電気車制御装置およびＤＣ／ＤＣコンバータ

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【発明の名称】	電気車制御装置およびＤＣ／ＤＣコンバータ
【発明者】	【氏名】六藤孝雄
【要約】	【課題】変電所から見た電気車自体の負荷変動を抑制し、これにより饋電電圧を安定させ電気車の計画走行特性の発揮を実現することができる電気車制御装置を得ることを目的とする。【解決手段】車両の制動時には、ラインスイッチＬｓ１をオフにし、インバータ７を介して誘導電動機８からの回生電力を蓄電装置５に供給してこれを充電する。そして、車両の力行時には、蓄電装置５に充電された電力を放電しこの放電電力をインバータ７を介して誘導電動機８に供給してこれを回転駆動する。蓄電装置５の電圧が設定値以下に低下するとラインスイッチＬｓ１をオンにして饋電回路からの電力を誘導電動機８に供給する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】集電手段を介して地上の饋電回路と接続される両極の給電端子、この給電端子間に接続され車両駆動用の電動機負荷を有する主回路、および上記電動機負荷を制御して車両の力行、制動を行う制御手段を備えた電気車制御装置において、上記主回路にコンデンサからなる蓄電装置を備え、上記車両の制動時に上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時、上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供給するようにしたことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】給電端子間に互いに直列に第１のラインスイッチおよび蓄電装置を接続し、上記蓄電装置の両極間に電動機負荷を接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイッチをオフにして上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置の電圧が所定の設定値より低下すると上記第１のラインスイッチをオンにして饋電回路からの電力を上記電動機負荷に供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
【請求項３】蓄電装置と直列に、第２のラインスイッチと限流抵抗との並列接続体を接続し、給電端子間の電圧Ｖｐが蓄電装置の電圧Ｖｃより大のときに第１のラインスイッチをオンする場合、上記第２のラインスイッチをオフした状態で上記第１のラインスイッチをオンし、Ｖｐ＝Ｖｃとなった後上記第２のラインスイッチをオンするようにしたことを特徴とする請求項２記載の電気車制御装置。
【請求項４】給電端子間に互いに直列に第１のラインスイッチおよび第３のラインスイッチを接続し、上記第３のラインスイッチの両極間に、電動機負荷および蓄電装置と上記電動機負荷の方向へ通流可能なダイオードとの並列接続体を直列にして接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイッチをオフ、第３のラインスイッチをオンにして上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記第１のラインスイッチをオン、第３のラインスイッチをオフにして饋電回路からの電力に上記蓄電装置からの放電電力を加算して上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置が電力を放出した後は上記ダイオードを経て上記饋電回路の電力を上記電動機負荷に供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
【請求項５】可逆変換可能なＤＣ／ＤＣコンバータの１次側と第１のラインスイッチとを互いに直列にして給電端子間に接続し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に蓄電装置を接続し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側に電動機負荷を接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイッチをオフにして上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置が電力を放出した後は上記第１のラインスイッチをオンにして饋電回路からの電力を上記電動機負荷に供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
【請求項６】車両の運転情報や路線情報等の車両情報を入手する手段を備え、蓄電装置の利用率が増大するよう上記車両情報に基づきＤＣ／ＤＣコンバータによる上記蓄電装置の充放電動作を制御するようにしたことを特徴とする請求項５記載の電気車制御装置。
【請求項７】電動機負荷と並列にスイッチと放電抵抗との直列接続体を接続し、車両の制動時において蓄電装置の電圧が所定の設定値を越えたとき上記スイッチをオンにして上記電動機負荷からの回生電力を上記放電抵抗に分流させるようにしたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電気車制御装置。
【請求項８】車両の制動時において蓄電装置の電圧が所定の設定値を越えたとき第１のラインスイッチをオンにして電動機負荷からの回生電力を饋電回路に分流させるようにしたことを特徴とする請求項１ないし３、５または６のいずれかに記載の電気車制御装置。
【請求項９】電動機負荷は、直流電力と可変電圧可変周波数の交流電力との相互変換を行うインバータおよびこのインバータに接続された交流電動機からなることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の電気車制御装置。
【請求項１０】直流電源とコンデンサからなる蓄電装置との間で直流電力を双方向に変換するＤＣ／ＤＣコンバータであって、正極側が上記直流電源の正極側に接続された第１のスイッチング素子、この第１のスイッチング素子と逆並列に接続された第１のダイオード、正極側が上記第１のスイッチング素子の負極側に接続され負極側が上記直流電源の負極側に接続された第２のスイッチング素子、上記第２のスイッチング素子と逆並列に接続された第２のダイオード、および上記蓄電装置と直列にして上記第２のスイッチング素子の両極間に接続されたリアクトルを備え、上記第２のスイッチング素子をオフとし上記第１のスイッチング素子をオンオフ制御することにより上記直流電源から蓄電装置に電力を変換し、上記第１のスイッチング素子をオフとし上記第２のスイッチング素子をオンオフ制御することにより上記蓄電装置から直流電源に電力を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１１】直流電源の両極を給電端子の両極とみなすことにより、請求項５または６に記載のＤＣ／ＤＣコンバータとして請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣコンバータを適用したことを特徴とする電気車制御装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、電気車においてその供給饋電電圧の変動を抑制することができる電気車制御装置、およびこれに使用するＤＣ／ＤＣコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電気車に電力を供給する饋電回路の饋電電圧は、当該電気車の計画走行特性を発揮させるため、その電圧変動を許容範囲に収める必要があり、このため、従来から各種の電圧降下対策が採用されている。この対策は、直流饋電系統と交流饋電系統とでは異なるが、基本的には、饋電変電所から電気車のパンタグラフまでの電圧降下を少なくするため、例えば、饋電線の抵抗やリアクタンス降下を低減すること、また、変電所間隔が長い場合には中間に饋電区分所を設け電気車に並列饋電すること等の方式が採用される。
【０００３】ところで、饋電変電所の負荷になる列車は、力行、惰行、制動とその運転形態に応じて電力を消費、また回生し、これに伴って饋電電圧を大きく変動させる。また、この饋電電圧の変動は、列車位置によりその饋電線抵抗やリアクタンスが異なり饋電変電所から遠方になるほど電圧変動が大きくなる。更に、饋電区間内に同時に走行する列車の本数や編成車両数によっても負荷消費電力が大幅に異なる。また、各列車の相互位置と運転状況により消費電力が同時に重なったり、回生電力を消費する列車が他に在線しないと饋電電圧は上昇して回生失弧する等して饋電電圧は大幅に変動する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、電気車はその運転形態の変化によりそれ自体負荷変動が大きいという特性を有し、また、列車密度や編成規模に応じて変電所が電力を供給すべき電気車の数量も大幅に変動する。このため、饋電電圧の変動を、従来のように、地上の饋電回路側における電圧降下対策で補償するとすると、その要求仕様が時として過大となり、電圧変動補償が不完全なものとなって電気車の計画走行特性が確保できなかったり、対策のための設備費用が膨大になるという問題点があった。
【０００５】この発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、変電所から見た電気車自体の負荷変動を抑制し、これにより饋電電圧を安定させ電気車の計画走行特性の発揮を実現することができる電気車制御装置およびこれに使用するＤＣ／ＤＣコンバータを得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明に係る電気車制御装置は、集電手段を介して地上の饋電回路と接続される両極の給電端子、この給電端子間に接続され車両駆動用の電動機負荷を有する主回路、および上記電動機負荷を制御して車両の力行、制動を行う制御手段を備えた電気車制御装置において、上記主回路にコンデンサからなる蓄電装置を備え、上記車両の制動時に上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時、上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供給するようにしたものである。
【０００７】また、この発明に係る電気車制御装置は、その給電端子間に互いに直列に第１のラインスイッチおよび蓄電装置を接続し、上記蓄電装置の両極間に電動機負荷を接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイッチをオフにして上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置の電圧が所定の設定値より低下すると上記第１のラインスイッチをオンにして饋電回路からの電力を上記電動機負荷に供給するようにしたものである。
【０００８】また、この発明に係る電気車制御装置は、その蓄電装置と直列に、第２のラインスイッチと限流抵抗との並列接続体を接続し、給電端子間の電圧Ｖｐが蓄電装置の電圧Ｖｃより大のときに第１のラインスイッチをオンする場合、上記第２のラインスイッチをオフした状態で上記第１のラインスイッチをオンし、Ｖｐ＝Ｖｃとなった後上記第２のラインスイッチをオンするようにしたものである。
【０００９】また、この発明に係る電気車制御装置は、その給電端子間に互いに直列に第１のラインスイッチおよび第３のラインスイッチを接続し、上記第３のラインスイッチの両極間に、電動機負荷および蓄電装置と上記電動機負荷の方向へ通流可能なダイオードとの並列接続体を直列にして接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイッチをオフ、第３のラインスイッチをオンにして上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記第１のラインスイッチをオン、第３のラインスイッチをオフにして饋電回路からの電力に上記蓄電装置からの放電電力を加算して上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置が電力を放出した後は上記ダイオードを経て上記饋電回路の電力を上記電動機負荷に供給するようにしたものである。
【００１０】また、この発明に係る電気車制御装置は、可逆変換可能なＤＣ／ＤＣコンバータの１次側と第１のラインスイッチとを互いに直列にして給電端子間に接続し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に蓄電装置を接続し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側に電動機負荷を接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイッチをオフにして上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置が電力を放出した後は上記第１のラインスイッチをオンにして饋電回路からの電力を上記電動機負荷に供給するようにしたものである。
【００１１】また、この発明に係る電気車制御装置は、車両の運転情報や路線情報等の車両情報を入手する手段を備え、蓄電装置の利用率が増大するよう上記車両情報に基づきＤＣ／ＤＣコンバータによる上記蓄電装置の充放電動作を制御するようにしたものである。
【００１２】また、この発明に係る電気車制御装置は、その電動機負荷と並列にスイッチと放電抵抗との直列接続体を接続し、車両の制動時において蓄電装置の電圧が所定の設定値を越えたとき上記スイッチをオンにして上記電動機負荷からの回生電力を上記放電抵抗に分流させるようにしたものである。
【００１３】また、この発明に係る電気車制御装置は、その車両の制動時において蓄電装置の電圧が所定の設定値を越えたとき第１のラインスイッチをオンにして電動機負荷からの回生電力を饋電回路に分流させるようにしたものである。
【００１４】また、この発明に係る電気車制御装置の電動機負荷は、直流電力と可変電圧可変周波数の交流電力との相互変換を行うインバータおよびこのインバータに接続された交流電動機からなるものである。
【００１５】また、この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源とコンデンサからなる蓄電装置との間で直流電力を双方向に変換するＤＣ／ＤＣコンバータであって、正極側が上記直流電源の正極側に接続された第１のスイッチング素子、この第１のスイッチング素子と逆並列に接続された第１のダイオード、正極側が上記第１のスイッチング素子の負極側に接続され負極側が上記直流電源の負極側に接続された第２のスイッチング素子、上記第２のスイッチング素子と逆並列に接続された第２のダイオード、および上記蓄電装置と直列にして上記第２のスイッチング素子の両極間に接続されたリアクトルを備え、上記第２のスイッチング素子をオフとし上記第１のスイッチング素子をオンオフ制御することにより上記直流電源から蓄電装置に電力を変換し、上記第１のスイッチング素子をオフとし上記第２のスイッチング素子をオンオフ制御することにより上記蓄電装置から直流電源に電力を変換するものであり、また、この発明に係る電気車制御装置は、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して蓄電装置の充放電を行うようにしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１における電気車制御装置で、特にその主回路構成を示す図である。ここでは直流給電方式で説明している。図において、１および２は直流饋電回路を構成するそれぞれ架線およびレールである帰線、Ｐ、Ｎは集電手段であるパンタグラフ３およびスリップリング（図示せず）を介して架線１および帰線２に接続される給電端子、４は第１のラインスイッチ（Ｌｓ１）、５は大容量の電気二重層コンデンサからなる蓄電装置、６はアーススイッチ（Ｇｓｗ）で、通常閉路されている。７は直流電力と可変電圧可変周波数の３相交流電力との相互変換を行うインバータ、８はこのインバータ７の出力により回転駆動される誘導電動機（ＩＭ）である。９および１０は互いに直列となってインバータ７の直流側端子間に接続された放電抵抗（Ｒｅ）およびサイリスタスイッチ（Ｔｈ）である。
【００１７】図２はインバータ７の内部構成例で、サイリスタやＧＴＯ素子（Ｔｈ１～Ｔｈ６）とダイオード（Ｄｄ１～Ｄｄ６）とを逆並列接続して３相インバータ回路を構成し、力行時には直流電源Ｂｔ（実際は蓄電装置５または給電端子Ｐ、Ｎ）からの電力をＰＷＭ方式でＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）制御して誘導電動機８に供給し速度制御がなされる。制動時には誘導電動機８を発電機として動作させその電圧、電流を制御して電源側へ電力を回生することができる。
【００１８】図３はスイッチング素子に電界効果形トランジスタ（Ｔｒ１～Ｔｒ６）を使用してＰＷＭ３相インバータ回路を構成したものである。
【００１９】次に動作について説明する。図４は列車の運転形態に応じたラインスイッチＬｓ１の動作と蓄電装置５の電圧の変化を示す。なお、説明の便宜上、ここでは、架線電圧Ｖｐは標準値１５００Ｖ一定と仮定し、この架線電圧Ｖｐが変化することについては、次の実施の形態の説明で触れることにする。
【００２０】図４において、時間ｔ０までは列車は惰行状態で、蓄電装置５は架線電圧Ｖｐ＝１５００Ｖに充電されているものとする。この時間ｔ０で列車が制動状態に入ると、ここでラインスイッチＬｓ１をオフとし、誘導電動機８の運動エネルギーをインバータ７で回生し、その回生電力により蓄電装置５を充電する。この充電量により蓄電装置５の電圧は１５００Ｖから上昇し、この上昇分は列車の回生電力量に相当する値に達する（時間ｔ１）。次にこの時間ｔ１から列車が力行に入ると、蓄電装置５が直流電源となってインバータ７が交流電力に変換し誘導電動機８を回転駆動する。
【００２１】蓄電装置５の放電が続き、その電圧が架線電圧Ｖｐ＝１５００Ｖまで低下すると（時間ｔ２）、それ以上の放電電力は取り出せないので、更に力行を継続したい場合は、この時間ｔ２でラインスイッチＬｓ１をオンにする。これにより、誘導電動機８を駆動する電力は主として架線１から導入されることになるが、蓄電装置５の内部抵抗と饋電回路の抵抗との比に応じて蓄電装置５からも一部電流が供給される。なお、この点については更に後述する。時間ｔ３で惰行状態になった後は、先の説明と同様の動作を繰り返すことになる。
【００２２】図５は、図４において、ラインスイッチＬｓ１をオンした時間ｔ２以降における等価回路を示すもので、以下、この図により、当該時点における地上の饋電回路側から見た列車負荷変動抑止効果について説明する。同図において、饋電変電所は、電圧源Ｅｓ、ダイオードＤｄ、内部抵抗Ｒｓで模擬し、饋電線抵抗はＲｒ、列車蓄電装置は電圧源Ｅｃと内部抵抗Ｒｃ、列車負荷はＲｔでそれぞれ表現している。そして、饋電回路からの電流をＩ１、蓄電装置からの電流をＩ２、負荷の電流をＩ３、負荷の印加電圧（架線電圧に相当する）をＶｐとすると、以下の（１）～（３）式が成立する。
Ｖｐ＝Ｅｓ－（Ｒｓ＋Ｒｒ）・Ｉ１・・・（１）
Ｖｐ＝Ｅｃ－Ｒｃ・Ｉ２・・・（２）
Ｉ１＋Ｉ２＝Ｉ３・・・（３）
【００２３】以上の３式から電流Ｉ１とＩ３との関係は（４）式で求められる。
Ｉ１＝{Ｒｃ/(Ｒｓ＋Ｒｒ＋Ｒｃ)}・Ｉ３－(Ｅｃ－Ｅｓ)/(Ｒｓ＋Ｒｒ＋Ｒｃ) ・・・（４）
（４）式第２項は、蓄電装置の電圧Ｅｃが饋電回路電圧Ｅｓより高い場合にその電圧差に応じて得られる電流減量分であるが、この電圧差が零、即ち、Ｅｃ＝Ｅｓの場合にも、（４）式第１項の係数Ｒｃ／（Ｒｓ＋Ｒｒ＋Ｒｃ）は１より小であるからＩ１＜Ｉ３が成立する。即ち、蓄電装置による補償がない場合は、Ｉ１＝Ｉ３であるから、この蓄電装置の設置により、饋電回路から流入する電流Ｉ１が減少し、従って、架線電圧Ｖｐの変動が抑制されることになる。
【００２４】図６は図１の電気車制御装置を適用した場合の饋電回路の電流を従来と比較して示したタイミングチャートである。同図（ａ）は従来の場合の電流値、（ｂ）はこの発明における電流値、（ｃ）は列車の速度と走行状態を示す。先ず、力行時は、従来は力行のためのエネルギーがそのまま饋電回路から供給されるので、同図（ａ）のように電流がその全過程で立ち上がるが、この発明による（ｂ）では、一点鎖線で示すように、先ず、充電された蓄電装置５の放電電力により誘導電動機８が駆動され饋電回路からの電流は流れない。蓄電装置５の電圧が降下し、架線電圧Ｖｐと同程度になると、ラインスイッチＬｓ１をオンにするので、この時点から饋電回路の電流が立ち上がる。以上のように、列車の回生電力を蓄電装置５に充電し、再力行時にその蓄電電力を有効に利用するので、エネルギー効率が増大するとともに、饋電回路から見た負荷電流も短時間小規模なものに減少して、電圧変動が抑制されるという効果がある。
【００２５】次に、列車の制動時は、従来（ａ）の場合は回生電流が饋電回路に流出するのに対し、本発明（ｂ）では、回生電力は蓄電装置５に吸収され饋電回路側へは流出しない。従って、一般に歪波である回生電流が流れて高周波や誘導障害を発生するという不具合が起こらない。特に、軌道回路を使用する信号設備への障害が軽減されるという効果がある。また、通常、列車の回生制動は、その回生電力を有効に消費する、力行状態の他の列車の存在が前提で動作するものである。そして、このように、他の列車の存在は確率的なものであり、この点で、饋電回路への回生による制動動作には不安定性が残る。しかし、この発明では、蓄電装置５を設けて回生電力を吸収するので、安定した回生制動動作が確実に得られるという利点がある。
【００２６】なお、以上の説明では、回生時のエネルギーをすべて蓄電装置５の充電エネルギーで吸収するものとしたが、現実的には、この方式は必ずしも得策でない場合がある。即ち、蓄電装置５は車両に搭載するものであるので、その重量、容積には制約がある。従って、特殊な路線条件、例えば、長い下り勾配路線で回生制動による抑速運転を続ける場合等を考慮すると、あらゆる運転条件での回生電力をすべて蓄電装置５で吸収する構成とすることは必ずしも経済的でない。そこで、図１に示す放電抵抗ＲｅおよびサイリスタスイッチＴｈを設け、回生電力による充電が進み蓄電装置５の電圧が、その容量で定まる所定の設定値を越えたときは、これを検出してサイリスタスイッチＴｈをオンして放電抵抗Ｒｅを投入し、インバータ７からの回生電流をこの放電抵抗Ｒｅに分流することにより、蓄電装置５を合理的な容量の範囲に設定しつつ、かつ回生制動を安定に作用させることができる。
【００２７】なお、蓄電装置を車上に設置して電圧補償を行うこの発明の方式は、地上に設置する従来の方式と比較すると、例えば、列車の走行密度が低い線区では、線区の全区間に分散して設ける必要がある地上設置方式より経済的となる。また、特定の列車のみが回生制御装置を有している場合や、編成両数が大きく消費電力が大きい列車等では回生電力の有効利用のため、また饋電線負荷の軽減のために車上に蓄電装置を設けるこの発明による方式が特に経済性で優れている。
【００２８】実施の形態２．図７はこの発明の実施の形態２における電気車制御装置の主回路構成を示す図である。ここでは、架線電圧の変動を考慮するとともに、蓄電装置５を大きな突入電流を発生することなく初期充電できる対策を採用した回路について説明する。以下、図７の構成を、図１の回路と異なる点を中心に説明する。１１および１２は蓄電装置５と直列にして給電端子Ｐ、Ｎ間に接続された第２のラインスイッチ（Ｌｓ２）および限流抵抗（Ｒｅ１）である。１３、１４および１５は、それぞれ、給電端子Ｐ、Ｎ間の電圧、従って架線電圧Ｖｐを検出する電圧検出器（ＤＣＰＴ１）、蓄電装置５の電圧Ｖｃを検出する電圧検出器（ＤＣＰＴ２）およびインバータ７の直流側電圧Ｖｄを検出する電圧検出器（ＤＣＰＴ３）である。
【００２９】次に、初期充電を含む各ラインスイッチＬｓ１、Ｌｓ２の動作を図８のフローチャートに基づき説明する。スタートで初期設定としてラインスイッチＬｓ１、Ｌｓ２を共にオフとする（ステップＳ１）。次に、電圧検出器ＤＣＰＴ１とＤＣＰＴ２との出力からステップＳ２でＶｃ＜Ｖｐ？を判断し、ＹＥＳであれば蓄電装置５の初期充電が必要となる。力行または惰行の状態にあるときに（ステップＳ３でＹＥＳ）、ラインスイッチＬｓ１をオン、Ｌｓ２をオフにする（ステップＳ４）。これにより、架線１－パンタグラフＰｔ－ラインスイッチＬｓ１－限流抵抗Ｒｅ１－蓄電装置Ｃ－アーススイッチＧｓｗ－帰線２のルートが形成され、蓄電装置は架線電圧Ｖｐに対して限流抵抗Ｒｅ１で電流が制限された状態で初期充電される。蓄電装置が充電されその電圧Ｖｃが上昇し、Ｖｃ＜Ｖｐの条件が成立しなくなれば（ステップＳ２でＮＯ）、ラインスイッチＬｓ１をオフ、Ｌｓ２をオンにし（ステップＳ５）、限流抵抗Ｒｅ１を短絡して初期充電を完了し（ステップＳ６）、本来の列車運転に移行する（ステップＳ７）。なお、ステップＳ３でＮＯ（制動）の場合は、ラインスイッチＬｓ１をオフのままにとどめる（ステップＳ８）。
【００３０】列車運転に入り、運転状態が制動になれば、ラインスイッチＬｓ１をオフとしてインバータ７からの回生電力により蓄電装置が充電される。蓄電装置は予め架線電圧Ｖｐ（ＤＣ１５００Ｖ程度）に初期充電されているので、回生電力による充電動作により蓄電装置の電圧Ｖｃは更に上昇する。インバータ７の電圧Ｖｄがその上限値（ＤＣ１９００Ｖ程度）を越えると、電圧検出器ＤＣＰＴ３がこれを検知してサイリスタスイッチＴｈをオンさせ放電抵抗Ｒｅ２に分流させることで、電圧上昇を抑えるとともに安定した回生制動動作が得られる。
【００３１】続いて、列車運転が力行状態になれば、蓄電装置電圧Ｖｃと架線電圧Ｖｐとが比較され、Ｖｃ＞Ｖｐの場合はラインスイッチＬｓ１はオフされ、蓄電装置の電荷は誘導電動機８の駆動に消費されて蓄電装置電圧Ｖｃは降下する。この電圧Ｖｃが更に降下してＶｃ＜Ｖｐが成立するとラインスイッチＬｓ１をオンにして架線電圧からインバータ７へ給電する。
【００３２】以上のように、この実施の形態においては、蓄電装置の充放電制御のため蓄電装置電圧Ｖｃと比較すべき対象を架線電圧の標準値１５００Ｖとするのではなく、列車密度等で常に変動する架線電圧Ｖｐとしたので、ラインスイッチＬｓ１のオン時の突入電流を抑えることができる。また、初期充電時も必要な限流手段を確実に適用することができる。
【００３３】逆に、上述した比較対象の電圧を、架線電圧Ｖｐではなく、例えば、ＤＣ１５００ＶまたＤＣ１４００Ｖとした場合は、ラインスイッチＬｓ１投入時点における架線電圧Ｖｐと蓄電装置電圧Ｖｃとの差電圧に応じた突入電流が流れることになる。もっとも、ラインスイッチＬｓ１のオン動作とラインスイッチＬｓ２のオフ／オン動作を常に連動させることにより、上記突入電流を低減することができる。
【００３４】実施の形態３．図９はこの発明の実施の形態３における電気車制御装置の主回路構成を示す図である。ここでは、利用効率の高い蓄電装置の接続構成を採用している。以下、図１の回路と異なる部分を中心に説明する。図９において、１６はラインスイッチＬｓ１と直列にして給電端子Ｐ、Ｎ間に接続された第３のラインスイッチＬｓ３で、ここでは、蓄電装置（Ｃ）５はこのラインスイッチＬｓ１とＬｓ３との接続点とインバータ７の正極端子との間に直列に接続されている。１７は蓄電装置５と並列に図示の向きの極性が接続されたダイオード（Ｄｄ）である。
【００３５】次に動作を図１０を参照して説明する。列車が力行状態に入ると、ラインスイッチＬｓ１をオン、Ｌｓ３をオフにする。蓄電装置５が後述する制動時の回生電力で充電されていると、架線電圧Ｖｐにこの蓄電装置電圧Ｖｃが加算されてインバータ７に供給され誘導電動機８が駆動される。蓄電装置５の電荷が放出されてしまうと、ダイオードＤｄが通電し、以降、架線電圧Ｖｐがインバータ７に供給される。
【００３６】列車が制動状態に入ると、ラインスイッチＬｓ１をオフ、Ｌｓ３をオンとしてインバータ７からの回生電力により蓄電装置５を充電する。この充電動作で蓄電装置電圧Ｖｃが上昇し、その容量で定まる所定の設定値を越えるとサイリスタスイッチＴｈをオンして回生電流を放電抵抗Ｒｅに分流させ電圧上昇を抑えて回生制動の安定化を図る点は先の形態例と同様である。
【００３７】先の形態例の場合、インバータの制御可能な電圧上限値を例えば、ＤＣ１９００Ｖとすると、蓄電装置は最大このＤＣ１９００Ｖまで充電する機能を持たせたものとするが、その蓄電電力は架線電圧Ｖｐの標準値ＤＣ１５００Ｖに近い値までの放電電力しか利用できず利用効率が低いという欠点がある。
【００３８】これに対し、実施の形態３の回路構成においては、制動時に例えば、ＤＣ４００Ｖ（インバータの最大電圧ＤＣ１９００Ｖ－架線標準電圧ＤＣ１５００Ｖ）まで充電された蓄電装置５の電荷は、力行時、架線電圧ＤＣ１５００Ｖに加算され、ＤＣ１９００Ｖの直流電源としてインバータ７に供給され誘導電動機８が駆動される。そして、力行状態が続くと、やがて、蓄電装置５の電荷はすべて放出され、以後ダイオードＤｄを経て架線からの給電が継続される。即ち、蓄電装置５は充電した電荷を全量利用することができ、利用効率が極めて高くなるという利点がある。
【００３９】実施の形態４．図１１はこの発明の実施の形態４における電気車制御装置の主回路構成を示す図である。ここでは、双方向に直流電力を変換可能なＤＣ／ＤＣコンバータ１８を介して蓄電装置５を接続している。図１２は、列車の運転状態に対する蓄電装置電圧の変化を示すタイミングチャートである。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を適切に制御することにより、蓄電装置５の充電電圧は架線電圧やインバータの回生電圧との高低差の制約を受けないので、力行、惰行、制動の列車運転状態に合わせて充放電動作が自由に制御できる。
【００４０】これに伴う利点を列挙すると以下の通りである。
（１）蓄電装置に、制動時の回生電力を有効に充電し、力行時にその充電電力のすべてを放出して駆動エネルギーに利用できるので、列車の消費電力が低減するとともに、蓄電装置の利用効率が向上する。
（２）蓄電装置の電圧定格を自由に設定できるので、一般にその電圧仕様が低い大容量電気二重層コンデンサの適用が容易となる。
（３）車上に車両の運転情報や路線情報等の車両情報を入力する手段を備え、この車両情報に基づきＤＣ／ＤＣコンバータを制御することにより、例えば、路線の上り勾配が続く特定の区間で蓄電装置の蓄電電力を有効に利用するようにしたり、また、下り勾配が続く特定の区間では、その手前で蓄電装置を完全な放電状態として当該区間における回生電力を最大限吸収できる条件を確保するなど、蓄電装置の利用率の向上を図ることができる。
（４）蓄電装置とＤＣ／ＤＣコンバータとの組み合わせ制御により、架線電圧変動範囲を抑制し、誘導電動機を制御するインバータの電圧制御範囲を狭くして動作を安定化させるとともに電力変換効率を上げることができる。
【００４１】実施の形態５．ここでは、実施の形態４（図１１）で使用するＤＣ／ＤＣコンバータの具体的な回路構成例について説明する。図１３において、Ｔｒ１、Ｔｒ２はオンオフを繰り返すことができる、ＩＧＢＴや電界効果形パワートランジスタ等の第１および第２のスイッチング素子、Ｄｄ１、Ｄｄ２はそれぞれＴｒ１、Ｔｒ２と各並列に接続されたダイオード、Ｂｔは直流電源、Ｌ１、Ｃ１は平滑フィルタを構成するリアクトル、コンデンサ、Ｃ２は電気二重層コンデンサや大容量電解コンデンサ等の蓄電装置、Ｌ２はリアクトルである。
【００４２】この内、Ｔｒ１、Ｌ２、Ｃ２、Ｄｄ２はＢｔからＣ２に充電するためのチョッパー回路を形成し、Ｔｒ２、Ｌ２、Ｃ２、Ｄｄ１はＣ２からＢｔに逆充電するためのチョッパー回路を形成している。そして、このＤＣ／ＤＣコンバータを先の図１１の回路に適用する場合は、直流電源Ｂｔの両極が、図１１のラインスイッチＬｓ１とアーススイッチＧｓｗとの間に位置する関係となるよう設置する。
【００４３】次に動作について説明する。電圧の高い電源Ｂｔから電圧の低い蓄電装置Ｃ２への充電は、Ｔｒ２がオフの状態でＴｒ１をオンオフして行われる。即ち、図１４に示すように、Ｔｒ１がオンの期間Ｂｔ－Ｌ１－Ｔｒ１－Ｌ２－Ｃ２－Ｂｔの回路で電流Ｉｘが流れ電流が規定の上限値Ｉｕに達すればＴｒ１をオフする。電流ＩｘはリアクトルＬ２に貯えられたエネルギーでＬ２－Ｃ２－Ｄｄ２－Ｌ２の回路で減衰し、電流Ｉｘが規定の下限値Ｉｄになれば、再びＴｒ１をオンする。以上のように電流ＩｘをＩｕとＩｄの間の電流値に保ちＢｔからＣ２への充電ができる。
【００４４】また逆に、電圧の低い蓄電装置Ｃ２から電圧の高い電源Ｂｔへの充電は、Ｔｒ１がオフの状態でＴｒ２をオンオフして行われる。即ち、図１５に示すように、Ｔｒ２がオンするとＣ２－Ｌ２－Ｔｒ２－Ｃ２の回路で充電された電荷が放電され、電流Ｉｘが上昇して規定の上限値Ｉｕに達すればＴｒ２をオフする。すると、リアクトルＬ２に貯えられたエネルギーで電圧が上昇してＬ２－Ｄｄ１－Ｌ１－Ｂｔ－Ｃ２－Ｌ２の回路で電流Ｉｘが持続して流れ、これが減衰して規定の下限値Ｉｄになれば再びＴｒ２をオンする。このようにしてＣ２からＢｔへの逆充電が行われる。
【００４５】即ち、電源Ｂｔと蓄電装置Ｃ２との間での充放電は、以上で述べたＴｒ１、Ｔｒ２のスイッチング動作による電流制御により、主回路をスイッチ等で切り換えることなく直接行うことができる。更に、電源Ｂｔの電圧と蓄電装置の電圧を検出し、電源Ｂｔ電圧が所定の設定値（例えばＤＣ１５００Ｖ）になるまで蓄電装置Ｃ２から電源Ｂｔに電流を供給すれば、先の図１１の回路における力行制御電圧をＤＣ１５００Ｖに保つことができる。また、蓄電装置Ｃ２の電圧が所定の設定値（例えばＤＣ６００Ｖ）になるまで電源Ｂｔから蓄電装置Ｃ２に電流を供給すれば蓄電装置Ｃ２を一定のＤＣ６００Ｖで充電することができる。以上のように、蓄電装置の電圧を力行時に都合のよい値に保つこともでき、また、回生電力を蓄電装置の最大許容電圧まで充電しておくこともできる。
【００４６】実施の形態６．ここでは、この発明に関連して更に採り得る変形例のいくつかについて簡単に説明する。
（１）上述した各形態例では、列車の制動時、回生電力を蓄電装置の充電動作で吸収し、その電圧が設定値を越えたときはサイリスタスイッチをオンして放電抵抗に分流する方式としたが、この電圧が設定値が越えたときは、ラインスイッチＬｓ１をオンにして饋電回路側へ回生する方式としてもよい。流出する回生電流による高調波等は例えば高調波フィルタを設置して除去する等の対策の必要はあるが、放電抵抗が不要となり、またその分流による電力損失が軽減される利点がある。
【００４７】既述した通り、ＤＣ１５００Ｖを定格とするインバータは、通常、直流電圧は最高ＤＣ１９００Ｖ程度から最低ＤＣ１０００Ｖ程度までの範囲で制御可能であるので、回生電力を車上のみで処理する場合は、この電圧範囲内で回生制御が可能であるが、上述したように、饋電回路側へ回生する場合は、通常の架線電圧変動範囲、即ち、饋電変電所の送り出し電圧ＤＣ１６５０Ｖ（標準＋１０％）から線路端における許容下限電圧ＤＣ１１２５Ｖ（標準－２５％）までの範囲で制御する必要がある。
【００４８】（２）また、各形態例では、いずれも直流饋電方式に適用した場合について説明したが、交流饋電方式においても、車両に設けたコンバータとインバータとの間の直流回路に蓄電装置を接続することにより、上述形態例と同様に適用でき同等の効果を奏する。
（３）また、電動機負荷としては、インバータで誘導電動機を駆動する方式に限られるものではなく、例えば、チョッパー制御装置により直流電動機を駆動する方式等であってもよいことは勿論である。
（４）更に、図１３で説明したＤＣ／ＤＣコンバータは、その双方向変換が簡便円滑になし得るという特性を活用して、上述した適用例以外の分野に利用することもできる。
【００４９】
【発明の効果】以上のように、この発明に係る電気車制御装置は、集電手段を介して地上の饋電回路と接続される両極の給電端子、この給電端子間に接続され車両駆動用の電動機負荷を有する主回路、および上記電動機負荷を制御して車両の力行、制動を行う制御手段を備えた電気車制御装置において、上記主回路にコンデンサからなる蓄電装置を備え、上記車両の制動時に上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時、上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供給するようにしたので、饋電回路から見た電気車自体の負荷変動が抑制され、饋電電圧が安定し電気車の計画走行特性が発揮される。
【００５０】また、この発明に係る電気車制御装置は、その給電端子間に互いに直列に第１のラインスイッチおよび蓄電装置を接続し、上記蓄電装置の両極間に電動機負荷を接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイッチをオフにして上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置の電圧が所定の設定値より低下すると上記第１のラインスイッチをオンにして饋電回路からの電力を上記電動機負荷に供給するようにしたので、簡単な構成で制動、力行時の蓄電装置の充放電の動作が確実になされる。
【００５１】また、この発明に係る電気車制御装置は、その蓄電装置と直列に、第２のラインスイッチと限流抵抗との並列接続体を接続し、給電端子間の電圧Ｖｐが蓄電装置の電圧Ｖｃより大のときに第１のラインスイッチをオンする場合、上記第２のラインスイッチをオフした状態で上記第１のラインスイッチをオンし、Ｖｐ＝Ｖｃとなった後上記第２のラインスイッチをオンするようにしたので、蓄電装置充電時の突入電流が確実に抑制される。
【００５２】また、この発明に係る電気車制御装置は、その給電端子間に互いに直列に第１のラインスイッチおよび第３のラインスイッチを接続し、上記第３のラインスイッチの両極間に、電動機負荷および蓄電装置と上記電動機負荷の方向へ通流可能なダイオードとの並列接続体を直列にして接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイッチをオフ、第３のラインスイッチをオンにして上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記第１のラインスイッチをオン、第３のラインスイッチをオフにして饋電回路からの電力に上記蓄電装置からの放電電力を加算して上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置が電力を放出した後は上記ダイオードを経て上記饋電回路の電力を上記電動機負荷に供給するようにしたので、簡単な構成で制動、力行時の蓄電装置の充放電の動作が確実になされ、蓄電装置の高い利用効率が達成される。
【００５３】また、この発明に係る電気車制御装置は、可逆変換可能なＤＣ／ＤＣコンバータの１次側と第１のラインスイッチとを互いに直列にして給電端子間に接続し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に蓄電装置を接続し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側に電動機負荷を接続し、車両の制動時には上記第１のラインスイッチをオフにして上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記電動機負荷からの回生電力により上記蓄電装置を充電し、上記車両の力行時には、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記蓄電装置からの放電電力を上記電動機負荷に供給し上記蓄電装置が電力を放出した後は上記第１のラインスイッチをオンにして饋電回路からの電力を上記電動機負荷に供給するようにしたので、饋電電圧や電動機負荷の電圧との高低差の制約を受けず、充放電の動作が自由に制御できる。
【００５４】また、この発明に係る電気車制御装置は、その車両の運転情報や路線情報等の車両情報を入手する手段を備え、蓄電装置の利用率が増大するよう上記車両情報に基づきＤＣ／ＤＣコンバータによる上記蓄電装置の充放電動作を制御するようにしたので、蓄電装置の充放電動作を、車両運行時の電力節減等に一層有効なものとすることができる。
【００５５】また、この発明に係る電気車制御装置は、その電動機負荷と並列にスイッチと放電抵抗との直列接続体を接続し、車両の制動時において蓄電装置の電圧が所定の設定値を越えたとき上記スイッチをオンにして上記電動機負荷からの回生電力を上記放電抵抗に分流させるようにしたので、蓄電装置に支障を及ぼすことなく安定した回生制動動作が確保される。
【００５６】また、この発明に係る電気車制御装置は、車両の制動時において蓄電装置の電圧が所定の設定値を越えたとき第１のラインスイッチをオンにして電動機負荷からの回生電力を饋電回路に分流させるようにしたので、蓄電装置に支障を及ぼすことなく、回生制動動作を保つことができる。
【００５７】また、この発明に係る電気車制御装置の電動機負荷は、直流電力と可変電圧可変周波数の交流電力との相互変換を行うインバータおよびこのインバータに接続された交流電動機からなるので、車両の制動、力行による蓄電装置の充放電動作が円滑になされる。
【００５８】また、この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源とコンデンサからなる蓄電装置との間で直流電力を双方向に変換するＤＣ／ＤＣコンバータであって、正極側が上記直流電源の正極側に接続された第１のスイッチング素子、この第１のスイッチング素子と逆並列に接続された第１のダイオード、正極側が上記第１のスイッチング素子の負極側に接続され負極側が上記直流電源の負極側に接続された第２のスイッチング素子、上記第２のスイッチング素子と逆並列に接続された第２のダイオード、および上記蓄電装置と直列にして上記第２のスイッチング素子の両極間に接続されたリアクトルを備え、上記第２のスイッチング素子をオフとし上記第１のスイッチング素子をオンオフ制御することにより上記直流電源から蓄電装置に電力を変換し、上記第１のスイッチング素子をオフとし上記第２のスイッチング素子をオンオフ制御することにより上記蓄電装置から直流電源に電力を変換するので、直流電源と蓄電装置との間の電力変換が、双方向に連続してなされる。
【００５９】また、この発明に係る電気車制御装置は、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して蓄電装置の充放電を行うようにしたので、充放電の切換、電圧の変換が円滑になされる。

【出願人】	【識別番号】３９００２２４６０【氏名又は名称】株式会社指月電機製作所
【出願日】	平成１１年８月３１日（１９９９．８．３１）
【代理人】	【識別番号】１０００９３５６２【弁理士】【氏名又は名称】児玉俊英
【公開番号】	特開２００１－６９６０４（Ｐ２００１－６９６０４Ａ）
【公開日】	平成１３年３月１６日（２００１．３．１６）
【出願番号】	特願平１１－２４４６２４