、ＶＶＶＦインバータ２０から供給される三相交流の電圧と周波数と、誘導電動機２１の回転周波数の大小関係に応じて、その動作モードが変わる。即ち、「ＶＶＶＦインバータ周波数＞誘導電動機周波数」の場合には、所謂スリップが「正」の領域で、誘導電動機２１には加速トルクが作用する。誘導電動機２１の停動トルクを超えない範囲内ではスリップに比例してトルクが増加する。

「ＶＶＶＦインバータ周波数＝誘導電動機周波数」の場合には、所謂「スリップ＝０」の状態であり、トルクは発生しない。誘導電動機２１はＶＶＶＦインバータ２０から与えられる周波数で励磁された状態であり、惰行状態である。一般に、電気鉄道の制御で言う「惰行」とはこの状態の場合もあるが、この状態の場合だと、励磁による鉄損の発生が嫌われるので、惰性走行の殆どの場合、ＶＶＶＦインバータ２０の作動を中止し、無加圧で使用される場合が多い。

「ＶＶＶＦインバータ周波数＜誘導電動機周波数」の場合には、所謂スリップが「負」の領域で、誘導電動機２１は発電機として作動し、ブレーキトルクが作用する。誘導電動機２１の最大ブレーキトルクを超えない範囲内では、スリップに比例してトルクが増加する。

運転士により図示しないマスターコントローラが操作され、力行指令が出されると、ＶＶＶＦ制御された三相交流により、鉄道車両２は停止状態からマスターコントローラの力行指令に基づいて、中速域を経て高速域まで加速が可能である。運転士のマスターコントローラ操作によりブレーキ指令が出されると、ＶＶＶＦインバータ２０により誘導電動機２１の回転周波数より低い周波数の交流電力が出力され、回生ブレーキ動作が開始され、高速域から中速域を経て減速できるようになっている。但し、この回生ブレーキ動作においては、後述するように、誘導電動機２１で発生する回生電力がバッテリ３５に充電（蓄電）可能や、補機類２３で消費可能になっている。

ＣＶＣＦインバータ２２は、図示外の６つのスイッチング素子と還流ダイオードとをブリッジ状に接続した定電圧・定周波数型の一般的なインバータであり、車載バッテリ３５や電力調整装置４０からリアクトル２５を介して供給された直流電力を三相交流に変換して空調や照明等の補機類２３に駆動電力として供給するようになっている。

ここで、ＶＶＶＦインバータ２０とＣＶＣＦインバータ２２の入力側において、電力線１１ｂとグランドライン１２の間に介設されているキャパシタ２６，２７は、電力線１１ｂに介装されているリアクトル２４，２５と協働して各インバータ２０，２２の相互干渉防止と配線からの放射による他機器への電磁波障害を防止するＥＭＩフィルタとして機能する。

リアクトル２５，２６の架線７側には、電力線１１ｂから分岐された分岐線２８，２９が夫々設けられ、その分岐線２８，２９の途中部に、鉄道車両２の起動時に無電荷状態のキャパシタ２６，２７に流入する突入電流の急峻なピークを和らげるために、抵抗３０，３１が介装されている。このため、起動時には、電力線１１ｂと分岐線２８，２９に設けられたスイッチ３２，３２ａとスイッチ３３，３３ａにより抵抗側に電流が流れるように設定される。鉄道車両２が一度起動されたあと、キャパシタ２６，２７の蓄電がある程度完了したら、スイッチ３２ａ，３３ａにより、これら抵抗３０，３１は短絡され、通常動作時においてはこれらの抵抗は作用しなくなる。

車載バッテリ３５は、電力調整装置４０の出力側において、電力線１１ｂとグランドライン１２との間に介設され、複数の充電セルを直列に接続された高速で充放電可能なニッケル水素電池からなり、誘導電動機２１や補機類２３を駆動可能な大容量（２５０ＡＨ以上）の電流時間積を充電可能に構成されている。この車載バッテリ３５には、この車載バッテリ３５を挟むように電力線１１ｂ側とグランドライン１２側の両側に２つのヒューズ３７，３８が介装されている。

次に、電力調整装置４０について説明する。
電力調整装置４０の入力端には、主給電系５の電力線１１ａが接続され、出力端にはインバータ２０，２２とバッテリ３５に接続されている電力線１１ｂが接続されている。図２に示すように、電力調整装置４０の内部には、２つのＩＧＢＴ４１，４２と、４つのダイオード４３〜４６と、リアクトル４７と、２つのキャパシタ１７（図１参照），４９とで回路構成される昇降圧チョッパを備えている。電力線１１ａとグランドライン１２との間に、１次側（架線側）では架線からの電力線１１ａがＩＧＢＴ４１のコレクタに接続され、ＩＧＢＴ４１のエミッタがダイオード４３のカソードに接続され、ダイオード４３のアノードがグランドライン１２に接続されている。２次側（出力側）では電力線１１ｂがダイオード４４のカソードに接続され、ダイオード４４のアノードがＩＧＢＴ４２のコレクタに接続され、ＩＧＢＴ４２のエミッタがグランドライン１２に接続されている。

ＩＧＢＴ４１とダイオード４３と、ダイオード４４とＩＧＢＴ４２との夫々の中心部がリアクトル４７を介して接続され、ＩＧＢＴ４１，４２には、コレクタ・エミッタ間を流れる電流の向きとは逆方向に電流を導通可能なダイオード４５，４６が夫々並列に接続されている。この昇降圧チョッパの１次側と２次側には、平滑キャパシタ１７（図１参照），４９が電力線１１ａ，１１ｂとグランドライン１２との間に夫々介設されている。

昇降圧チョッパは、コントローラ５１で制御されるゲート駆動回路５２から出力されるゲート信号により、降圧チョッパとして使用される場合はＩＧＢＴ４１のゲートを、昇圧チョッパとして使用される場合はＩＧＢＴ４２のゲートをオン・オフ駆動させ、ゲート信号のチョッピング周波数の周期に対してゲートのオン時間を変化させることで、２次側（出力側）電圧を１次側（架線側）電圧に対して昇降圧させるものである。尚、この昇降圧チョッパに関しては既知の技術であるのでここでは簡略に説明する。

図３に示すように、昇降圧チョッパを降圧チョッパ（１次側電圧Ｅ１＞２次側電圧Ｅ２の場合）として機能させるには、ＩＧＢＴ４１にゲート信号が付加され、ＩＧＢＴ４２はゲート信号により常時ゲートがオフされる。ゲート信号のチョッピング周波数の周期Ｔに対するＩＧＢＴ４１の導通（オン）時間ｔ１は、１次側電圧Ｅ１と２次側電圧Ｅ２の比で次式のように与えられる。
ｔ１＝Ｔ・（Ｅ２／Ｅ１）
例えば、２次側電圧Ｅ２を第１電圧検出器５９により検出された充電電圧よりも昇圧させたい場合は、オン時間ｔ１を長くし、降圧させたい場合は、オン時間ｔ１を短くすることで、２次側電圧Ｅ２を１次側電圧Ｅ１より低い範囲で昇降圧させ充電電圧を調整することができる。

一方、図４に示すように、昇降圧チョッパを昇圧チョッパ（１次側電圧Ｅ１＜２次側電圧Ｅ２の場合）として機能させるには、ＩＧＢＴ４１は常時オンとし、ＩＧＢＴ４２にゲート信号が付加され、先ず、ＩＧＢＴ４１とリアクトル４７とＩＧＢＴ４２からなる回路で電流を流し、リアクトル４７にエネルギーを蓄積させる。オン時間ｔ２経過したところで、ＩＧＢＴ４２をオフすると、リアクトル４７に流れていた電流が流れ続けようとするため、リアクトル４７に誘導電圧が発生し、この誘導電圧が１次側電圧Ｅ１に加算され、より高い２次側電圧Ｅ２を得ることができる。ゲート信号のチョッピング周波数の周期Ｔに対するＩＧＢＴ２の導通（オン）時間ｔ２は、１次側電圧Ｅ１と２次側電圧Ｅ２の比で次式のように与えられる。
ｔ２＝Ｔ・（１−Ｅ１／Ｅ２）
例えば、２次側電圧Ｅ２を第１電圧検出器により検出される充電電圧よりも昇圧させたい場合は、オン時間ｔ２を長くし、降圧させたい場合は、オン時間ｔ２を短くすることで、２次側電圧Ｅ２を１次側電圧Ｅ１より高い範囲で昇降圧させ充電電圧を調整することができる。

尚、昇降圧チョッパの出力側のダイオード４４は電流の架線７側への流出を防止する弁作用として機能し、電力回生時に回生される回生電力の全量をバッテリ３５及びＣＶＣＦインバータ２２に供給することが可能となる。そのため、架線７に回生電力が回収されること無く、架線７の電圧変動を抑制することができる。このように、電流の流れを架線７側からバッテリ３５やインバータ２０，２２への一方通行とすることで、バッテリ３５の充放電やインバータ２０，２２の駆動の制御が容易になる。

次に、車載バッテリ３５への充電電流を設定する充電電流設定手段について説明する。
充電電流設定手段は、電力線を流れる電流を検出する第１〜第３電流検出器５６〜５８（第１〜第３電流検出手段に相当する）と、充電電圧と電力調整装置４０の2次側電圧Ｅ２を検出する第１電圧検出器５９（第１電圧検出手段に相当する）と、架線電圧と電力調整装置４０の１次側電圧Ｅ１を検出する第２電圧検出器６０（第２電圧検出手段に相当する）と、走行路線の運行テーブルと、各検出値に基づいて充電電流を演算する充電電流演算手段とを有している。

第１電流検出器５６は、バッテリ３５に接続された電力線１１ｂに介装され、バッテリ３５への充電電流を検出する。第２電流検出器５７は、バッテリ３５とＶＶＶＦインバータ２０及びＣＶＣＦインバータ２２との間の電力線１１ｂに介装され、ＶＶＶＦインバータ２０と、ＣＶＣＦインバータ２２への供給電流と誘導電動機から回生される回生電流からＣＶＣＦインバータ２２への補機類供給電流を減算した電流を検出する。第３電流検出器５８は、電力調整装置４０の架線７側の電力線１１ａに介装され、架線７から流入してくる供給電流を検出する。第１電圧検出器５９は、バッテリ３５近辺の電力線１１ｂとグランドライン１２との間に介設され、バッテリ３５の充電電圧を検出する。第２電圧検出器６０は、電力線１１ａとグランドライン１２との間に介設され、架線電圧を検出する。

充電電流演算手段は、コントローラ５１に内蔵されているＣＰＵやＲＯＭを有するコンピュータに充電電流演算プログラムとして格納されており、第１〜第３電流検出器５６〜５８と第１，第２電圧検出器５９，６０で検出されて電流値と電圧値の電気信号がコントローラ５１へ出力され、このコントローラ５１にて、架線区間在線中にこれら電圧信号と電流信号から算出されるバッテリ３５の放電状態と、コンピュータに格納された走行路線の運行テーブルから演算した現在の架線区間に在る在線時間とに基づいてバッテリ３５への充電電流が演算される。

この充電電流設定手段において、運用される架線区間の路線，運行テーブルを、充電電流設定手段の中に取り込み、車両２が非架線区間から架線区間の入る点におけるバッテリ放電状態を検出信号に基づいて把握し、充電電流設定手段の中で演算し充電電流を設定する。この設定された電流でとりあえず架線区間を運行させる。充電電流設定手段は絶えず、車両２の路線上の位置を把握し、架線区間の運行終了までの時間を求めて、電流設定に必要とあれば修正を行うようにすれば、架線区間の運行が終了し、再度非架線区間に入る時点でバッテリ３５は放電量を回復している。実際には、必ずしも１００％一致しないので、例えば１日ベースで、バッテリ３５の放電状態を確認し、修正をフィードバックするようにしても良い。

次に、電力制御手段５０について説明する。
電力制御手段５０は、上記電気信号を受けてゲート駆動回路５２へ制御信号を送信するコントローラ５１と、ＩＧＢＴ４１，４２のゲートを駆動するゲート駆動回路５２とから構成されている。この電力制御手段５０によると、架線区間在線中にバッテリ３５を充電するため充電電流値を前述の充電電流設定手段を用いて設定し、後述する制御方式に従い、バッテリ３５に流入する充電電流値が常時一定になるように、または、電力調整装置４０から供給される充電電流値が常時一定になるように、或いは架線７からの供給電流値（充電電流と補機類供給電流と駆動電流の合計電流値）が常時一定になるように、コントローラ５１とゲート駆動回路５２を介して電力調整装置４０が制御される。

ここで、電力制御手段５０による電力調整装置４０（昇降圧チョッパ）の制御方式について説明する。この電気鉄道システム１は、電力制御手段５０により電力調整装置４０が制御され、架線区間在線中では、バッテリ３５への充電電流とＣＶＣＦインバータ２２への補機類供給電流及びＶＶＶＦインバータ２０への駆動電流が、電力調整装置４０経由で供給される。非架線区間では、電力調整装置４０が不動作となり補機類供給電流及び駆動電流がバッテリ３５から供給される。

先ず、バッテリ充電電流が常時一定に制御される方式について説明する。
第１電流検出器５６で検出されるバッテリ充電電流一定の制御では、充電電流は非架線区間で消費した電流時間積を架線区間の在線中に１００％回復させるように充電電流設定手段により設定された一定電流値で供給される。この充電電流とは別に、常時補機類供給電流が供給され、力行指令が入力されたときには駆動電流が供給され、充電電流とは無関係に補機類供給電流と駆動電流が供給されるように電力調整装置４０が制御される。

架線区間在線中において、停止或いは惰行している鉄道車両２は、架線７から電力調整装置４０を経由して充電電流と補機類供給電流が供給されている。この状態の処に、力行指令が入力されると、入力された直後は充電電圧を検出する第１電圧検出器５９には変化が起きないため、この電力調整装置４０の制御は瞬時には応答しない。力行指令に従いＶＶＶＦインバータ２０に駆動電流が供給され始めると、充電電流がインバータ２０に流入する駆動電流分減少し始めると共に出力側キャパシタ４９に蓄電されていた電荷も減少し始め、電力調整装置４０の出力側の２次側電圧Ｅ２が低下してくる。

このバッテリ３５の充電電流や充電電圧が低下する変化は、第１電流検出器５６と第１電圧検出器５９により常時検出されている。この検出された電流と電圧信号をコントローラ５１にフィードバックすることで、コントローラ５１を介してゲート駆動回路５２が制御され、電力調整装置４０の２次側電圧Ｅ２が調整される。

ここで、この電力調整装置４０の昇降圧チョッパの動作は、２次側電圧Ｅ２を上昇させる方向、即ち、昇圧チョッパの場合はＩＧＢＴ４２のオン時間ｔ２（降圧チョッパの場合はＩＧＢＴ４１のオン時間ｔ１に対応し、以下の説明では昇圧チョッパの場合のみ説明する）を長くするように制御される。このため、第1電流検出器５６で検出される電流値が一定に維持されるように、２次側電圧Ｅ２が昇圧されるため、バッテリ充電電流一定の制御が制御ループ外にある回路（誘導電動機２１や補機類２３など）の負荷変動に関係なく維持される。

このため、見かけ上、力行時の駆動電流は電力調整装置４０を何の制約も無く通過することになる。逆に、力行の指令が終了された場合は、インバータ２０に供給されていた駆動電流分がバッテリ３５に流入し、バッテリ充電電流が増加する。また、キャパシタ４９にも流入し２次側電圧Ｅ２が増加の傾向を示す。そうすると、第１電流検出器５６と第１電圧検出器５９が電流と電圧の増加を検出し、各信号をコントローラ５１に送信することでゲート駆動回路５２が再び制御され、今度は昇圧チョッパのオン時間ｔ２を短くするように制御される。これにより、２次側電圧Ｅ２が降圧され、バッテリ３５に流入する充電電流が常時一定になるように制御される。

ブレーキ指令が入力されると、回生ブレーキ動作が実行され、誘導電動機２１による電力回生が起こる。この電力回生時には、誘導電動機２１から回生される回生電流からＣＶＣＦインバータ２２で消費される補機類供給電流を差し引いた分が、昇降圧チョッパに設けられたダイオード４４の弁作用により全量がバッテリ３５に流入してくる。この回生電流がバッテリ３５に流入することで、一定に維持されていた充電電流が増加することになり、２次側電圧Ｅ２も増加することになる。

充電電流が常時一定に制御されるには、バッテリ３５に流入する回生電流分を減算した充電電流に調整する必要がある。そのため、電力調整装置４０からの充電電流を減少させるため２次側電圧Ｅ２を降圧させる必要があり、ＩＧＢＴ４２のオン時間ｔ２は短くなるように制御される。つまり、電力調整装置４０は、架線７からの供給電流がバッテリ３５に流入する回生電流分減算されるよう絞り込むように制御されることになる。

また、回生電流のバッテリ３５への流入分が一定の充電電流値を超えた場合、この状態が継続する間では、電力制御手段５０により電力調整装置４０が停止され、電力調整装置４０から供給電流が出力されなくなる。従って、この期間は、バッテリ３５の充電電流は補機類供給電流分を減算した回生電流成分のみバッテリ３５に流入し、バッテリ３５を充電することになる。この期間に関しては、バッテリ３５の充電は回生電流に依存し充電電流は一定ではなくなる。

回生ブレーキ動作が停止され回生電流が減少し、回生電流が設定されている充電電流値以下になると、ゲート駆動回路５２により再度ＩＧＢＴ４２にゲート信号が付加され、架線７からの供給電流が電力調整装置４０を介して再度供給されるようになり、上記制御方式により充電電流を常時一定に維持するように制御される。

ここで、電力調整装置４０から供給される充電電流が回生電流の影響を受けないで常時一定になるように制御することも可能である。力行時には、第１電流検出器の検出電流が常時略一定になるように、回生時には、第２電流検出器５７で検出される検出電流と、第１電流検出器５６で検出される検出電流との差を求め、この差が常時略一定になるように電力調整装置４０を制御する必要がある。この回生時の場合、ＩＧＢＴ４２のオン時間ｔ２を長くするように制御し、電力調整装置４０は２次側電圧Ｅ２を昇圧させる。これにより、電力調整装置４０から出力される充電電流は常時一定に維持されることになる。このため、必然的に回生電流成分は架線側からの一定値に重畳されることになり、ブレーキ時の回生成分を随意的な扱いにすることができる。

非架線区間では、所謂無電化路線なので架線７からの供給電流が停止し、電力調整装置４０は不動作となり、駆動電流や補機類供給電流は、電力調整装置４０の制御とは無関係にバッテリ３５から供給されることになる。そのため、バッテリ３５は架線区間在線中に充電された電流時間積をインバータ２０の駆動状況に応じて自動的に放電することになる。

次に、架線７からの供給電流が常時一定に制御される方式について説明する。
第３電流検出器５８で検出される供給電流が常時一定に制御される場合、この供給電流は、各架線区間特有のバッテリ充電電流と駆動電流と補機類供給電流の夫々の時間平均値の合計から決定される。充電電流は、前述の充電電流演算手段により演算され設定される。駆動電流に関しては、鉄道は、路線と運行ダイヤが決まっているので、平均的な運行パターンをベースに運行の典型パターン（Ｔｙｐｉｃａｌ Ｐａｔｔｅｒｎ）を求め、典型パターンをもとに駆動電流の時間平均値を決定することができる。更に、１日の運行終了後、バッテリ３５の充電状態を確認し、電力制御手段５０で修正をするようにしている。補機類供給電流は、空調や照明などの補機類２３へ供給されるため、架線・非架線区間に関わらず略一定の電流値となる。

この制御方式によると、第３電流検出器５８により常時供給電流を検出し（または、第２電圧検出器６０により架線電圧を検出し、電流と電圧検出値を乗算し電力を演算し）、架線区間在線中は常時一定の供給電流（または電力）となるように、電力制御手段５０により電力調整装置４０が制御される。力行指令が入力されると、駆動電流が供給され始め、駆動電流と補機類供給電流の合計値が充電電流を超える場合がある。この場合、架線７からの流入分は常時一定になるように電力調整装置４０のＩＧＢＴ４２のオン時間ｔ２が降圧側に制御される。供給電流の不足分は自動的にバッテリ３５から放電されることになる。

電力回生時では、補機類供給電流が電動機２１で回生された回生電流から供給され、バッテリ３５への充電電流は、補機類供給電流を減算した回生電流成分が通常の充電電流に加算される形となって供給される。この場合、架線７からの供給電流が常時一定になるように、電力調整装置４０のＩＧＢＴ４２のオン時間ｔ２が昇圧側に制御される。供給電流は前述のとおり全量バッテリ３５に流入することになる。

上記の架線７から供給される電流（或いは電力）が略一定に制御される制御方式における、架線区間在線中のバッテリ充放電電力特性を図５に基づいて説明する。架線区間在線中（０ｓ〜８６ｓ）では、第３電流検出器５８と第２電圧検出器６０の検出信号に基づいて架線入力電力（Ｓ）は電力調整装置４０により常時略一定に制御されている。補機類用供給電力（Ａ）は、空調や照明等に消費される電力のため略一定の電力が供給されている。架線入力電力（Ｓ）は、充電電流設定手段により設定された一定の充電電力（Ｂ）と補機類用供給電力（Ａ）の和で決められる。

先ず、停車状態の車両２に力行指令が入力された力行時（０ｓ〜１６ｓ）では、駆動電力として定格値の２倍以上の電力を必要とするため、一定に制御された架線７からの入力電力（Ｓ）では、駆動電力と補機類用供給電力（Ａ）を賄うには不足する。従って不足分はバッテリ３５から放電することになる。加速が終了し、車両２が惰行状態（１６ｓ〜４８ｓ）に移行すると、駆動電力は必要と無くなるため、充電電力（Ｂ）は、バッテリ放電状態に対応する設定された一定の充電電力（Ｂ）に制御され、バッテリ３５が充電される。

次に、ブレーキ指令が入力された電力回生時（４８ｓ〜６２ｓ）では、充電電力（Ｂ）はバッテリ３５に流入してくる回生電力分増加（＋方向）するので、充電電力（Ｂ）の一定値に回生電力分が重畳された状態でバッテリ３５が充電されることになる。回生が終了し、車両２が停車状態（６２ｓ〜８６ｓ）に移行すると、再度充電電力（Ｂ）はバッテリ放電状態に対応する充電電力の一定値になり、バッテリ３５が充電される。このように架線７からの入力電力（Ｓ）が一定に維持されているため、力行のときはバッテリ３５が放電し、回生のときはバッテリ３５の一定の充電電流（Ｂ）に回生成分が重畳され充電されることになる。

この鉄道車両２が架線区間在線中では、停車時間を含め架線７からの一定電流が給電されるので、従来の力行毎に変電所などの電力供給系側からピーク電力を供給する必要がなくなり、鉄道車両２への供給電力を平準化できるので、結果的に電力会社に対するデマンド抑制に対する効果も期待できる。電力供給系の電力を有効に使用できると共に同じ電力供給系からより多くの鉄道車両２に電力の供給が可能となるといった付随的なメリットがある。

尚、上記電力制御手段５０は、架線区間・非架線区間を直通で運用されるシステム１を前提としている電力制御手段５０であるが、例えば、架線区間のみで運用されるシステム１の場合でも鉄道車両２にバッテリ３５と電力調整装置４０を搭載し、この電力制御手段５０で電力調整装置４０を制御することにより上記デマンド削減効果が期待できる。

次に、この電気鉄道システム１の効果について説明する。
この電気鉄道システム１は、電力調整装置４０の入力端に主給電系５が接続され、出力端にバッテリ３５とＶＶＶＦインバータ２０とＣＶＣＦインバータ２２が並列に夫々接続されているので、架線区間在線中では、常時バッテリ３５を充電可能であると共にＣＶＣＦインバータ２２に給電可能であり、力行時にはＶＶＶＦインバータ２０にも給電可能である。非架線区間では、架線７から電力が供給されないためバッテリ３５からＶＶＶＦインバータ２０やＣＶＣＦインバータ２２に直接給電可能となる。

つまり、鉄道車両２が架線区間から非架線区間に移行すると架線７から電力調整装置４０への給電が停止し、電力調整装置４０が不動作となり、バッテリ３５とＶＶＶＦインバータ２０とＣＶＣＦインバータ２２との間に制御回路が存在せず直接に接続されているため、電力調整装置４０とは無関係にバッテリ３５が自動的に放電し、ＣＶＣＦインバータ２２や、力行時にはＶＶＶＦインバータ２０に給電される。これにより、鉄道車両２の架線区間・非架線区間相互間移行時に制御・回路の切替が不要となり、従来の切替作業の煩雑さから開放されることになる。

また、架線区間在線中に、バッテリ３５に供給される充電電流が、所定の充電電流設定手段により設定された電流値になるように電力制御手段５０により電力調整装置４０が制御され、この制御された充電電流によりバッテリ３５が充電されるので、非架線区間でＣＶＣＦインバータ２２やＶＶＶＦインバータ２０で消費されたバッテリ放電量は、架線区間で効率良くバッテリに充電されバッテリの放電量を回復することができる。

この電気鉄道システム１における電力調整装置４０は、電力制御手段５０による、力行時と電力回生時では第１電流検出器５６で検出されるバッテリ３５への充電電流を略一定に維持する、或いは電力回生時には第１電流検出器５６で検出される充電電流と第２電流検出器５７で検出される回生電流成分との差を略一定に維持する、或いは常時第３電流検出器５８で検出される架線７からの供給電流（または第２電圧検出器６０により架線電圧を検出し、電流と電圧検出値を乗算した電力）、を略一定に維持する３種類の制御方式を有するので、路線や運行ダイヤに応じて適宜これら制御方式を切り換えることで、効率良く運行することができる。

また、この電力調整装置４０において、非架線区間で駆動系や補機類用給電系で消費されたバッテリ放電量は、非架線区間のターミナルの地上に設けた電源から、ターミナル停車中の短時間（例えば５分）の急速充電により回復させる必要がある。このため電力調整装置は急速充電に対応できる能力が要求され、大電流に耐える大容量素子で構成されることになる。結果として、架線区間において、上記電力調整装置を使用して、駆動系、補機類用給電系とバッタリ充電を纏めて制御することが可能となる。

そのうえ、この電力調整装置４０が、１５００Ｖｄｃ，７５０Ｖｄｃ，６００Ｖｄｃに対応可能な使用にしておけば、電力調整装置４０の出力側の回路を変更することなく、走行可能な路線を限定する必要がなくなり、１５００Ｖｄｃ、７５０Ｖｄｃ、６００Ｖｄｃに対応した架線区間、非架線区間を自由に移動できるシステムを構築することができる。

ここで、この電気鉄道システム１は、基本的には架線区間・非架線区間の直通システムであるが、架線区間のみで運用されるシステムの鉄道車両にバッテリ３５と電力調整装置４０を搭載することも可能である。つまり、非架線区間を考慮する必要はないので、架線７から常時受ける電力は、力行・惰行・回生ブレーキ・停車で構成される運転パターンで決まる駆動電力の平均値と補機類用供給電力の和である。直通システムで大きな割合を占めるバッテリ放電電力を回復するための充電成分は考慮する必要はない。従って、車両に搭載されるバッテリの容量は、上記運行パターンの周期内で出入り最大容量を確保すれば良いことになる。さらに直通システムと比較してはるかに少ない容量のバッテリで良いことになる。

更に、副次的効果として、停電、架線切断といった不慮の事故時、車両に搭載したバッテリ３５を電源としてそのバッテリ容量の範囲内で、最寄り駅への乗客の移送、トンネルからの脱出といった非常事態への対応が可能で、乗客へのサービス改善に繋がる効果も期待できる。

次に、前記実施例を部分的に変更した変更例について説明する。
（１）電力調整装置４０は、必ずしも昇降圧チョッパである必要はなく、ＤＣ／ＤＣ変換器のような昇降圧手段を有する構成であれば良い。
（２）本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施することができ、本発明はそれらの変更形態も包含するものである。

本発明に係る電気鉄道システムの電気配線図である。 電力調整装置の回路構成図である。 電力調整装置を降圧チョッパとして使用するときの図２のＸ点における電圧波形を示すグラフである。 電力調整装置を昇圧チョッパとして使用するときの図２のＸ点における電圧波形を示すグラフである。 架線からの供給電力が略一定に制御されるときの架線電力（Ｓ）・補機類用供給電力（Ａ）・バッテリ充放電電力（Ｂ）を示すグラフである。

符号の説明

１ 電気鉄道システム
２ 電気車（鉄道車両）
５ 主給電系
２０ ＶＶＶＦインバータ
２１ 誘導電動機
２２ ＣＶＣＦインバータ
２３ 補機類
３５ 車載バッテリ
４０ 電力調整装置
５０ 電力制御手段

Claims (8)

1. 架線から給電可能な主給電系と、この主給電系の電力を調整する電力調整装置と、走行駆動用の三相誘導電動機と三相誘導電動機を駆動する可変電圧可変周波数型インバータとで構成された駆動系と、バッテリ及び補機類用給電系とを有すると共に、架線区間では架線からの電力で前記電動機を駆動し、非架線区間ではバッテリからの電力で前記電動機を駆動するように構成した電気鉄道システムであって、
   前記電力調整装置の入力端が前記主給電系に接続され、出力端が前記駆動系とバッテリと補機類用給電系に夫々接続された構成を有し、
   架線区間在線中にバッテリへの充電電流を所定の充電電流設定手段を用いて設定し、この充電電流でバッテリに充電するように電力調整装置を制御する電力制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電気鉄道システム。
2. 前記充電電流設定手段は、前記バッテリへの充電電流を検出する第１電流検出手段と、前記バッテリ電圧を検出する第１電圧検出手段と、走行路線の運行テーブルとを備え、
   前記第１電流検出手段と第１電圧検出手段の出力を受けて、架線区間在線中にバッテリの放電状態と、前記走行路線の運行テーブルから演算した現在の架線区間に在る在線時間とに基づいてバッテリへの充電電流を演算する充電電流演算手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気鉄道システム。
3. 前記充電電流設定手段は、前記駆動系と補機類用給電系への供給電流を検出可能で且つ電動機による回生電流から補機類用給電系への供給電流を減算した電流を検出可能な第２電流検出手段と、前記架線から主給電系へ供給される電流を検出可能な第３電流検出手段と、架線電圧を検出可能な第２電圧検出手段を有することを特徴とする請求項２に記載の電気鉄道システム。
4. 前記電力制御手段は、架線区間在線時には、前記第１電流検出手段で検出される電流が略一定となるように電力調整装置を制御することを特徴とする請求項２に記載の電気鉄道システム。
5. 前記電力制御手段は、架線区間在線時に、電力回生時以外のときには略一定の充電電流となるように電力調整装置を制御し、電力回生時には前記第１電流検出手段で検出される電流と前記第２電流検出手段で検出される電流との差が略一定となるように電力調整装置を制御することを特徴とする請求項３に記載の電気鉄道システム。
6. 前記電力制御手段は、前記第３電流検出手段で検出される電流が略一定となるように、または第３電流検出手段で検出される電流と前記第２電圧検出手段で検出される電圧の積が略一定となるように電力調整装置を制御し得るように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の電気鉄道システム。
7. 前記電力調整装置は、電力回生時には回生電力の全量を前記バッテリ及び補機類用給電系に供給するように構成されたことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の電気鉄道システム。
8. １５００Ｖｄｃ，７５０Ｖｄｃ，６００Ｖｄｃから選択される架線電圧に対して使用可能に構成されたことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の電気鉄道システム。