JP5182310B2

JP5182310B2 - 鉄道編成車両の駆動システム

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Publication number: JP5182310B2
Application number: JP2010065418A
Authority: JP
Inventors: 嶋田　　基巳; 貴志金子; 健人望月; 卓義中村; 健志篠宮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: EP2368744A2; JP2011200047A; EP2368744A3

Description

本発明は、鉄道編成車両の駆動システムに係り、特に、鉄道車両の駆動システムの冗長性を向上させる技術に関する。

鉄道車両を駆動するためには動力源が不可欠であり、車両の運行中は継続的に動力源、および動力源を基に車両を駆動するための動力を発生させ、かつ車輪を回転させる駆動系が健全に動作することが重要である。

鉄道車両を走行させるための動力源は、一般的に次の２通りが考えられる。
（１）地上側の発電設備から架線等の給電設備を通じて車両に電力を供給する。（電気車）
（２）車両上にエンジン等を搭載する。（内燃車）

動力源が電力の場合、架線等の給電設備より給電された電力をもとに、電力変換器等により電動機を駆動して車輪とレールの間に引張力を発生させる。また、動力源が車両上のエンジンによる場合は、エンジンで発電機を駆動して発生させた電力をもとに電力変換器等を用いて電動機を駆動して車輪とレールの間に引張力を発生させる場合と、エンジンの軸出力を変速機等で制御して直接、車輪を駆動し、車輪とレールの間に引張力を発生させる場合がある。

ところで、列車編成中に上記の動力源（電気車の場合は架線等の給電設備あるいは電力変換器，内燃車の場合はエンジン・発電機等）を唯一つしか持たない動力集中型編成車両では、動力源が故障したときは車両の駆動に必要な動力を得られないため運行を続けることが難しい。このように車両の動力源の故障した場合でも、車両の継続運行を可能とする方式のひとつとして、編成内に複数の動力源を搭載する方式が考えられる。

動力源を複数搭載した動力集中型編成車両の構成，制御方式については、例えば特許文献１の鉄道車両駆動システムにおいて述べられている。

図７に特許文献１の図１に示されている鉄道車両駆動システムの機器構成図を示す。発電手段１１０と電力変換装置１２０と駆動電動機を搭載した第一の鉄道車両１０１と、電力変換装置１２０と駆動電動機と電力蓄積手段１５０を搭載した第二の鉄道車両１０２と、各手段を電力伝達手段１４０によって接続した鉄道車両駆動システムにおいて、発電手段１１０の発電電力および電力蓄積手段１５０の蓄電量を制御する電力管理手段２００を備え、電力蓄積手段１５０が、発電手段１１０が発電する電力および回生電力を蓄積し、発電手段１１０と電力蓄積手段１５０を電源として電力変換装置１２０によって駆動電動機を駆動し、列車を駆動する。

このように、特許文献１の図１に示されている鉄道車両駆動システムでは、発電手段１１０を備えた第一の鉄道車両から、電車と同様の駆動システムである電力変換装置１２０と駆動電動機と電力蓄積手段１５０を備えた第二の鉄道車両１０２に電力を供給して、車両の走行を実現している。

特許第４１８４８７９号公報

特許文献１の鉄道車両駆動システムによれば、動力源として発電手段１１０と電力蓄積手段の二つの動力源を搭載しているので、発電手段１１０が故障した場合でも、電力蓄電手段１５０に蓄電された電力で、電力変換装置１２０を動作させ、駆動電動機を駆動して走行を継続できる。しかし、この場合、車両に搭載できる電力蓄電手段１５０の数量、および電力蓄電手段１５０に蓄電できる電力量には限りがあるため、これにより走行を継続できる距離には制限があると考えられる。さらに、発電手段１１０が健全なときでも、発電手段１１０により発電された電力を電力変換装置１２０に伝達する電力伝達手段に異常が発生し、かつその異常が全ての電力変換装置１２０に伝達できない箇所（発電手段の直後等）に発生した場合についても、鉄道車両の走行を続けることが難しくなる。

本発明は、複数の電力供給手段を設備した鉄道編成車両の駆動システムおいて、鉄道車両の駆動システムの冗長性を向上させることを目的とする。

編成車両に複数の電源装置を設け、前述の複数の電源装置を複数の電力供給ラインを介して接続する。また、各電源装置は、前述の複数の電力供給ラインに電力を出力するとき、複数の電力供給ラインのいずれか一つ、または任意の複数の電力供給ラインを選択可能に構成され、当該選択した一つまたは複数の電力供給ラインに電力を出力することを可能とする第一の系統選択器を設備する。さらに、駆動システムを構成するインバータ手段は、各々電力の供給を受ける電力系統を前述の複数の電力供給ラインから任意に選択することを可能とする第二の系統選択器を設備する。

また、本発明によれば、複数の電力供給ラインが発電する電力の負担割合を、鉄道編成車両全体で必要な電力量に応じて変化させる。

本発明によれば、複数の電力供給手段をもつ鉄道編成車両の駆動システムにおいて、冗長性が高く、かつ高効率な鉄道編成車両の駆動システムを提供できる。

本発明の鉄道車両の駆動システムにおける一実施形態の機器構成を示す図。本発明の一実施形態における第一の系統選択器の詳細を示す図。本発明の一実施形態における第二および第三の系統選択器の詳細を示す図。本発明の一実施形態におけるインバータ装置，補助電源装置に電力を供給する第一の方式を示す図。本発明の一実施形態におけるインバータ装置，補助電源装置に電力を供給する第二の方式を示す図。本発明の一実施形態におけるインバータ装置，補助電源装置に電力を供給する第三の方式を示す図。従来の鉄道車両駆動システムを示す図。

〔実施例〕
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明していく。

図１は、本発明の鉄道車両の駆動システムにおける一実施形態の機器構成を示す図である。

車両１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、列車編成を構成する車両の一部である。車両１ａは車間連結器１１４ａ、車両１ｂは車間連結器１４ｂ、車両１ｃは車間連結器１４ｃ、車両１ｄは車間連結器１４ｄを、車両１ａと車両１ｂは車間連結器１４ａ、車両１ｂと車両１ｃは車間連結器１４ｃ、車両１ｃと車両１ｄは車間連結器１４ｃ、さらに車両１ｄと次位車両間との間は車間連結器１４ｄを備えており、互いの車両を連結している。

車両１ａは、台車２ａを介して輪軸３ａ，３ｂにより、また、台車２ｂを介して輪軸３ｃ，３ｄにより、図示していないレール面上に支持されている。車両１ｂは、台車２ｃを介して輪軸３ｅ，３ｆにより、また、台車２ｄを介して輪軸３ｇ，３ｈにより、図示していないレール面上に支持されている。車両１ｃは、台車２ｅを介して輪軸３ｉ，３ｊにより、また、台車２ｆを介して輪軸３ｋ，３ｌにより、図示していないレール面上に支持されている。車両１ｄは、台車２ｇを介して輪軸３ｍ，３ｎにより、また、台車２ｈを介して輪軸３ｏ，３ｐにより、図示していないレール面上に支持されている。

以下、車両１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ毎に、各車両に搭載する機器の構成について説明する。

まず、車両１ａの機器構成について説明する。

車両１ａには、電源装置６ａ，系統選択器８ａ，駆動システム制御装置１１ａ，情報制御装置１２ａ，電力供給手段（Ａ）９ａ，電力供給手段（Ｂ）１０ａ，情報伝送手段１３ａの各機器を設備する。

電源装置６ａは、編成車両内に搭載する駆動システムに電力を供給する。編成車両内の駆動システムは、列車の運行、即ち車両を加速，減速して乗客を安全かつ快適に輸送するために必要な機器設備であり、後述のインバータ装置４ａ，４ｂ，補助電源装置５ａ，５ｂがその代表である。電源装置６ａから駆動システムへの電力供給は、電力供給手段（Ａ）９ａ、電力供給手段（Ｂ）１０ａによりおこなう。隣接車両の車両１ｂは、車両１ａと同様に、電力供給手段（Ａ）９ｂ，電力供給手段（Ｂ）１０ｂを備え、電力供給手段（Ａ）９ａと電力供給手段（Ａ）９ｂの間は電力供給手段連結器１５ａにより接続され、電力供給手段（Ｂ）１０ａと電力供給手段（Ｂ）１０ｂの間は電力供給手段連結器１５ｂにより接続される。

電源装置６ａから駆動システムに電力を供給する経路は、電力供給手段（Ａ）９ａと電力供給手段（Ｂ）１０ａの両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９ａのみ、または電力供給手段（Ｂ）１０ａのみのいずれかを用いて構成される。これら３通りの電力供給経路は、系統選択器８ａにより選択する。

駆動システム制御装置１１ａは、電源装置６ａが出力する電力を制御するとともに、前述した系統選択器８ａにより駆動システムに電力を供給する経路を選択するため、図示していない切替装置２３ａ，２３ｂ（ともに系統選択器８ａ内に設備する）の動作を制御する。

情報制御装置１２ａは、駆動システム制御装置１１ａに対して制御指令を与えるとともに、駆動システム制御装置１１ａのもつ状態情報を集約する。また、情報制御装置１２ａは、隣接する車両１ｂに設備する情報制御装置１２ｂと、情報伝送手段１３ａ，１３ｂを介して接続する。同様に、情報制御装置１２ｂと車両１ｃに設備する情報制御装置１２ｃは、情報伝送手段１３ｂ，１３ｃを介して、情報制御装置１２ｃと車両１ｄに設備する情報制御装置１２ｄは、情報伝送手段１３ｃ，１３ｄを介して接続する。これにより、情報制御装置１２ａは、情報伝送手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ、を経て編成内の他車両の情報制御装置１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとの間で共有できる。

次に、車両１ｄの機器構成について説明する。

車両１ｄには、電源装置６ｂ，系統選択器８ｂ，駆動システム制御装置１１ｄ，情報制御装置１２ｄ，電力供給手段（Ａ）９ｄ，電力供給手段（Ｂ）１０ｄ，情報伝送手段１３ｄの各機器を設備する。

電源装置６ｂは、編成車両内に搭載する駆動システムに電力を供給する。列車編成内の駆動システムは、列車の運行、即ち車両を加速，減速して乗客を安全かつ快適に輸送するために必要な機器設備であり、後述のインバータ装置４ａ，４ｂ，補助電源装置５ａ，５ｂがその代表である。電源装置６ｂから駆動システムへの電力供給は、電力供給手段（Ａ）９ｄ，電力供給手段（Ｂ）１０ｄによりおこなう。隣接車両の車両１ｃは、車両１ｄと同様に、電力供給手段（Ａ）９ｃ，電力供給手段（Ｂ）１０ｃを備え、電力供給手段（Ａ）９ｄと電力供給手段（Ａ）９ｃの間は電力供給手段連結器１５ｃにより接続され、電力供給手段（Ｂ）１０ｄと電力供給手段（Ｂ）１０ｃの間は電力供給手段連結器１５ｃにより接続される。

電源装置６ｂから駆動システムに電力が供給される経路は、電力供給手段（Ａ）９ｄと電力供給手段（Ｂ）１０ｄの両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９ｄのみ、または電力供給手段（Ｂ）１０ｄのみ、のいずれかを用いて構成される。これら３通りの電力供給経路は、系統選択器８ｂで選択する。

駆動システム制御装置１１ｄは、電源装置６ｂが出力する電力を制御するとともに、前述した系統選択器８ｂにより駆動システムに電力を供給する経路を選択するため、図示していない切替装置２３ａ，２３ｂ（ともに系統選択器８ｂ内に設備する）の動作を制御する。

情報制御装置１２ｄは、駆動システム制御装置１１ｄに対して制御指令を与えるとともに、駆動システム制御装置１１ｄのもつ状態情報を集約する。また、情報制御装置１２ｄは、隣接する車両１ｃに設備する情報制御装置１２ｃと、情報伝送手段１３ｄ，１３ｃを介して接続する。

同様に、情報制御装置１２ｃと車両１ｂに設備する情報制御装置１２ｂは、情報伝送手段１３ｃ，１３ｂを介して接続され、情報制御装置１２ｂと車両１ａに設備する情報制御装置１２ａは、情報伝送手段１３ｂ，１３ａを介して接続される。これにより、情報制御装置１２ｄは、情報伝送手段１３ｄ，１３ｃ，１３ｂ，１３ａ、を経て編成内の他車両の情報制御装置１２ｃ，１２ｂ，１２ａとの間で情報を共有できる。

次に、車両１ｂの機器構成について説明する。

車両１ｂには、インバータ装置４ａ，補助電源装置５ａ，系統選択器８ｃ，駆動システム制御装置１１ｂ，情報制御装置１２ｂ，電力供給手段（Ａ）９ｂ，電力供給手段（Ｂ）１０ｂ，情報伝送手段１３ｂがそれぞれ設備されている。

インバータ装置４ａは、電力供給手段（Ａ）９ｂと電力供給手段（Ｂ）１０ｂの両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９ｂのみ、または電力供給手段（Ｂ）１０ｂのみにより供給される直流電力を３相交流電力に変換して、図示していない電動機を駆動する。電動機の出力は、図示していない動力伝達手段を介して、輪軸３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈの全て、またはいずれかを駆動して車両１ｂに加速力・減速力を与える。

補助電源装置５ａは、電力供給手段（Ａ）９ｂと電力供給手段（Ｂ）１０ｂの両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９ｂのみ、または電力供給手段（Ｂ）１０ｂのみにより供給される直流電力を、列車の運行に必要な補機に電力を供給するための三相交流電力に変換する。列車の運行に必要な補機とは、おもに車内照明，空調，情報機器である。これらの機器の多くは商用交流電源仕様（三相交流４００Ｖ程度）に準拠しており、補助電源装置５ａの出力も三相交流４００Ｖ程度を想定する。また、前述の商用交流電源は、直流変換した上で蓄電池に充電し、駆動システム制御装置１１，情報制御装置１２に代表される制御装置の制御電源として使うことも考えられる。

インバータ装置４ａを動作させる電力は、電力供給手段（Ａ）９ｂと電力供給手段（Ｂ）１０ｂの両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９ｂのみ、または電力供給手段（Ｂ）１０ｂのみにより供給されるが、これら３通りの電力供給経路は、系統選択器８ｃで選択する。同様に、補助電源装置５ａを動作させるための、３通りの電力供給経路についても系統選択器８ｃで選択する。

駆動システム制御装置１１ｂは、図示していない電動機を駆動するインバータ装置４ａ，補機に電力を供給する補助電源装置５ａを制御するとともに、前述した系統選択器８ｃにより駆動システムに電力を供給する経路を選択するため、図示していない切替装置２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ（いずれも系統選択器８ｃ内に設備する）の動作を制御する。

情報制御装置１２ｂは、駆動システム制御装置１１ｂに対して制御指令を与えるとともに、駆動システム制御装置１１ｂのもつ状態情報を集約する。また、情報制御手段１２ｂは、隣接する車両１ａに設備する情報制御装置１２ａと、情報伝送手段１３ｂ，１３ａを介して接続する。同様に、情報制御手段１２ｂと車両１ｃに設備する情報制御装置１２ｃは、情報伝送手段１３ｂ，１３ｃを介して、情報制御装置１２ｃと車両１ｄに設備する情報制御装置１２ｄは、情報伝送手段１３ｃ，１３ｄを介して接続する。これにより、情報制御装置１２ｂは、情報伝送手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ、を経て編成内の他車両の情報制御装置１２ａ，１２ｃ，１２ｄとの間で情報を共有できる。

次に、車両１ｃの機器構成について説明する。

車両１ｃには、インバータ装置４ｂ，補助電源装置５ｂ，系統選択器８ｄ，駆動システム制御装置１１ｃ，情報制御装置１２ｃ，電力供給手段（Ａ）９ｃ，電力供給手段（Ｂ）１０ｃ，情報伝送手段１３ｃがそれぞれ設備されている。

インバータ装置４ｂは、電力供給手段（Ａ）９ｃと電力供給手段（Ｂ）１０ｃの両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９ｃのみ、または電力供給手段（Ｂ）１０ｃのみにより供給される直流電力を３相交流電力に変換して、図示していない電動機を駆動する。電動機の出力は、図示していない動力伝達手段を介して、輪軸３ｉ，３ｊ，３ｋ，３ｌの全て、またはいずれかを駆動して車両１ｃに加速力・減速力を与える。

補助電源装置５ｂは、電力供給手段（Ａ）９ｃと電力供給手段（Ｂ）１０ｃの両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９ｃのみ、または電力供給手段（Ｂ）１０ｃのみにより供給される直流電力を、列車の運行に必要な補機に電力を供給するための三相交流電力に変換する。列車の運行に必要な補機とは、おもに車内照明，空調，情報機器である。これらの機器の多くは商用交流電源仕様（三相交流４００Ｖ程度）に準拠しており、補助電源装置５ｂの出力も三相交流４００Ｖ程度を想定する。また、前述の商用交流電源は、直流変換した上で蓄電池に充電し、駆動システム制御装置１１，情報制御装置１２に代表される制御装置の制御電源に利用として使うことも考えられる。

インバータ装置４ｂを動作させる電力は、電力供給手段（Ａ）９ｃと電力供給手段（Ｂ）１０ｃの両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９ｃのみ、または電力供給手段（Ｂ）１０ｄのみにより供給されるが、これら３通りの電力供給経路は、系統選択器８ｄで選択する。同様に、補助電源装置５ｂを動作させるための、３通りの電力供給経路についても系統選択器８ｄで選択する。

駆動システム制御装置１１ｃは、図示していない電動機を駆動するインバータ装置４ｂ，補機に電力を供給する補助電源装置５ｂを制御するとともに、前述した系統選択器８ｄにより駆動システムに電力を供給する経路を選択するため、図示していない切替装置２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ（いずれも系統選択器８ｄに設備する）の動作を制御する。

情報制御装置１２ｃは、駆動システム制御装置１１ｃに対して制御指令を与えるとともに、駆動システム制御装置１１ｃのもつ状態情報を集約する。また、情報制御手段１２ｃは、隣接する車両１ｄに設備する情報制御装置１２ｄと、情報伝送手段１３ｃ，１３ｄを介して接続する。同様に、情報制御手段１２ｃと車両１ｂに設備する情報制御装置１２ｂは、情報伝送手段１３ｃ，１３ｂを介して、情報制御装置１２ｂと車両１ａに設備する情報制御装置１２ａは、情報伝送手段１３ｂ，１３ａを介して接続する。これにより、情報制御装置１２ｃは、情報伝送手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ、を経て編成内の他車両の情報制御装置１２ａ，１２ｂ，１２ｄとの間で情報を共有できる。

本発明における鉄道編成車両の駆動用電源システムとしては、一般に用いられている、
（１）地上側の発電設備から架線等の給電設備を通じて車両に供給される電力を収集する集電装置
（２）車両上に搭載された軽油などを燃料として発電されるエンジン発電機
を想定しているが、将来の技術革新によりエネルギ密度，パワー密度等の機器仕様の向上を実現できた際には、
（３）車両上に搭載された水素などを燃料として発電される燃料電池システム
（４）車両上に搭載されたリチウムイオン電池などの蓄電システム
を用いることも考えられる。

なお、本発明における複数の電源装置６ａ，６ｂは、同一種類の上記した駆動用電源システムを適用することができるが、複数の電源装置６ａ，６ｂの一部、あるいは全てが異なる種類の駆動用電源システムを適用することも可能である。異なる種類の駆動用電源システムを適用した場合には、複数の駆動用電源システムからの給電が同時に不可能となるリスクを低減することができる。例えば、一方の駆動用電源システムとして集電装置、他方の駆動用電源システムとしてエンジン発電機を適用した場合には、編成車両は架線等の給電設備が設置されていない区間をエンジン発電機による電力で走行可能であり、架線の異常時にもエンジン発電機による電力で走行可能である。

本発明によれば、編成車両に複数の電源装置を設け、前述の複数の電源装置を複数の電力供給手段を介して接続し、さらに、各電源装置は、前述の複数の電力供給手段に電力を出力する際に第一の系統選択器により、複数の電力供給手段のいずれか、または任意の複数の電力供給手段に電力を出力することを選択できる。また、駆動システムを構成するインバータ手段は、第二の選択器により、各々電力の供給を受ける電力系統を前述の複数の電力供給手段から任意に選択できる。さらに、駆動システムを構成する補助電源手段は、第三の系統選択器により、各々電力の供給を受ける電力系統を前述の複数の電力供給手段から任意に選択できる。

また、本発明によれば、複数の電源装置が発電する電力の負担割合を、鉄道編成車両全体で必要な電力量に応じて変化させることができる。このため、例えば、鉄道編成車両全体で必要な電力量が極めて小さい場合は、ある特定の電源装置で鉄道編成車両全体に必要な電力量を負担し、他の電源装置を停止させることにより、電源装置が動作することによる機器損失を低減できるという効果も得られる。

すなわち、複数の電力供給手段をもつ鉄道編成車両の駆動システムにおいて、これらの電力供給手段より得られる電力の供給先である駆動システムを効果的に選択する機能を設けることにより、冗長性が高く、かつ高効率な鉄道編成車両の駆動システムを提供できる。

図２は、本発明の一実施形態における第一の系統選択器の詳細を示す図である。

電源装置６は、交流電源１７，電力変換器１８，平滑コンデンサ１９，電圧検出器２０，平滑リアクトル２１ａ，２１ｂ，電流検出器２２ａ，２２ｂで構成する。

交流電源１７としては、（１）車両上に設備され、軽油などを燃料にディーゼルエンジンで発電機を駆動して得られる三相交流電力、（２）車両外部から架線，集電装置を経由して車両上に取り込まれる単相交流電力、などを想定している。

電力変換器１８は、交流電源１７が発生した電力をもとに、これを直流電力に変換する。平滑コンデンサ１９と、平滑リアクトル２１ａ，２１ｂにより、フィルタ回路（低域通過フィルタ）を構成し、それらの定数を適切に選択して電力変換器１８で発生した変換リップルを軽減して、電力供給手段（Ａ）９，電力供給手段（Ｂ）１０に供給する。電圧検出器２０より得られる電圧情報、電流検出器２２ａ，２２ｂより得られる電流情報は、それぞれ駆動システム制御装置１１に入力され、電力変換器１８において直流部の電力を制御するために必要な制御データとして使う。

系統選択器８は、切替装置２３ａ，２３ｂで構成する。電源装置６で発生した電力を、電力供給手段（Ａ）９に供給するときは、切替装置２３ａをオン（通流状態）にする。

電源装置６で発生した電力を、電力供給手段（Ｂ）１０に供給するときは、切替装置２３ｂをオン（通流状態）にする。この切替装置２３ａ，２３ｂのオン／オフの各状態を組み合わせることで、電源装置６から駆動システムに電力が供給される経路を、電力供給手段（Ａ）９と電力供給手段（Ｂ）１０の両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９のみ、または電力供給手段（Ｂ）１０のみのいずれかに決定できる。

本発明によれば、編成車両に複数の電源装置を設け、前述の複数の電源装置を複数の電力供給手段を介して接続し、さらに、各電源装置は、前述の複数の電力供給手段に電力を出力する際に第一の系統選択器により、複数の電力供給手段のいずれか、または任意の複数の電力供給手段に電力を出力することを選択できる。

すなわち、複数の電力供給手段をもつ鉄道編成車両の駆動システムにおいて、これらの電力供給手段より得られる電力の供給先である駆動システムを効果的に選択する機能を設けることにより、冗長性の高い鉄道編成車両の駆動システムを提供できる。

図３は、本発明の一実施形態における第二，第三の系統選択器の詳細を示す図である。

系統選択器８は、切替装置２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄで構成する。

切替装置２３ａがオンのとき、電力供給手段（Ａ）９からインバータ装置４に電力が供給される。

切替装置２３ｂがオンのとき、電力供給手段（Ｂ）１０からインバータ装置４に電力が供給される。

切替装置２３ｃがオンのとき、電力供給手段（Ａ）９から補助電源装置５に電力が供給される。

切替装置２３ｄがオンのとき、電力供給手段（Ｂ）１０から補助電源装置５に電力が供給される。

すなわち、切替装置２３ａ，２３ｂのオン／オフ組合せにより、インバータ装置４の電力供給源を、電力供給手段（Ａ）９と電力供給手段（Ｂ）１０の両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９のみ、または電力供給手段（Ｂ）１０のみのいずれかに決定できる。また、切替装置２３ｃ，２３ｄのオン／オフ組合せにより、補助電源装置５の電力供給源を、電力供給手段（Ａ）９と電力供給手段（Ｂ）１０の両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９のみ、または電力供給手段（Ｂ）１０のみのいずれかに決定できる。

インバータ装置４は、インバータ回路２６，平滑コンデンサ１９ａ，電圧検出器２０ａ，平滑リアクトル２１ａ，電流遮断機２４ａ，減流抵抗器２５ａ，電流検出器２２ａで構成する。

インバータ装置４の入力電力は、電力供給手段（Ａ）９と電力供給手段（Ｂ）１０の両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９のみ、または電力供給手段（Ｂ）１０のみにより供給され、系統選択器８で選択する。

電流遮断器２４ａは、減流抵抗器２５ａへの電流通流可否を選択する。以下、その動作を説明する。

インバータ装置４を動作させないとき、電流遮断器２４ａを開放しておく。

インバータ装置４を動作させるとき、まず切替装置２３ａ，２３ｂの両方、またはいずれかを投入することにより、インバータ装置４に電力を供給する予定の電力供給系に接続する。このとき、電源装置６から供給される電力を、まず減流抵抗器２５ａを経由して平滑コンデンサ１９ａに充電する。平滑コンデンサ１９ａの充電により、その両端電圧が電力供給系の電圧に漸近したことを確認して電流遮断器２４ａを投入する。これにより、電力供給系からインバータ回路２６の電力供給が完了し、インバータ回路２６のスイッチング動作をはじめることで、図示していない電動機の駆動が開始される。電圧検出器２０ａは、前述のように平滑コンデンサ１９ａの両端電圧を測定する。電流検出器２２ａは、電力供給系からインバータ装置４に入力される電流量を測定する。電圧検出器２０ａより得られる電圧情報，電流検出器２２ｂより得られる電流情報は、それぞれ駆動システム制御装置１１に入力され、インバータ回路２６において図示していない電動機の制御に必要な制御データとして使う。

補助電源装置５は、補助電源回路２７，平滑コンデンサ１９ｂ，電圧検出器２０ｂ，平滑リアクトル２１ｂ，電流遮断機２４ｂ，減流抵抗器２５ｂ，電流検出器２２ｂで構成する。

補助電源装置５の入力電力は、電力供給手段（Ａ）９と電力供給手段（Ｂ）１０の両方、あるいは電力供給手段（Ａ）９のみ、または電力供給手段（Ｂ）１０のみにより供給され、系統選択器８で選択する。

電流遮断器２４ｂは、減流抵抗器２５ｂへの電流通流可否を選択する。以下、その動作を説明する。

補助電源装置５を動作させないとき、電流遮断器２４ｂを開放しておく。

補助電源装置５を動作させるときは、まず切替装置２３ｃ，２３ｄの両方、またはいずれかを投入することにより、補助電源装置５に電力を供給する予定の電力供給系に接続する。このとき、電源装置６から供給される電力は、まず減流抵抗器２５ｂを経由して平滑コンデンサ１９ｂに充電する。平滑コンデンサ１９ｂの充電により、その両端電圧が電力供給系の電圧に漸近したことを確認して電流遮断器２４ｂを投入する。これにより、電力供給系から補助電源回路２７に電力供給が完了し、補助電源回路２７のスイッチング動作をはじめることで、図示していない補機への電力供給が開始される。電圧検出器２０ｂは、前述のように平滑コンデンサ１９ｂの両端電圧を測定する。電流検出器２２ｂは、電力供給系から補助電源装置５に入力される電流量を測定する。電圧検出器２０ｂより得られる電圧情報，電流検出器２２ｂより得られる電流情報は、それぞれ駆動システム制御装置１１に入力され、補助電源回路２７において図示していない補機の制御に必要な制御データとして使う。

本発明によれば、駆動システムを構成するインバータ手段は、第二の系統選択器により、各々電力の供給を受ける電力系統を前述の複数の電力供給手段から任意に選択できる。さらに、駆動システムを構成する補助電源手段は、第三の系統選択器により、各々電力の供給を受ける電力系統を前述の複数の電力供給手段から任意に選択できる。

図４は、本発明の一実施形態におけるインバータ装置，補助電源装置に電力を供給する第一の方式を示す図である。

電源装置６ａと、電源装置６ｂは、電力供給手段（Ａ）９を介して互いに接続する。この電力供給経路は、系統選択器８ａ，８ｂを構成する切替装置により設定する。

インバータ装置４ａは、系統選択器８ｃを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ａ）９から電力の供給を受ける。インバータ装置４ｂは、系統選択器８ｄを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ａ）９から電力の供給を受ける。

補助電源装置５ａは、系統選択器８ｃを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ａ）９から電力の供給を受ける。補助電源装置５ｂは、系統選択器８ｄを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ａ）９から電力の供給を受ける。

上記の構成により、電源装置６ａが出力する電力と、電源装置６ｂが出力する電力は、電力供給手段（Ａ）９を介して、インバータ装置４ａ，４ｂ，補助電源装置５ａ，５ｂの全てに供給できる。例えば、電力供給手段（Ｂ）１０が故障などにより利用できないとき、上記の構成を確立すれば各機器に電力を供給できるため、非常走行モードとして利用できる。このとき、電源装置６ａと電源装置６ｂからの電力が集中するため、電力供給手段（Ａ）９の電気的仕様によっては、電力供給手段（Ａ）９の許容電流仕様を超過することが考えられる。このとき、インバータ装置４ａ，４ｂ，補助電源装置５ａ，５ｂへの供給電力を制限して、非常走行モードとして必要最小限の走行性能（最大出力）による連続走行を可能とするように設計することで、車両の立ち往生を防ぐことは可能と考えられる。

また、図４の構成においては、電源装置６ａと電源装置６ｂが電力供給手段（Ａ）９を介して接続されているため、電源装置６ａと電源装置６ｂの電力制御は、両者の干渉を防ぐために機能分担することが望ましい。例えば、電源装置６ａは、電力供給手段（Ａ）９の電圧を規定する定電圧（ＡＶＲ）制御，電源装置６ｂは、電力供給手段（Ａ）９への供給電流を補償する定電流（ＡＣＲ）制御をすることにより、電源装置６ａと電源装置６ｂの制御干渉を回避する方法が考えられる。これらの制御方式の概略を以下に示す。

駆動システム制御装置１１ａは、電源装置６ａの電力を制御する定電圧（ＡＶＲ）制御部を備える。直流部電圧指令Ｖdc_refと、電圧検出器２０ａで検出した直流部電圧Ｖdcの差分ΔＶdcを加減算器２８ａで演算し、ΔＶdcをゼロに漸近させる電源装置６ａの動作指令Ｉpaを安定化制御器２９ａで演算する。

駆動システム制御装置１１ｄは、電源装置６ｂの電力を制御する定電流（ＡＣＲ）制御部を備える。直流部電流指令Ｉdc_refと、電流検出器２２ａで検出した直流部電流Ｉdcの差分ΔＶdcを加減算器２８ｂで演算し、ΔＩdcをゼロに漸近させる電源装置６ｂの動作指令Ｉpbを安定化制御器２９ｂで演算する。

また、本発明によれば、複数の電源装置が発電する電力の負担割合を、鉄道編成車両全体で必要な電力量に応じて変化させることができる。このため、例えば、鉄道編成車両全体で必要な電力量が極めて小さい場合は、ある特定の電力発生手段で鉄道編成車両全体に必要な電力量を負担し、他の電源装置を停止させることにより、電源装置が動作することによる機器損失を低減できるという効果も得られる。

すなわち、複数の電力供給手段をもつ鉄道編成車両の駆動システムにおいて、これらの電力供給手段より得られる電力の供給先である駆動システムを効果的に選択する機能を設けることにより、冗長性の高く、かつ高効率な鉄道編成車両の駆動システムを提供できる。

図５は、本発明の一実施形態におけるインバータ装置，補助電源装置に電力を供給する第二の方式を示す図である。

電源装置６ａと、電源装置６ｂは、電力供給手段（Ａ）９、および電力供給手段（Ｂ）１０を介して互いに接続する。この電力供給経路は、系統選択器８ａ，８ｂを構成する切替装置により設定する。

インバータ装置４ａは、系統選択器８ｃを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ａ）９と、電力供給手段（Ｂ）１０の両方から電力の供給を受ける。インバータ装置４ｂは、系統選択器８ｄを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ａ）９と、電力供給手段（Ｂ）１０の両方から電力の供給を受ける。

補助電源装置５ａは、系統選択器８ｃを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ａ）９と、電力供給手段（Ｂ）１０の両方から電力の供給を受ける。補助電源装置５ｂは、系統選択器８ｄを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ａ）９と、電力供給手段（Ｂ）１０の両方から電力の供給を受ける。

上記の構成により、電源装置６ａが出力する電力と、電源装置６ｂが出力する電力は、電力供給手段（Ａ）９、および電力供給手段（Ｂ）１０、を介して、インバータ装置４ａ，４ｂ，補助電源装置５ａ，５ｂの全てに供給できる。２系統の電力供給手段により、電源装置６ａと電源装置６ｂの電力負担量を調整しながら、インバータ装置４ａ，４ｂ，補助電源装置５ａ，５ｂに供給できるため、例えば、インバータ装置４ａ，４ｂ，補助電源装置５ａ，５ｂが消費する電力が小さいうちは、電源装置６ｂを停止し、電源装置６ａだけで負担することで、電源装置６ａ，６ｂの小電力動作を回避して機器損失を低減できる。また、電源装置６ａ，６ｂのうち一方が故障して利用できなくなったときは、健全な電源装置のみでインバータ装置４ａ，４ｂ，補助電源装置５ａ，５ｂに電力供給できる。このとき、一方の電源装置だけでインバータ装置４ａ，４ｂ，補助電源装置５ａ，５ｂに電力を供給するため、通常の走行に必要な電力を供給できない場合も考えられる。このとき、インバータ装置４ａ，４ｂ，補助電源装置５ａ，５ｂへの供給電力を制限して、非常走行モードとして必要最小限の走行性能（最大出力）による連続走行を可能とするように設計することで、車両の立ち往生を防ぐことは可能と考えられる。

また、本図５の構成においては、複数の電力供給手段を介して、電源装置６ａと電源装置６ｂからインバータ装置４ａ，４ｂおよび補助電源装置５ａ，５ｂへ電力を供給するため、電流経路が分散される。そのため、大電流をインバータ装置４ａ，４ｂおよび補助電源装置５ａ，５ｂへ供給することが可能となる。

また、図５の構成においては、電源装置６ａと電源装置６ｂが電力供給手段（Ａ）９と、電力供給手段（Ｂ）１０を介して接続されているため、電源装置６ａと電源装置６ｂの電力制御は、両者の干渉を防ぐために機能分担することが望ましい。例えば、電源装置６ａは、電力供給手段（Ａ）９，電力供給手段（Ｂ）１０の電圧を規定する定電圧（ＡＶＲ）制御、電源装置６ｂは、電力供給手段（Ａ）９，電力供給手段（Ｂ）１０への供給電流を補償する定電流（ＡＣＲ）制御をすることにより、電源装置６ａと電源装置６ｂの制御干渉を回避する方法が考えられる。これらの制御方式の概略を以下に示す。

駆動システム制御装置１１ｄは、電源装置６ｂの電力を制御する定電流（ＡＣＲ）制御部を備える。直流部電流指令Ｉdc_refと、電流検出器２２ａ，電流検出器２２ｂで検出した電流の合計値である直流部電流Ｖdcの差分ΔＩdcを加減算器２８ｂで演算し、ΔＩdcをゼロに漸近させる電源装置６ｂの動作指令Ｉpaを安定化制御器２９ｂで演算する。

図６は、本発明の一実施形態におけるインバータ装置，補助電源装置に電力を供給する第三の方式を示す図である。

電源装置６ａは、電力供給手段（Ａ）９と、電源装置６ｂは、電力供給手段（Ｂ）１０とそれぞれ接続する。この電力供給経路は、系統選択器８ａ，８ｂを構成する切替装置により設定する。

インバータ装置４ａは、系統選択器８ｃを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ａ）９から電力の供給を受ける。インバータ装置４ｂは、系統選択器８ｃを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ｂ）１０から電力の供給を受ける。

補助電源装置５ａは、系統選択器８ｃを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ａ）９から電力の供給を受ける。補助電源装置５ｂは、系統選択器８ｃを構成する切替装置の設定により、電力供給手段（Ｂ）１０から電力の供給を受ける。

上記の構成により、電源装置６ａが出力する電力は、電力供給手段（Ａ）９を介して、インバータ装置４ａ，補助電源装置５ａに供給する。また、電源装置６ｂが出力する電力は、電力供給手段（Ｂ）１０を介して、インバータ装置４ｂ，補助電源装置５ｂに供給する。すなわち、電源装置毎に電力を供給する機器（インバータ装置４，補助電源装置５）を固定することにより、電源装置６ａ，電源装置６ｂの負担する電力を平準化できる。また、インバータ装置４ａ，４ｂ，補助電源装置５ａ，５ｂのうちいずれかひとつが故障して利用できないとき、少なくともインバータ装置，補助電源装置の各一台に電力を供給できる。このとき、２台の電源装置のいずれか、または２台のインバータ装置のいずれか動作できない。このため、通常の走行に必要な電力を供給できない場合も考えられるが、非常走行モードとして必要最小限の走行性能（最大出力）による連続走行を可能とするように設計することで、車両の立ち往生を防ぐことは可能と考えられる。

また、図６の構成においては、電源装置６ａは電力供給手段（Ａ）９，電源装置６ｂは電力供給手段（Ｂ）１０と、電力の供給先が独立しているため、電源装置６ａと電源装置６ｂの電力制御の機能分担は必ずしも必要ではない。例えば、電源装置６ａは、電力供給手段（Ａ）９の電圧を規定する定電圧（ＡＶＲ）制御を行い、電源装置６ｂは、電力供給手段（Ｂ）１０の電圧を規定する定電圧（ＡＶＲ）制御を行うことができる。これらの制御方式の概略を以下に示す。

駆動システム制御装置１１ｄは、電源装置６ａの電力を制御する定電圧（ＡＶＲ）制御部を備える。直流部電圧指令Ｖdc_refと、電圧検出器２０ｂで検出した直流部電圧Ｖdcの差分ΔＶdcを加減算器２８ｂで演算し、ΔＶdcをゼロに漸近させる電源装置６ａの動作指令Ｉpaを安定化制御器２９ｂで演算する。

１車両
２台車
３輪軸
４インバータ装置
５補助電源装置
６電源装置
８系統選択器
９電力供給手段（Ａ）
１０電力供給手段（Ｂ）
１１駆動システム制御装置
１２情報制御装置
１３情報伝送手段
１４車両連結器
１５電力供給手段連結器
１６情報伝送手段連結器
１７交流電源
１８電力変換器
１９コンデンサ
２０電圧検出器
２１リアクトル
２２電流検出器
２３切替装置
２４電流遮断機
２５減流抵抗器
２６インバータ回路
２７補助電源回路
２８加減算器
２９安定化制御器

Claims

複数の車両により構成される鉄道編成車両の駆動システムにおいて、
電力を供給する複数の電源装置と、
複数の前記車両に搭載され前記電力を電圧／周波数可変交流電力に変換する複数の電力変換手段と、前記交流電力で駆動され車両の牽引力を発生する交流電動機と、
車両の補助機器への電力を供給する補助電源装置と、
前記複数の電源装置及び前記複数の電力変換手段と接続可能に複数の前記車両に跨って構成された複数の電力供給ラインと、
前記複数の電源装置のいずれか一つから前記複数の電力供給ラインに電力が出力される際に、前記複数の電力供給ラインのいずれか一つ、または任意の前記複数の電力供給ラインを選択可能に構成され、当該選択した一つまたは複数の電力供給ラインに当該電源装置から電力を出力することを可能とする第一の系統選択器と、
前記電力変換手段へ電力を供給する電力系統を前記複数の電力供給ラインから任意に選択することを可能とする第二の系統選択器と、を備えることを特徴とする鉄道編成車両の駆動システム。
請求項１の鉄道編成車両の駆動システムにおいて、
前記補助電源装置へ電力を供給する電力系統を前記複数の電力供給ラインから任意に選択することを可能とする第三の系統選択器を備えることを特徴とする鉄道編成車両の駆動システム。
請求項１の鉄道編成車両の駆動システムにおいて、
前記電力変換手段へ電力を供給する電力系統を前記複数の電力供給ラインから任意に選択することを可能とする第二の系統選択器と、
前記補助電源装置へ電力を供給する電力系統を前述の複数の電力供給ラインから任意に選択することを可能とする第三の系統選択器を備えることを特徴とする鉄道編成車両の駆動システム。
請求項１の鉄道編成車両の駆動システムにおいて、
前記第一の系統選択器および前記第二の系統選択器は、少なくとも前記複数の電源装置のいずれか一つと前記複数の電力変換手段のいずれか一つとが、前記電力供給ラインを介して接続される経路選択を可能とすることを特徴とする鉄道編成車両の駆動システム。
請求項２の鉄道編成車両の駆動システムにおいて、
前記第一の系統選択器および前記第三の系統選択器は、少なくとも前記複数の電源装置のいずれか一つと前記複数の補助電源装置のいずれか一つとが、前記電力供給ラインを介して接続される経路選択を可能とすることを特徴とする鉄道編成車両の駆動システム。
請求項３の鉄道編成車両の駆動システムにおいて、
前記第一の系統選択器および前記第二の系統選択器は、少なくとも前記複数の電源装置のいずれか一つと前記複数の電力変換手段のいずれか一つとが、前記電力供給ラインを介して接続されるように、経路選択を行い、
前記第一の系統選択器および前記第三の系統選択器は、少なくとも前記複数の電源装置のいずれか一つと前記複数の補助電源装置のいずれか一つとが、前記電力供給ラインを介して接続される経路選択を可能とすることを特徴とする鉄道編成車両の駆動システム。
請求項１の鉄道編成車両の駆動システムにおいて、
前記第一の系統選択器および前記第二の系統選択器は、少なくとも前記複数の電源装置のいずれか一つと前記複数の電力変換手段の全てとが、前記電力供給ラインを介して接続される経路選択を可能とすることを特徴とする鉄道編成車両の駆動システム。
請求項２の鉄道編成車両の駆動システムにおいて、
前記第一の系統選択器および前記第三の系統選択器は、少なくとも前記複数の電源装置のいずれか一つと前記複数の電力変換手段の全てとが、前記電力供給ラインを介して接続される経路選択を可能とすることを特徴とする鉄道編成車両の駆動システム。
請求項３の鉄道編成車両の駆動システムにおいて、
前記第一の系統選択器および前記第二の系統選択器および前記第三の系統選択器は、前記複数の電力変換手段の全てと、前記複数の補助電源手段の全てと、前記複数の電源装置の少なくとも一つとが、前記電力供給ラインを介して接続される経路選択を可能とすることを特徴とする鉄道編成車両の駆動システム。
請求項１または３の鉄道編成車両の駆動システムにおいて、
前記第一の系統選択器および前記第二の系統選択器は、前記複数の電源装置が、それぞれ異なる前記電力変換手段と、前記電力供給ラインを介して接続される経路選択を可能とすることを特徴とする鉄道編成車両の駆動システム。
請求項２または３の鉄道編成車両の駆動システムにおいて、
前記第一の系統選択器および前記第三の系統選択器は、前記複数の電源装置が、それぞれ異なる前記補助電源装置と、前記電力供給ラインを介して接続される経路選択を可能とすることを特徴とする鉄道編成車両の駆動システム。