| 【発明の名称】 |
電動車両の動力装置及び給電装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】大田 幸雄
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| 【要約】 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車両内に蓄電装置、受電接触器及び受電ダイオードを配し、車両の加速・減速に伴う運動のエネルギ及び登坂・降坂に伴う位置のエネルギを主にその蓄電装置の充・放電で処理し、加速時に消費した蓄電電力の補充と定常走行負荷を受電電力で賄うよう電力制御回路を構成且つ受電接触器を開路した無受電走行で蓄電調整を可能とした、電動車両の動力装置。
【請求項２】 変電所内に蓄電所を配し、変電所の直流出力回路を介して架線に接続し、または変電所間に蓄電所を配して架線に接続し、或いは両者を併設して、車両の加速・減速に伴う運動のエネルギ及び登坂・降坂に伴う位置のエネルギを主に蓄電所の充・放電で処理し、加速時に消費した蓄電電力の補充と定常走行負荷を変電所電力で賄うことを可能とした、電動車両の架線給電装置。
【請求項３】 請求項１の受電ダイオードに側路接触器を配し、その開路で該車両に専用且つ近接運行の非蓄電車の回生電力の吸収に併用し、閉路で近接運行の他の車両の蓄電電力と共用、或いは請求項２の架線給電装置の蓄電電力と混用し、車両の運動及び位置のエネルギを充放電処理することを特徴とする電動車両の給電方式。
【請求項４】 各蓄電要素を、限流ヒューズ付断路器等の自動遮断器を介し、並列接続して蓄電単位を構成し、単一または複数の蓄電単位を、それぞれ平滑リアクトル及び回路遮断器を介して動力単位に、抑制リアクトル及び回路遮断器を介して蓄電均圧線または架線に、それぞれ接続するよう構成した、電動車両の車載及び架線回路の蓄電装置。
【請求項５】 電機子群の一方に運転接触器及び制動接触器を、他方に制御リアクトルを介して還流ダイオード及び主チョッパを配し、それぞれ前者を電源の正極線に、後者を負極線に接続してブリッジ回路を成し且つ電機子群と制御リアクトルとの間に主接触器を、負極線との間にに副接触器を配し、運転接触器及び主接触器の閉路と主チョッパの降圧制御作動による電機子電流制御で定トルク加速し、主接触器を開路し副接触器を閉路して界磁制御の定出力加速の上、軌道勾配に応じ電動牽引・回生抑速の定常走行を行ない、界磁制御の回生制動で定出力減速の上、運転接触器及び副接触器を開路、制動接触器及び主接触器を閉路とともに界磁極性を反転し、主チョッパの昇圧制御作動による電機子電流制御で定トルク減速するよう、関連操作回路を構成した電動車両の電力制御回路。
【請求項６】 請求項５に記載の電力制御回路に加えて、蓄電単位と負極線との間に常時閉、制御リアクトルとの間に常時開の切替接触器を配し、主接触器の開路のまま、蓄電単位の負極側を制御リアクトル側に切替えの上、主チョッパの限流作動により蓄電単位に受電電力で充電するよう関連操作回路を構成した、電動車両の蓄電装置の初・補充電回路。
【請求項７】 請求項５に記載の制御リアクトルと請求項１に記載の受電ダイオードの架線側との間に接触器を配し、主接触器が開路しているときに、該接触器で該リアクトルを受電ダイオードに接続し、主チョッパの昇圧制御作動により、架線より高い電圧で蓄電単位に充電するよう関連操作回路を構成した、電動車両の蓄電装置の増充電回路。
【請求項８】 電機子２個または永久直列電機子２群の直列で全電圧連続定格及び並列で倍電圧短時定格の電動機に、請求項５の電力制御回路により、並列の電機子制御の定トルク域で速度に比例する電機子電圧を、界磁制御の定出力域で速度に反比例する励磁を、それぞれ与えて加速及び減速を行なうこと並びに電機子複数個または複数群の直列で、電機子が全電圧以下の界磁制御域で定常走行することを特徴とする、電動車両の電動機制御方式。
【請求項９】 ２電機子組毎に、或いは、永久直列の電機子各２個を持つ２台車の１動力車毎に、１動力単位を構成し、電動機に２電機子或いは２台車の直列で全電圧連続定格と並列で倍電圧短時定格とを持たせ、動力単位毎に、電機子制御の定トルクの下半域を直列、上半域或いは全域と界磁制御の定出力域を並列で加速・減速し、直列で定常走行、なお、複数組或いは複数動力車の台車の電機子を直列し半電圧や２／３及び１／３電圧の減定格で、直列電機子群毎或いは直列台車群毎の動力単位の電力制御により定常走行するよう構成した、電動車両の電動機回路。
【請求項１０】 主幹制御器の運転操作レバーに加速、力行、切、減速の操作段を配し、加速段及び減速段にそれぞれ複数ノッチを加えて加速度及び減速度を調整可能とし、所定の運転速度に達した時に力行段に戻し定速で定常走行するよう関連操作回路を構成した、動力車両の運転操作機構。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電動客車や電機機関車の如き、電動機で走行する車両（以下、電動車両と呼ぶ）の動力装置及び給電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、鉄道車両の運転は、加速・力行を動力で、減速・制動を各車輪の摩擦ブレーキ（以下、車輪ブレーキと呼ぶ）で行なっており、運行時間効率を高めるため、走行速度を上げるとともに、加速・減速を速やかに行なうよう、車両の軽量化と動力の容量及びブレーキの性能が増強され、電動車両はそれらの性能が最も良いので、幹線や市街・近郊の主要線区に運行されている。
【０００３】電動車両は、電動機の発電機能を利用した発電制動で減速・制動及び降坂抑速が可能であり、また、その発電電力を架線・変電所に返流する回生制動が採用されるに至っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】鉄道の車両は、走行抵抗は小さいが慣性抵抗が大きいので、発進・加速に大きな動力を消費し、その動力で得た車両の運動のエネルギを、減速では車輪ブレーキの摩擦や発電ブレーキの制御抵抗器で熱放散しており、それによるエネルギ損失は、各駅停車の運転では特に大きく、各駅間の運転サイクルの消費エネルギの大半に及び、また、登坂力行では勾配抵抗で大きな動力を要し、その動力で得た位置のエネルギを、降坂抑速では車輪ブレーキや発電制動で熱放散しており、それによるエネルギ損失も、中・急勾配区間ではその区間の消費エネルギの大半に及ぶ。
【０００５】発進・加速時の過負荷や急勾配登坂時の重負荷では、架線の導体抵抗及び変電所の変換回路のインピーダンスでの電圧降下が大きく、特に高密度運行の区間では定格電圧の約２０％に及ぶことがあり、それが架線回路の電力損失として上記のエネルギ損失に加わるとともに、車両の運転特性の低下を招き、また、減速や降坂時の回生制動においても、同様に電力損失となるので、上記の消費エネルギの大半を占める運動・位置のエネルギを効率よく回収するに至っていない。
【０００６】なお、運転サイクルや運行サイクルの大部分を占める平坦路や緩勾配路の定常走行では、電動機や変電所は半負荷や４半負荷の如き著しい軽負荷のため、銅損は小さいが鉄損・励磁や制御等の如き無負荷損失・消費のため、電力効率はかなり低い。
【０００７】最近、電力需給状況の逼迫や発電所立地の制約は勿論、主なエネルギ源を成す石油資源の枯渇や廃棄ガスによる環境汚染・地球温暖化及び原子力発電での核燃料使用後の処理等、地球規模の問題として電力消費の低減が切実に求められ、その大口需要者の電動車両分野も同様である。
【０００８】一般に電動機の特性上、強力な定トルク加速は中速（例えば４０ｋｍ／ｈ）まで、それ以上では、界磁を弱めた垂下トルクと走行抵抗増加のため加速度が急激に低下し加速が長引くので、駅間距離により定常走行の速度とその距離が制限され、平均速度を大きくできない。
【０００９】本発明は、上述の問題に鑑み、電動車両の動力装置及び給電装置の改良により、車両及び架線・変電所の総合電力効率を改善し、電力消費の節減と車両の運転性能の向上を期するものである。
【００１０】
【問題を解決するための手段】上述の問題を解決するために、本発明の電動車両の動力装置及び給電装置においては、車両内と架線回路のいずれかまたは両方に蓄電装置を配し、発進・加速時の過負荷には主に蓄電電力を、定常走行の軽負荷には主に受電電力を当て、減速制動及び降坂抑速では、回生制動で全発電電力を蓄電装置に充電・回収するよう、車両の電力制御装置を構成するものである。
【００１１】上記の機構を実現するために、車両内の動力単位毎に電動機回路の電機子群の一方に運転接触器と制動接触器（または制動ダイオード）を、他方に制御リアクトルを介して還流ダイオードと主チョッパを配し、それぞれ前者を正極線に、後者を負極線に接続してブリッジ回路を成し、なお、電機子群の該リアクトル側と、該リアクトルとの間に主接触器を、負極線との間に副接触器をそれぞれ加えて電力制御回路を構成する。
【００１２】動力単位は、車両毎を標準とし、上記の電力制御回路に受電回路及び蓄電回路を付加し、動力容量が大きい電気機関車では、台車毎に区分、或いは、電力制御素子の単器容量を考慮し、主チョッパ、制御リアクトル及び還流ダイオードを複数組配して多相作動（例えば２相、３相）とし、その動力容量に対応する。
【００１３】主チョッパは、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ）サイリスタ等の高速制御素子を使用して高音周波作動とし、低損失鉄芯と少ない巻数で以て降圧・昇圧制御の直流変圧器作用に充分なリアクタンス（Ω）を持つ制御リアクトルと組合わせ、転流損失や銅損・鉄損を極めて小さく設計し、定トルク加速・減速のための電機子電流制御及び車輪の滑りの再粘着のための電機子電圧制御の両機能を付与する。
【００１４】受電回路には、集電子、高速回路遮断器、受電接触器、ろ波リアクトル及び受電ダイオードとその側路接触器を配し、架線回路に蓄電所を有する区間や近接車両の蓄電装置を共用する区間に入ったとき、該接触器を自動的に投入する操作回路を配する。
【００１５】蓄電要素は、過負荷や重負荷且つ高頻度の急速充放電においても、電力損失や漏洩電流が極めて小さく劣化しない大容量の静電蓄電器（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）が望ましく、各蓄電要素に限流ヒューズ付き断路器等の自動遮断器を配し、その複数組を並列接続して１動力単位に所要の蓄電容量の蓄電単位とし、高速回路遮断器及び平滑リアクトル加えて蓄電回路を構成し、なお、動力容量が大きい電気機関車では、複数の蓄電回路を並列接続し、その動力容量に対応する。
【００１６】上述の蓄電単位と負極線との間に常時閉、該リアクトルの電機子群側との間に常時開の切替接触器を補充電用に配し、また、該リアクトルの電機子群側と受電ダイオードの架線側との間に常時開の接触器を増充電用に配する。
【００１７】電力制御回路の正・負極線間に主平滑コンデンサを、制御リアクトルの電機子群側と負極線との間に副平滑コンデンサを配し、主チョッパの高音周波作動において、制御リアクトルやろ波リアクトルのリアクタンスに見合う容量（μＦ）を持たせる。
【００１８】隣結車両の動力単位の受電、蓄電及び負極の各回路との接続用として、車両内に受電母線、蓄電均圧線及び接地母線を配し、負極線は、車両の受電電力の帰路に充分な容量の車軸接地器を介して、軌道に接地する。
【００１９】蓄電均圧線と蓄電単位との間に、均圧回路遮断器及び尖頭突入電流抑制用リアクトル（以下、抑制リアクトルと呼ぶ）を配し、該リアクトルは、巻線抵抗が極めて小さいものとする。
【００２０】電動機は、界磁制御が容易且つ電動・回生とも同一の電圧極性の直流他励分巻電動機を使用し、動力単位毎に励磁チョッパを配し、電動・回生とも、加速・減速及び定常走行の過負荷限度として走行速度に反比例の励磁電流を与える直巻特性の垂下トルクと、定常走行時に定速制御の励磁電流を与える分巻特性の、励磁制御機能を該チョッパに付与する。
【００２１】なお、過負荷の電機子電流に比例した励磁電流による全界磁直巻過励磁の定トルク域上限と、高速部の弱め界磁直巻特性の垂下トルク域との移行域に、電機子を定電流制御する定出力特性を、励磁チョッパに持たせる。
【００２２】電機子は、２個直列接続で全電圧連続定格（７５０Ｖ主定格）及び並列接続で倍電圧短時定格（１５００Ｖ補定格）を持ち、軸配列２Ｂでは電機子４個直列即ち全直列（半定格）、２個直列の２群並列即ち直並列（主定格）及び４個並列即ち全並列（補定格）の、軸配列３Ｂまたは２Ｃでは、全直列（１／３定格）、３個直列の２群並列即ち３直２並列（２／３定格）、２個直列の３群並列即ち２直３並列（主定格）及び全並列（補定格）の、接続切替接触器を配して電動機回路を構成するを標準とする。
【００２３】電動客車の電動機（例えば１２０ＫＷ）の設計上の都合で電機子主定格電圧が３７５Ｖの場合は、台車毎に電機子２個の永久直列接続で上記の７５０Ｖ主定格を得、例えば２Ｍ２Ｔ編成の永久連結の２Ｍ車で１動力単位を構成して、計４台車の直列（全直列、半定格）、２台車直列の２車並列（直並列、主定格）及び４台車並列（全並列、補定格）とし、或いは、１Ｍ１Ｔ編成で１動力単位を構成して２台車の直列（主定格）及び並列（副定格）とし、必要に応じ、その２或いは３編成を連結して、２Ｍ車（４台車）或いは１．５Ｍ車（３台車）直列及び３Ｍ車（６台車）直列で、減定格（半定格或いは２／３定格及び１／３定格）を得、直列台車群毎に１動力単位で電力制御する、２Ｍ２Ｔ或いは３Ｍ３Ｔの編成を可能にする。
【００２４】電動機の単機容量（例えば４８０ＫＷ）が大きい電気機関車では、電力制御素子の単器容量を考慮し１車両内の動力単位を区分して２電機子毎に配し、電機子２個の直列で主定格及び並列で補定格とし、４電機子直列や３電機子直列及び６電機子直列で上記と同様の減定格を得、直列電機子群毎に１動力単位で電力制御することができる。
【００２５】運転室に、主幹制御器及び制動空気弁並びに速度計や電圧・電流・空気圧等の計器を、関係機構・回路にそれぞれ計器のセンサーを配し、該主幹制御器の運転操作レバーに加速、力行、切、減速の操作段及びその頭部にボタンスイッチを配し、その加速・減速段にはそれぞれ電機子電流調整用の複数ノッチを付加し、なお、受電、蓄電共用、徐行、補充電、増充電等付帯操作に必要なスイッチを配する。
【００２６】受電母線から分岐し、車内低圧交流電源としてインバータ及び変圧器を配して、空気圧縮機や空調機器等の補機及び車内照明に給電し、整流器及び蓄電池を配して、前照・信号・非常灯や運転操作装置に低圧直流を給電する。
【００２７】前述の車載蓄電回路の代わりにまたはそれに加えて、変電所内に蓄電所を配して、変圧整流器の直流出力母線に高速回路遮断器を介して接続し、その直流出力母線から分岐高速回路遮断器を介して両給電区間（単線の場合）或いは両給電区間の上・下線（複線の場合）の各架線に、変圧整流電力とともに給電し、各遮断器には給電架線区分毎に隣設の変電所の遮断器と連動遮断するよう制御線を配する。
【００２８】変電所間に、上記と同様の蓄電所を配し、単線或いは上・下線のそれぞれ架線に高速回路遮断器を介して接続し、各遮断器には、給電架線区分毎に両方の変電所の遮断器と連動遮断するよう制御線を付加する。
【００２９】蓄電所の蓄電単位は、前述の車載のものと同様に構成し、複数の蓄電単位を抑制リアクトル及び均圧回路遮断器を介し並列接続して所要の蓄電容量とし、各蓄電単位の負極側に切替器を配して負極線と限流充電器との切替えを可能し、その限流充電器は前述の電力制御回路と同様の制御用リアクトル、主チョッパ及び還流ダイオードで構成し、複数の蓄電所に移動兼用とするのがよい。
【００３０】車載蓄電装置共用区間や変電所を含む架線回路に蓄電所を持つ区間、即ち蓄電架線区間と従来の非蓄電架線区間との境界部には、車両通過時に集電子の橋絡防止に適当な長さの無電圧架線を挿入する。
【００３１】
【作用】以上述べたように構成した本発明の車両の動力装置及び給電装置の作用を、主に標準的な軸配置２Ｂで４電動機を持つ車両について下記に説明する。
【００３２】［［蓄電装置車載の場合］］ 架線電力は、受電回路を通り電力制御回路で蓄電電力とともに制御して電動機に給電し、負荷に応じ電動作動で車両を牽引し、発電作動で発生する回生電力は、受電ダイオードで阻止されて架線に流出せず、全て蓄電装置に充電・回収しながら車両を制動し、その蓄電電力を次の電動作動での牽引に利用し、なお、近接運行の非蓄電電動車両の回生電力も回収し、架線電力の消費量を大幅に低減する。
【００３３】［電力制御回路］ 運転接触器及び主接触器が閉路して、正極線−電機子群−制御リアクトル−主チョッパ−負極線の回路を形成し（以下、Ａモードと呼ぶ）、主チョッパの降圧制御作動と励磁チョッパの過励磁作動により電機子定電流制御を行ない、緩始動及び定トルク加速し、電機子群電圧が蓄電電圧に達したとき主接触器が開路して制御リアクトル及び主チョッパを切り離し、副接触器が閉路して正極線−電機子群−負極線の回路を形成し（以下、Ｍモードと呼ぶ）電機子群を全電圧とし、励磁チョッパの界磁制御作動で電機子定電流の定出力加速を行ない、所定の運転速度に達した時に分巻特性定速制御に切替え、軌道勾配と速度に応じた負荷の電動・回生作動で定常走行する。
【００３４】励磁チョッパの界磁制御作動で、電機子定電流の定出力減速の回生制動となり、過励磁速度まで下がった時、界磁接触器で界磁極性を反転且つ副接触器が開路、制動接触器及び主接触器が閉路とともに励磁接触器で界磁極性を反転し、負極線−電機子群−制御リアクトル−主チョッパ−負極線の回路を形成し（以下、Ｂモードと呼ぶ）、主チョッパの昇圧制御作動で定トルク制動し、回生電力を還流ダイオードを通じて蓄電装置に充電し、電機子電圧が該リアクトルの電圧降下まで下がると、還流ダイオード電流（以下、還流電流と呼ぶ）がゼロになって発電ブレーキに移行し停止寸前の微速まで減速、充分減速の上、制動接触器及び主接触器を開路して微速惰行し、停車位置において制動空気弁を操作し車輪ブレーキで停止する。
【００３５】主チョッパの矩形波断続作動で、制御リアクトルから発生する誘起電力は、Ａモードでは、還流ダイオード−運転接触器−電機子群の回路に還流して電機子電流を平滑にし、Ｂモードでは、還流ダイオード−平滑コンデンサ−制動接触器−電機子群の回路に還流して電機子電流を平滑にするとともに、平滑リアクトルを経て蓄電単位に充電する。
【００３６】主チョッパの高音周波作動において、その制御素子の転流／通流の時間比が小さく、制御リアクトルは小さいインダクタンス（ｍＨ）で降圧・昇圧とも直流変圧器作動に充分なリアクタンス（Ω）が得られ、加速・減速時の過負荷においても、主チョッパの転流損失及びリアクトルの銅損・鉄損は極めて小さい。
【００３７】［平滑リアクトル・コンデンサ］ 平滑リアクトルは、上記の高音周波作動により、小さいインダクタンス（ｍＨ）で適切なリアクタンス（Ω）が得られ且つ銅損・鉄損は極めて小さく、主平滑コンデンサと共働で、Ａモードでの主チョッパの矩形波断続電流及びＢモードの矩形波還流電流を平滑にして、充・放電電流の脈流による蓄電要素の導体抵抗損失増加を抑え、また、回路遮断器投入時に平滑コンデンサへの過渡尖頭電流を抑え、副平滑コンデンサは、制御リアクトルの高音周波脈流による電動機の銅損・鉄損増加を防ぎ且つ電力制御回路や電動機回路の万一の短絡に対し、該回路遮断器の遮断に際し尖頭突入電流を抑制する。
【００３８】［受電回路］ ろ波リアクトルは、上記と同様に、小さいインダクタンス（ｍＨ）で充分なリアクタンス（Ω）が得られ且つ銅損・鉄損は微小であり、主平滑コンデンサと共働（後述の増充電では、副平滑コンデンサと共働）で、主チョッパと制御リアクトルが為す脈流や電機子の整流子の雑音電流をろ波（Ｆｉｌｔｉｎｇ）し、架線に近接・並行の通信線への誘導障害を防止する。
【００３９】［過渡サージ保護］ 回路短絡等での回路遮断器の遮断や運転操作に伴う接触器の開路の際、各リアクトル及び電機子群が発生する過渡サージエネルギは、主・副平滑コンデンサで消去・抑制し、各チョッパや各ダイオードを保護する。
【００４０】［励磁制御回路］ 励磁チョッパの矩形波断続作動に対し、電動機の分巻界磁巻線の大きなリアクタンスとダイオードの還流作用で、充分平滑な直流の励磁となるので、電動機トルクの脈動なく且つ該チョッパの制御損失は微小である。
【００４１】［電動機回路］ 電動客車では、電機子群はＡモードで、過励磁と全直列で緩始動、直並列で電動加速し、その電動域上限即ち電機子群電圧が蓄電電圧まで加速次第、全並列に切替え、定トルク域上限以上ではＭモードで、副定格の定出力域で加速し、所定の運転速度に達した時直並列の主定格に戻し、弱め界磁直巻垂下トルクを過負荷限度として分巻特性定速制御で高速定常走行し、全並列の副定格の定出力域で回生減速、そのトルク域下限でＢモード・過励磁の定トルク域に切替え、電機子群電圧が電源の半電圧まで減速次第、直並列に切替え、電機子電圧がゼロ近くに達して発電ブレーキに移行し、停止寸前の微速に至る。
【００４２】全並列の副定格で、加速・減速とも電機子定電流制御が簡単且つ強力な定トルク域及び定出力域の界磁が強い部分を高速運転域まで倍増し、電機子銅損及び界磁損失（励磁電力）と共に、高速域では鉄損も過負荷状態になるが、整流及び熱的にも問題なく、加速・減速を強力な電動・回生トルクで直線的或いはそれに近く速やかに行ない、定常走行では直並列の主定格と弱め界磁で、電機子の銅損・鉄損及び界磁損失を協調低減し、軽負荷での電力効率を向上する。
【００４３】なお、運転操作レバーの加速・減速段の複数ノッチ操作で、電機子電流を変えて加速・減速トルクを調整し、列車編成や軌道勾配に応じ適正な加・減速度を得、力行段では運転速度と軌道勾配による負荷に応じて直並列と全直列のいずれかを自動的に選び、中速から最高速に亘る運転速度域において、上記の各損失を協調低減する最適負荷で界磁制御により定常走行する。
【００４４】車輪の粘着性能が重要な電気機関車では、電機子群の全並列のみで加速・減速し、所定の速度で直並列主定格または全直列半定格に戻して定常走行するのがよく、その場合、車輪の滑りでいずれかの電動機が空転・拘束を始めた時、主チョッパの電機子電圧制御機能が働き、電機子電圧の急昇・急降なく、該電動機の電動・回生電流とトルクが急減して該車輪が直ちに再粘着する。
【００４５】高速運転中に短距離急勾配区間に進入した時、運転操作レバーのボタンスイッチを押して電機子群を全並列に進段し、副定格の倍出力全負荷でそのまま高速で短時走破できる。
【００４６】車両毎に２台車の直列で主定格、並列で副定格の電動機群を１動力単位とした電動客車の複数動力単位編成の場合は、動力単位毎に直列・並列で加速・減速し、直列で高速定常走行するは上述のとおり、２車直列で中速或いは１．５車直列及び全３車直列で中・低速の定常走行には、直列台車群毎に１動力単位が当たり、各直列接続において該動力単位の電流債務は同様であり、残る動力単位は発進及び定常走行時の補充電のみを司る。
【００４７】２電機子毎に直列で主定格、並列で副定格のものを１動力単位とし、複数の動力単位を持つ電機機関車の場合は、加速・減速を並列で行ない、直列電機子群毎に１動力単位が当たる他は、上記と同様である。
【００４８】［蓄電回路］ 蓄電要素の大容量蓄電器は、その蓄電原理が静電誘導のため、過負荷を伴う急速充電・放電にも即応し、その高頻度の繰り返しにおいても劣化せず、内部抵抗は対向電極及び引き出し導体の抵抗のみで、短い車両内配線を含む導体抵抗は極めて小さいので、上述の電機子群の全並列副定格による定出力域の加速・減速での過負荷（例えば電機子電流を定格の１．６倍とすれば倍出力で３．２倍）においても、電力損失は極めて小さい。
【００４９】蓄電要素は、上記の即応性や微損失の特性上、万一の内部短絡による突入電流は非常に大きいので、単器容量を局限して発火・爆発を防ぎ、限流ヒューズ付き断路器が速やかに熔断して故障要素を切り離し、他の蓄電要素からの流入を避け且つ他の蓄電要素への故障電流ショックを緩和し、また、蓄電均圧線による隣結車との蓄電単位の共用で蓄電容量の低下率を局限し、運転継続を可能にする。
【００５０】各蓄電単位の抑制リアクトルは、上記の蓄電要素の内部短絡や蓄電均圧線の万一の短絡の際の尖頭突入電流を抑え、均圧回路遮断器の高速遮断とともに蓄電要素の故障電流ショックを緩和し、なお、蓄電単位間において、該回路遮断器の投入時に電圧差による尖頭電流を抑え、常時の均圧横流による電力損失は極めて小さい。
【００５１】［蓄電電圧］ 駅間運転サイクルでは、前サイクルの減速時の全回生電力の充電回収で、蓄電電圧が架線電圧より高くなっているので、発進・加速前期は蓄電電力で賄い、過負荷が大きい加速後期は蓄電電圧が下がって受電電力が加わるが、蓄電回路の導体抵抗が架線回路より著しく小さいので、電動負荷は蓄電電力に偏って架線負荷を低減し、軽負荷の定常走行において受電電力の補充電に移行し、減速時は回生・充電電力を受電ダイオードで阻止され架線は無負荷になり、架線電力は、加速後期から定常走行に山崩し低減され、車両への一方向流となる。
【００５２】勾配路において、登坂牽引では、勾配抵抗負荷を含む定常走行負荷を受電電力で賄うので蓄電電圧は架線からの受電電圧に等しく、降坂抑速では、全回生電力を充電回収するので架線は無負荷、蓄電電圧は架線電圧より高くなり、続く平坦路走行や次の登坂牽引では蓄電電力のみで走行、蓄電電圧が架線電圧まで下がると受電電力での走行に移行し、架線電力は車両への一方向流となり、また、標高差が大きい降坂路の手前で受電接触器を開き、無受電・放電走行して予め蓄電電圧を下げ、降坂終期の蓄電電圧の過昇を抑えるよう蓄電調整ができる。
【００５３】［架線故障対応］ 万一の架線短絡や架線電圧急落あっても、受電ダイオードで電力逆流出を阻止され、車両内各回路の電気的及び電動機の機械的ショックなく、また、架線回路故障で停電あっても、低圧電源回路の蓄電池で前照・信号・非常灯及び通信・運転操作回路が働き、受電接触器を開路し蓄電電力で中速徐行して故障区間外に脱出後、該接触器を再投入し架線・蓄電電圧差状況により下記の補充電の上、正常運転に移行できる。
【００５４】［初・補充電］ 電力制御回路の切替接触器で、蓄電単位を負極線から制御リアクトルに切替え（以下、Ｃ１モードと呼ぶ）、新替え蓄電要素の初充電及び上記の蓄電電力消費や夜間休止中等の自己漏洩放電による蓄電電圧低下分の補充電を、主チョッパで限流しながら行ない、受電開始時の突入充電電流を避ける。
【００５５】［増充電］ Ｍモードで運転中或いは停車中に、増充電接触器で制御リアクトルを受電ダイオードの架線側に接続し（以下、Ｃ２モードと呼ぶ）、主チョッパの昇圧制御作動で、架線電圧より高い電圧で蓄電回路に増充電でき、定常走行が短い場合や架線電圧低下時の補充電不足を補うことができる。
【００５６】［［蓄電架線の場合］］ 上述の車載の蓄電回路の代わりに変電所内に蓄電所を配すれば、変圧整流器で、制動・抑速中の車両が発生する回生電力は交流回路への逆流出せず、架線電圧の急昇なく蓄電所に充電・回収し、加速・力行中の車両に、変圧整流電力とともに給電し、電力消費を大幅に低減する。
【００５７】変電所において、蓄電回路の導体抵抗は変圧整流回路のインピーダンスに比べ著しく小さいので、車両の加速時の過負荷は主に蓄電電力で応じ、加速後期や定常走行の軽負荷時に変圧整流電力に移行し補充電を行なうので、変圧整流回路の負荷は山崩し低減され且つその電力流は一方向となる。
【００５８】各車両（非蓄電車両）は、受電ダイオード及び補充電・増充電に係る回路を除く他、前述と同様の架線電力受電回路と電力制御回路を持ち、加速・牽引の電動及び減速・抑速の回生の全電力が、架線を介して主に最寄りの蓄電変電所との間を往復還流するので、架線や受電回路の電力損失がかなり増加するが、運転中の近接車両との電力授受と隣接の蓄電変電所との間の架線での均圧横流があり、その区間を運行する全車両の同一運転挙動（特に加速・減速及び抑速）が重なる機会は少なく、蓄電電圧変動は上述の蓄電車載の場合より小さくなる。
【００５９】変圧整流回路の直列リアクトルは整流器の容量性尖頭電流を防ぎ、蓄電回路の抑制リアクトルとともに、架線短絡故障の遮断時や故障復帰の回路遮断器投入時の尖頭突入電流を抑制する。
【００６０】変電所間に蓄電所を配すれば、給電間隔が分割・短縮された状態になり、上述の蓄電変電所を併用すれば、車両の加速・減速時の過負荷に対しても最寄りの蓄電所が働き、且つ近接変電所や蓄電所との均圧横流による架線の電力損失も小さくなる。
【００６１】［［蓄電所混用の場合］］ 上述の変電所や架線に蓄電所を持つ区間即ち蓄電架線区間に蓄電車両が進入したとき、車両の受電ダイオードを接触器で側路して、架線との電力授受を行ない、加速・減速時の過負荷を伴う運動のエネルギは、主に車両内で配線が短い蓄電回路で処理し、登坂・降坂時の重負荷（全負荷以下）の位置のエネルギを、変電所や架線の蓄電所と共働で処理しながら運行する。
【００６２】［車載蓄電共用の場合］ 各蓄電車の受電ダイオードを通じて、近接運行の非蓄電車両の回生電力を架線電圧急昇なく確実に吸収でき、或いは該ダイオードを側路して架線との電力授受可能な状態で適当な間隔で運行し、加速・減速時の過負荷を伴う運動のエネルギは、主に各自車載の蓄電回路で処理し、登坂・降坂時の定常重負荷の位置のエネルギを、近接の蓄電車と共働で充放電処理でき、なお、前述［［蓄電架線の場合］］と同様、全車両の運転挙動が重なる機会は少なく架線の均圧横流で蓄電電圧変動は小さくなる。
【００６３】［他種の車両への応用］ 交流または交・直両用の電動車両では、受電・変圧整流器とその直列リアクトルを介して本発明の電力制御・蓄電回路に直流給電すれば、前述と同様の作動で運動・位置のエネルギを充放電処理して消費電力を大幅に節減し且つ架線負荷と同様に、変圧整流器の負荷を山崩し低減できる。
【００６４】動力車（Ｍ車）に永久連結の付随車（Ｔ車）の床下や電気機関車の車室内にエンジン駆動等の発電整流器を配した気電動車両において、非電化区間では発電整流器とその直列リアクトルを経て、直流電化区間では前述の受電回路を経て、本発明の電力制御回路及び蓄電回路に直流給電すれば、前述と同様に運動・位置のエネルギの充放電処理をし、燃料及び電力の消費量を大幅に節減し且つ発電整流器の負荷を山崩し低減できる。
【００６５】気動車両において、エンジンと変速機との間に緩作動クラッチを介して挿入した電動機に、本発明の電力制御・蓄電回路を配すれば、停車中はアイドリング駆動で補充電を行ない、発進・加速はエンジンと共働し、定常走行ではエンジン余力を以て補充電し、減速や降坂抑速では、エンジンを切り離して全制動動力を回生して充電・回収し、次の運転サイクルの発進・加速及び登坂牽引に利用し、燃料消費量を大幅に節減し且つ運転性能（特に加速・減速）を向上できる。
【００６６】
【実施例１】実施例１として、主として２軸２台車（軸配列２Ｂ）の全４軸に電動機を持つＭ車を１動力単位とし、蓄電装置を車載した電動客車及び電気機関車を挙げ、図面を参照して説明する。
【００６７】［受電回路］ 図１において、架線１（直流１５００Ｖ）の電力は、集電子２、受電母線３、高速遮断器４、受電接触器５、ろ波リアクトル６及び受電ダイオード７とその側路接触器８を主回路に持つ受電回路９を経て、電力制御回路２４及び蓄電回路４０の正極線１０に至り、また、受電母線３は車端のジャンパ線１１で隣結車に接続する。
【００６８】［電力制御回路］ 電動機回路１２の電機子群１５の一方に運転接触器１３と制動接触器１４を、他方に制御リアクトル１６を介して、還流ダイオード１７と主チョッパ１８を配し、それぞれ前者１３、１７を正極線１０に、後者１４、１８を負極線１９に接続してブリッジ回路を形成し、電機子群１５と制御リアクトル１６との間に主接触器２０を、負極線１９との間に副接触器２１を、正極線１０及び制御リアクトル１６の主接触器２０側と負極線１９との間に主・副平滑コンデンサ２２、２３を、それぞれ配して電力制御回路２４を構成する。
【００６９】なお、制動接触器１４は図２（ａ）に示すようにダイオード１４Ｄに代えてもよく、電動機容量が大きい電気機関車では、電力制御素子の単器容量を考慮し、図２（ｂ）に示すように、直列のろ波リアクトル６と受電ダイオード７を複数組並列に配して電流等分し、制御リアクトル１６、還流ダイオード１７及び主チョッパ１８を複数組配して２相や３相の如き多相作動とするのがよい。
【００７０】［電動機回路］ 図３において直流分巻電動機を使用の電動機回路１２には、台車毎に２個の電機子１５（Ｍ１、Ｍ２及びＭ３、Ｍ４、補極は説明省略）の直・並列接触器２５、２６を、その２群即ち２台車の直・並列接触器２７、２８を配し、接触器２５、２７で全直列（４個直列）、２５、２８で直並列（２個直列の２群並列）、２６、２８で全並列（４個並列）にそれぞれ接続し、界磁２９（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４）は永久全直列接続する。
【００７１】［電動機定格］ 電機子１５には、２台直列即ち電機子電圧７５０Ｖを定格電圧とする全電圧連続定格（主定格）と、並列即ち電機子電圧１５００Ｖの整流及び絶縁耐力を持つ倍電圧短時定格（副定格）との２重定格を持たせる。
【００７２】［励磁制御回路］ 図１において、正極線１０から回路遮断器３０で分岐して励磁チョッパ３１、還流ダイオード３２、正逆励磁接触器３３、３４を配し、電動機回路１２の界磁群２９の励磁制御回路３５を構成し、なお、複数の動力単位に励磁制御回路３５を共通にする場合は、図２（ａ）に示すように回路遮断器３０と励磁チョッパ３１との間にダイオード３６を挿入し、各動力単位の正極線１０の橋絡を避ける。
【００７３】［蓄電回路］ 平滑リアクトル３７、高速回路遮断器３８および蓄電単位３９を配して蓄電回路４０を構成し、蓄電単位３９の正極側に高速回路遮断器４１及び抑制リアクトル４２を介して蓄電均圧線４３とそのジャンパ線４４で隣結車に接続する。
【００７４】［蓄電単位］ 図４において、蓄電要素４５に限流ヒューズ付き断路器４６を付し、その複数組を並列接続して所要の蓄電容量を得、断路器４７を配し各動力単位に対応の蓄電単位３９を構成、或いは、動力単位容量の大きい電気機関車では、図５に示すように、各動力単位に複数の蓄電回路４０を並列に配し、各蓄電単位３９を、回路遮断器３８及び平滑リアクトル３７を介して正極線１０に、回路遮断器４１及び抑制リアクトル４２を介して蓄電均圧線４３に、それぞれ接続する。
【００７５】［接地回路］ 負極線１９は、接地母線４９とそのジャンパ線５０で隣結車に接続し且つ車軸集電子５１と車輪５３を介して軌道５４に接続し、接地回路４８を構成する。
【００７６】［補充電回路］ 図１において、蓄電単位３９の負極側に切替接触器５５の常時開接点５５ａを制御リアクトル１７に接続し、常時閉接点５５ｂを負極線１９との間に挿入して、主チョッパ１８及び還流ダイオード１７とともに補充電回路を構成する。
【００７７】［増充電回路］ 増充電接触器５６を、制御リアクトル１６と受電回路９のダイオード７の架線側との間に配し、主チョッパ１８及び還流ダイオード１７とともに増充電回路を構成する。
【００７８】［諸量センサ］ 受電、蓄電、電力制御及び励磁制御の各回路９、４０、２４、３５に、電圧・電流センサ５７（Ｖｔ・Ｉｔ）、５８（Ｖｃ・Ｉｃ）、５９（Ｖｍ・Ｉｍ）、６０（Ｖｆ・Ｉｆ）及び車軸５２に速度センサ６１（ｖ）を配し、なお、括弧内諸量及び以下各種諸量の記号を表１及び表２に示す。
【００７９】
【表１】
【００８０】
【表２】
【００８１】［運転操作機構］ 車両編成の両端の運転室に、図５に示す如き、主幹制御器６２及び制動空気弁６３を配し、主幹制御器６２の運転操作レバー６４は、前押しで「力行−加速」、中立の「切」、後引きで「制動」の操作段を有し、「加速」は軽ノッチで「力行」位置までバネ戻り機構、「力行、切、減速」はノッチ機構とし、「加速」及び「減速」段には、それぞれ複数段の加速度及び減速度調整ノッチ６５を付加し、頭部にボタンスイッチ「高速」６６を持つ。
【００８２】なお、主幹制御器６２には運転方向レバー６７（前進、切、後進）の他、受電、蓄電共用、徐行、補充電及び増充電の各スイッチ６８、６９、７０、７１及び７２を、制動空気弁６３には制動操作レバー７３（解除、保持、制動）を配する。
【００８３】主幹制御器６２の前に、速度計７４（ｖ）、電動機電流計７５（Ｉｍ）、受電・充放電電流計７６（Ｉｔ、Ｉｃ）及び電圧計７７（Ｖｔ、Ｖｃ）、制動空気弁６３の前に制動空気圧計７８等、運転に必要な計器を配する。
【００８４】［外来・過渡サージ保護］ 図１及び図２において、架線からの外来サージ電圧や、ろ波・制御リアクトル６、１６及び電動機回路１２が発生する過渡サージ電圧に対し、例えばバリスタ７９、８０等の吸収素子を配する。
【００８５】［低圧電源回路］ 受電母線３から回路遮断器８１で分岐し、インバータ８２及び変圧器８３を配して車内補機や照明に交流電力を給電、整流器８４及び蓄電池８５を配して前照灯、非常灯及び制御用の蓄電直流を供給する、低圧電源回路８６を構成する。
【００８６】［作動・特性］ 以上の如き構成の動力装置において、関係回路の作動及び特性を概括した表３（高速運転）を、図面とともに参照して説明する。
【００８７】
【表３】
【００８８】［発進・加速］ 図１において、■：運転操作レバー６４を「力行」ノッチに進めると、運転・主接触器１３、２０が閉路し、正極線１０−運転接触器１３−電機子群１５−主接触器２０−制御リアクトル１６−主チョッパ１８−負極線１９の回路を形成し（Ａモード）、励磁チョッパ３１で全励磁の界磁２９と、主チョッパ１８の降圧制御作動の電機子制御により車両は緩発進し、■：該レバー６４を「加速」段に前押しすると、過励磁・過負荷の強力な定トルク加速を始め、■：電機子群電圧Ｖｍが蓄電電圧Ｖｃの速度ｖｃａ即ち電機子制御域上限に達した時、主接触器２０から副接触器２１に切替わり、電機子群１５を制御リアクトル１６から負極線１９に切替え、正極線１０−運転接触器１３−電機子群１５−副接触器２１−負極線１９の回路を形成し（Ｍモード）、電機子群全電圧Ｖｍ＝Ｖｃと励磁チョッパ３１の界磁制御で電機子定電流の定出力加速を行なう。
【００８９】［定常走行］ 所定の運転速度ｖｎに達した時、■：運転操作レバー６４を「力行」ノッチに戻すと、励磁チョッパ３１の界磁制御が分巻特性の定速制御に替わり、軌道勾配に応じて電動牽引または回生抑速で定常走行する。
【００９０】［減速］ ■：運転操作レバー６４を「減速」段に後引きすると、励磁チョッパ３１の界磁制御により、定出力減速の回生制動が働き、■：界磁２９が過励磁の速度ｖｃｂ即ち界磁制御域下限まで下がった時、運転・副接触器１３、２１が開路し制動・主接触器１４、２０が閉路して、負極線１９−制動接触器１４−電機子群１６−主接触器２０−制御リアクトル１６−主チョッパ１８−負極線１９の回路を形成し且つ正・逆磁接触器３３、３４を切替えて界磁極性を反転し（Ｂモード）、主チョッパ１８の昇圧制御作動の電機子制御により定トルク減速し、■：電機子群電圧Ｖｍが制御リアクトル１６の電圧降下ｅＬの速度即ち回生制動下限ｖｗまで下がった時、回生電力がゼロになって発電ブレーキに移行し、停止寸前の微速まで減速する。
【００９１】［電機子直・並列］ 図３（直・並列接触器２５〜２８の組合わせは前述［電動機回路］を参照）において、上記の■：発進は全直列で緩やかに行ない、■：加速では、直並列で電機子群電圧Ｖｍが蓄電電圧Ｖｃまで上がり次第■ｓ：全並列に進段、■：所定の速度ｖｎに達した時、直並列（緩勾配路中速運転では全直列）に戻段し定常走行、減速では、■：再び全並列でＶｃ／２まで下がり次第■ｓ：直並列に戻段する。
【００９２】［車輪の再粘着］ 電気機関車では、過負荷トルクの加速・減速は、電機子全並列のみで行ない、いずれかの車輪５３が軌道５４との粘着力を超えて滑り、該車軸５２の電動機１５（例えばＭ１）が加速時に空転または減速時に拘束を始めた時、該電動機１５（Ｍ１）の電機子電流Ｉａが急減し電機子群電流Ｉｍも減少するが、主チョッパ１８の通流幅は加速度αを超える急変をせず、直流変圧器作用で電機子電圧Ｖａ＝Ｖｍは瞬時的には保持され、他の電動機１５（Ｍ２〜Ｍ４）の電機子電流Ｉａへの影響なく、他の車輪５３の滑りを誘発せず、該電動機１５（Ｍ１）の牽引または制動トルクが急減して直ちに該車輪５３が再粘着する。
【００９３】加速・減速とも定トルク域において、その下半分■〜■ｓは、上述の如く、電動客車では直並列で行ない、制御リアクトル１６の電流Ｉｍを半減しその銅損を１／４に減じ且つ主チョッパ１８の昇降圧比Ｖｍ／Ｖｃを倍増して制御損失を半減し電力効率を稼ぐが、動輪率（全動輪軸重／列車編成全重量）が低い電気機関車では粘着性能を重視し、全域■〜■を全並列で行なう。
【００９４】加速・減速時の電機子群電流Ｉｍは、その複数ノッチ６５で、軌道勾配や載荷により加速度α・減速度β（ｋｍ／ｈ／ｓ）が大きく変化しないよう、また、電気機関車では車輪５３の粘着力に見合うよう調整できる。
【００９５】［徐行運転］ 低・中速（例えば２５〜６０ｋｍ／ｈ）で徐行運転の場合は、表４（徐行運転）に示すように、徐行スイッチ７０（図６）を入れ、電機子群１５の直並列で加速（■〜■ｓ〜■ｓ）・減速（■ｓ〜■ｓ〜■）し、全並列による電力制御・蓄電回路２４、４０の過負荷増大を避け、全直列に戻段して界磁制御で定常走行（■ｓ〜■ｓ）し、各損失（銅損、鉄損及び界磁損）を協調低減する。
【００９６】
【表４】
【００９７】［停止］ 図１において、■：運転操作レバー６４を切ノッチに戻すと、制動・主接触器１４、２０が開路して車両は惰行し、所定の位置で■：制動操作レバー７３を操作して車輪ブレーキで停止する。
【００９８】［定常走行速度］ 運転操作レバー６４を加速や減速から力行ノッチに戻し或いは切から力行ノッチに進めた時、その時の走行速度ｖｎを関連操作回路に記憶してその速度ｖｎに保持するよう、界磁制御域では励磁チョッパ３１の分巻界磁制御により、定トルクの電機子制御域ではＡモード（降坂ではＢモード）の主チョッパ１８による電機子群電圧制御により、定速制御しながら定常走行する。
【００９９】［還流電流］ 主チョッパ１８の矩形波断続作動による制御リアクトル１６の誘起電力は、加速Ａモードでは、還流ダイオード１７−正極線１０−運転接触器１３の回路を流れ、電機子群１５に還流して電機子群電流Ｉｍを平滑にし、減速Ｂモードでは、還流ダイオード１７−正極線１０−主平滑コンデンサ２２−負極線１９−制動接触器１４の回路を流れ、電機子群１５に還流して電機子群電流Ｉｍを平滑にするとともに、平滑リアクトル３７を経て蓄電単位３９に充電する。
【０１００】［平滑・ろ波］ 受電電力はろ波リアクトル６と、蓄電電力は平滑リアクトル３７と、主平滑コンデンサ２２とにより、Ａモードでは主チョッパ１８の矩形波作動による給電電流ＩＬを平滑にして、Ｂモードでは制御リアクトル１６からの矩形波還流電流ＩＬを平滑にして、Ｍモードでは電機子群１５の整流子雑音を消去して、架線１に並行の通信線（図示省略）への誘導障害を防止し且つ蓄電単位３９の銅損増加を抑え、また、副平滑コンデンサ２３により制御リアクトル１６の高音周波電流をろ波し、各電機子１５の鉄損・銅損増加を防ぐ。
【０１０１】励磁チョッパ３１の矩形波断続作動に対し、電動機の分巻界磁コイル２９の大きなリアクタンスＸｆとダイオード３２の還流作用により、充分平滑な直流で励磁し、該チョッパ３１は低音周波で降圧制御作動し、その電力損失は微小である。
【０１０２】［初・補充電］ 前述［補充電回路］の作動を概括した表５を図１とともに参照して説明すれば、停車中に、主接触器２０開路で制御リアクトル１６を電機子群１５から切り離し、切替接触器５５で蓄電単位３９を負極線１９から切り離して制御リアクトル１６に接続し（Ｃ１モード）、故障蓄電要素の新替えや夜間休止中の自己漏洩放電に伴う初充電や補充電を、主チョッパ１８の降圧制御作動により限流して行なうことができ、そのとき、還流電流は主平滑コンデンサ２２及び平滑リアクトル３７で蓄電単位３９の充電電流Ｉｃを平滑し、ろ波リアクトル６と主平滑コンデンサ２２が制御リアクトル１６からの還流電流による脈流を消去して近設通信線への誘導障害を防ぐ。
【０１０３】
【表５】
【０１０４】［増充電］ 前述［増充電回路］の作動を概括した表６とともに図１を参照し説明すれば、主接触器２０開路で制御リアクトル１６を電機子群１５から切り離し、増充電接触器５６で受電ダイオード７の架線側に接続し（Ｃ２モード）、主チョッパ１８の昇圧制御作動により、停車中■〜■やＭモード中■〜■（主に定常走行中■〜■）に架線電圧Ｖｔより高い電圧Ｖｃで蓄電単位３９に増充電でき、そのとき、制御リアクトル１６−還流ダイオード１８を通る還流電流が、主平滑コンデンサ２２、平滑リアクトル３７で平滑な充電電流Ｉｃとなり、受電ダイオード７が昇圧電力の逆流出阻止、ろ波リアクトル６と副平滑コンデンサ２３が制御リアクトル１６からの脈流を消去し、近設通信線への誘導障害を防ぐ。
【０１０５】
【表６】
【０１０６】［近接車両の回生電力処理］ 近接の非蓄電車両の降坂抑速や減速で発生する回生電力は、他の車両の運転負荷がなくても架線電圧Ｖｔの急昇なく、車載の蓄電単位３９に充電・吸収され、受電ダイオード７で自車内に保持される。
【０１０７】［車外蓄電装置の利用］ 後述の変電所８７や架線１に蓄電所８８（図１に点線図示）を持つ蓄電架線区間或いは他の車両の車載蓄電単位３９との共用区間に入ったとき、側路接触器８が受電ダイオード７を側路し、架線１との電力授受が可能になる。
【０１０８】［過渡サージ電圧消去・抑制］ バリスタ７９、８０及び主・副平滑コンデンサ２２、２３は、車両内回路故障での回路遮断器４、３８の遮断や運転操作での各接触器５、８、１３、１４、２０、２１の開路に伴う、各リアクトル６、１６、３７や電機子群１５が発生する過渡サージ電圧を抑制・消去して上述の主回路のダイオード７、１４Ｄ（図２（ｂ）参照）、１７及び主チョッパ１８を保護し、平常作動の回路電圧に対しては、漏洩電流なく電力損失を発生しない。
【０１０９】［蓄電回路保護］ 図４及び図５において、いずれかの蓄電要素４５が万一の内部短絡で他の蓄電要素４５や他の蓄電単位３９から電力流入を始めた時、該故障蓄電要素４５の回路の限流ヒューズ付断路器４６のエレメントが熔断して直ちに切り離し、短絡突入電流を局限して該故障蓄電要素４５の出火・爆発及び他の蓄電要素４５の突入放電ショックを軽減し、且つ、蓄電均圧線４３により隣結車即ち他の動力単位の蓄電単位３９を共用して全蓄電容量の低下を局限し、そのまま当座の運転を継続できる。
【０１１０】抑制リアクトル４２は、上記の蓄電要素４５の内部短絡や、蓄電均圧線４３の万一の短絡に際し、尖頭突入電流を抑制し、回路遮断器４１の高速遮断とともに他の蓄電要素４５の突入電流ショックを緩和し、また、該回路遮断器４１の投入時に蓄電単位３９の間の電圧差による尖頭電流を抑え、なお、常時は均圧横流のみでありそれによる電力損失は極めて小さい。
【０１１１】［架線故障対応］ 図１において、架線１の万一の短絡・停電に際し、受電ダイオード７により蓄電電力Ｐｃの逆流出を阻止して、回路遮断器４及び３８は遮断作動せず、蓄電電力Ｐｃで電動・回生電力Ｐｍを充放電処理を継続するので、電動機１５や蓄電要素４５に突入電流ショックを与えず、また、架線故障回復を待たずに蓄電電力Ｐｃで上述の表４の如く徐行し（なお、制御及び前照・非常灯には低圧電源回路８６の蓄電池８５で給電）、故障の給電区間を自力脱出して前述［初・補充電］の作動で補充電を行ない、正常運転に移行することができる。
【０１１２】［等価回路］ 図７において、変電所８７には変圧器８９及び整流器９０が為す変圧整流起電力（無負荷出力電圧）Ｅｓと、その回路のリアクタンスｘｓ、抵抗ｒｓ及び直列リアクトル９１の抵抗ｒＬｓによりインピーダンス電圧降下ｅｓを、変電所８７から車両までの架線１の導体抵抗ｒｔ（軌道５４の抵抗を含む、以下同じ）で電圧降下ｅｔを、また、受電回路９には、ろ波リアクトル６の導体抵抗ｒＬｆによる電圧降下ｅｒを生じる。
【０１１３】電動発進・加速■〜■では、その前期■〜■ｔには蓄電電圧Ｖｃが受電電圧Ｖｒより高く、電動機回路１２の電機子電流Ｉｍは蓄電回路４０の放電電力Ｉｃで賄い架線電流Ｉｔはゼロ、後期■ｔ〜■には蓄電電圧Ｖｃが受電電圧Ｖｒまで下がって架線電流Ｉｔに移行し、その値Ｉｔは放電電流Ｉｃで軽減されＩｔ＝Ｉｍ−Ｉｃとなり、変電所８７、架線１及び受電回路９にそれぞれ電圧降下ｅｓ、ｅｔ及びｅｒによる電力損失ｐｓ、ｐｔ及びｐｒを生じ、回生減速■〜■では、受電ダイオード７で阻止されて全回生電力Ｉｍ＝Ｉｃを蓄電回路４０に充電するため架線電流Ｉｔ＝０、変電所８７、架線１及び受電回路９は無負荷、電圧降下ｅｓ、ｅｔ及びｅｒ並びに電力損失ｐｓ、ｐｔ及びｐｒはゼロであり、架線電流Ｉｔは変電所８７、架線１及び軌道５４より成る架線回路９２と受電回路９において一方向流となる。
【０１１４】電動機回路１２には、電機子群１５の起電力Ｅｍと電機子群抵抗ｒｍに電力制御回路２４の制御リアクトル１６の回路抵抗ｒＬが加わり、電圧降下ｅｍ及びｅＬがあり、蓄電回路４０には、蓄電単位３９の蓄電電圧Ｅｃと、その内部抵抗ｒｃ及び平滑リアクトル３７の抵抗ｒＬｃによる電圧降下ｅｃがあり、Ａモード■〜■の電動発進・加速においては、過負荷の電動電流Ｉｍ＝Ｉｃ＋Ｉｔと放電電流Ｉｃにより、Ｂモード■〜■の回生減速においては、その電流方向を反転し回生電流Ｉｍ＝充電電流Ｉｃにより、それぞれ電圧降下ｅｍ及びｅＬとｅｃによる電力損失ｐｍ及びｐＬと、ｐｃが両モードとも生じ、電流ＩｍとＩｃは車両内電力回路９３の電動機回路１２と蓄電回路４０との間で往復還流する。
【０１１５】Ｍモードの加速■〜■及び減速■〜■では、上記のＡモード後期■ｔ〜■及びＢモード■〜■と同様であるが、電力制御回路２４の主・副接触器２０、２１で制御リアクトル１６が切り離され、その回路抵抗ｒＬ分の電圧降下ｅＬ及び電力損失ｐＬがゼロになり、最大過負荷の電流ＩｍとＩｃの往復還流において電力損失はｐｍとｐｃのみとなる。
【０１１６】定常走行■〜■では、電動機負荷Ｉｍは軽小になり、加速時に蓄電Ｉｃの消費で低下した蓄電電圧Ｖｃを回復するため、架線電流Ｉｔ＝Ｉｃ＋Ｉｍで補充電を行ない、定常走行後期には補充電終了しＩｔ＝Ｉｍとなり、上記と同様に、電流Ｉｔは架線回路９２と受電回路９で一方向流となる。
【０１１７】［蓄電特性］ 図８において、静電容量Ｃを持つ蓄電単位３９は、蓄電電圧Ｅｃにおいて、蓄電電力量はＷ＝Ｃ×Ｅｃ＾２の二次曲線になり、定格電圧Ｅｏでの定格蓄電電力量Ｗｏ＝Ｃ×Ｅｏ＾２、電圧変動δＥでの充放電電力量はδＷ＝Ｃ×（２×Ｅｏ×δＥ±δＥ＾２）、その平均値はＷｃ＝Ｗｏ×２×δＥ、その蓄電電圧中央値Ｅｃｏと定格電圧Ｅｏとの差は約δＥ＾２／２、例えばδＥ＝２０％（電気鉄道の架線電圧変動最大許容値）においても僅か２％のため無視して単純化し、充放電平均値Ｗｃでもって蓄電関係諸量を後述する。
【０１１８】蓄電原理が静電誘導のため、内部抵抗は対向電極及び引出し導体の導体抵抗ｒｃのみであり、充放電に伴う電圧降下ｅｃ及び電力損失ｐｃは極めて小さく（交流電力コンデンサでは０．３％）且つ急速充放電の過負荷電流に即応し、その高頻度の繰り返しにも劣化しない。
【０１１９】［駅間運転サイクル］ 図９（ａ）において、車両は駅間で、発進■〜■、加速■〜■、定常走行■〜■、減速■〜■、微速惰行■〜■、停止■〜■の運転サイクルを繰り返し、加速■〜■は定トルクの牽引力Ｆａで略々定加速度αｃ、続く加速■〜■は定出力の牽引力Ｆａで垂下加速度αｔ、定常走行■−■は走行抵抗Ｆｖに等しい牽引力Ｆｖで定速ｖｎ、減速■〜■は定出力の制動力Ｆｂで逆垂下減速度βｔ、続く減速■〜■は定トルクの制動力Ｆｂで定減速度βｃ、微速ｖｗで惰行し停車位置■にて車輪ブレーキで停止、それぞれ時間と距離は、加速■〜■ではｔａとＳａ、定常走行■〜■ではｔｖとＳｖ、減速■〜■ではｔｂとＳｂ、微速惰行■〜■ではｔｉとＳｉ、停止■〜■ではｔｗとＳｗ、停車は■〜■はｔｓｔ、運転サイクルではｔ＝ｔａ＋ｔｖ＋ｔｂ＋ｔｉ＋ｔｓｔとＳ＝Ｓａ＋Ｓｖ＋Ｓｂ＋Ｓｉ＋Ｓｗ（但し、発進■〜■は微小のため図示省略）となる。
【０１２０】［慣性抵抗関係諸量］ 車両の走行抵抗Ｆｖは、走行速度ｖの一次・二次関数Ｆｖ＝ｆ（ｖ＋ｖ＾２）として常に正（＋）、加速牽引力Ｆａは正（＋）、減速制動力Ｆｂは負（−）の値をそれぞれとるので、加速時の慣性抵抗分の牽引力はＦｉａ＝Ｆａ−Ｆｖ、減速時の慣性抵抗分の制動力はＦｉｂ＝Ｆｂ＋Ｆｖとなり、加速時の牽引エネルギはＷａ＝Σ（Ｆａ×ΔＳ）、減速時の制動エネルギはＷｂ＝Σ（Ｆｂ×ΔＳ）、車輪ブレーキでは略々Ｗｗ＝Ｆｂ×Ｓｗ（Ｗｂの数％以下）、また、走行抵抗Ｆｖによる走行エネルギは加速時はＷｖａ＝Σ（Ｆｖａ×ΔＳ）、定常走行時はＷｖｖ＝Σ（Ｆｖ×ΔＳ）｛平坦路ではＷｖｖ＝Ｆｖ×Ｓｖ｝、減速時はＷｖｂ＝Σ（Ｆｖｂ×ΔＳ）、運転サイクル全体ではＷｖ＝Ｗｖａ＋Ｗｖｖ＋Ｗｖｂであり、運転サイクル毎の牽引エネルギＷｄ＝Ｗａ＋Ｗｖｖに対する制動エネルギＷｂの割合即ち制動エネルギ率εｂｉ＝Ｗｂ／Ｗｄが前述【発明が解決しようとする課題】の運動のエネルギを回生電力として充電回収の対象とし、なお、走行エネルギＷｖの割合即ちεｖｉ＝Ｗｖ／Ｗｄが走行エネルギ率であり、εｖｉ＝１−εｂｉの関係がある。
【０１２１】図９（ｂ）において、蓄電回路電圧Ｖｃは、前サイクルの回生充電で無負荷の受電電圧Ｖｒより＋δＶｉ高く、受電ダイオード７の逆流阻止で保持されているので、発進及び加速前期■〜■ｔの電動電力Ｐｍは放電電力Ｐｃで賄い、蓄電回路電圧Ｖｃが下がってＶｃ＝Ｖｒになると受電電力Ｐｒに移行、加速後期■ｔ〜■には変電所８６、架線１及び受電回路９の電圧降下ｅｓ＋ｅｔ＋ｅｒによりＶｃ＝Ｖｒ共に下がり、Ｐｒが増加してＰｍ（過負荷）＝Ｐｃ＋Ｐｒ、加速終期■には電圧低下は−δＶｉに達するが、定常走行■〜■では電動電力Ｐｍは軽負荷のＰｖになるので、Ｐｒ＝Ｐｍ＋Ｐｃの受電を続けそのＰｃで補充電し、加速放電電力量Ｗｃａの後期■ｔ〜■分を回復し、Ｖｃが軽負荷のＶｒに達し補充電終了でＰｃ＝０即ちＰｒ＝Ｐｍとなり、減速■−■では、全回生電力Ｐｍ＝Ｐｃで充電し受電ダイオード７で逆流阻止されＰｒ＝０、減速終期■には蓄電回路電圧Ｖｃは＋δＶｉ高くなる。
【０１２２】発進及び加速■〜■では、受電電力量Ｗｔａ＝Σ（Ｐｒ×Δｔ）と放電電力量Ｗｃａ＝Σ（Ｐｃ×Δｔ）とで電動電力量Ｗｍａ＝Σ（Ｐｍ×Δｔ）＝Ｗｃａ＋Ｗｔａを賄い、定常走行■〜■では、電動電力量Ｗｍｖ＝Σ（Ｐｍ×Δｔ）｛平坦路ではＷｍｖ＝Ｐｍ×ｔｖ｝と補充電電力量Ｗｃｖ＝Σ（Ｐｃ×Δｔ）とを受電電力量Ｗｔｖ＝Σ（Ｐｒ×Δｔ）＝Ｗｍｖ＋Ｗｃｖで賄い、減速■〜■では、回生電力量Ｗｍｂ＝充電電力量Ｗｃｂで且つＷｍｂ＝Σ（Ｐｍ×Δｔ）であり、運転サイクル毎に、電動電力量合計Ｗｍｄ＝Ｗｍａ＋Ｗｍｖは受電電力量合計Ｗｔ＝Ｗｔａ＋Ｗｔｖと回生電力量Ｗｍｂとの和に等しくＷｍｄ＝Ｗｔ＋Ｗｍｂ、従って回収電力率はεｒｉ＝Ｗｍｂ／Ｗｍｄ＝Ｗｍｂ／（Ｗｍａ＋Ｗｍｖ）、架線電力率はεｔｉ＝１−εｒｉとなり、前述［等価回路］において、加速・減速の過負荷を伴う電動・回生電力Ｐｍと放電・充電電力Ｐｃとが往復還流する電動機、電力制御及び蓄電の全回路１２、２４、４０の総合効率をηｐｉとすれば、Ｗｍｄ＝Ｗｄ／ηｐｉ、Ｗｍｂ＝Ｗｃｂ＝Ｗｂ×ηｐｉのためεｒｉ＝εｂｉ×ηｐｉ＾２となり、電動機回路１２の効率ηｍだけでなく、電力Ｐｍ及びＰｃの往復還流に係る電力制御回路２４の制御効率ηＬ（但しＡ・Ｂモードのみ）及び蓄電回路４０の充放電効率ηｃの向上が必要である。
【０１２３】上述［駅間運転サイクル］の加速・減速及び定常走行の挙動に関し、一例として表７に示す２Ｍ２Ｔ編成の電動客車について、本発明における１Ｍ車当たりの慣性抵抗関係諸量の計算値を表８に、従来の主定格のみの加速・減速の場合を表９に、運転性能の比較のため併せて示し、電気機関車で牽引の列車編成では、定性的にはこれと同様であり、諸量の計算を省略する。
【０１２４】
【表７】
【０１２５】
【表８】
【０１２６】
【表９】
【０１２７】表８の諸量計算値によれば、制動エネルギ率εｂｉは運転速度全域（５０ｋｍ／ｈ〜１２０ｋｍ／ｈ）において８０〜６１％の如く制動エネルギＷｂが消費エネルギＷｄの大部分〜大半に、回収電力率εｒｉ＝εｂｉ×ηｐｉ＾２×（１−εｗ）は５２〜４１％に及び、それだけ消費電力が節減され、過負荷での総合効率ηｐｉの２乗に依存する両者εｂｉ、εｒｉの間の落差がかなりあり、また、加速・減速時の電動機の倍電圧過負荷Ｐａ、Ｐｂに拘らず受電電力Ｐｒが著しく山崩し軽減され、なお、表９との比較において、電動機１２の副定格による高速域での加速・減速の牽引・制動力の強化とその時間及び距離の著しい短縮を示している。
【０１２８】［勾配抵抗関係諸量］ 図１０（ａ）において、車両９４が勾配ｓ＝０の平坦路９５から＋ｓ（ｏ／ｏｏ）で距離Ｓ（ｋｍ）の登坂路９６及び−ｓ（ｏ／ｏｏ）でＳ（ｋｍ）の降坂路９７を経て再びｓ＝０の平坦路９８を速度ｖ（ｋｍ／ｈ）で運行するとき、図１０（ｂ）の如く、平坦路９５では走行抵抗Ｆｖで軽負荷電動牽引、登坂路９６では勾配抵抗Ｆｓが加わって牽引力Ｆｄ＝Ｆｖ＋Ｆｓで電動牽引、降坂路９７では制動力Ｆｂ＝Ｆｖ−Ｆｓで回生抑速、平坦路９８を走行抵抗Ｆｖで軽負荷電動牽引するが、勾配路９６、９７での制動動力率はεｂｓ＝Ｐｂ／Ｐｄ＝Ｆｂ／Ｆｄ（但し、Ｐｄは電動牽引軸出力、Ｐｂは回生制動軸入力）であり、前述【発明が解決しようとする課題】の位置のエネルギを回生電力として充電回収の対象とするものである【０１２９】図１０（ｃ）において、電動機及び蓄電の各回路１２及び４０の総合効率を軽負荷ではηｐｖ、重負荷ではηｐｓとすればその回路電力Ｐｍは、平坦路９５及び９８では電動電力Ｐｍｖ＝Ｐｖ／ηｐｖ＝Ｐｖ＋ｐｖ、登坂路９６では電動電力Ｐｍｄ＝Ｐｄ／ηｐｓ＝Ｐｄ＋ｐｄ、降坂路９６では回生電力Ｐｍｂ＝Ｐｂ×ηｐｓ＝Ｐｂ−ｐｂ（但し、ｐｖ、ｐｄ及びｐｂは各区間９５と９８、９６及び９７での電力損失）、勾配路９６、９７での回収電力率はεｒｓ＝Ｐｍｂ／Ｐｍｄ＝εｂｓ×ηｐｓ＾２であり、前述［運転サイクル］の電力回収率εｒｉと同様に、電力Ｐｍ及びＰｃの往復還流に係る回路の総合効率ηｐｓの向上が必要である。
【０１３０】図１０（ｄ）において、実線図示のとおり、平坦路９５では受電電力Ｐｒ＝Ｐｍｖ、登坂路９６ではＰｒ＝Ｐｍｄで電動走行し、蓄電回路電圧はＶｃ＝Ｖｒ、降坂路９７では回生走行のためｐｒ＝０、回生電力はＰｍｂ＝Ｐｃで蓄電単位３９に充電されＶｃはＶｒよりδＶｓ高くなり、続く平坦路９８では、蓄電回路電圧Ｖｃを下げながら距離Ｓｃ＝Ｓ＊Ｐｍｂ／ＰｍｖをＶｃ＝Ｖｒとなるまで無受電（Ｐｒ＝０）即ち放電電力Ｐｃ＝Ｐｍｖだけで電動走行、続いて受電電力Ｐｒに移行しＰｒ＝Ｐｍｖで走行する。
【０１３１】登坂路９６では、勾配抵抗負荷Ｐｓが加わり牽引負荷Ｐｄは重負荷であるが、定常走行で電動機の主定格出力以内であり、電力Ｐｍ及びＰｃの往復還流に係る各回路１２、４０の電力損失ｐｍ、ｐｃは、負荷率の２乗に比例するため、前述の過負荷を伴う加速・減速時のものより小さい。
【０１３２】上述の登坂・降坂において、前述の表７の車両の勾配抵抗関係諸量の計算値を表１０に示せば、前述の表８と同様に、通常の運転速度域（５０〜１００ｋｍ／ｈ）で電動機の全負荷限度の勾配路の運行において、抑速動力率εｂｓ＝Ｐｂ／Ｐｄは８５〜４４％（中勾配ｓ＝１５ｏ／ｏｏでも６９〜４４％）の如く、抑速動力Ｐｂは牽引動力Ｐｄの大部分〜大半近くに達し、回収電力率εｒｓ＝εｂｓ×ηｐｖ＾２は６７〜３５％（中勾配でも５５〜３５％）に及び、その両者εｂｓ、εｒｓの間の落差が、定常走行での総合効率ηｐｓの２乗に依存することを示している。
【０１３３】
【表１０】
【０１３４】［蓄電関係諸量］ 上述の如く、標高差Ｈ、勾配ｓの距離Ｓ＝Ｈ×ｓを降坂して回生抑速電力Ｐｍｂ＝Ｐｃで充電し蓄電電圧ＶｃがδＶｓ（％）上昇すると、前述［蓄電特性］の如く充放電電力量はＷｃ＝２×Ｗｏ×δＶｓ、質量ｍの車両の位置のエネルギＷｓ＝ｇ×ｍ×Ｈ（但し、ｇは重力の加速度）とすれば、Ｗｃ＝Ｗｓ×εｂｓ×ηｐｖ、それに基ずき、前述の加速・減速時の蓄電電圧昇降値δＶｉを併せた、蓄電関係諸量の計算値を上記の表１０に併せて示す。
【０１３５】表１０の諸量計算では、Ｍ・Ｔ車混合編成の電動客車において、静電容量１００Ｆの蓄電単位３９でδＶｍａｘ＝０．２を許容すれば、標高差Ｈｍａｘ＝１３０ｍを上回る勾配路の運行が可能、特別急勾配区間用としてＭ車のみの編成では標高差Ｈｍａｘを略々倍増（１．８２６倍）でき、なお、定格電圧Ｅｏでの蓄電電力量Ｗｏ＝２２５ＭＪの４０％のＷｃ＝９０ＭＪを数分で急速充放電し且つ加速・減速（０．５〜１分）ではその数倍の瞬時過負荷となり、化学蓄電池では到底考えられない極めて苛酷な債務を示している。
【０１３６】［蓄電調整］ 登坂路９６の途中で受電接触器５を開路して破線図示のとおりＰｒ＝０とし、放電電力Ｐｃだけで電動走行して予め蓄電電圧ＶｃをδＶｓ／２下げ、降坂路９７での回生走行の充電電力Ｐｃ＝ＰｍｂによるＶｃの上昇をδＶｓ／２に軽減でき、換言すれば、降坂手前の無受電走行で蓄電電圧ＶｃをδＶｓだけ下げる蓄電調整により、勾配路の最大標高差Ｈｍａｘを上記より更に倍増できる。
【０１３７】［電動機特性］ 図１１（ａ）（ｂ）において、主定格即ち電機子全電圧と全励磁（Ｉｆｏ＝１００％で無負荷トルク（Ｔ＝０％）の走行速度ｖｆｏ＝５０ｋｍ／ｈの直流分巻電動機について、電機子の電圧Ｖｍと電流Ｉｍ、励磁電流Ｉｆ、界磁強さΦ及び軸トルクＴｍの関係を示せば、全負荷トルクＴｍｆ＝１００％で電機子電流Ｉｍｆ＝１００％、そのときの電圧降下即ち速度降下はｅｆ＝Ｉｍｆ×ｒｍ（電機子反作用を無視した近似値、以下同じ）となり全負荷速度ｖｆ＝ｖｆｏ×（１−ｅｍｆ）、それ以下（ｖ＜ｖｆ）では、主チョッパ１８で定電流Ｉｍ＝Ｉｍｆｃと走行速度ｖに比例の電圧Ｖｍを与える電機子制御による全負荷トルクＴｍｆｃの定トルク域、それ以上（ｖ＞ｖｆ）では、励磁チョッパ３１の界磁制御による速度ｖに反比例の、全負荷トルクＴｍｆｔの定出力域である。
【０１３８】励磁チョッパ３１によりＩｍに比例し且つｖに半比例のＩｆを界磁に与えれば、過励磁で磁気飽和の他は、Ｉｍ・Φともｖに反比例し、Ｔｍはｖの２乗に反比例の全界磁直巻トルク曲線Ｔｍｏとなり、加速時の過負荷（例えばＩｍ＝Ｉｍｃ＝１６０％）の定トルク域Ｔｍｃではその２乗（１．６＾２）に近い強力な値Ｔｍｃとなるが、その上限速度ｖａｃ以上の界磁制御域では急激に低下し、例えば最高運転速度ｖｍａｘ＝１２０ｋｍ／ｈでは、Ｉｍ、Φとも４０％、軸トルクＴｍ＝Ｉｍ×Φは１６％に下がるので、Ｉｆ／Ｉｍを電機子反作用による整流子の過負荷限度の値０．４まで減じ、ｖｍａｘでＩｍｆ＝１００％、Ｔｍ＝４０％を通る弱め界磁直巻トルク曲線Ｔｍｗをとして使用する。
【０１３９】上記の全界磁と弱め界磁の直巻トルク曲線ＴｍｏとＴｍｗの間の移行操作として、電機子定電流Ｉｍｃの界磁制御による定出力トルク曲線Ｔｍｔを配し、加速時過負荷の定トルク域Ｔｍｃ上限からこの移行操作を行ない、過負荷電流Ｉｍｃを定値（例えば１６０％）に抑えながら、整流子過負荷限度の弱め界磁直巻特性のトルク曲線Ｔｍｗへの移行域とする。
【０１４０】過負荷トルクＴｍｃ、Ｔｍｔ及びＴｍｗで所定の運転速度ｖｎまで加速後は、その速度ｖｎの過負荷トルク限度Ｔｍｗ以内において、Ｍモードの分巻特性の界磁制御で定速の定常走行を行ない、勾配増加で全負荷電流Ｉｍｆを越えるときは前述［減速］の操作をして全負荷トルク曲線Ｔｍｆｔ以内の速度に、下げ、また、定トルク域の低速徐行運転では、ＡモードまたはＢモード（降坂）の電機子電圧制御で定速定常走行し、勾配負荷及び速度変化をそれぞれセンサ５７（Ｉｍ）及び５９（ｖ）で検出しそのモードを自動的に切替える。
【０１４１】発進は、Ｉｍｆｃ及びΦｆｏのトルクＴｍｆｃで行ない、始動電圧ｅｍ＝Ｉｍｆｃ×ｒｍで微速始動しΦｆｏが定値（分巻特性）の電機子電圧制御で微速を保ち、加速では１２０％（鎖線図示）〜１６０％（実線図示）の過負荷Ｉｍｃと過励磁Φｃとし、最大勾配ｓｍａｘでも確実且つ緩やかに発進し且つ強力な加速トルクＴｍｃに衝撃なく移行、なお、加速の過負荷率は、運転操作レバー６４の加速段の複数ノッチ６５で軌道勾配ｓや車輪粘着状況に合わせ調整可能である。
【０１４２】回生制動は、図１１（ａ）のトルク特性線図とは、速度変動ｅｍが逆（高速側）になる他は横軸について対称であり、また、図１１（ｂ）の電機子電圧降下ｅｍが逆（高圧側）になる他は同様であり、図示省略する。
【０１４３】［牽引・制動力及び負荷特性］ 図１２において、上述の各トルク曲線を、直並列全電圧主定格のｖｆｏ＝５０ｋｍ／ｈでの、電動牽引では全負荷のＴｍｆｃ−ｓｐ、Ｔｍｆｔ−ｓｐ及び過負荷のＴｍｃ−ｓｐ、Ｔｍｔ−ｓｐ、Ｔｍｗ−ｓｐ、回生制動では全負荷のＴｇｆｃ−ｓｐ、Ｔｇｆｔ−ｓｐ及び過負荷のＴｇａ−ｓｐ、Ｔｇｔ−ｓｐ、Ｔｇｗ−ｓｐを、全並列倍電圧副定格のｖｆｏ＝１００ｋｍ／ｈにそれぞれ同率拡大して、電動牽引では全負荷のＴｍｆｃ−ｐ、Ｔｍｆｔ−ｐ及び過負荷のＴｍｃ−ｐ、Ｔｍｔ−ｐ、回生制動では全負荷のＴｇｆｃ−ｐ、Ｔｇｆｔ−ｐ及び過負荷のＴｇｃ−ｐ、Ｔｇｔ−ｐ（Ｔｍｗ−ｐ及びＴｇｗ−ｐは運転速度範囲外）、全直列半電圧半定格のｖｆｏ＝２５ｋｍ／ｈにそれぞれ同率縮小して、電動牽引では全負荷のＴｍｆｃ−ｓ、Ｔｍｆｔ−ｓ及び過負荷のＴｍｔ−ｓ、Ｔｍｗ−ｓ、回生制動では全負荷のＴｇｆｃ−ｓ、Ｔｇｆｔ−ｓ及び過負荷のＴｇｔ−ｓ、Ｔｇｗ−ｓの、牽引・制動力特性線図とし、これに各軌道勾配（ｓ＝０〜３５ｏ／ｏｏ）のときの負荷トルクＴＬ及び平坦路（ｓ＝０）での加速度α及び減速度βの目盛線を併せ示す。
【０１４４】発進■は全直列の全負荷トルクＴｍｆｃ−ｓで行ない、高速運転（例えばｖｎ＝１００ｋｍ／ｈ）では、加速■〜■は、直並列■〜■ｓ続いて全並列■ｓ〜■の定トルク域Ｔｍｃ−ｓｐ及びＴｍｃ−ｐ、その上限速度ｖａｃで全並列のまま界磁制御の定出力■〜■のＴｍｔ−ｐで行ない、所定の運転速度ｖｎに達した時■、直並列に戻段し、弱め界磁の直巻トルク特性のＴｍｗ−ｓｐとＴｇｗ−ｓｐの過負荷限度内における分巻特性の定速制御で、勾配ｓに応じ電動牽引または回生抑速で定常走行する。
【０１４５】減速■〜■は、再び全並列に進段し且つ界磁を強め、定出力域■〜■のＴｇｔ−ｐで回生制動が働いて減速、その下限速度ｖｂｃで定トルク域に替わり全並列■〜■ｓのＴｇｃ−ｐ続いて直並列■ｓ〜■のＴｇｃ−ｓｐで停止に近い微速ｖｗまで減速する。
【０１４６】全並列即ち倍電圧短時の副定格では、定トルク域Ｔｍｃ、Ｔｇｃ及び定出力域Ｔｍｔ、Ｔｇｔを高速側に倍増するので、高速部の加速・減速の過負荷トルクが大きく、例えば最高運転速度ｖｍａｘ＝１２０ｋｍ／ｈでの加速終期■及び減速初期■の過負荷トルクＴｍｔ−ｐ及びＴｇｔ−ｐは、定出力特性の界磁制御域においても、直並列主定格の弱め界磁の全負荷トルクＴｍｗ−ｓｐ及びＴｇｗ−ｓｐの３．２倍に及ぶ。
【０１４７】徐行運転（例えばｖｎ＝５０ｋｍ／ｈ）では、直並列主定格の定トルク域Ｔｍｃ−ｓｐと定出力域Ｔｍｔ−ｓｐを加速（■〜■ｓ〜■ｓ）・減速（■ｓ〜■ｓ〜■）に使用し、所定の運転速度ｖｎに達した時■ｓに全直列半定格に戻段し、弱め界磁の直巻特性の垂下トルク域Ｔｍｗ−ｓとＴｇｗ−ｓを過負荷限度とする、分巻界磁制御で定速定常走行する。
【０１４８】上述の直並列主定格の高速及び全直列半定格の中速いずれの全負荷トルクＴｍｆｔ、Ｔｇｆｔは、それぞれ速度域において、一般の運行区間の大半を占めるｓ＝±１０ｏ／ｏｏ以下の緩勾配や平坦路の負荷トルクをカバーし、簡単な界磁制御で定速運転でき、平均的には軽負荷の定常走行（■〜■、■ｓ〜■ｓ）において、励磁電力Ｐｆ及び電機子鉄損ｐｍｉを銅損ｐｍｃと協調して低減する。
【０１４９】中・急勾配（ｓ＝１５〜３５ｏ／ｏｏ）に入ったときは、徐行運転（例えばｖｎ＝５０ｋｍ／ｈ）では電機子電流Ｉｍ増加により自動的に直並列に進段し、その全負荷トルクＴｍｆｔ−ｓｐ・Ｔｇｆｔ−ｓｐで対応、なお、高速運転（例えばｖｎ＝１００ｋｍ／ｈ）では運転操作レバー６４のボタン６６を押して全並列に進段し、その全負荷トルクＴｍｆｔ−ｐ・Ｔｇｆｔ−ｐ（それぞれ点線図示）で高速のまま短時（数分）の走破が可能である。
【０１５０】［電動機回路の挙動］ 図１３（ａ）において、Ａモードの降圧チョッパ電機子制御により、発進■では全直列（Ｖｍ＝４×Ｖａ、Ｉｍ＝Ｉｍｆ＝Ｉａ）の始動電圧Ｖｍｓｔ＝４×ｅａで微速■に至り、直並列（Ｖｍ＝２×Ｖａ、Ｉｍ＝Ｉｍｃ＝２×Ｉａ）に進段して加速し、Ｖｍが蓄電電圧Ｖｃに達した時■ｓ、全並列（Ｖｍ＝Ｖａ、Ｉｍ＝Ｉｍｃ＝４×Ｉａ）に進段しＶｍ＝Ｖｃ／２、加速によりＶｍが上昇し再びＶｃに達した時■、定トルク上限速度ｖａｃでＭモードの界磁制御に替わり、全並列（Ｖｍ＝ＶｃとＩｍ＝Ｉｍｃ＝４×Ｉａ）のまま定出力加速、所定の運転速度ｖｎに達した時■、直並列に戻段し電機子電圧Ｖａ＝Ｖｃ／２で定常走行、次駅手前■で再び全並列に進段しＶｍ＝Ｖｃの定出力減速、その下限速度ｖｂｃに下がった時■、Ｂモードの昇圧チョッパ電機子制御に替わり、全並列のまま定トルク減速しＶｍ＝Ｖｃ／２に下がった時■ｓ、直並列に戻段し再びＶｍ＝Ｖｃ、停止寸前の微速■に至りＶｍ＝０、惰走し所定位置■で車輪ブレーキにより停止する。
【０１５１】電力制御回路２４の回路電流ＩＬは、発進・加速では、まず放電電流Ｉｃ、続いて架線電流Ｉｔが加わり、減速では充電電流Ｉｃとなるが、その電流ＩＬは、Ａモード定トルク域■〜■では、ＩＬ＝Ｉｃ＋Ｉｔ＝Ｉｍｃ×Ｖｍ／Ｖｃの関係を持つ主チョッパ１８の平均電流となり、速度ｖに比例して増加し、Ｍモード定出力加速■〜■・減速■〜■及び定常走行■〜■では、電機子群電流Ｉｍｃ及びＩｍｗに等しく、Ｂモード定トルク減速■〜■では、ＩＬ＝Ｉｃ＝Ｉｍｃ×Ｖｍ／Ｖｃの関係を持つ還流ダイオード１８の平均電流となり、速度ｖに比例して減少する。
【０１５２】電気機関車では、動輪の粘着性能の関係上、過負荷トルクが大きい加速・減速は全並列（Ｖｍ＝Ｖａ）のみで行ない、図１２（ｂ）に破線図示の如く、加速前期■〜■ｓ及び減速後期■ｓ〜■の電機子群電流もＩｍ＝Ｉｍｃ＝４×Ｉａとなるが、各電機子電流Ｉａ及び電力制御回路電流ＩＬは上記と同様である。
【０１５３】［電機子損失］ 図１３（ｂ）において、鉄損ｐｍｉは、定トルクのＡモード加速■〜 | |