JP2008172857A - Charger for battery in railroad vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鉄道車両の列車に搭載した車載バッテリに、鉄道車両が停車中に、外部から供給される充電パワーにより充電でき、車載バッテリに蓄電した電力で誘導電動機を駆動させて無架線軌道(非電化路線)を走行するようにした鉄道車両のバッテリ用充電装置に関する。 The present invention can charge an in-vehicle battery mounted on a train of a railway vehicle with charging power supplied from the outside while the railway vehicle is stopped, and drive an induction motor with electric power stored in the in-vehicle battery so as to achieve a trackless track ( The present invention relates to a battery charger for a railway vehicle that travels on a non-electrified route.
従来、鉄道車両の列車に大型のバッテリを搭載し、このバッテリに蓄電された電力を放電させながら誘導電動機を駆動させるようにして、架線が設けられていない、所謂無電化路線を走行できるようにしたバッテリ駆動の鉄道車両が種々提案されている。 Conventionally, a large battery is mounted on a train of a railway vehicle, and the induction motor is driven while discharging the electric power stored in the battery so that it can travel on a so-called non-electrified route without an overhead line. Various battery-powered railway vehicles have been proposed.
例えば、特許文献1に記載の回路装置及び車両運行システムは、電流と電圧を制御する電流電圧制御部と、この電流電圧制御部からの出力で駆動するモータと、モータの駆動時に電源を供給する蓄電部と、蓄電部に電源を供給するための充電接触子とを備え、電流電圧制御部は蓄電部に充電した電力をモータに供給する際には、直流を交流に変換するインバータとして作動し、停車中に3相充電接触子を介して地上側の交流電源から3相交流が供給される場合には、交流を直流に変換するコンバータとして作動し、蓄電部に充電するように構成されている。
特許文献1に記載の回路装置及び車両運行システムにおいては、車両の停車中に、充電接触子を介して地上側から供給される3相交流が1つの電流電圧制御部のコンバータ作動により直流に変換されて蓄電部に蓄電されるようになっている。しかし、車両が都市内交通の場合であって、平均停車時間が非常に短く(例えば、約30秒)、この短時間の停車時間内に、次に走行する走行区間で消費する電力、例えば150〜200AHもの大電力を1つの電流電圧制御部により蓄電部に短時間で急速充電することは、実用的に無理がある。
In the circuit device and the vehicle operation system described in
そこで、車両がターミナルに到着したときには、次回の営業運転のための発車まで、例えば5〜10分程待機時間があるので、この待機時間を利用して、ターミナルに設けた交流電源から車両に有する蓄電部に大電流により急速充電することが考えられるが、電力会社に対する契約電力(使用アンペア数)が大きくなり、特に昼間時においては、電力基本料金が高くなることから、電力料金が高くなるという問題がある。 Therefore, when the vehicle arrives at the terminal, there is a waiting time of, for example, about 5 to 10 minutes until the vehicle departs for the next commercial operation. Using this waiting time, the vehicle has an AC power source provided at the terminal. It is conceivable to charge the power storage unit quickly with a large current, but the contracted power (number of amperes used) to the power company will increase, especially during the daytime, because the basic power charge will be high, and the power charge will be high. There's a problem.
しかも、このような急速充電に際して、外部から供給する3相交流の電圧が蓄電部の端子電圧よりも高い場合であり、電圧差が大きい場合には、蓄電部に過大電流が流れるようになり、蓄電部の破損を招く虞がある。そこで、大電流による急速充電が可能な充電装置として、サイリスタ等の複数のスイッチング素子を組み合わせたコンバータ機能を有する充電装置を地上側に設ける場合には、スイッチング素子の容量が大きくなってスイッチング素子が大型化、つまり充電装置自体が大型化し且つ高価になるとともに、スイッチング素子からの発熱量が大きくなり、充電時の充電ロスや電力ロスが顕著になる。その為、充電効率が悪く、省エネ向きではない。 Moreover, during such rapid charging, the voltage of the three-phase alternating current supplied from the outside is higher than the terminal voltage of the power storage unit, and when the voltage difference is large, an excessive current flows through the power storage unit, There is a risk of damage to the power storage unit. Therefore, when a charging device having a converter function combining a plurality of switching elements such as thyristors is provided on the ground side as a charging device capable of rapid charging with a large current, the switching element capacity increases and the switching element becomes The size is increased, that is, the charging device itself is increased in size and cost, and the amount of heat generated from the switching element is increased, so that charging loss and power loss during charging become significant. For this reason, charging efficiency is poor and not suitable for energy saving.
本発明の目的は、車両のターミナルや走行系途中の停留所に設置した直流或いは交流の電源設備を用いて、充電コストを安価にでき、鉄道車両に搭載した車載バッテリへの急速充電を可能にすることである。 An object of the present invention is to use a direct current or alternating current power supply facility installed at a vehicle terminal or a stop in the middle of a traveling system, to reduce the charging cost, and to enable rapid charging to an in-vehicle battery mounted on a railway vehicle. That is.
請求項1の鉄道車両のバッテリ用充電装置は、走行駆動用の複数の3相誘導電動機と、直流電力を蓄電可能な車載バッテリと、この車載バッテリの電力を3相交流に変換して複数の誘導電動機に供給可能な可変電圧・可変周波数型の複数のインバータとを備え、鉄道車両のターミナル又は走行経路途中の停留所に、車載バッテリに充電するための充電用バッテリと、この充電用バッテリに定電流充電する充電用電源装置と、充電用バッテリから供給される直流電力を鉄道車両に供給可能な剛体架線とを設け、鉄道車両に、剛体架線に接触して充電用バッテリから受電可能な集電器と、この集電器により受電した受電電力で車載バッテリに充電させる充電装置と、車載バッテリへの充電に際して充電装置を充電制御する充電制御手段とを設けたものである。
The battery charger for a railway vehicle according to
充電用電源装置は常に充電用バッテリに定電流充電されており、剛体架線にはこの充電用バッテリから供給される直流電圧が供給されている。そこで、鉄道車両がターミナル或いは走行経路途中の停留所に到着すると、鉄道車両の集電器が上がって剛体架線に接触するので、充電用バッテリに蓄電された直流電力が剛体架線と集電器を介して鉄道車両に供給可能である。 The charging power supply device is always charged with a constant current to the charging battery, and a DC voltage supplied from the charging battery is supplied to the rigid body wire. Therefore, when the railway vehicle arrives at a terminal or a stop on the way of the travel route, the current collector of the railway vehicle goes up and comes into contact with the rigid overhead wire, so that the DC power stored in the charging battery is transferred to the railway via the rigid overhead wire and the current collector. The vehicle can be supplied.
このとき、充電制御手段により充電装置が充電制御され、車載バッテリは受電した受電電力で充電される。ここで、充電用バッテリの内部インピーダンスは比較的小さく、しかも充電用バッテリはフル充電されているため、充電用バッテリから車載バッテリを充分に大きな充電電流で充電できるので、車載バッテリは短時間で急速充電される。 At this time, the charging device is charged by the charging control means, and the in-vehicle battery is charged with the received power. Here, since the internal impedance of the charging battery is relatively small and the charging battery is fully charged, the in-vehicle battery can be charged from the charging battery with a sufficiently large charging current. Charged.
請求項2の鉄道車両のバッテリ用充電装置は、請求項1において、前記充電装置は、変圧器を有し充電用バッテリから直流電力を受けて矩形波交流を発生させる交流発生手段と、この交流発生手段から変圧器を介して受ける矩形波交流を複数のスイッチング素子を介して変換することにより充電平均電圧を昇降圧調整可能な昇降圧手段とを有し、充電制御手段は、充電用バッテリからの受電電圧と車載バッテリの電圧の電圧差に基づいて、昇降圧手段の複数のスイッチング素子の制御位相角を調整して車載バッテリへの充電電流を制御するものである。
The battery charger for a railway vehicle according to
請求項3の鉄道車両のバッテリ用充電装置は、請求項2において、前記昇降圧手段は交流発生手段により発生させた矩形波交流を受電する為の変圧器を備え、車載バッテリに蓄電されている電力を交流発生手段に供給する為のスイッチング素子と、変圧器に設けられた補機用巻線とを設け、交流発生手段により発生する矩形波交流を補機用巻線を介して補機類に給電する補機用給電系に供給するものである。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a battery charger for a railway vehicle according to the second aspect, wherein the step-up / step-down means includes a transformer for receiving a rectangular wave alternating current generated by the alternating-current generating means, and is stored in the in-vehicle battery. A switching element for supplying power to the AC generating means and an auxiliary winding provided in the transformer are provided, and the rectangular wave AC generated by the AC generating means is supplied via the auxiliary winding. The power is supplied to the auxiliary power supply system for supplying power to the power supply.
請求項4の鉄道車両のバッテリ用充電装置は、走行駆動用の複数の3相誘導電動機と、直流電力を蓄電可能な車載バッテリと、この車載バッテリの直流電力を3相交流に変換して複数の誘導電動機に供給可能で走行時にはPWM制御される可変電圧・可変周波数型の複数の駆動用インバータと、補機類に駆動電力を供給する定電圧・定周波数型の少なくとも1つの補機用インバータとを備え、鉄道車両のターミナル又は走行経路途中の停留所に、交流電力を鉄道車両に供給可能な電源設備と剛体架線を設け、鉄道車両に、剛体架線から交流電力を受電可能な集電器と、充電時には集電器を介して剛体架線から供給される交流電力を直流に変換して車載バッテリに充電するように複数の駆動用インバータと補機用インバータを同時に逆変換制御する充電制御手段とを備えたものである。
The battery charger for a railway vehicle according to
力行時には、運転士によりマスターコントローラが走行操作されるので、複数の駆動用インバータがPWM制御されて、車載バッテリに蓄電された直流電力が3相交流に変換され、この3相交流により複数の3相誘導電動機が駆動され、鉄道車両が加速走行される。この走行中に、照明や冷暖房等の補機類の動作が必要な場合には、車載バッテリに蓄電された直流電力が補機用インバータにより順変換制御され、変換された3相交流が補機用給電系に供給される。 During power running, the driver operates the master controller so that the plurality of drive inverters are PWM-controlled, and the DC power stored in the in-vehicle battery is converted into three-phase AC. The phase induction motor is driven to accelerate the railway vehicle. When the operation of auxiliary equipment such as lighting and air conditioning is necessary during this traveling, the DC power stored in the in-vehicle battery is forward-converted and controlled by the auxiliary inverter, and the converted three-phase AC is used as the auxiliary equipment. To the power supply system.
一方、鉄道車両がターミナル或いは走行経路途中の停留所に到着した充電時においては、鉄道車両の集電器が上昇して剛体架線に接触するので、交流電力が剛体架線を介して複数の駆動用インバータと少なくとも1つの補機用インバータに供給される。このとき、充電制御手段によりこれら複数の駆動用インバータと少なくとも1つの補機用インバータが同時に、つまり鉄道車両に装備されている全てのインバータを動員して逆変換制御されるので、大きな充電パワーにより車載バッテリが充電される。 On the other hand, at the time of charging when the railway vehicle arrives at a terminal or a stop along the travel route, the current collector of the railway vehicle rises and comes into contact with the rigid overhead wire, so that AC power is connected to a plurality of drive inverters via the rigid overhead wire. Supplied to at least one auxiliary inverter. At this time, since the plurality of drive inverters and at least one auxiliary inverter are simultaneously mobilized by the charge control means, that is, all the inverters installed in the railway vehicle are controlled for reverse conversion, The in-vehicle battery is charged.
即ち、この充電動作において、鉄道車両に有する全ての駆動用インバータや補機用インバータにより直流電力に変換しした充電パワーで車載バッテリに充電されるので、車載バッテリは1つの駆動用インバータ或いは1つの補機用インバータだけによる充電パワーに比べて充電パワーが大きいため、車載バッテリは短い停車時間の間に急速充電される。 That is, in this charging operation, the vehicle-mounted battery is charged with the charging power converted into DC power by all the drive inverters and auxiliary machine inverters included in the railway vehicle. Since the charging power is larger than the charging power only by the auxiliary inverter, the vehicle-mounted battery is rapidly charged during a short stoppage time.
請求項5の鉄道車両のバッテリ用充電装置は、請求項4において、前記充電制御手段は、所定の充電開始指令を受けて、補機用インバータから出力される交流電力と集電器を介して剛体架線から供給される交流電力とが自動並列運転となるように補機用インバータを制御し、剛体架線からの交流電力を補機類へ供給しながら補機用インバータをコンバータとして動作させるものである。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a battery charging apparatus for a railway vehicle according to the fourth aspect, wherein the charging control means receives a predetermined charging start command and receives a rigid body via an AC power output from an auxiliary inverter and a current collector. The auxiliary inverter is controlled so that the AC power supplied from the overhead wire is in automatic parallel operation, and the auxiliary inverter is operated as a converter while supplying the AC power from the rigid overhead wire to the auxiliary machinery. .
請求項6の鉄道車両のバッテリ用充電装置は、請求項4又は5において、前記複数の駆動用インバータからの交流を誘導電動機に供給する電力供給線の途中部に、充電時には、その電力供給線を誘導電動機から集電器に切換える切換え手段を設けたものである。
A battery charging device for a railway vehicle according to claim 6 is the battery charging device according to
請求項7の鉄道車両のバッテリ用充電装置は、走行駆動用の複数の3相誘導電動機と、直流電力を蓄電可能な車載バッテリと、この車載バッテリの直流電力を3相交流に変換して複数の誘導電動機に供給可能な可変電圧・可変周波数型の複数の駆動用インバータと、補機類に駆動電力を供給する定電圧・定周波数型の少なくとも1つの補機用インバータとを備え、鉄道車両のターミナル又は走行経路途中の停留所に、交流電力を鉄道車両に供給可能な電源設備と剛体架線を設け、鉄道車両に、剛体架線から交流電力を受電可能な集電器と、充電時に前記集電器を介して剛体架線から供給される交流電力を直流に変換して車載バッテリに充電するように補機用インバータを逆変換制御する充電制御手段とを備えたものである。
The battery charger for a railway vehicle according to
力行時には、運転士によりマスターコントローラが走行操作されるので、複数の駆動用インバータがPWM制御されて、車載バッテリに蓄電された直流電力が3相交流に変換され、この3相交流により複数の3相誘導電動機が駆動され、鉄道車両が加速走行される。この走行中に、照明や冷暖房等の補機類の動作が必要な場合には、車載バッテリに蓄電された直流電力が補機用インバータにより順変換制御され、変換された3相交流が補機用給電系に供給される。 During power running, the driver operates the master controller so that the plurality of drive inverters are PWM-controlled, and the DC power stored in the in-vehicle battery is converted into three-phase AC. The phase induction motor is driven to accelerate the railway vehicle. When the operation of auxiliary equipment such as lighting and air conditioning is necessary during this traveling, the DC power stored in the in-vehicle battery is forward-converted and controlled by the auxiliary inverter, and the converted three-phase AC is used as the auxiliary equipment. To the power supply system.
一方、鉄道車両がターミナル或いは走行経路途中の停留所に到着した充電時においては、鉄道車両の集電器が上昇して剛体架線に接触するので、交流電力が剛体架線を介して少なくとも1つの補機用インバータに供給される。このとき、充電制御手段により少なくとも1つの補機用インバータが逆変換制御されるので、供給された交流電力が直流電力に変換されて車載バッテリに充電される。 On the other hand, at the time of charging when the railway vehicle arrives at a terminal or a stop along the travel route, the current collector of the railway vehicle rises and comes into contact with the rigid overhead wire, so that AC power is supplied to at least one auxiliary machine via the rigid overhead wire. Supplied to the inverter. At this time, since reverse conversion control of at least one auxiliary machine inverter is performed by the charging control means, the supplied AC power is converted to DC power and charged to the in-vehicle battery.
例えば、地方都市を走行する路面電車等の鉄道車両の場合、特に朝夕のラッシュ時間を除く昼間においては乗降客が少なく、鉄道車両の運転回数が少ないため、ターミナルにおける停車時間が、例えば、20〜30分のように長い場合には、このターミナルにおいて補機用インバータだけにより直流電力に変換して車載バッテリに充電される。 For example, in the case of a railcar such as a tram that runs in a local city, there are few passengers in the daytime except for morning and evening rush hours, and the number of times the railcar is operated. If it is as long as 30 minutes, it is converted into DC power only by the auxiliary inverter at this terminal and charged to the in-vehicle battery.
請求項8の鉄道車両のバッテリ用充電装置は、請求項7において、前記充電制御手段は、運行途中における車載バッテリの蓄電状態を検出可能な蓄電状態検出手段を有し、鉄道車両の1日分の運行情報と蓄電状態検出手段から出力される蓄電状態とに基づいて1日の運行終了時に車載バッテリの蓄電量を許容範囲の最小蓄電量にして運行時以外の深夜にフル充電できるように、1日の運行中の充電量を制御するものである。
The battery charging device for a railway vehicle according to
請求項1の発明によれば、走行駆動用の複数の3相誘導電動機と、直流電力を蓄電可能な車載バッテリと、この車載バッテリの電力を3相交流に変換して複数の誘導電動機に供給可能な可変電圧・可変周波数型の複数のインバータとを備え、鉄道車両のターミナル又は走行経路途中の停留所に、充電用バッテリと充電用電源装置と剛体架線とを設け、鉄道車両に、集電器と充電装置と充電制御手段とを設けたので、鉄道車両がターミナル或いは走行経路途中の停留所に到着すると、充電制御手段により充電装置が充電制御され、集電器を介して受電した充電用バッテリから受電した受電電力で車載バッテリに充電することができる。この場合、充電用バッテリの内部インピーダンスは比較的小さいので、充電用バッテリから車載バッテリへ充分に大きな充電電流で充電可能で、車載バッテリへの短時間による急速充電が可能になる。 According to the first aspect of the present invention, a plurality of three-phase induction motors for driving and driving, a vehicle-mounted battery capable of storing DC power, and the power of the vehicle-mounted battery are converted into a three-phase AC and supplied to the plurality of induction motors. A plurality of inverters of variable voltage / variable frequency type, and provided with a charging battery, a charging power supply device and a rigid overhead wire at a terminal of the railway vehicle or a stop along the traveling route, and a current collector on the railway vehicle Since the charging device and the charging control means are provided, when the railway vehicle arrives at the terminal or a stop on the way of the traveling route, the charging control means controls the charging of the charging device and receives power from the charging battery received via the current collector. The in-vehicle battery can be charged with the received power. In this case, since the internal impedance of the charging battery is relatively small, charging from the charging battery to the in-vehicle battery can be performed with a sufficiently large charging current, and rapid charging to the in-vehicle battery can be performed in a short time.
請求項2の発明によれば、前記充電装置は、変圧器を有し充電用バッテリから直流電力を受けて矩形波交流を発生させる交流発生手段と、この交流発生手段から変圧器を介して受ける矩形波交流を複数のスイッチング素子を介して変換することにより充電平均電圧を昇降圧調整可能な昇降圧手段とを有し、充電制御手段は、充電用バッテリからの受電電圧と車載バッテリの電圧の電圧差に基づいて、昇降圧手段の複数のスイッチング素子の制御位相角を調整して車載バッテリへの充電電流を制御するので、車載バッテリの電圧が充電用バッテリからの受電電圧よりも低い場合には、この電圧差に基づいて昇降圧手段から出力される充電平均電圧が降圧側に調整され、車載バッテリに充電する充電電流が制御される。
According to invention of
一方、車載バッテリの電圧が充電用バッテリからの受電電圧よりも高くなるように充電する場合には、昇降圧手段から出力される充電平均電圧が昇圧側に調整され、車載バッテリに充電する充電電流が制御される。昇降圧手段が分担する充電パワーは全充電パワーの一部なので、全体として充電効率が高い省エネ型のバッテリ用充放電装置を実現するこができる。その他請求項1と同様の効果を奏する。 On the other hand, when charging so that the voltage of the in-vehicle battery is higher than the receiving voltage from the charging battery, the charging average voltage output from the step-up / step-down means is adjusted to the boost side, and the charging current for charging the in-vehicle battery Is controlled. Since the charging power shared by the step-up / step-down means is a part of the total charging power, an energy-saving battery charging / discharging device with high charging efficiency as a whole can be realized. Other effects similar to those of the first aspect are obtained.
請求項3の発明によれば、前記昇降圧手段は交流発生手段により発生させた矩形波交流を受電する為の変圧器を備え、車載バッテリに蓄電されている電力を交流発生手段に供給する為のスイッチング素子と、変圧器に設けられた補機用巻線とを設けたので、スイッチング素子を介して交流発生手段で発生する矩形波交流を補機用巻線で受けて、補機類に給電する補機用給電系に供給できる。鉄道車両が寒冷地を走行する場合に、補機用インバータにより出力される交流電力がパワー不足であり、暖房能力に欠けるような場合でも、交流発生手段で発生する矩形波交流を補助電源として補機用給電系に供給することにより、暖房機器による暖房能力を十分に発揮できるようになり、顧客サービスの向上を図ることができる。その他請求項2と同様の効果を奏する。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、走行駆動用の複数の3相誘導電動機と、直流電力を蓄電可能な車載バッテリと、この車載バッテリの直流電力を3相交流に変換して複数の誘導電動機に供給可能で走行時にはPWM制御される可変電圧・可変周波数型の複数の駆動用インバータと、補機類に駆動電力を供給する定電圧・定周波数型の少なくとも1つの補機用インバータとを備え、鉄道車両のターミナル又は走行経路途中の停留所に、交流電力を鉄道車両に供給可能な電源設備と剛体架線を設け、鉄道車両に集電器と充電制御手段とを備えたので、これら複数の駆動用インバータと少なくとも1つの補機用インバータの全てが動員された充電パワーは、1つの駆動用インバータ或いは1つの補機用インバータだけによる充電パワーに比べて非常に大きいため、短時間の停車であっても、車載バッテリへの急速充電が可能になる。
According to the invention of
請求項5の発明によれば、前記充電制御手段は、所定の充電開始指令を受けて、補機用インバータから出力される交流電力と集電器を介して剛体架線から供給される交流電力とが自動並列運転となるように補機用インバータを制御し、補機用インバータから補機類に供給されているパワーを、剛体架線からの交流電力へ徐々に切換えることが出来るので、車載バッテリへの充電に際して、照明機器や冷暖房機器等の補機類を一瞬でも停止させることなく、これら補機類の稼働運転を維持しながら、フリー状態になった補機用インバータも動員して、複数の駆動用インバータと協働しながら車載バッテリへの急速充電が可能になる。その他請求項4と同様の効果を奏する。
According to the invention of
請求項6の発明によれば、前記複数の駆動用インバータからの交流を誘導電動機に供給する電力供給線の途中部に、充電時には、その電力供給線を誘導電動機から集電器に切換える切換え手段を設けたので、車載バッテリへの充電の際に、切換え手段を誘導電動機から集電器側に切換えることで、集電器を介して剛体架線から供給される交流電力により誘導電動機が不意に駆動されるのを確実に防止することができる。その他請求項4又は5と同様の効果を奏する。 According to the invention of claim 6, the switching means for switching the power supply line from the induction motor to the current collector at the time of charging is provided in the middle of the power supply line for supplying alternating current from the plurality of drive inverters to the induction motor. Since the on-board battery is charged, the switching means is switched from the induction motor to the current collector side, so that the induction motor is unexpectedly driven by the AC power supplied from the rigid overhead wire via the current collector. Can be reliably prevented. Other effects similar to those of the fourth or fifth aspect are achieved.
請求項7の発明によれば、走行駆動用の複数の3相誘導電動機と、直流電力を蓄電可能な車載バッテリと、この車載バッテリの直流電力を3相交流に変換して複数の誘導電動機に供給可能な可変電圧・可変周波数型の複数の駆動用インバータと、定電圧・定周波数型の少なくとも1つの補機用インバータとを備え、鉄道車両のターミナル又は走行経路途中の停留所に電源設備と剛体架線を設け、鉄道車両に集電器と充電制御手段とを備えたので、例えば、地方都市を走行する路面電車等の鉄道車両であって、特に朝夕のラッシュ時を除いた昼間の乗降客が少なく、鉄道車両の運転回数が少ないため、ターミナルにおける停車時間が、例えば、20〜30分のように長い場合には、駆動用インバータを駆動させることなく、補機用インバータだけを逆変換動作させて車載バッテリへのフル充電が可能になる。
According to the invention of
請求項8の発明によれば、前記充電制御手段は、運行途中における車載バッテリの蓄電状態を検出可能な蓄電状態検出手段を有し、鉄道車両の1日分の運行情報と蓄電状態検出手段から出力される蓄電状態とに基づいて1日の運行終了時に車載バッテリの蓄電量を許容範囲の最小蓄電量にして運行時以外の深夜にフル充電できるように、1日の運行中の充電量を制御するものである。
According to invention of
即ち、運行情報には、運行ダイヤのように、各走行路線に応じて、各停留所の出発時刻、停留所間距離、停留所間所要時間、停留所停車時間等が予め記憶されている。そこで、この運行情報に基づいて、停留所間の走行に要する駆動エネルギー(電流時間積)を計算できる。この駆動エネルギーにその日に運行されるであろう停留所間の数を乗算れば、1日分の総エネルギー量が求められる。これに、補機を駆動する為の総エネルギー量を加算すれば、朝の出発時点における総電流時間積が決まる。 That is, in the operation information, the departure time of each stop, the distance between the stops, the required time between the stops, the stop time of the stop, and the like are stored in advance according to each travel route as in the operation schedule. Therefore, based on this operation information, the driving energy (current time product) required for traveling between the stops can be calculated. Multiplying this drive energy by the number of stops that will be operating on that day gives the total energy for one day. If the total energy amount for driving the auxiliary machine is added to this, the total current time product at the morning departure time is determined.
この総電流時間積を1日の運行時間で除算すれば、単位時間当たりの所要電流時間積が得られる。朝の出発時刻における総電流時間積から、現在における走行時間に単位時間当たりの所要電流時間積を乗算し、この値を減算すれば、任意の時刻における残存エネルギー量が求められる。このようにして、1日の運行終了時に、残存エネルギーが車載バッテリの許容範囲の最小蓄電量になるように、不足分だけを昼間に充電するが、運行時以外の深夜であって、安価な深夜料金でにフル充電するため、充電コストの低減化を図ることができる。その他請求項7と同様の効果を奏する。 If this total current time product is divided by the daily operation time, the required current time product per unit time can be obtained. By multiplying the current travel time by the required current time product per unit time from the total current time product at the morning departure time, and subtracting this value, the remaining energy amount at an arbitrary time can be obtained. In this way, at the end of the day's operation, only the shortage is charged in the daytime so that the remaining energy becomes the minimum storage amount of the allowable range of the in-vehicle battery. Since the battery is fully charged at a late night charge, the charging cost can be reduced. Other effects similar to those of the seventh aspect are achieved.
本実施例の鉄道車両のバッテリ用充電装置は、ターミナルに停車中において、鉄道車両に搭載した車載バッテリに地上側から供給する直流又は交流の充電パワーにより充電でき、充電された車載バッテリの蓄電電力を用いて駆動用インバータにより交流電力に変換して誘導電動機を駆動させて、非電化路線を走行できるようにしてある。 The battery charger for a railway vehicle according to the present embodiment can be charged with a DC or AC charging power supplied from the ground side to an in-vehicle battery mounted on the railway car while stopped at a terminal, and the stored electric power of the charged in-vehicle battery. Is converted into AC power by a drive inverter and the induction motor is driven so that it can travel on a non-electrified route.
図1に示すように、鉄道車両(以下、電動車と言う)1は、充電に際して+側,−側剛体架線41,42に接触して受電可能な+側,−側パンタグラフ2a,2bと、3相交流用の2つの誘導電動機3A,3Bと、車載バッテリ7に充電された蓄電電力を交流電力に変換して補機18を駆動するための1つの補機用インバータ4と、車載バッテリに充電された蓄電電力を交流電力に変換して誘導電動機3A,3Bを駆動する2つの第1,第2駆動用インバータ5,6と、車載バッテリ7と、この車載バッテリに充電可能な車載バッテリ充電装置8等を装備している。
As shown in FIG. 1, a railway vehicle (hereinafter referred to as an electric vehicle) 1 includes a + side and −
補機用インバータ4は、6つのスイッチング素子4a〜4f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CVCFインバータであり、後述する車載バッテリ7からフィルタリアクトル15を介して受けた供給電力を3相交流に変換して空調や照明等の補機18に駆動電力として供給するようになっている。
The
第1駆動用インバータ5は、6つのスイッチング素子5a〜5f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VVVFインバータであり、車載バッテリ7から供給される直流をフィルタリアクトル16を介してV(電圧)/F(周波数)一定の3相交流に変換して誘導電動機3Aを駆動可能になっている。
The
第2駆動用インバータ6は、6つのスイッチング素子6a〜6fと還流ダイオードとをブリッジ状に接続し、第1駆動用インバータ5と同様に周知のVVVFインバータであり、車載バッテリ7からフィルタリアクトル17を介して供給される直流をV(電圧)/F(周波数)一定の3相交流に変換して誘導電動機3Bを駆動可能になっている。
The second driving inverter 6 connects the six
ここで、これらスイッチング素子4a〜4f,5a〜5f,6a〜6fは、トランジスタからなっている。また、これら補機用インバータ4と第1,第2駆動用インバータ5,6は一般的なものであり、その詳しい動作説明を省略する。
Here, the
誘導電動機3A,3Bは、第1,第2駆動用インバータ5,6から供給される3相交流の電圧と周波数と、誘導電動機3A,3B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、第1,第2駆動用インバータ5,6の周波数>誘導電動機3A,3Bの回転周波数の場合には、所謂スリップが「正」の領域で、誘導電動機3A,3Bには加速トルクが作用する。誘導電動機3A,3Bの停止トルクを越えない範囲内ではスリップに比例して加速トルクが増加する。
The
第1,第2駆動用インバータ5,6の周波数=誘導電動機3A,3Bの回転周波数の場合には、「スリップ=0」の状態であり、加速トルクは発生しない。誘導電動機3A,3Bは第1,第2駆動用インバータ5,6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、電気車制御で言う惰行はこの状態の場合もあるが、この状態の場合、励磁による鉄損の発生が嫌われるので、殆どの惰行時においては、これら第1,第2駆動用インバータ5,6が同時にオフされ、零電圧で使用される場合が多い。
When the frequency of the first and
第1,第2駆動用インバータ5,6の周波数<誘導電動機3A,3Bの回転周波数の場合には、所謂スリップが「負」の領域で、誘導電動機3A,3B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3A,3Bの最大ブレーキトルクを越えない範囲内ではスリップに比例してブレーキトルクが増加する。ここで、コンデンサ19,20は、リアクトル16,17と協働して、第1,第2駆動用インバータ5,6のスイッチング作用により発生する高調波を吸収し、車上の機器の正常動作を妨害しないように高調波が車体の艤装線に流出するのを防止するEMIフィルターを構成している。
When the frequency of the first and
車載バッテリ7は、DCLINK21とグランド線22との間に介設され、複数の充電セルを直列接続されたニッケル水素電池からなり、2つの誘導電動機3A,3Bを駆動可能な150〜200AHもの電流量を充電可能に構成されている。ここで、グランド線22は−側パンタグラフ2bに接続されている。また、DCLINK21とは、電気回路において、VVVFインバータのDC部、補助回路インバータ(CVCFインバータ)のDC部、車載バッテリ7からのDC部、架線からのDC部等が直流側の1点で互いに連係している点を意味する。
The in-
次に、電動車1に搭載され、ターミナル(図示略)で停車中に車載バッテリ7に急速充電する車載バッテリ充電装置8について説明する。
車載バッテリ充電装置8は、電圧補償変換器(昇降圧手段)9と、この電圧補償変換器9の電源として機能するインバータ回路からなる単相交流発生器(交流発生手段)10と、充電制御装置11と、車載バッテリ7への充電電流を検出する第1電流検出器35と、車載バッテリ7からDCLINK21に供給される供給電流を検出する第2電流検出器36と、車載バッテリ7の蓄電電圧を検出する蓄電電圧検出器37と、平滑コンデンサ38と、+側,−側パンタグラフ2a,2bから充電用に供給される充電供給電圧Ekを検出する充電電圧検出器39等を備えたものである。
Next, an in-vehicle
The on-vehicle
それ故、充電用に+側,−側剛体架線41,42に供給される直流が+側,−側パンタグラフ2a,2bで受電されるので、車載バッテリ充電装置8は、受電された供給電圧と車載バッテリ7の電圧の差分に基づいて電圧補償変換器9により電圧補償し、充電電流を調整しながら車載バッテリ7に急速充電するものである。
Therefore, since the direct current supplied to the + side and − side rigid
先ず、車載バッテリ充電装置8を構成する電圧補償変換器9について説明する。
図1に示すように、電圧補償変換器9は、NPN型の第1,第2トランジスタ25,26と、絶縁変圧器27等で構成されている。第1,第2トランジスタ25,26のエミッタが電流断続防止リアクトル28とDCLINK21を介して車載バッテリ7の+端子に夫々接続されている。第1,第2トランジスタ25,26のコレクタは絶縁変圧器27の二次側コイルの左右両端に接続されている。絶縁変圧器27の二次側コイルの中点は、リアクトル29と遮断器30を介して+側パンタグラフ2aに接続されている。
First, the
As shown in FIG. 1, the
単相交流発生器10は、4つのトランジスタ31〜34をブリッジ接続し、矩形波交流を発生する一般的な単相用電源に構成されたものであり、左側の2つのトランジスタ31,32を直列接続するとともに、右側の2つのトランジスタ33,34を直列接続したものである。左側のトランジスタ31,32の接続点が絶縁変圧器27の1次側コイルの左端に接続され、右側のトランジスタ33,34の接続点が絶縁変圧器27の1次側コイルの右端に接続されている。
The single-
上側のトランジスタ31,33のコレクタが絶縁変圧器27の二次側コイルの中点に夫々接続され、下側のトランジスタ32,34のエミッタが夫々グランド線5に接続されている。これら4つのトランジスタ31〜34の各々には、還流ダイオードが逆向きに接続されている。
The collectors of the
充電制御装置11は、電圧補償変換器9の2つのトランジスタ25,26の各ベースに点弧信号を供給するゲート駆動回路12と、このゲート駆動回路12に駆動信号を供給するコントローラ13等から構成されている。
The charge control device 11 includes a
コントローラ13は、図示しない入出力インターフェイスとマイクロコンピュータを有し、蓄電電圧検出器37から出力される蓄電電圧信号と、充電電圧検出器39から出力される充電供給電圧信号を受け、各トランジスタ25,26の点弧位相角、つまり制御位相角αを夫々演算により求め、各トランジスタ25,26の為の制御信号をゲート駆動回路12に出力する。そこで、ゲート駆動回路12はコントローラ13から受けた制御信号に基づいて、対応するトランジスタ25,26のベースに駆動信号、つまり点弧信号を夫々出力する。
The
次に、走行用軌道の終端であるターミナルに設置され、車載バッテリ7に充電する充電用電源装置40について説明する。但し、ここでは、ターミナルに設置された充電用電源装置40について説明する。
Next, the charging
この充電用バッテリ45に充電する充電用電源装置40は、+側,−側剛体架線41,42と、これら+側,−側剛体架線41,42に充電用直流を供給する充電変換装置44等からなっている。充電用バッテリ45は、前述した車載バッテリ7と同様に構成され、複数の充電セルを直列接続されたニッケル水素電池からなっている。
The charging
図1に示すように、ターミナルの駅構内に、充電用の+側剛体架線41と−側剛体架線42とが夫々所定長さに亙って平行に配設されている。これら+側,−側剛体架線41,42には、充電変換装置44から直流電圧が供給されている。
As shown in FIG. 1, charging-side + side
充電変換装置44は、3相商用交流電源46から出力される440V/60Hzの3相交流を遮断器47と絶縁変圧器48とを介して充電用コンバータ49に供給し、この充電用コンバータ49で変換された直流により充電用バッテリ45に定電流充電するようになっている。例えば、絶縁変圧器48で所定電圧(例えば、800V)に昇圧される。このように昇圧された3相交流は充電用コンバータ49のコンバータ作動で直流に変換され、充電用バッテリ45はこの直流により定電流充電されるようになっている。この充電用コンバータ49は、6つのスイッチング素子49a〜49fをブリッジ状に接続した一般的なコンバータであるので、その詳細な作動についての説明を省略する。
The
電動車1がターミナルに進入して所定の充電位置に停車すると、電動車1の屋根に設けた+側,−側パンタグラフ2a,2bが収納状態から受電位置に上げられて+側,−側剛体架線41,42に夫々押圧接触する。このとき、電動車1の遮断器30がオンされているので、+側,−側剛体架線41,42に供給されている直流が車載バッテリ充電装置8に供給され、前述したように、車載バッテリ7に充電される。
When the
ここで、充電用電源装置40に設けられた充電用バッテリ45と、電動車1に搭載された車載バッテリ7の諸元について説明する。この場合、電動車1の運行と充電をどのように組み合わせるのかは、運転される路線により異なる。しかし、ここでは、一般的な運行状態や運転状態に基づいて、ターミナルでの停車時に急速充電により蓄電容量を回複し、充電の前の走行で消費したエネルギーの100%を回復するようにする。
Here, the specifications of the charging
例えば、非電化路線の営業距離が10Km、停留所区間数が40、平均運転時間が80秒、1回の停留所区間走行当たりの力行電力量(エネルギー量)は、WpkWhであり、次の停留所までの1区間走行当たりの回生電力量(回生エネルギー量)はWrkWhである。 For example, the operating distance of a non-electrified route is 10km, the number of stop sections is 40, the average operation time is 80 seconds, the power running energy (energy amount) per one stop section run is WpkWh, and the distance to the next stop The amount of regenerative electric power (regenerative energy amount) per section travel is WrkWh.
回生電力は車載バッテリ7に充電されるが、有効に活用され回生電力量は、車載バッテリ7の充放電により車載バッテリ7内に発生する損失を差引いたもので、車載バッテリ7の充放電効率をηとすると、ηWrkWsの回生電力が得られる。また、電動車1に有する空調や照明等の補機(補助機器)により消費される消費電力Waも車載バッテリ7から供給される。
The regenerative power is charged in the in-
従って、1区間走行当たりの正味のバッテリ放電量は、
WpkWs−ηWrkWs+WakWsになる。
今、仮に1区間走行当たりのバッテリー放電量を5000kWsとすると、
全非電化路線を走行するのに必要なバッテリー放電電力量は
5000×40=93(5000x40/(600Vx3600SEC)≒93)AH
平均放電パワーを63(5000/80=63)kWとし、バッテリー電圧を直流600Vとすると、平均放電電流は、105A。車載バッテリ7の容量を160AHとすると、急速充電時間と、充電電流の関係は、図8に示すようになる。
Therefore, the net amount of battery discharge per section travel is
WpkWs−ηWrkWs + WakWs.
Now, suppose that the battery discharge amount per section travel is 5000 kWs,
The battery discharge energy required to travel on all non-electrified routes is 5000 × 40 = 93 (5000 × 40 / (600V × 3600SEC) ≈93) AH
When the average discharge power is 63 (5000/80 = 63) kW and the battery voltage is DC 600V, the average discharge current is 105A. When the capacity of the in-
図8に示す急速充電時間と充電電流の関係から、3.5〜5分の範囲で車載バッテリ7に急速充電を行うのが現実的であると考えられる。そこで、充電時間を「約5分」とし、充放電速度を「7C」に設定する。
From the relationship between the rapid charging time and the charging current shown in FIG. 8, it is considered realistic to rapidly charge the in-
一方、充電用バッテリ45は、電動車2両分を同時に充電可能とするために、車載バッテリ7の数倍の容量を持たせる。充電開始時における充電用バッテリ45のバッテリーは完全充電状態とする。この場合、2両分の車載バッテリ7を急速充電完了した後の充電用バッテリ45の放電量は93x2=186AHとなる。これに対して充電用バッテリ45の残留容量は充分に余裕がある。
On the other hand, the charging
充電用バッテリ45のcell数は、放電開始と放電終了時のバッテリー放電電圧が車載バッテリ7の充電開始電圧と充電終了電圧の間に入るように選定してある。
The number of cells of the charging
このように、充電用バッテリ45の電圧と車載バッテリ7の電圧の間に、電圧差が存在する。即ち、充電開始時には、充電用バッテリ45の放電電圧が車載バッテリ7の充電電圧より高く。このように電圧差が生じている状態で、充電用バッテリ45から車載バッテリ7に充電を行なうと、過大電流が充電用バッテリ45から車載バッテリ7に流れ、車載バッテリ7の破損を招く虞がある。そこで、前述したように、車載バッテリ充電装置8に、この電圧差を解消しながら車載バッテリ7に充電できるように、電圧補償変換器9を設けた。
Thus, there is a voltage difference between the voltage of the charging
次に、このように構成された車載バッテリ充電装置8の充電動作について説明する。ここで、充電用トランジスタ25,26と絶縁変圧器27の二次巻線とバッテリ電圧を抜粋したものが図2である。絶縁変圧器47の二次巻線が+、-で示した極性にあり、矢印の方向にトランジスタT226に電流Iが流れているものとする。
Next, the charging operation of the in-vehicle
絶縁変圧器27の一次側には単相交流発生器10が接続されているので、絶縁変圧器27の二次側コイルには、図3に示すように、充電供給電圧Ekを中心電圧として、上下の片側振幅Eで且つ全波周期Tの単相矩形波からなる交流が発生する。この矩形波交流を電源として、トランジスタ25,26の導通位相角を制御して、コンバータとして動作させ得る。ここで、図3において、t1はトランジスタ25の導通期間を示し、t2はトランジスタ26の導通期間を示している。
Since the single-
図2の状態は、図3のt2の導通開始直後の期間に対応している。この状態では、変圧器27の2次巻線端子Ta−O間の電圧は図2に示した方向で車載バッテリ7の電位は図3に示すとおりで、充電供給電圧Ekから変圧器端子Ta−0間電圧Eを加算したものとなる。電源電圧の極性が切り替ると、Ta−O間電圧の極性は図2の図示とは逆となり、バッテリの電位は、充電供給電圧Ekから変圧器端子Ta−0間電圧Eを減算したものとなる。t2=αにおいて、トランジスタ25に点弧信号が加えられると、トランジスタ26のゲート信号はOFFされ、更に、エミッタ−コレクタ間に逆電圧が加わる。図3のt1の領域に入り、車載バッテリ7の電位は図3に示すとおりで、充電供給電圧Ekから変圧器端子Tb−0間電圧Eを加算したものとなる。
The state in FIG. 2 corresponds to a period immediately after the start of conduction at t2 in FIG. In this state, the voltage between the secondary winding terminals Ta-O of the
次に、図1の単相交流発生器10の極性が切り換ると、再度図2で示した極性の電圧が変圧器27の2次巻線に現れ、車載バッテリ7の電位は再び図3に示すとおり、充電供給電圧Ekから変圧器端子Tb−0間電圧Eを減算したものとなる。全体から見ると、車載バッテリ充電装置8の出力電圧の平均値は−Ecで、車載バッテリ7に加わる充電電圧Ejは充電供給電圧EkからEcを減算したものとなる。この辺の状態を波形図で示したのが図3である。
Next, when the polarity of the single-
先ず、これら2つの電圧(充電供給電圧Ekとバッテリ電圧Eb)の関係が、充電供給電圧Ek>バッテリ電圧Eb、である場合の充電作用について説明する。この場合、コントローラ13は、制御位相角αが、π/2<α<πの範囲内になるように、トランジスタ25,26の導通位相(点弧位相)を制御する(図7のK1領域)。
First, the charging operation when the relationship between these two voltages (charging supply voltage Ek and battery voltage Eb) is charging supply voltage Ek> battery voltage Eb will be described. In this case, the
この場合、車載バッテリ7に充電する際に、充電用バッテリ45と車載バッテリ7とを直接接続すると、両者の電圧差が大きいので、充電用バッテリ45から車載バッテリ7に向かって大電流が供給されるので、何らかの方法により、電流を許容値内に収める必要がある。
In this case, when charging the in-
そこで、図2に示すように、電圧補償変換器9によって充電供給電圧Ekに逆らう電圧を発生(逆変換)させ、車載バッテリ7のバッテリ電圧Ebと電圧補償変換器9による補償電圧Ecの和が充電供給電圧Ekに等しくなる(充電用バッテリ45から見れば、電圧補償変換器9による補償電圧Ecを充電供給電圧Ekから減算することになる)ようにすれば、充電用バッテリ45から車載バッテリ711への過大電流を抑えることができる。
Therefore, as shown in FIG. 2, the
車載バッテリ711に充電される充電パワーは、バッテリ電圧Ebと車載バッテリ7への充電電流Iの積で与えられる。電圧補償変換器9において、トランジスタ26を通して、絶縁変圧器27の巻線Ta(右端子)→0(中点)に流れる電流Iと、この巻線Ta−0に発生する電圧の方向が反対なので、絶縁変圧器27から充電パワーが外部に出るのではなく、絶縁変圧器27に充電パワーが供給されることになる。
The charging power charged in the in-vehicle battery 711 is given by the product of the battery voltage Eb and the charging current I to the in-
矩形波用の単相交流発生器10が、充電バッテリ45を電源とする専用のCVCFインバータであるので、電圧補償変換器9を経由して充電バッテリ45に戻される。即ち、車載バッテリ7への供給電圧が制御されて、車載バッテリ7に対する充電電流が「7C(1100A強)になるように制御される。
Since the rectangular-wave single-
車載バッテリ7の充電が進行し、車載バッテリ7の端子電圧が上昇すると、充電電流が減る方向になるので、コントローラ13はこの充電電流の変化を監視しながら、電圧補償変換器9の補償電圧Ecを減らす方向に、つまり制御位相角αをπ/2に近づけるように制御する。制御位相角α=π/2になった場合、図4に示すように、電圧補償変換器9による補償電圧Ec=0となり、電圧補償変換器9を短絡させた場合と等価で、充電用バッテリ45から車載バッテリ7に直接に充電されることになる。
When charging of the in-
更に、車載バッテリ7への充電が進めば、制御位相角α<π/2となり、バッテリ電圧Ebは更に上昇し、充電供給電圧Ek以上になる。この場合、コントローラ13は、制御位相角αが、α<π/2の範囲内になるように、トランジスタ25,26の導通位相(点弧位相)を制御する(図7のK2領域)。
Further, as the charging of the in-
そこで、図5,図6に示すように、電圧補償変換器9から出力される補償電圧+Ecが充電供給電圧Ekに加算される。車載バッテリ7に充電される充電パワーは、バッテリ充電電圧Ej(充電供給電圧Ek+電圧補償変換器9の補償電圧Ec)と電流Iの積で与えられる。
Therefore, as shown in FIGS. 5 and 6, the compensation voltage + Ec output from the
電圧補償変換器9においては、トランジスタ25を通して絶縁変圧器27の巻線のTb(左端)−0(中点)に流れる電流Iとこの巻線Tb−0に発生する電圧の方向が一致するので、絶縁変圧器27から充電パワーが外部に出ることになり、絶縁変圧器27への充電パワーは、単相交流発生器10が充電バッテリ45を電源とする専用のCVCFインバータであるので、充電バッテリ45から得ることになる。
In the
このように、車載バッテリ7への充電を開始してから約5分の定電流充電により、車載バッテリ7の端子電圧は完全充電状態となり、充電用バッテリ45の端子電圧は放電分低下する。それ故、車載バッテリ7の端子電圧の方が充電用バッテリ45の端子電圧より高くなる。そして、車載バッテリ7の充電容量が放電量を回復したことを確認後、電圧補償変換器9による充電作動を停止し、遮断器30をオフにし、充電動作が完了する。
As described above, the terminal voltage of the in-
ここで、充電完了時において、電圧補償変換器9の最大容量は、充電バッテリ電圧と車載バッテリ電圧の最大差電圧と充電電流の積で決まる。これに対して、充電用バッテリ45からの放電電力は、充電用バッテリ放電電圧と充電電流の積で電圧補償変換器9の分は電圧比で決まる。 充電バッテリ放電電圧>>電圧補償変換器電圧であるので、電圧補償変換器9による充電のための変換分担分は、約10%以内でよいことになる。また、充電用バッテリ45は、車載バッテリ7への充電時においても、充電変換装置44により常に定電流充電されているので、充電用バッテリ45の充電時における充電電圧の変動は、この定電流充電に見合う分だけ前述した数値よりも低減される。
Here, when charging is completed, the maximum capacity of the
ここで、図9に示すように、+側,−側パンタグラフ2a,2bに、4つのダイオード51〜54をブリッジ型に接続した整流回路を接続し、+側,−側剛体架線41,42に供給された+電圧と−電圧を電動車1に+側,−側パンタグラフ2a、2bで取込むようにしてもよい。この場合、電動車1の向きが逆になって走行する場合、つまり、+側,−側パンタグラフ2a,2bで集電する直流の極性が反対になった場合でも、整流回路により、DCLINK21には常に+電圧が印加され且つグランド線22には常に−電圧が印加されるようになる。
Here, as shown in FIG. 9, a rectifier circuit in which four
このように、走行駆動用の複数の3相誘導電動機3A,3Bと、直流電力を蓄電可能な車載バッテリ7と、この車載バッテリ7の電力を3相交流に変換して複数の誘導電動機3A,3Bに供給可能な可変電圧・可変周波数型の第1,第2駆動用インバータ5,6とを備え、更に、走行路線のターミナルに充電用バッテリ45と充電用電源装置40と+側,−側剛体架線41,42を設け、電動車1に車載バッテリ7と、+側,−側パンタグラフ2a,2bと車載バッテリ充電装置8と充電制御装置11とを設けたので、電動車1がターミナルに到着すると、コントローラ13により車載バッテリ充電装置8が充電制御され、車載バッテリ7に受電した受電電力で充電することができる。この場合、充電用バッテリ45の内部インピーダンスは比較的小さいので、充分に大きな充電電流を確保できるので、車載バッテリ7への短時間による急速充電が可能になる。
Thus, the plurality of three-
また、車載バッテリ充電装置8は、充電用バッテリ45から直流電力を受けて矩形波交流を発生させる単相交流発生器10と、この単相交流発生器10から受ける矩形波交流を複数のスイッチング素子25,26を介して変換することにより充電平均電圧を昇降圧調整可能な電圧補償変換器9とを有し、コントローラ13は、充電用バッテリ45からの受電電圧と車載バッテリ7の電圧の電圧差に基づいて、電圧補償変換器9のトランジスタ25,26の制御位相角を調整して車載バッテリ7への充電電流を制御するので、車載バッテリ7の電圧が充電用バッテリ45からの受電電圧よりも低い場合には、この電圧差に基づいて電圧補償変換器9から出力される充電平均電圧が降圧側に調整され、車載バッテリ7に充電する充電電流が制御される。
The in-vehicle
一方、車載バッテリ7の電圧が充電用バッテリ45からの受電電圧よりも高くなるように充電する場合には、電圧補償変換器9から出力される充電平均電圧が昇圧側に調整され、車載バッテリ7に充電する充電電流が制御される。電圧補償変換器9が分担する充電パワーは全充電パワーの一部なので、全体として充電効率が高い省エネ型のバッテリ用充放電装置を実現するこができる。
On the other hand, when charging is performed such that the voltage of the in-
ところで、図10に示すように、車載バッテリ充電装置8を部分的に変更し、NPN型の第3トランジスタ56(スイッチング素子)を電流断続防止リアクトル28と単相交流発生器10の電源側に追加挿入するようにしてもよい。この場合、非電化路線の走行に際して、+側,−側パンタグラフ2a,2bが下げられた状態で、第3トランジスタ56をオン状態(導通状態)にすると、単相交流発生器10が車載バッテリ7に接続される。但し、このとき、第1,第2トランジスタ25,26はオフ状態(非導通状態)になっている。
By the way, as shown in FIG. 10, the in-vehicle
図10に示すように、絶縁変圧器27Aの二次側に、第3巻線である補機用巻線27aが追加して設けられている。それ故、この状態で単相交流発生器8の6つのトランジスタ31〜34が所定の順序でオンに切換えられて、車載バッテリ7に蓄電されている蓄電電力により単相交流発生器10が作動すると、補機用巻線27aには前述したような矩形波の単相交流が発生する。その結果、補機用巻線27aで発生する矩形波交流を、補機18に給電する補機用給電系に供給されるようにすれば、例えば、暖房用ヒータに電力が供給される。そのため、電動車1が寒冷地を走行中に、補機用インバータ4による駆動電力だけではパワー不足の場合でも、この単相交流発生器10で発生させた矩形波交流で暖房用ヒータを駆動でき、車内の暖房能力をを十分に発揮でき、顧客サービスの向上を図ることができる。
As shown in FIG. 10, an auxiliary machine winding 27a, which is a third winding, is additionally provided on the secondary side of the
図11に示すように、鉄道車両(以下、電動車1Aと言う)は、充電に際して第1〜第3剛体架線41〜43に接触して受電可能な第1〜第3パンタグラフ2d〜2fと、3相交流用の2つの誘導電動機3A,3Bと、車載バッテリ7に充電された蓄電電力を交流電力に変換して補機を駆動するための1つの補機用インバータ4と、車載バッテリ7に充電された蓄電電力を交流電力に変換して誘導電動機3A,3Bを駆動する2つの第1,第2駆動用インバータ5,6と、車載バッテリ7等を装備している。
As shown in FIG. 11, the railway vehicle (hereinafter, referred to as an
補機用インバータ4は、6つのスイッチング素子4a〜4f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CVCFインバータであり、後述する車載バッテリ7からフィルタリアクトル15を介して受けた供給電力を3相交流に変換して空調や照明等の補機18に駆動電力として供給するようになっている。
The
第1駆動用インバータ5は、6つのスイッチング素子5a〜5f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VVVFインバータであり、車載バッテリ7からフィルタリアクトル16を介して供給される直流をV(電圧)/F(周波数)一定の3相交流に変換して誘導電動機3Aを駆動可能になっている。
The
第2駆動用インバータ6は、6つのスイッチング素子6aり6fと還流ダイオードとをブリッジ状に接続し、第1駆動用インバータ5と同様に周知のVVVFインバータであり、車載バッテリ7からフィルタリアクトル17を介して供給される直流をV(電圧)/F(周波数)一定の3相交流に変換して誘導電動機3Bを駆動可能になっている。
The second driving inverter 6 is a well-known VVVF inverter that connects the six
ここで、これらスイッチング素子4a〜4f,5a〜5f,6a〜6fは、トランジスタからなっている。また、これら補機用インバータ4と第1,第2駆動用インバータ5,6は一般的なものであり、その詳しい動作説明を省略する。ここで、コンデンサ19,20はリアクトル16,17と協働して、第1,第2駆動用インバータ5,6のスイッチング作用により発生する高調波を吸収し、車上機器の正常な動作を妨害しないように車体艤装線への流出を防止するEMIフィルターを構成している。
Here, the
車載バッテリ7は、DCLINK21とグランド線22との間に介設され、複数の充電セルを直列接続されたニッケル水素電池からなり、2つの誘導電動機3A,3Bを駆動可能な150〜200AHもの電流量を充電可能に構成されている。車載バッテリ7の+端子はDCLINK21に接続され、車載バッテリ7の−端子はグランド線22に接続されている。
The in-
また、補機用インバータ4の電力出力線4Aには、出力電圧整形用フィルタ60と、出力電圧検出用変圧器61と、パンタグラフ2d〜2fを介して剛体架線41〜43から供給される交流電源の電圧を検出する交流電圧検出用変圧器62が夫々介装されている。第1,第2駆動用インバータ5,6の電力出力線5A,6Aには、パンタグラフd〜2fを介して剛体架線41〜43から供給される交流電力により、コンバータ動作をさせるためのインダクタンス63,64と、第1,第2切換えスイッチ65,66とが夫々介装されている。
The
第1,第2切換えスイッチ65,66は、1対の第1,第2開閉スイッチ65a,65b、66a,66bを夫々有している。そこで、走行時には、図11に示すように、第1,第2駆動用インバータ5,6から出力される3相交流は、電力出力線5A,6Aの第1開閉スイッチ65a,66aを介して各誘導電動機3A,3Bに夫々供給される。一方、充電時には、図12に示すように、パンタグラフ2d〜2fを介して受電された交流電力が交流受電線5B,6Bの途中部に介設された第2開閉スイッチ65b,66bを介して第1,第2駆動用インバータ5,6の電力出力線5A,6Aに夫々供給される。
The first and second change-over
即ち、コントローラ13により、各第1,第2切換えスイッチ65,66が駆動側に切換えられると、第1開閉スイッチ65a,66aが閉成且つ第2開閉スイッチ65b,66bが開成される。各第1,第2切換えスイッチ65,66が充電側に切換えられると、第1開閉スイッチ65a,66aが開成且つ第2開閉スイッチ65b,66bが閉成される。
In other words, when the
3相交流を受電する3つのパンタグラフ2d〜2fは、充電時以外の走行時や停車時には、電動車1の天井の直ぐ上側に降下した収納位置に収納されているが、後述する電力供給装置からの3相交流を受電して車載バッテリ7に充電する際には、図示外の伸縮装置を介して上側の受電位置に切換え可能になっている。
The three
バッテリ用充電装置70は、剛体架線41〜43から交流電力を受電可能なパンタグラフ2d〜2fと、充電時にはパンタグラフ2d〜2fを介して剛体架線41〜43から供給される交流電力を直流に変換して車載バッテリ7に充電するように補機用インバータ4と第1,第2駆動用インバータ5,6を同時に逆変換制御(コンバータ制御)する充電制御装置11Aと、充電設備71と、車載バッテリ7への充放電電流を検出する第1電流検出器36と、車載バッテリ7の蓄電電圧を検出する蓄電電圧検出器37と、補機用インバータ4と第1,第2駆動用インバータの電流を検出する第2〜第4電流検出器76〜78と、パンタグラフ2d〜fから受電した3相交流の受電電流を検出する第5電流検出器79と、補機用インバータ4の出力電圧を検出する出力電圧検出用変圧器61と、後述する電力供給装置から供給される交流電力の交流電圧を検出する交流電圧検出用変圧器62等を備えている。
The
充電制御装置11Aは、補機用インバータ4と第1,第2駆動用インバータ5,6の各スイッチング素子4a〜f、5a〜5f、6a〜6fの各ベースに点弧信号を供給するゲート駆動回路12Aと、このゲート駆動回路12Aに駆動信号を供給するコントローラ13A等から構成されている。
11A of charge control apparatuses are the gate drive which supplies an ignition signal to each base of each switching
コントローラ13Aは、図示外の入出力インターフェイスとマイクロコンピュータを有し、図示外の車速センサからの車速信号と、蓄電電圧検出器37から出力される電圧信号を受け、運転士により操作されたマスターコントローラの運転操作又はブレーキ操作に基づいて、第1,第2駆動用インバータ5,6の各スイッチング素子5a〜5f、6a〜6fを、運転状態に応じて夫々PWM制御するとともに、補機用インバータ4の電力出力線4Aに介設された電磁遮断器67,67と、第1,第2駆動用インバータ5,6の第1,第2切換えスイッチ65,66の自動切換え制御を行う。
The
次に、走行用軌道の終端であるターミナル或いは走行経路途中の停留所に設置され、電動車11に装備された車載バッテリ7に充電する3相交流を供給する電源設備71について説明する。
Next, a description will be given of the
図12に示すように、この電源設備71は、剛体架線41〜43と、この剛体架線41〜43に3相交流を供給する3相商用交流電源72と、絶縁変圧器73等からなっている。ターミナルの上側に、3相交流用の剛体架線41〜43が所定長さに亙って配設されている。3相商用交流電源72から出力される3相商用交流が遮断器74を介して絶縁変圧器73に供給され、この絶縁変圧器73で所定電圧に変換された交流電力が剛体架線41〜43に供給されるようになっている。
As shown in FIG. 12, the
そこで、電動車1Aがターミナルに進入して所定の充電位置に停車すると、電動車1Aの天井に設けたパンタグラフ2d〜2fが受電位置に上がって剛体架線41〜43に押圧接触することで、剛体架線41〜43に供給されている3相交流が受電され、1つの補機用インバータ4及び2つの第1,第2駆動用インバータ5,6のコンバータ動作により、車載バッテリ76に急速充電できるようになっている。
Therefore, when the
次に、コントローラ13Aにより実行される電動車1の充電動作について、図13の機能ブロック図に基づいて説明する。
Next, the charging operation of the
電動車1Aが所定の充電位置に停車したことが確認され(B1)、或いは運転士により充電指令が出力されると(B2)、充電停止指令(B31,B31a)が無いことを条件に、先ず、パンタ上げ指令(B3)によりパンタグラフ2d〜2fが受電位置に上昇して剛体架線41〜43に接触する。パンタグラフ2d〜2fの受電位置への切換えが確認されると、電磁スイッチ67のON指令(B4)により、電磁スイッチ67がONされ、剛体架線41〜43に供給された3相交流がパンタグラフ2d〜2fを介して交流受電線に供給される。
When it is confirmed that the
この状態では、補機用インバータ4は動作中であり、補機18に駆動電力が供給されている。この時点で、出力電圧検出用変圧器61からの検出信号に基づく補機用インバータ4からの出力電圧(B5)と、交流電圧検出用変圧器62からの受電交流電圧(B6)とが比較され(B7)、これらの電圧に差が有る場合には、補機用インバータ4の出力電圧が受電交流電圧に等しくなるように電圧調整制御される(B8)。
In this state, the
一方、補機用インバータ4の動作周波数と、受電した3相交流の周波数とが比較され(B9)、これらの周波数に差が有る場合には、補機用インバータ4の動作周波数が受電した3相交流の周波数に等しくなるように周波数調整制御が行なわれる(B10)。更に、補機用インバータ4の電圧位相と、受電した3相交流の電圧位相とが比較され(B11)、これらの電圧位相に差が有る場合には、補機用インバータ4の電圧位相が受電した3相交流の電圧位相に等しくなるように位相調整制御が行なわれる(B12)。
On the other hand, the operating frequency of the
このように、補機用インバータ4の電圧と周波数と電圧位相とが受電した3相交流の電圧と周波数と電圧位相とに一致した時点で、電磁スイッチ68がONされる(B13)。即ち、発電機の自動並列運転投入と同様なことが、補機用インバータ4で行なわれるのである。
In this way, when the voltage, frequency, and voltage phase of the
次に、補機用インバータ4の動作位相が受電した3相交流の位相に対して遅れるように遅れ制御される(B14)。その結果、補機18へ供給する駆動電力は、補機用インバータ4側から受電した3相交流側に切換えられ、補機用インバータ4の駆動電流が零になる。ここで、補機用インバータ4の動作位相を更に遅らせると、受電した3相交流が補機用インバータ4にも流れ込むようになる。
Next, delay control is performed so that the operation phase of the
補機用インバータ4の駆動電流が零にった時点で(B15)、第1,第2切換えスイッチ65,66に対して充電側に切換えるように指令されるので(B16)、第1,第2切換えスイッチ65,66の第1開閉スイッチ65a,66aが開成且つ第2開閉スイッチ65b,66bが閉成される(B16a)。これにより、受電した3相交流が第1,第2駆動用インバータ5,6の電力出力線5A,5Bに夫々供給される。このとき、受電した3相交流は、誘導電動機3A,3Bに供給されることはなく、電動車1Aが不意に走行するようなことはない。
When the driving current of the
この状態で、補機用インバータ4に対してコンバータ動作するように切換えられ(B17)、第1,第2駆動用インバータ5,6に対してもコンバータ動作するように切換えられる(B18)。このように、剛体架線41〜43からの交流電力を補機18へ供給しながら補機用インバータ4をコンバータとして動作させるので、車載バッテリ7への充電に際して、照明機器や冷暖房機器等の補機18を一瞬でも停止させることなく、これら補機18の稼働運転を維持しながら、フリー状態になった補機用インバータ4も動員して、第1,第2駆動用インバータ5,6と協働しながら車載バッテリ7への急速充電が可能になる。
In this state, the
これら補機用インバータ4,第1,第2駆動用インバータ5,6のコンバータ制御においては、受電した3相交流側の力率が「1」になるように各スイッチング素子4a〜4f、5a〜5f、6a〜6fが夫々制御されるので、これら補機用インバータ4及び第1,第2駆動用インバータ5,6からDCLINK21に出力される電流は最大電流となり、車載バッテリ7はこの最大電流でもって急速充電されることになる。
In the converter control of the
この充電動作中においては、蓄電電圧検出器37からのバッテリ電圧(B19)と、第1電流検出器36からのバッテリ電流(B20)とが、微小時間毎に読み込まれ、車載バッテリ7のバッテリ状態が常に監視されている(B21)。
During this charging operation, the battery voltage (B19) from the
そして、バッテリ充電電流の積算値と所要充電電流積算設定値が常時比較され(B30)、充電電流積算値が設定値を満たすと、充電停止指令が出される(B31,B31a)。そのため、先ず、第1,第2駆動用インバータ5,6のコンバータ制御が中止され、補機用インバータ4の位相戻し制御が行なわれる(B23)。これにより、受電した3相交流が補機用インバータ4に流れなくなり、零になる(B24)。更に、補機用インバータ4の位相戻し制御が行なわれ、受電した3相交流と等しくなると、補機18に対して、補機用インバータ4の内部インピーダンスと電源設備71の内部インピーダンス逆比で分担する駆動電流が、補機用インバータ4と電源設備71とから供給されるようになる。
Then, the integrated value of the battery charge current and the required charge current integrated set value are constantly compared (B30), and when the charge current integrated value satisfies the set value, a charge stop command is issued (B31, B31a). Therefore, first, the converter control of the first and
しかし、補機用インバータ4の位相を受電した3相交流の位相に対して進めるように位相進め制御を行なうと、補機18に対して補機用インバータ4だけから駆動電力が供給されるようになる。即ち、電源設備71から交流受電線5B,6Bへの電流の流入が零なる。そこで、第5電流検出センサ79により、交流受電線5B,6Bへの電流の流入が零になったことが確認されると、電磁スイッチ68がオフされ(B24)、第1,第2切換えスイッチ65,66が駆動側に切換えられ(B26)、電磁スイッチ67がオフされる(B27,B27a)。そして、最終的にパンタ下げ指令(B22)により、パンタグラフ2d〜2fが収納位置に切換えられる(B28)。これにより、一連の充電動作が完了する。
However, if the phase advance control is performed so that the phase of the
充電が完了した時点で、運転士によりマスターコントローラが走行操作されると、コントローラ13Aにより第1,第2駆動用インバータ5,6が運転状態に応じてPWM制御され、車載バッテリ7を電源として各誘導電動機3A,3Bが回転駆動され、電動車1Aが力行走行する。
When the driving of the master controller is performed by the driver at the time when the charging is completed, the
ここで、車載バッテリ7への充電に際して、補機18の運転を停止させることなく、補機18への駆動電力供給を、補機用インバータ4から電源設備71側から受電した3相交流に切換える切換えについて説明する。
Here, when charging the in-
図14に示すように、
e1:外部電源電圧
e2:補機用インバータ4の電圧
Z1:外部電源内部インピーダンス
Z2:補機用インバータ4の内部インピーダンス
Z3:負荷インピーダンス
i1:外部電源からの流入電流
i2:補機用インバータ4の電流とすると、
e1=Z1・i1+Z3・(i1+i2)・・・(1)式
e2=Z2・i2+Z3・(i1+i2)・・・(2)式
I=i1+i2・・・・・・・・・・・(3)式
As shown in FIG.
e1: External power supply voltage
e2:
Z1: External power supply internal impedance
Z2: Internal impedance of
Z3: Load impedance
i1: Inflow current from external power supply
i2: Assuming that the current of the
e1 = Z1 ・ i1 + Z3 ・ (i1 + i2) ・ ・ ・ (1) Formula
e2 = Z2 ・ i2 + Z3 ・ (i1 + i2) ・ ・ ・ (2) Formula
I = i1 + i2 (3)
上式を書き直すと、
e1=Z1・(I-i2)+Z3・I=-Z1・i2+(Z1+Z3)・I・・・・・・・・・(4)式
e2=Z2・i2+Z3・I・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)式
i2=-(e1・Z3 -e2・(z1+z3))/(Z1・Z2+Z2・Z3+Z3・Z1)・・・(6)式
I=(e2・Z1+e1・Z2)/(Z1・Z2+Z2・Z3+Z3・Z1)・・・・・・・・・・・・(7)式
(6)式において、i2=0 とおく。
e1・Z3=e2・(Z1+Z3)
e2=e1・Z3/(Z1+Z3)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6a)式
(7)式に(6a)式を代入すると、
I=e1/(Z1+Z3)
Rewriting the above formula,
e1 = Z1 ・ (I-i2) + Z3 ・ I = -Z1 ・ i2 + (Z1 + Z3) ・ I ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (4)
e2 = Z2 ・ i2 + Z3 ・ I ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 5
i2 =-(e1 ・ Z3 -e2 ・ (z1 + z3)) / (Z1 ・ Z2 + Z2 ・ Z3 + Z3 ・ Z1) ・ ・ ・ (6)
I = (e2 ・ Z1 + e1 ・ Z2) / (Z1 ・ Z2 + Z2 ・ Z3 + Z3 ・ Z1) ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (7) In equation (6), i2 = 0 far.
e1 ・ Z3 = e2 ・ (Z1 + Z3)
e2 = e1 ・ Z3 / (Z1 + Z3) ... (6a)
Substituting (6a) into (7),
I = e1 / (Z1 + Z3)
ここで、Z3は負荷で力率=1とすると、有効分のみで、Z3=R3
Z1は外部電源の内部インピーダンスであり、損失を無視すると、Z1=jX1 になる。
そこで、上式を(6a)式に代入し、更に電圧を複素数で示すと、
e1=E・exp(jωt)
e2=R3/(R3+JX1)・E・exp(jωt)
R3/(R3+JX1)=R3・(R3-jX1)/(R3^2+X1^2)=R3/√(R3^2 + X1^2)・exp(-jφ)
Here, if Z3 is a load and the power factor = 1, it is only the effective component, Z3 = R3
Z1 is the internal impedance of the external power supply. If the loss is ignored, Z1 = jX1.
Therefore, substituting the above equation into equation (6a) and further representing the voltage in complex numbers,
e1 = E ・ exp (jωt)
e2 = R3 / (R3 + JX1) ・ E ・ exp (jωt)
R3 / (R3 + JX1) = R3 ・ (R3-jX1) / (R3 ^ 2 + X1 ^ 2) = R3 / √ (R3 ^ 2 + X1 ^ 2) ・ exp (-jφ)
従って、
e2 = R3/√(R3^2 + X1^2)・exp(-jφ) ・E・expjωt
= R3/√(R3^2 + X1^2)・E・expj(ωt-φ)
Cosφ = R3/√(R3^2 + X1^2)
R3>>X1 なので、 √(R3^2 + X1^2) ? R3
e2=E・expj(ωt-φ)
補機用インバータ4における電流零の条件は、(6a)式で与えられ、上式の様に書きなおせる。
Therefore,
e2 = R3 / √ (R3 ^ 2 + X1 ^ 2) ・ exp (-jφ) ・ E ・ expjωt
= R3 / √ (R3 ^ 2 + X1 ^ 2) ・ E ・ expj (ωt-φ)
Cosφ = R3 / √ (R3 ^ 2 + X1 ^ 2)
R3 >> X1, so √ (R3 ^ 2 + X1 ^ 2)? R3
e2 = E ・ expj (ωt-φ)
The condition of zero current in the
受電した3相交流電圧e1は
e2 = E・expjωtで与えられる。
従って、補機用インバータ4の電圧「e2」は、受電した3相交流電圧「e1」より位相角φだけ遅れていることが分かる。即ち、補助インバータ4の電圧位相をφだけ遅らせれば、補助インバータ4から補機へのパワー供給を零に出来ることを意味する。
The received three-phase AC voltage e1 is
e2 = E · expjωt.
Therefore, it can be seen that the voltage “e2” of the
このように、走行駆動用の複数の3相誘導電動機3A,3Bと、直流電力を蓄電可能な車載バッテリ7と、この車載バッテリ7の直流電力を3相交流に変換して複数の誘導電動機3A,3Bに供給可能で走行時にはPWM制御される可変電圧・可変周波数型の第1,第2駆動用インバータ5,6と、低電圧・低周波数型の補機用インバータ4とを備え、電動車1Aのターミナルに剛体架線41〜43を設け、電動車1Aに受電用のパンタグラフ2d〜2fと充電制御装置11Aとを備えたので、これら第1,第2駆動用インバータ5,6と1つの補機用インバータ4が同時にコンバータ制御(逆変換制御)され、1つの駆動用インバータ5,6或いは1つの補機用インバータ4だけによる充電に比べて充電電流が大きいため、短時間の停車であっても、車載バッテリ7への急速充電が可能になる。
As described above, the plurality of three-
この実施例3では、前述した実施例2を部分的に変更し、図15に示すように、バッテリ用充電装置70Aは、補機用インバータ4だけで車載バッテリ7に充電するようにしている。即ち、地方都市においては、朝夕の通勤や通学時間帯を除いた昼間の時間帯は乗降客が少ないので、走行路線の終端であるターミナルにおける停止待機時間が比較的長く確保できる。そこで、このターミナルにおける停止待機時間を利用して、補機用インバータ4だけで車載バッテリ7に充電することができる。
In the third embodiment, the second embodiment described above is partially changed, and as shown in FIG. 15, the
この実施例3の電動車1Bは、前述した実施例2の図11に記載した電動車1Aと同様であるため、同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。また、ターミナルに到着した際の充電時において、補機用インバータ4により車載バッテリ7に充電する充電制御は、図12に基づいて説明したのと略同様であるので、その説明を省略するが、パンタグラフ2d〜2fを介して受電した3相交流と補機用インバータ4とを自動並列運転してから、補機用インバータ4だけを、運行情報に基づいてコンバータ制御して車載バッテリ7に充電する充電制御について説明する。
Since the electric vehicle 1B of the third embodiment is the same as the
但し、図15に示す充電制御装置11Bのコントローラ13Bに有する不揮発性メモリには、1日の運行回数、路線を走破する運転時間、停留所の数、停留所間の走行時間等、1日の運行に必要な諸データを記憶した運行情報(B30)が予め記憶されている。そこで、この運行情報に基づいて、コントローラ13Bにより実行される充電制御について説明する。
However, the non-volatile memory in the
図16に示すように、蓄電電圧検出器37により車載バッテリ7のバッテリ電圧が微小時間毎に検出される(B19)とともに、第1電流検出器36からのバッテリ電流(B20)が微小時間毎に検出され、このバッテリ充放電電流がその都度積分されて電流時間積、つまり、車載バッテリ7の蓄電容量が演算され(B31)、常に監視されている(B32)。
As shown in FIG. 16, the battery voltage of the in-
一方、電動車1Bの運行情報(B30)に基づいて、現在の運行時刻から運行終了までに必要な電流時間積が演算により求められ(B33)、電動車1Bがターミナルに到着する毎に、運行情報と車載バッテリ7の蓄電状態とが常に比較され(B34)、今後の運行に必要な電流時間積が現状の車載バッテリ7の蓄電量によってカバー出来ない場合には、ターミナルに到着後、必要に応じて充電指令が出され、補機用インバータ4によって車載バッテリ7に充電が実行される(B35)。
On the other hand, based on the operation information (B30) of the electric vehicle 1B, a current-time product required from the current operation time to the end of operation is obtained by calculation (B33), and the operation is performed every time the electric vehicle 1B arrives at the terminal. If the information and the storage state of the in-
この実施例3においては、電動車1Bを閑散路線で運行する場合に、走行に必要なエネルギーコストを出来るだけ低く抑えるために、基本的には車載バッテリ7の充電は、安価な深夜電力で行なうようにし、実際に各走行時点での走行に必要な駆動電力量が不足した場合にのみ、止むを得ず、昼間においてターミナルで最低必要量を補充充電するものである。
In the third embodiment, when the electric vehicle 1B is operated on a quiet route, in order to keep the energy cost required for traveling as low as possible, the in-
車載バッテリ7の充電量である駆動電力量が不足すると、予想される電流時間積を走行途中においてターミナルで補充充電し、運行完了の時点で車載バッテリ7の電流時間積が許容範囲の最小蓄電量として略零になるまで使い切り、運行を終了した夜間から翌日の始発までの待機時間帯において、充分な充電時間を設け、車載バッテリ7の電流時間積を安価な深夜電力による充電により、車載バッテリ7をフル状態に充電させるものである。
When the amount of drive power that is the charge amount of the in-
そこで、車載バッテリ7への充電電流は、昼間と夜間とで変更する必要がある。即ち、昼間における充電には、夜間に比べて高価な電力料金による運行コストを押えるために、比較的少ない電流量で補充充電することで、充電コストを極力安価にし、夜間においては、安価な夜間料金が適用されるため、比較的大きな電流量で充電するようにしている。但し、運行しない夜間における1回のフル充電で、翌日の全走行が可能な場合もある。
Therefore, it is necessary to change the charging current to the in-
充電の終了は、車載バッテリ7の電流時間積が翌日の運行に必要な電流時間積を確保できたとき、或いは運転士による運転台からの充電指令OFFが発せられたときである。この充電指令がOFFされると(B22)、前記実施例2で説明したように、補機用インバータ4は電圧位相戻し制御により(B23)、今まで受電した3相交流から補助負荷供給していたパワーを、補機用インバータ4側に徐々に移行し(B24)、受電した3相交流からの電流が零になった時点で、電磁スイッチ68をOFFにし(B25)、電磁スイッチ67もOFFし(B27,B27a)、パンタ下げ指令により(B28)、パンタグラフ2d〜2fは収納位置に下がる。このようにして、車載バッテリ7に充電されるので、電動車1Bは走行可能な状態になる。
The end of charging is when the current-time product of the in-
1 電動車(鉄道車両)
1A 電動車
1B 電動車
3A 3相誘導電動機
3B 3相誘導電動機
4 補機用インバータ
5 第1駆動用インバータ
6 第2駆動用インバータ
7 車載バッテリ
8 車載バッテリ充電装置
9 電圧補償変換器
10 単相交流発生器
11 充電制御装置
11A 充電制御装置
11B 充電制御装置
27 絶縁変圧器
27a 補機用巻線
40 充電用電源装置
41〜43 剛体架線
45 充電用バッテリ
56 第3トランジスタ
65 第1切換えスイッチ
66 第2切換えスイッチ
70 バッテリ用充電装置
1 Electric car (railroad car)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
鉄道車両のターミナル又は走行経路途中の停留所に、
車載バッテリに充電するための充電用バッテリと、この充電用バッテリに定電流充電する充電用電源装置と、充電用バッテリから供給される直流電力を鉄道車両に供給可能な剛体架線とを設け、
鉄道車両に、
前記剛体架線に接触して充電用バッテリから受電可能な集電器と、この集電器により受電した受電電力で車載バッテリに充電させる充電装置と、車載バッテリへの充電に際して充電装置を充電制御する充電制御手段とを設けた、
ことを特徴とする鉄道車両のバッテリ用充電装置。 A plurality of three-phase induction motors for driving and driving, an in-vehicle battery that can store DC power, and a variable voltage / variable frequency type that can be supplied to a plurality of induction motors by converting the power of the in-vehicle battery into three-phase AC With a plurality of inverters,
At a railway car terminal or a stop along the route,
A charging battery for charging the in-vehicle battery, a charging power supply device for charging the charging battery with a constant current, and a rigid overhead wire capable of supplying DC power supplied from the charging battery to the railway vehicle,
For rail cars,
A current collector that can receive power from a charging battery in contact with the rigid body wire, a charging device that charges the vehicle-mounted battery with the received power received by the current collector, and a charge control that controls the charging device when charging the vehicle-mounted battery Provided with means,
A battery charger for a railway vehicle characterized by the above.
前記充電制御手段は、充電用バッテリからの受電電圧と車載バッテリの電圧の電圧差に基づいて、前記昇降圧手段の複数のスイッチング素子の制御位相角を調整して車載バッテリへの充電電流を制御することを特徴とする請求項1に記載の鉄道車両のバッテリ用充電装置。 The charging device has a transformer and receives AC power from a charging battery to generate a rectangular wave AC, and a plurality of switching elements receives the rectangular wave AC received from the AC generator through the transformer And a step-up / step-down means capable of adjusting the step-up / step-down of the charging average voltage by converting through
The charging control means controls the charging current to the in-vehicle battery by adjusting the control phase angle of the plurality of switching elements of the step-up / step-down means based on the voltage difference between the received voltage from the charging battery and the in-vehicle battery voltage. The battery charger for a railway vehicle according to claim 1.
前記鉄道車両のターミナル又は走行経路途中の停留所に、交流電力を鉄道車両に供給可能な電源設備と剛体架線を設け、
前記鉄道車両に、
前記剛体架線から交流電力を受電可能な集電器と、
充電時には集電器を介して剛体架線から供給される交流電力を直流に変換して車載バッテリに充電するように前記複数の駆動用インバータと補機用インバータを同時に逆変換制御する充電制御手段と、
を備えたことを特徴とする鉄道車両のバッテリ用充電装置。 A plurality of three-phase induction motors for driving driving, a vehicle-mounted battery capable of storing DC power, a DC power of the vehicle-mounted battery can be converted into a three-phase AC and supplied to a plurality of induction motors, and PWM control is performed during driving A plurality of variable voltage / variable frequency type drive inverters, and at least one constant voltage / constant frequency type inverter for supplying drive power to auxiliaries;
In the terminal of the railway vehicle or a stop in the running route, a power supply facility and a rigid overhead wire capable of supplying AC power to the railway vehicle are provided,
In the railway vehicle,
A current collector capable of receiving AC power from the rigid overhead wire;
Charging control means for simultaneously performing reverse conversion control of the plurality of drive inverters and the auxiliary inverters so as to convert the AC power supplied from the rigid overhead wire via the current collector to DC during charging and charge the vehicle-mounted battery;
A battery charger for railway vehicles, comprising:
前記鉄道車両のターミナル又は走行経路途中の停留所に、交流電力を鉄道車両に供給可能な電源設備と剛体架線を設け、
前記鉄道車両に、
前記剛体架線から交流電力を受電可能な集電器と、
充電時に前記集電器を介して剛体架線から供給される交流電力を直流に変換して前記車載バッテリに充電するように前記補機用インバータを逆変換制御する充電制御手段と、
を備えたことを特徴とする鉄道車両のバッテリ用充電装置。 A plurality of three-phase induction motors for driving and driving, an in-vehicle battery that can store DC power, and a variable voltage / variable frequency type that can convert the DC power of this in-vehicle battery into three-phase AC and supply it to a plurality of induction motors A plurality of drive inverters, and at least one inverter for a constant voltage / constant frequency type for supplying drive power to auxiliary machines,
In the terminal of the railway vehicle or a stop in the running route, a power supply facility and a rigid overhead wire capable of supplying AC power to the railway vehicle are provided,
In the railway vehicle,
A current collector capable of receiving AC power from the rigid overhead wire;
Charging control means for performing reverse conversion control of the auxiliary inverter so as to charge the in-vehicle battery by converting alternating current power supplied from the rigid overhead wire via the current collector to the direct current during charging;
A battery charger for railway vehicles, comprising:
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