JP2006174573A

JP2006174573A - 鉄道車両の電源装置及び電源起動方法

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Publication number: JP2006174573A
Application number: JP2004362438A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Koga; 猛古賀; Yosuke Nakazawa; 洋介中沢
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: CN1817678A; CN100584652C; JP4113180B2

Abstract

【課題】複数の補助電源装置を個別に起動でき並列同期運転を行うことである。
【解決手段】鉄道車両の補助回路に交流電力を供給する複数の補助電源装置を備えた鉄道車両の電源装置において、鉄道車両の補助回路用負荷が接続された負荷母線を複数の補助電源装置に対応して区分する母線接触器と、各々の補助電源装置の出力側を対応する負荷母線に接続するための負荷接触器と、編成車両の先頭側または後尾側に隣接する補助電源装置の電気量をその負荷母線を介して検出する電気量検出手段とを備え、補助電源装置は外部からの起動指令により負荷接触器を閉極するとともに並列同期運転準備を行い電気量検出手段で検出された電気量に基づいて隣接する補助電源装置との並列同期運転条件が確立したと判定したとき母線接触器を閉極し相互に同期させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、架線からの直流または交流電源の電力を所定の交流電力に変換する複数ユニットを備えた鉄道車両の電源装置及び電源起動方法に関する。

鉄道車両の補助回路に交流電力を供給する補助電源装置は、一般に一編成あたり複数の補助電源装置を搭載して、一つの補助電源装置が故障しても残りの健全な補助電源装置から編成の各車両の負荷に必要な電力を供給するという冗長性を有する。

この冗長系電源システムの一つに複数の補助電源装置を並列同期運転させて、同一の負荷母線に出力する補助電源装置の並列冗長システムがある。図５は、一編成に３台の補助電源装置を並列同期運転させる並列冗長システムの構成図である。架線１１から集電装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃを介して各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃに電源が供給され、各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃは負荷母線１４に負荷接触器１５ａ、１５ｂ、１５ｃを介して接続される。負荷母線１４には、蛍光灯やクーラー等の補助回路用負荷１６（以下、負荷１６という）が接続されている。なお、図５中の１７は交交セクションである。

各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃには、負荷母線１４の電圧を検出する電圧検出手段１８ａ、１８ｂ、１８ｃが設けられており、まず複数の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃのうち１台を起動させる。例えば補助電源装置１３ａを起動させて負荷母線１４に出力電圧を供給し、残りの補助電源装置１３ｂ、１３ｃは負荷母線１４の電圧及び位相の情報に基づき順次起動する。

このような並列同期運転させる並列冗長システムは、１台の補助電源装置１３が故障した場合に２台の補助電源装置１３でバックアップできるので、補助電源装置１３の定格容量としては、通常運転時の３／２倍の容量を持つものを用意することになる。架線１１の交交セクション１７の通過時に１台の補助電源装置１３に停電が発生しても、他の補助電源装置１３でバックアップできるので、全体として停電することはない。しかし、最初に起動する１台の補助電源装置１３は残りの補助電源装置１３が負荷母線１４につながるまで全負荷を背負うことになる。

一方、図６に示すように、負荷母線１４を複数の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃに対応して母線接触器１９ａ、１９ｂで区分し、各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃから母線接触器１９ａ、１９ｂで区分された負荷母線１４ａ、１４ｂ、１４ｃにそれぞれ電源を供給するようにした個別運転の並列冗長システムもある。

この個別運転の並列冗長システムでは、個別に負荷母線１４の負荷に電源を供給するので、１台の補助電源装置が全負荷を背負うことはない。しかし、架線１１の交交セクション１７の通過時に停電が発生するため、その停電時に蛍光灯などの負荷１６に対してバッテリから電源を供給する必要があり、また、１台の補助電源装置１３が故障した場合には、母線接触器１８を閉極して隣接する補助電源装置１３でバックアップすることになるので、補助電源装置１３の定格容量としては、通常運転時の２倍の容量を持つものを用意しておくことが必要になる。

また、補助電源装置１３の定格容量を低減するために、電力変換器の出力電圧の位相のユニット間の偏差を抑制する位相偏差抑制手段及び電力変換器の出力電流のユニット間の偏差を抑制する出力電流偏差抑制手段を設け、複数ユニットの電力変換器の出力側を共通に接続して負荷に供給する並列運転を可能としたものがある（例えば、特許文献１参照）。

さらに、図７に示すように、模擬母線２０を設け、模擬母線２０の電圧及び位相に基づいて、各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃを負荷母線１４に並列同期するようにした並列冗長システムがある。すなわち、模擬母線２０の電圧を電圧検出手段１８ａ、１８ｂ、１８ｃで検出し、模擬母線２０の電流を電流検出手段２１ａ、２１ｂ、２１ｃで検出し、電圧及び電流から位相を判定して、模擬母線２０の電圧及び位相に基づいて、各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃは同期運転準備を行い、その後、各補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃの負荷接触器１５ａ、１５ｂ、１５ｃを一斉に投入し負荷母線１４に電源を出力する。しかし、この場合は、車両間を引き通す模擬母線２０が必要となる。
特開平１１−２１５６０２号公報

ところが、図５のものでは、補助電源装置１３の定格容量を低減でき、交交セクションの通過時にも停電が生じないというメリットがあるが、最初に起動する１台の補助電源装置１３は残りの補助電源装置１３が負荷母線１４につながるまで、全負荷を背負うことになるという問題がある。

また、図６に示したものでは、個別に負荷母線１４の負荷に電源を供給するので、１台の補助電源装置１３が全負荷を背負うことはないが、架線１１の交交セクション１７の通過時の停電の備えてバッテリーを用意する必要があり、また、他の補助電源装置１３が故障に備えて補助電源装置１３の定格容量としては、通常運転時の２倍の容量を持つものを用意しておくことが必要になる。

また、図７に示したものでは、模擬母線２０を使うことにより各補助電源装置１３は相互に同期をとって動作できるので、絶縁無しでつながれた負荷母線１４に各補助電源装置１３の出力を一斉に接続することができ、起動時とはいえ１台の補助電源装置１３だけに全負荷を背負わせることは解消されるが、模擬母線２０を編成間に引通さなければならないという問題がある。

本発明の目的は、複数の補助電源装置を個別に起動でき並列同期運転を行うことができる鉄道車両の電源装置及び電源起動方法を提供することである。

本発明に係わる鉄道車両の電源装置は、鉄道車両の補助回路に交流電力を供給する複数の補助電源装置を備えた鉄道車両の電源装置において、鉄道車両の補助回路用負荷が接続された負荷母線を複数の補助電源装置に対応して区分する母線接触器と、各々の補助電源装置の出力側を対応する負荷母線に接続するための負荷接触器と、編成車両の先頭側または後尾側に隣接する補助電源装置の電気量をその負荷母線を介して検出する電気量検出手段とを備え、前記補助電源装置は外部からの起動指令により前記負荷接触器を閉極するとともに並列同期運転準備を行い前記電気量検出手段で検出された電気量に基づいて隣接する補助電源装置との並列同期運転条件が確立したと判定したとき前記母線接触器を閉極し相互に同期させることを特徴とする。

本発明に係わる鉄道車両の電源起動方法は、鉄道車両の補助回路用負荷が接続された負荷母線を複数の補助電源装置に対応して母線接触器で区分し、編成車両の先頭側または後尾側に隣接する別の補助電源装置の電気量を負荷母線を介して検出し、その別の補助電源装置の電気量に基づいて並列同期運転準備の制御を行い、準備完了時点で各負荷母線を接続する母線接触器を閉極し、並列同期運転モードに入ることを特徴とする。

本発明によれば、定常運転時は補助電源装置からの出力の均等化が図れ、起動時においても個別運転で所定の負荷以外の過大な電力を供給することがなく、起動時の過負荷耐量を大きくとる必要がないため小形化や軽量化が図れる。

また、並列同期運転の準備制御は車両の先頭側または後尾側の補助電源装置の電気量（電圧や位相）を負荷母線を介して検出することで行うため、並列同期運転準備のための模擬母線を必要としない。さらに、編成同士の併結時にも、併結前までは編成同士は非同期運転でも、併結後は同期運転準備を経て母線接触器を閉じるという同じ動作で併結車両を含めた並列同期運転が容易に実現できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる鉄道車両の電源装置の構成図である。架線１１には交交セクション１７で区分されて電源が供給されている。架線１１の電源は集電装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃを介して各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃに供給される。各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃは負荷接触器１５ａ、１５ｂ、１５ｃを介して負荷母線１４に接続された負荷１６に電源を供給する。ここで、車両は左側が先頭側であるとする。

負荷母線１４は複数の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃに対応して母線接触器１９ａ、１９ｂで区分されており、各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃから母線接触器１９ａ、１９ｂで区分された負荷母線１４ａ、１４ｂ、１４ｃにそれぞれ電源を供給するように構成されている。

各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃには、負荷母線１４の電気量を検出する電気量検出手段２２ａ、２２ｂ、２２ｃが設けられている。電気量としては並列同期運転する際に必要となる電気量であり、負荷母線１４の電圧、位相を判定するに必要な電気量例えば電流等である。

補助電源装置１３ｂの電気量検出手段２２ｂは隣接する先頭側の負荷母線１４ａの電気量を検出し、補助電源装置１３ｃの電気量検出手段２２ｃも同様に隣接する先頭側の負荷母線１４ｂの電気量を検出する。なお、先頭車両の補助電源装置１３ａには電気量検出手段２２ａが設けられているが、先頭側の負荷母線１４がないので、非接続となっている。

補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、母線接触器１９ａ、１９ｂが開極状態で、外部からの起動指令により負荷接触器１５ａ、１５ｂ、１５ｃを閉極する。そして、補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃは自己の電圧を立ち上げる。補助電源装置１３ａはこれにより自己の負荷母線１４ａの電圧を確立することになる。補助電源装置１３ｂ、１３ｃは、並列同期運転準備を行いつつ電気量検出手段２２ｂ、２２ｃで検出された電気量に基づいて隣接する補助電源装置１３ａ、１３ｂとの並列同期運転条件が確立したと判定したとき母線接触器１９ａ、１９ｂを閉極し相互に同期させる。

図２は本発明の第１の実施の形態に係わる鉄道車両の電源装置の起動動作順序の説明図である。負荷母線１４の母線接触器１９ａ、１９ｂは開極状態にしておく。つまり、各負荷母線１４ａ、１４ｂ、１４ｃは絶縁状態としておく。この状態で外部から起動信号を各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃは一斉に出力する。

各々の補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃは個別運転（非同期運転）で出力電圧を立ち上げ動作する。先頭の補助電源装置１３ａは負荷接触器１５ａを閉じ（Ｓ１）、ソフトスタート等で出力電圧を立ち上げ負荷母線１４ａに電力を供給する。

補助電源装置１３ｂは、個別運転（非同期運転）で出力電圧を立ち上げ動作し、電圧が確立すると負荷接触器１５ｂを閉じ（Ｓ２）、確立した出力電圧にて負荷母線１４ｂに電力を供給する。そして、補助電源装置１３ｂは、補助電源装置１３ａの出力の電圧及び位相条件を負荷母線１４ａより検出し、補助電源装置１３ａと並列同期運転できる状態に電圧及び位相を合わせるという同期運転の準備をする（Ｓ３）。同期運転の準備が完了すると（Ｓ４）、負荷母線１４ａと負荷母線１４ｂとを併結する母線接触器１９ａを閉じ（Ｓ５）、補助電源装置１３ａと補助電源装置１３ｂとが並列同期運転に入る。

同様に、補助電源装置１３ｃは、個別運転（非同期運転）で出力電圧を立ち上げ動作し、電圧が確立すると負荷接触器１５ｃを閉じ（Ｓ６）、確立した出力電圧にて負荷母線１４ｃに電力を供給する。そして、補助電源装置１３ｃは、補助電源装置１３ｂの出力の電圧及び位相条件を負荷母線１４ｂより検出し、補助電源装置１３ｂと並列同期運転できる状態に電圧及び位相を合わせるという同期運転の準備をする（Ｓ７）。同期運転の準備が完了すると（Ｓ８）、負荷母線１４ｂと負荷母線１４ｃとを併結する母線接触器１９ｂを閉じ（Ｓ９）、補助電源装置１３ｂと補助電源装置１３ｃとが並列同期運転に入る。

このようにして、すべての母線接触器１９ａ、１９ｂが閉極すると編成として全補助電源装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃが並列同期運転になり、並列同期運転の起動が完成する。

以上の説明では、電気量検出手段２２は編成車両の先頭側に隣接する負荷母線１４の電気量を順次検出し同期運転するようにしたが、後尾側に隣接する負荷母線１４の電気量を順次検出し同期運転するようにしてもよい。

また、先頭の補助電源装置１３ａは起動指令を入力すると負荷接触器１５ａを閉じ、ソフトスタート等で出力電圧を立ち上げ負荷母線１４ａに電力を供給するようにしたが、出力が確定すると負荷接触器１４ａを閉極し負荷母線に電力を供給するようにしてもよい。逆に、補助電源装置１３ｂ、１３ｃは、出力電圧を立ち上げ動作し、電圧が確立すると負荷接触器１５ｂ、１５ｃを閉じるようにしたが、起動指令を入力すると負荷接触器１５ｂ、１５ｃを閉じ、ソフトスタート等で出力電圧を立ち上げ負荷母線１４ｂ、１４ｃに電力を供給するようにしてもよい。

さらに、補助電源装置１３は自己の負荷母線１４または隣接する負荷母線１４に不具合が発生した場合は、母線接触器１９ａ、１９ｂを開極して不具合となった負荷母線１４を切り離すことも可能である。例えば、負荷母線１４ｃが不具合となった場合には母線遮断器１９ｂを切り離す。

このように、編成車両に引き通される負荷母線１４が補助電源装置１３ごとに母線接触器１９で絶縁されており、負荷母線１４に地絡事故等の不具合が発生した場合は、他の負荷母線１４と切り離す開放機能を持たせている。

また、負荷母線１４が母線接触器１９で分割されていることに加え、補助電源装置１３は編成車両の先頭側（または後尾側）に隣接する補助電源装置１３の出力電圧をその負荷母線１４を介して検出し、この検出出力によって初期の並列同期運転準備を確立し、母線接触器１９を閉極することで並列同期運転を行う。

第１の実施の形態によれば、並列同期運転の準備制御は車両の先頭側または後尾側の補助電源装置１３の電気量（電圧や位相）を負荷母線を介して検出することで行うので、並列同期運転準備のための模擬母線を必要としない。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図３は本発明の第２の実施の形態に係わる鉄道車両の電源装置の構成図である。この第２の実施の形態は、一編成の補助電源装置１３の並列同期運転に代えて、編成同士の併結時の並列同期運転に適用したものである。Ａ編成の列車とＢ編成の列車とを併結する場合を考える。Ａ編成の電源装置の補助電源装置１３Ａは並列同期運転が行われており、Ｂ編成の電源装置は個別運転されている場合には、Ａ編成とＢ編成との併結時に、Ｂ編成の先頭の補助電源装置１３Ｂａは電気量検出手段２２Ｂａを介してＡ編成の負荷母線１４Ａの電気量を検出し、同期運転の準備が完了すると、負荷母線１４Ａと負荷母線１４Ｂａとを併結する母線接触器１９Ｂを閉じ、補助電源装置１３Ａと補助電源装置１３Ｂａとを並列同期運転させる。

同様に、補助電源装置１３Ｂｂは電気量検出手段２２Ｂｂを介してＡ編成の負荷母線１４Ｂａの電気量を検出し、同期運転の準備が完了すると、負荷母線１４Ｂａと負荷母線１４Ｂｂとを併結する母線接触器１９Ｂａを閉じ、補助電源装置１３Ｂａと補助電源装置１３Ｂｂとを並列同期運転させる。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係わる鉄道車両の電源装置の起動動作順序の説明図である。図４ではＡ編成の電源装置とＢ編成の電源装置とが並列同期運転を行っている場合に併結をする場合を示している。補助電源装置１３Ｂｂは、補助電源装置１３Ａの出力の電圧及び位相条件を負荷母線１４Ａより検出し、補助電源装置１３Ａと並列同期運転できる状態に電圧及び位相を合わせるという同期運転の準備をする（Ｓ１１）。同期運転の準備が完了すると（Ｓ１２）、負荷母線１４Ａと負荷母線１４Ｂａとを併結する母線接触器１９Ｂを閉じ（Ｓ１３）、補助電源装置１３Ａと補助電源装置１３Ｂａとを並列同期運転とする。

並列同期運転している編成同士の併結、または個別運転されている編成と並列同期運転している編成同士の併結でも同じ動作になる。つまり、併結時に一方の負荷母線１４から電圧及び位相情報を他方の補助電源装置１３が検出し、並列同期運転の準備を終えた後、母線接触器１９を閉極することで併結された編成での並列同期運転が達成できる。

第２の実施の形態によれば、編成同士の併結時にも、併結前までは編成同士は非同期運転でも、併結後は同期運転準備を経て母線接触器を閉じるという同じ動作で併結車両を含めた並列同期運転が容易に実現できる。

本発明の第１の実施の形態に係わる鉄道車両の電源装置の構成図。本発明の第１の実施の形態に係わる鉄道車両の電源装置の起動動作順序の説明図。本発明の第２の実施の形態に係わる鉄道車両の電源装置の構成図。本発明の第２の実施の形態に係わる鉄道車両の電源装置の起動動作順序の説明図。従来の並列冗長システムの一例を示す構成図。従来の並列冗長システムの他の一例を示す構成図。従来の並列冗長システムの別の他の一例一例を示す構成図。

符号の説明

１１…架線、１２…集電装置、１３…補助電源装置、１４…負荷母線、１５…負荷接触器、１６…負荷、１７…交交セクション、１８…電圧検出手段、１９…母線接触器、２０…模擬母線、２１…電流検出手段、２２…電気量検出手段

Claims

鉄道車両の補助回路に交流電力を供給する複数の補助電源装置を備えた鉄道車両の電源装置において、鉄道車両の補助回路用負荷が接続された負荷母線を複数の補助電源装置に対応して区分する母線接触器と、各々の補助電源装置の出力側を対応する負荷母線に接続するための負荷接触器と、編成車両の先頭側または後尾側に隣接する補助電源装置の電気量をその負荷母線を介して検出する電気量検出手段とを備え、前記補助電源装置は外部からの起動指令により前記負荷接触器を閉極するとともに並列同期運転準備を行い前記電気量検出手段で検出された電気量に基づいて隣接する補助電源装置との並列同期運転条件が確立したと判定したとき前記母線接触器を閉極し相互に同期させることを特徴とする鉄道車両の電源装置。
前記補助電源装置は自己の負荷母線または隣接する負荷母線に不具合が発生した場合は母線接触器を開極して不具合となった負荷母線を切り離すことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両の電源装置。
前記補助電源装置は外部からの起動指令により前記負荷接触器を閉極することに代えて、外部からの起動指令により動作開始し、出力が確定すると負荷接触器を閉極し負荷母線に電力を供給することを特徴とする請求項１または２記載の鉄道車両の電源装置。
鉄道車両の補助回路用負荷が接続された負荷母線を複数の補助電源装置に対応して母線接触器で区分し、編成車両の先頭側または後尾側に隣接する別の補助電源装置の電気量を負荷母線を介して検出し、その別の補助電源装置の電気量に基づいて並列同期運転準備の制御を行い、準備完了時点で各負荷母線を接続する母線接触器を閉極し、並列同期運転モードに入ることを特徴とする鉄道車両の電源起動方法。