特開 2023-148848 鉄道システム、車上装置及び電気車駆動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023148848

(43)【公開日】2023-10-13

(54)【発明の名称】鉄道システム、車上装置及び電気車駆動方法

(51)【国際特許分類】

   B60L 13/00 20060101AFI20231005BHJP

   B60L 50/60 20190101ALI20231005BHJP

   B60L 53/14 20190101ALI20231005BHJP

   B60L 53/24 20190101ALI20231005BHJP

   B60L 9/18 20060101ALI20231005BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20231005BHJP

   H02J 7/10 20060101ALI20231005BHJP

【ＦＩ】

B60L13/00 D

B60L50/60

B60L53/14

B60L53/24

B60L9/18 A

H02J7/00 P

H02J7/10 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】21

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022057111

(22)【出願日】2022-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安東 正登

(72)【発明者】

【氏名】北林 英朗

(72)【発明者】

【氏名】石川 勝美

(72)【発明者】

【氏名】岩村 重典

(72)【発明者】

【氏名】山崎 剛司

【テーマコード（参考）】

5G503

5H125

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA01

5G503BB01

5G503CA11

5G503FA06

5G503GB04

5G503GB06

5H125AA06

5H125AC02

5H125AC12

5H125AC23

5H125AC24

5H125BA00

5H125BB02

5H125BB05

5H125BC21

5H125DD02

5H125FF03

(57)【要約】

【課題】 地上の充電スタンドの電圧を昇圧して電気車の蓄電装置へ充電できるようにした、より簡素な鉄道システムを提供する。
【解決手段】 地上から供給される電力により充電可能な蓄電装置を具備する電気車を稼働させる鉄道システムであって、地上には、電車線とは別系統の直流充電装置が配設され、電気車の車上装置として、電車線から集電装置を介して接続されスイッチング素子を有する少なくとも直流から交流への電力変換装置と、電力変換装置の交流側に接続された電動機と、を備え、直流充電装置により蓄電装置を充電するために必要な充電電圧は、直流充電装置の出力電圧を直流－直流電力変換装置が昇圧して確保する。直流－直流電力変換装置が車上の兼用機であれば、インバータモードからチョパモードへと切り替え可能な切り替えスイッチと、昇圧可能に形成されるチョッパ回路と、を有するが、専用機を備えても良い。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

地上から供給される電力により充電可能な蓄電装置を具備する電気車を稼働させる鉄道システムであって、
前記地上には、電車線とは別系統の直流充電装置が配設され、
前記電気車の車上装置として、
前記電車線から集電装置を介して接続されスイッチング素子を有する少なくとも直流から交流への電力変換装置と、
該電力変換装置の交流側に接続された電動機と、
を備え、
前記直流充電装置により前記蓄電装置を充電するために必要な充電電圧は、前記直流充電装置の出力電圧を直流－直流電力変換装置が昇圧して確保する、
鉄道システム。

【請求項2】

前記直流－直流電力変換装置は車上に配設される専用機を備え、該専用機には昇圧用のチョッパ回路が常設された、
請求項１に記載の鉄道システム。

【請求項3】

前記直流－直流電力変換装置は車上に配設される兼用機であり、
該兼用機におけるインバータモードからチョパモードへと切り替え可能な切り替えスイッチと、
昇圧可能に形成されるチョッパ回路と、
を有し、
前記蓄電装置を充電するときに、スイッチング素子を兼用しながら前記電力変換装置の機能を使い分けて形成され、
前記電力変換装置の少なくとも一相に前記直流充電装置から電力供給されるように接続されて前記直流－直流電力変換装置として昇圧動作する、
請求項１に記載の鉄道システム。

【請求項4】

交流き電区間を走行する交流電車に適用され、
変圧器の漏れリアクタンスをリアクトルに代用して前記チョッパ回路を形成した、
請求項３に記載の鉄道システム。

【請求項5】

リアクトルの両端のうち、一端は前記集電装置に接続され、他端は前記切り替えスイッチの分岐基部に接続され、
前記切り替えスイッチは、前記リアクトルの他端を少なくとも２回路の接点への分岐を形成しており、一方の接点は前記電力変換装置の直流母線に接続され、他方の接点は前記電力変換装置の交流側に接続される、
請求項３に係る鉄道システム。

【請求項6】

前記電力変換装置は２又は３レベルのインバータを備える、
請求項５に記載の鉄道システム。

【請求項7】

前記電力変換装置は三相インバータを備え、前記直流充電装置で急速充電する場合に前記電力変換装置の全相が前記直流－直流電力変換装置として動作する、
請求項６に記載の鉄道システム。

【請求項8】

前記電力変換装置が前記インバータとして動作する場合のキャリア周波数と、前記電力変換装置が直流－直流電力変換装置として動作する場合のキャリア周波数が異なる、
請求項６又は７に記載の鉄道システム。

【請求項9】

前記電力変換装置に搭載されるスイッチング素子のうち少なくとも一方はシリコン又はシリコンよりバンドギャップが大きい半導体材料を母材とする、
請求項１に記載の鉄道システム。

【請求項10】

前記電力変換装置に搭載されるスイッチング素子のうち少なくとも一方はＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はマルチゲートＩＧＢＴの電圧駆動型素子である、
請求項１に記載の鉄道システム。

【請求項11】

請求項１～１０の何れか１項に記載の鉄道システムにおける、
前記直流－直流電力変換装置に形成される前記電力変換装置を前記電気車に搭載して構成される車上装置。

【請求項12】

電車線とは別系統で地上に配設された直流充電装置から充電可能な蓄電装置を具備する電気車を駆動する電気車駆動方法であって、
前記電気車に配設された電力変換装置は、
集電装置を介して前記電車線と連係された電力をスイッチング素子により少なくとも直流から交流へ変換して電動機と連係し、
前記電気車が力行又回生するときは、前記電動機が前記電力変換装置の交流側と電力授受し、
前記蓄電装置を充電するときは、直流－直流電力変換装置が、前記直流充電装置の出力電圧を昇圧して充電用に供給する、
電気車駆動方法。

【請求項13】

前記直流－直流電力変換装置は車上に配設される専用機を備え、該専用機には昇圧用のチョッパ回路が常設された、
請求項１２に記載の電気車駆動方法。

【請求項14】

車上に配設された前記直流－直流電力変換装置は兼用機であり、
該兼用機は、
切り替えスイッチによって、インバータモードからチョパモードへと切り替え、
該チョパモードでは、チョッパ回路が昇圧可能に形成され、
前記蓄電装置を充電するときに、スイッチング素子を兼用しながら前記電力変換装置の機能を使い分けて形成され、
前記電力変換装置の少なくとも一相に前記直流充電装置から電力供給されるように接続されて前記直流－直流電力変換装置として昇圧動作する、
請求項１２に記載の電気車駆動方法。

【請求項15】

交流き電区間を走行する交流電車に適用され、
変圧器の漏れリアクタンスをリアクトルに代用して前記チョッパ回路を形成した、
請求項１４に記載の電気車駆動方法。

【請求項16】

リアクトルの両端のうち、一端は前記集電装置に接続され、他端は前記切り替えスイッチの分岐基部に接続され、
前記切り替えスイッチは、前記リアクトルの他端を少なくとも２回路の接点への分岐を形成しており、一方の接点は前記電力変換装置の直流母線に接続され、他方の接点は前記電力変換装置の交流側に接続される、
請求項１４に係る電気車駆動方法。

【請求項17】

前記電力変換装置は２レベル又は３レベルのインバータとして稼働する、
請求項１６に記載の電気車駆動方法。

【請求項18】

前記直流充電装置で急速充電する場合、三相インバータを備える前記電力変換装置は、三相の全てが直流－直流電力変換装置として動作する、
請求項１７に記載の電気車駆動方法。

【請求項19】

前記電力変換装置が前記インバータとして動作する場合のキャリア周波数と、前記電力変換装置が直流－直流電力変換装置として動作する場合のキャリア周波数と、を相違させる、
請求項１７又は１８に記載の電気車駆動方法。

【請求項20】

前記電力変換装置を構成するスイッチング素子のうち少なくとも一部には、シリコン又はシリコンよりバンドギャップが大きい半導体材料を母材とするものが用いられる、
請求項１２に記載の電気車駆動方法。

【請求項21】

前記電力変換装置を構成するスイッチング素子のうち少なくとも一部は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はマルチゲートＩＧＢＴの電圧駆動型素子が用いられる、
請求項１２に記載の電気車駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は鉄道システム、車上装置及び電気車駆動方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の電気車において、架線からの電力供給が途絶えた緊急時には、車載畜電池に蓄えられた電力で、電気車に必要最小限の自力走行させることが考えられる。その車載畜電池は、充電機能も含めて、スペース、重量及び設備負担の点から、できるだけ小規模であることが好ましい。そこで、車載された複数の二次電池を並列接続することにより、低電圧の充電装置から充電し、この充電済の二次電池を直列接続につなぎ換えて、高電圧出力が得られるようにした電気車が知られている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－２２５３２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

蓄電池電車は、架線等の電車線を備えて電力供給が維持された区間を通常の電車として走行し、電車線がない区間、又は電車線からの給電が途絶えた場合、車載蓄電池の電力によりある程度の自力走行が可能である。その車載蓄電池の容量に制約があっても、今後、地上の電気自動車（Battery Electric Vehicle、以下「ＥＶ」ともいう）用充電設備から電気車の車載蓄電池に対し、プラグイン方式による充電が容易になれば、列車運行計画の選択肢が広がる。

【0005】

その際、高電圧駆動の電車と、比較的低電圧駆動のＥＶとの電圧格差が問題であり、その電圧格差を解消できて、なお簡素なシステムとすることが好ましい。本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、地上の充電スタンドの電圧を昇圧して電気車の蓄電装置へ充電できるようにした、より簡素な鉄道システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決する本発明は、地上から供給される電力により充電可能な蓄電装置を具備する電気車を稼働させる鉄道システムであって、地上には、電車線とは別系統の直流充電装置が配設され、電気車の車上装置として、電車線から集電装置を介して接続されスイッチング素子を有する少なくとも直流から交流への電力変換装置と、電力変換装置の交流側に接続された電動機と、を備え、直流充電装置により蓄電装置を充電するために必要な充電電圧は、直流充電装置の出力電圧を直流－直流電力変換装置が昇圧して確保する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、地上の充電スタンドの電圧を昇圧して電気車の蓄電装置へ充電できるようにした、より簡素な鉄道システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施例１に係る鉄道システム（以下、「本システム」ともいう）の概略図である。

【図2】図１の本システムの概略回路図である。

【図3】図１及び図２の本システムのモード別動作を示すタイミングチャートである。

【図4】図２の概略回路図に示した本システムの電力変換装置が三相インバータモードにスイッチ結線された回路図である。

【図5】図２の概略回路図に示した本システムの電力変換装置がチョッパモードにスイッチ結線された回路図である。

【図6】図１及び図２の本システムに対する変形例の回路図である。

【図7】本発明の実施例２に係る鉄道システム（これも「本システム」という）の回路図である。

【図8】本発明の実施例３に係る鉄道システム（これも「本システム」という）の回路図である。

【図9】本発明の実施例４に係る鉄道システム（これも「本システム」という）の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を用いて実施例を説明する。実施例１は、図１～図６を用いて説明し、その変形例は、図６を用いて説明する。実施例２は、図７を用いて説明する。実施例３は、図８を用いて説明する。これら各実施例に応じた電力変換装置６Ａ～電力変換装置６Ｄを後述するが、区別の必要がなければ、まとめて電力変換装置６とする。文中の符号６Ｘは、電力変換装置（インバータ）６を異なるモードの直流－直流電力変換装置（チョッパ回路）６Ｘとして使用し、兼用機６Ｘともいうが、その符号６Ｘは不図示である。

【実施例0010】

図１は、本発明の実施例１に係る鉄道システムを示す概略図である。図１に示すように、車両８は、架線１から集電装置７を介して受電し、電動機５の駆動により、車輪３を回転させて、前進又は後進する。車両８を駆動する電機品、すなわち車上装置としての遮断器１１ａ、電力変換装置６Ａ、フィルタリアクトル１５、断流器箱、蓄電装置９、蓄電池１７、及び外部充電コネクタ１０は、各別の箱に格納されて床下に配設されている。なお、フィルタリアクトル１５については、詳細に後述する。

【0011】

図１に示す各電機品は、別箱で記載しているが、電機品の一部もしくは全てを一体の箱に格納することにより、実装密度を高密度化しても良い。電気的なグラウンドとして、電力変換装置６Ａの低電位側は、車輪３を介してレール２に接続されている。電動機５は、台車４に搭載されており、その台車４は、車両８を支持している。

【0012】

電動機５は、誘導電動機又は永久磁石同期電動機のどちらでも良い。なお、誘導電動機の場合、１台の電力変換装置６Ａで複数の電動機を駆動できる。しかし、同期電動機の場合、１台の電力変換装置６Ａで駆動できる電動機は１台に限られる。架線１の電圧は直流６００Ｖ、直流７５０Ｖ、直流１５００Ｖ、直流３０００Ｖ等である。なお、実施例１では架線１の電圧は直流１５００Ｖとしている。以下、本システムの構成を説明する。

【0013】

図２は、図１の本システムの概略回路図である。本システムは、架線１の電力を集電装置７で受電し、遮断器１１ａ及びフィルタリアクトル１５を介して電力変換装置６Ａに電力を供給する。遮断器１１ａとフィルタリアクトル１５の間には電力変換装置６Ａの一部として接触器１２ａ，１４ａ及び充電抵抗１３ａで構成される充電回路が搭載されている。なお、これらの充電回路は電力変換装置６Ａとは別箱で実装されても良い。

【0014】

電力変換装置６Ａは集電装置７で受電した直流電力を交流電力に変換する機能を有し、スイッチＳ１，Ｓ２、フィルタキャパシタ１６、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６、逆並列還流ダイオード（以下、単に「ダイオード」ともいう）Ｄ１～Ｄ６で構成されている。スイッチング素子Ｑ１－Ｑ２群は直列接続されてＵ相を構成する。

【0015】

同様に、スイッチング素子Ｑ３－Ｑ４群は直列接続されてＶ相を構成する。同様に、スイッチング素子Ｑ５－Ｑ６群は直列接続されてＷ相を構成している。実施例１の電力変換装置６Ａは、一例として２レベルの回路構成として説明するが、実施例２として図７に示す電力変換装置６Ｃのように、３レベル以上のマルチレベルの回路構成でも適用可能である。

【0016】

スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６がＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の場合、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の主端子にそれぞれ逆並列に接続されたダイオードＤ１～Ｄ６が必要である。ダイオードＤ１～Ｄ６は、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６がオフ時に還流電流を流す。

【0017】

これに対し、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６がＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）の場合、ダイオードＤ１～Ｄ６として、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを用いても良い。このように、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６がＭＯＳＦＥＴ等のため、ボディダイオードを有する場合、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６と逆並列にダイオードを接続せず、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを利用して良い（図７及び図８に記載された同類の素子にも適用可）。

【0018】

ボディダイオードを環流ダイオードとして使用することでダイオードＤ１～Ｄ６のチップを削減でき、電力変換装置６Ａを小型化できる。また、直列接続された他方のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６（例えばＱ１とＱ２）は、同一パッケージに収納されて、２ｉｎ１のパッケージに形成されたものを用いても良い。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ、マルチゲートＩＧＢＴでも良い（図７及び図８に記載された同類の素子にも適用可）。

【0019】

スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６及びダイオードＤ１～Ｄ６の半導体材料は、Ｓｉ（シリコン）やＳｉよりもバンドギャップが広い半導体であるＳｉＣ（炭化ケイ素）やＧａＮ（窒化ガリウム）でも良い。これらのワイドバンドギャップ半導体は、Ｓｉに比べて発生損失を低減できるため、電力変換装置６Ａを小型化できる。（図７及び図８に記載された同類の素子にも適用可）。

【0020】

本システムは、蓄電池１７とその遮断器１１ｂ及び接触器１２ｂ，１４ｂと充電抵抗１３ｂから構成される充電回路を有している。蓄電池１７は、遮断器１１ｂ及び充電回路を介してフィルタキャパシタ１６に対して並列に接続される。このため、蓄電池１７の電圧と架線１の電圧は、概ね一致し１５００Ｖである。したがって、蓄電池１７は、架線１から取得した電力でも充電できる。

【0021】

なお、架線１に電力を供給する変電所（図示しない）が、ダイオード整流器を採用している場合、電力制御ができず、かつ架線電圧が大きく変動することがある。このような場合、変電所と、蓄電池電車と、少なくとも何れかにおいて、何らかの対策しなければ、架線１と蓄電池１７との電位差により、蓄電池に過大な充電電流が流れることが危惧される。その対策の１つとして、変電所側が充電電力を制御可能な設備とし、過大な充電電流を低減するようにしても良い。

【0022】

それとは別の対策として、変電所が上述のダイオード整流器のため電力制御ができない場合、本システム側で、以下のように蓄電池１７を充電制御することもできる。まず、車両８が加速（力行）する場合を説明する。車両８の力行時において、本システムは、架線１から電力供給を受けて電動機５を駆動するとともに、接触器１２ｂ，１４ｂ又は遮断器１１ｂを釈放し、架線１から蓄電池１７を切り離すことで、力行により電圧の低下した架線１の影響を蓄電池１７が受けないように制御する。

【0023】

一方、車両８の減速時において、本システムは、接触器１２ａ，１４ａ又は遮断器１１ａを釈放することにより、架線１と切り離すとともに接触器１４ｂ及び遮断器１１ｂを投入することにより、電動機５からの回生電力を蓄電池１７の充電のみに振り向ける。このように、ダイオード整流器を採用した変電所のため、蓄電池電車にとって必ずしも好適な電力環境でない場合であっても、本システムは、上述した制御により、架線１からの供給電力と、力行電力需要と、回生電力供給と、蓄電池１７の充電と、様々な場合に応じて最適の対応ができる。

【0024】

また、本システムは地上に直流充電装置２０を有している。この直流充電装置２０は、車上の外部充電コネクタ１０を介して電力変換装置６Ａに接続される。外部充電コネクタ１０の高電位側は、接触器１４ａとフィルタリアクトル１５の間に接続され、低電位側はフィルタキャパシタ１６の低電位側に接続される。直流充電装置２０の出力電圧は架線１の電圧である１５００Ｖよりも低く、例えば３５０Ｖである。

【0025】

電力変換装置６Ａは、スイッチＳ１，Ｓ２を備えている。スイッチＳ１の基端はフィルタリアクトル１５に接続され、末端はフィルタキャパシタ１６の高電位側に接続される。スイッチＳ２も基端はスイッチＳ１と同様にフィルタリアクトル１５に接続され、末端はスイッチング素子Ｑ１とＱ２の間、すなわちＵ相の中間端子に接続される。なお、スイッチＳ１，Ｓ２の基端と末端とは、図２、図６及び図７と整合する便宜上の呼び方であり、実際には、以下にいうａ，ｂ，ｃ接点で特定される。

【0026】

電力変換装置６Ａは、スイッチＳ２の末端はＵ相の中間端子に接続しているが、Ｖ相又はＷ相の中間端子でも良い。また、スイッチＳ１，Ｓ２は、ａ接点あるいはｂ接点のスイッチとしているが、ｃ接点のスイッチでも良く、その場合はスイッチの小型化が可能となる。なお、ａ接点、ｂ接点、ｃ接点のスイッチとは、リレーの動作と端子との関係に対する一般的呼称であるため、図示を省略するが、次のとおりである。

【0027】

ａ接点とは、コイルに電流を流すとＮＯ（Normally Open）端子とつながりＯＮ状態となる端子をいう。ｂ接点（Brake Contact）とは、コイルに電流を流すとＮＣ（Normally Close）端子から離れてＯＦＦ状態となる端子をいう。ｃ接点とは、電流を流さないとＮＣ端子（ｂ接点）とつながり、電流を流すとＮＯ端子(ａ接点)とつながる端子をいう。

【0028】

図３は、図１及び図２の本システムのモード別動作を示すタイミングチャートである。図３の横軸は時間、縦軸は上から車両走行指令（Vehicle running command）、遮断器１１ａの指令（Command of circuit breaker 11a）、スイッチＳ１の指令（Command of switch S1）、電力変換装置６Ａの動作（Motin of power converter 6A）、外部充電指令（External charging command）、スイッチＳ２の指令（Command of switch S2）である。以下、タイミングチャートを説明する。

【0029】

時刻ｔ０において、車両８の前進、後進又は加速、減速の指令に備えて、遮断器１１ａとスイッチＳ１が投入されている。

【0030】

時刻ｔ１において、車両の運転士のノッチ操作に基づいて、車両情報制御装置（不図示）から車両走行指令がＯＮとなり、電力変換装置６Ａは三相インバータモードで動作する。電力変換装置６Ａの三相インバータモード（Three-phase inverter mode）の詳細は後述する。

【0031】

時刻ｔ２において、車両走行指令がＯＦＦになると、電力変換装置６Ａも動作を停止する。

【0032】

時刻ｔ３において、直流充電装置２０から充電する外部充電指令がＯＮ状態になると、蓄電池１７を充電するモードとなる。このとき、架線１と直流充電装置２０とでは、それぞれの電圧が異なるため、両者を電気的に切り離す必要があることから、遮断器１１ａを開放する。なお、遮断器１１ａを開放する代わりに接触器１２ａ，１４ａを開放しても良い。また、スイッチＳ１を開放しスイッチＳ２を投入する。

【0033】

時刻ｔ４において、電力変換装置６Ａはチョッパモード（Chopper mode）として動作を開始し、直流充電装置２０から電力変換装置６Ａを介して蓄電池１７を充電する。電力変換装置６Ａのチョッパモードの詳細は後述する。

【0034】

図４は、図２の概略回路図に示した本システムの電力変換装置６Ａが三相インバータモードにスイッチ結線された回路図である。なお、電力変換装置６Ａが三相インバータモードで動作するとき、直流充電装置２０は接続しないため図示していない。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することでフィルタキャパシタ１６からパルス状の交流電力を出力する。この交流電力は、電動機５に供給されて、機械エネルギーに変換されることにより、車両８を前進又は後進させる。

【0035】

なお、フィルタキャパシタ１６の初期充電は、接触器１４ａを開放、接触器１２ａを投入することで充電抵抗１３ａを介して行われる。フィルタキャパシタ１６の初期充電が完了すると、接触器１２ａは開放、接触器１４ａが投入される。フィルタキャパシタ１６とフィルタリアクトル１５は、フィルタ回路を構成しており、電力変換装置６Ａから架線１に流れるノイズ電流を低減している。

【0036】

車両８を加速する場合、架線１から集電装置７を介して電力を受電し、遮断器１１ａ、フィルタリアクトル１５、電力変換装置６Ａを介して電動機５に電力を供給する。若しくは、遮断器１１ａを開放すれば、電力変換装置６Ａは、蓄電池１７から電力を供給されるので、架線１に接続された変電所（不図示）からの受電電力を削減することができる。

【0037】

なお、蓄電池１７は、車両８が停車中と、加速（力行）中と、の少なくとも何れかのタイミングで充電すれば良い。その充電中は、接触器１２ｂを投入、接触器１４ｂを開放して充電抵抗１３ｂを介することで、蓄電池１７の充電電流を制限することができる。あるいは、接触器１２ｂを開放し、接触器１４ｂを投入することで充電抵抗１３ｂを介することなく、蓄電池１７を急速充電することができる。

【0038】

車両８を減速するブレーキ動作の場合、電動機５が発電機として機能し、回生電力が発生する。回生電力は、電力変換装置６Ａにより、交流－直流電力変換され、フィルタリアクトル１５、遮断器１１ａ、集電装置７、及び架線１を介して他の車両（不図示）が加速（力行）するための電力などに利用される。

【0039】

回生電力を蓄電池１７に充電する際には、架線１と電気的に切り離すため、遮断器１１ａを開放するもしくは接触器１２ａ，１４ａを開放すれば良い。この際、電動機５のブレーキトルクを通常時よりも低くすることによって、蓄電池１７の充電電流を制限し、蓄電池１７の劣化を抑制することができる。以上より、電力変換装置６Ａが三相インバータモードで動作する場合は、車両８を前進、後進又は加速、減速する際に電動機５の電力を制御する。

【0040】

図５は、図２の概略回路図に示した本システムの電力変換装置６Ａがチョッパモードにスイッチ結線された回路図である。電力変換装置６Ａは等価変換している。また、前述のとおり、遮断器１１ａを単独で開放するか、又は、２つの接触器１２ａ，１４ａを両方ともに開放するか、何れかで架線１と直流充電装置２０を電気的に切り離している。

【0041】

電力変換装置６Ａがチョッパモードで動作する際は、直流充電装置２０が外部充電コネクタ１０を介して接続される。ここで、フィルタリアクトル１５が昇圧リアクトル１５として機能し、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２及びダイオードＤ１，Ｄ２がチョッパ回路として機能することで昇圧チョッパ回路が構成される。

【0042】

すなわち、直流充電装置２０の出力電圧３５０Ｖに対して、昇圧チョッパを介することで１５００Ｖを出力し、蓄電池１７を充電することができる。このとき、接触器１２ｂは開放し、接触器１４ｂ及び遮断器１１ｂは投入状態とすることで、充電抵抗１３ｂを介することなく直流充電装置２０で蓄電池１７の充電電流を制御できる。また、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチングに伴うリプル電流を吸収するキャパシタ（不図示）は、直流充電装置２０の内部と、電力変換装置６Ａと、少なくとも何れかに搭載すると良い。

【0043】

本システムのスイッチＳ１，Ｓ２を電力変換装置６Ａに搭載した構成により、直流充電装置２０の出力電圧が蓄電池１７の電圧よりも低い場合も蓄電池１７を充電することができる。すなわち、電力変換装置６Ａは、フィルタリアクトル１５を昇圧チョッパモードに適用し、直流－直流電力変換装置６Ｘとして動作することにより、直流充電装置２０の出力電圧の不足分を補足する。その結果、車両８や地上側に昇圧チョッパを新規搭載する必要がなく、本システムの小型化が可能となる。さらに、図７の実施例２で後述するように、電力変換装置６Ａは、２レベルの回路構成で昇圧動作することも可能である。

【0044】

電力変換装置６Ａは、三相インバータモードと、チョッパモードと、それぞれの動作に応じて制御部（不図示）を切り替える必要がある。この切り替えに合わせて、三相インバータモードと、チョッパモードと、それぞれの動作に最適なスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のキャリア周波数に変更すると良い。例えば、チョッパモードのキャリア周波数を低減することにより、直流－直流電力変換装置６Ｘのスイッチング損失を低減し、電力変換装置６の寿命を向上させることができる。

【0045】

ここで、電動機５への誘導障害等を考慮する。図２の本システムにおいて、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の損失や寿命を考慮すると、インバータ動作の最高周波数に比べ、昇圧チョッパの効率を高めたくても、その周波数を極端に高くはできない。このように動作モード別の周波数に大差無ければ、誘導障害等に関係する電圧変化率ｄｖ／ｄｔも大差無い。また、電動機５の端子に対し、昇圧チョッパ動作による誘導障害等の電圧が印可されても、中性点電圧は、インバータ動作中と同じ値（入力電圧Ｅｄ／６）である。したがって、電動機５への漏洩電流による誘導障害は、問題ないと考えられる。

【0046】

図２の実施例１では、車上機器の小型化に向けて、昇圧チョッパレス（昇圧専用の部品増加を避ける）化しつつ、直流充電装置２０の低圧出力と、蓄電池１７の高圧と、の電位差を解消する。そのため、図２の電力変換装置（インバータ）６Ａのうち一相のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をチョッパ動作させると、電動機５に中性点電圧（Ｅｄ／６）が発生する。このとき、他の二相のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６、及びダイオードＤ１１～Ｄ６は、全てオフ状態のため、電動機５には電流が流れない。したがって、停車して充電中の電車８が動いてしまう危険は無い。

【0047】

［変形例］
図６は、図１及び図２の本システムに対する変形例の回路図である。図６の変形例の電力変換装置６Ｂには、実施例１の電力変換装置６Ａに対してスイッチＳ３，Ｓ４が追加されており，その他の構成は実施例１と同様であるため説明を省略する。スイッチＳ３の基端は、スイッチＳ２と同様にフィルタリアクトル１５に接続され、末端は、スイッチング素子Ｑ３とＱ４の間、すなわちＶ相の中間端子に接続される。

【0048】

スイッチＳ４の基端は、スイッチＳ３と同様にフィルタリアクトル１５に接続され、末端はスイッチング素子Ｑ５とＱ６の間、すなわちＷ相の中間端子に接続される。図６の電力変換装置６Ｂは、チョッパモードにおいて、スイッチＳ２，Ｓ３，Ｓ４が投入され、スイッチＳ１は開放される。これにより、電力変換装置６Ｂは、フィルタリアクトル１５が昇圧リアクトル１５として機能して、直流－直流電力変換装置６Ｘとなる。

【0049】

この直流－直流電力変換装置６Ｘは、そのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を構成していたスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６及びダイオードＤ１～Ｄ６が、それぞれチョッパ回路として機能するので三相の昇圧チョッパ回路が構成される。この三相の昇圧チョッパ回路は、一相の昇圧チョッパ回路に比べ、蓄電池１７の充電電力を増大することができるので、蓄電池１７をより急速に充電することができる。

【実施例0050】

図７は、本発明の実施例２に係る鉄道システム（これも「本システム」という）６Ｃの回路図である。この電力変換装置６Ｃは、３レベルのインバータで構成される。以下、スイッチング素子については、図２及び図７の符号のみで説明する。

【0051】

ここで、地上設備としての直流充電装置２０から、車上の蓄電池１７を充電する動作フローを説明する。まず、スイッチＳ２をＯＮに接続する。なお、三相構成のＵ相について、図２のＱ１は、図７のＱ１ｕ＋Ｑ２ｕに相当する。同様に、図２のＱ２は、図７のＱ３ｕ＋Ｑ４ｕに相当する。

【0052】

すなわち、Ｑ１ｕ＋Ｑ２ｕでチョッパの上アームを構成し、Ｑ３ｕ＋Ｑ４ｕでチョッパの下アームを構成する。図２に記載のスイッチング素子と、図７に記載のスイッチング素子と、の関係は、三相構成のＶ相とＷ相についても同様である。３レベル回路の利点は、２レベル回路に比べて、スイッチング素子Ｑ１ｕ等の定格電圧を大きく低減できる。例えば、２レベル回路でスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６それぞれの定格電圧が３３００Ｖの場合、３レベル回路は１７００Ｖで足りる。