鉄道車両の駆動装置
【課題】リチウムイオン電池等の大容量の蓄電素子を用いることなく、小容量のキャパシタで高速域電気ブレーキ機能の実現を可能とする。
【解決手段】蓄電素子としてキャパシタ７を用い、高速域電気ブレーキ機能によりキャパシタを充電する方向に流れる電流経路の他に、充放電装置１１によりキャパシタ７を放電する方向に流れる電流経路を設けることで、キャパシタ７には回生電流（キャパシタを充電する方向に流れる電流）と充放電装置１１によるチョッパ電流（キャパシタを放電する方向に流れる電流）の差分の電流を通流させる。
【解決手段】蓄電素子としてキャパシタ７を用い、高速域電気ブレーキ機能によりキャパシタを充電する方向に流れる電流経路の他に、充放電装置１１によりキャパシタ７を放電する方向に流れる電流経路を設けることで、キャパシタ７には回生電流（キャパシタを充電する方向に流れる電流）と充放電装置１１によるチョッパ電流（キャパシタを放電する方向に流れる電流）の差分の電流を通流させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電素子を搭載した車両の駆動装置に関し、特に回生ブレーキが動作する速度域を拡大する機能を実現できる鉄道車両の駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の分野では、ブレーキ時に主電動機を発電機として動作させて、ブレーキ力を得ると同時に車両の運動エネルギを電気エネルギに変換して架線へ戻す回生ブレーキ制御が広く用いられている。回生ブレーキ制御により架線に戻された電力は、他の車両が力行する電力として利用できるため、消費電力を低減することができる。
【０００３】
しかしながら、回生ブレーキ制御には、主電動機やインバータ装置の性能により高速度域（定トルク終端速度以上）では回生性能が制限され、十分なブレーキ力が得られないという課題がある。
【０００４】
この課題を解決する技術が、例えば特許文献１に記載されている。前記特許文献１に記載の鉄道車両の駆動装置は、電動機と電動機を駆動するインバータ装置と充放電可能な蓄電素子と蓄電素子に対する電圧変換器（チョッパ装置）を備え、蓄電素子をインバータ装置と直列に接続し、電圧変換器により発生した電圧を直流電源電圧（架線電圧）に加算し、インバータ装置に印加している。これにより電動機に印加される電圧が増加し、電動機出力を増大できるので、電動機の電流を増加することなく高速域での回生ブレーキ力を増大することができる（以下、高速域電気ブレーキ機能と呼ぶ）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７８６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来技術の場合、蓄電素子には端子間電圧と通流電流の積に相当する電力が充電される。この場合は、蓄電素子には回生電流（架線電流）Ｉsが通流するため、蓄電素子には、端子間電圧Ｖｂと回生電流Ｉsの積Ｖｂ×Ｉsに相当する大きな電力が充電される。そのため、蓄電素子としてリチウムイオン電池等の比較的容量の大きい蓄電素子が必要となり、システムのコストアップにつながるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、リチウムイオン電池等の大容量蓄電素子を用いることなく、高速域電気ブレーキ機能の実現に不可欠なインバータ装置の直流入力電圧を昇圧する手段を提供し、システムの低コスト化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
直流電圧源から直流電力を得る集電装置と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、インバータ装置の直流電力側に接続される充放電可能なキャパシタと、キャパシタの電力を充放電する充放電装置と、を備え、交流電動機から回生電力を発生させる際に、インバータ装置とキャパシタを直列に接続して回生電流によりキャパシタを充電することにより、キャパシタの端子間電圧と架線電圧の和を前記インバータ装置の直流入力電圧とすると共に、充放電装置を動作させてキャパシタに充電された電荷を放電する電流経路を設ける。つまり、キャパシタの放電を行う充放電装置（例、チョッパ装置）を設け、高速域電気ブレーキ機能によりキャパシタを充電する方向に流れる電流経路（回生電流）の他に、充放電装置によりキャパシタを放電する方向に流れる電流経路（チョッパ電流）をつくる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施態様によれば、高速域電気ブレーキ機能によりキャパシタを充電する方向に流れる電流経路（回生電流）の他に、充放電装置によりキャパシタを放電する方向に流れる電流経路（チョッパ電流）を設けることで、従来技術のようにリチウムイオン電池等の大容量の蓄電素子を用いることなく、小容量のキャパシタで高速域電気ブレーキ機能の実現を可能とすることでシステムの低コスト化が図れる。
【００１０】
また、充放電装置によりキャパシタの放電電流量を調整することで、キャパシタの端子間電圧がコントロールでき、インバータ装置の直流入力電圧を可変制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の鉄道車両の駆動装置における基本構成を示す図。
【図２】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態の基本構成を示す図。
【図３】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態における基本動作（充放電装置が動作しない場合）を示す図。
【図４】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態における基本動作（充放電装置が動作する場合：スイッチング素子８オンの時）を示す図。
【図５】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態における基本動作（スイッチング素子８オンの時）におけるスイッチング素子８を通流する電流および回生電流の時間波形を示す図。
【図６】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態における基本動作（充放電装置が動作する場合：スイッチング素子８オフの時）を示す図。
【図７】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態における基本動作（スイッチング素子８オフの時）におけるダイオード素子９を通流する電流および回生電流の時間波形を示す図。
【図８】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態におけるキャパシタ充電電流と放電電流の時間波形を示す図。
【図９】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態におけるキャパシタ通流電流の時間波形を示す図。
【図１０】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態の基本構成を示す図。
【図１１】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態における基本動作（充放電装置が動作しない場合）を示す図。
【図１２】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態における基本動作（充放電装置が動作する場合：スイッチング素子１２ｂオンの時）を示す図。
【図１３】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態における基本動作（スイッチング素子１２ｂオンの時）におけるスイッチング素子１２ｂを通流する電流および回生電流の時間波形を示す図。
【図１４】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態における基本動作（充放電装置が動作する場合：スイッチング素子１２ｂオフの時）を示す図。
【図１５】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態における基本動作（スイッチング素子１２ｂオフの時）におけるダイオード素子１３ａを通流する電流および回生電流の時間波形を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の鉄道車両の駆動装置における基本構成を示す図である。
【００１４】
電車線などの直流電圧源から直流電力を得る集電装置１と、フィルタリアクトル（ＦＬ）２、およびフィルタコンデンサ（ＦＣ）３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４と、インバータ装置４により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機５ａ，５ｂと、インバータ装置４の直流電力側に充放電が可能な蓄電素子としてキャパシタ７と、キャパシタ７の電力を充放電する機能を有する充放電装置１１を備えた鉄道車両の駆動装置である。なお、キャパシタ７はインバータ装置４の低電位側端子に直列に接続される。
【００１５】
図１では、インバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、本発明としてはインバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。
【００１６】
図２は本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態の基本構成を示す図である。
【００１７】
充放電装置１１はスイッチング素子８およびダイオード素子９および平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０で構成される。スイッチング素子８とダイオード素子９を直列に接続した回路は、直流電力側にインバータ装置４と並列に接続される。つまり、スイッチング素子８とダイオード素子９を直列に接続した回路は、前記集電装置と前記インバータ装置の正極側とを結ぶ電力線と、前記インバータ装置の負極側と前記キャパシタの負極側とを結ぶ電力線と、の間に挿入される。また、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０は、スイッチング素子８とダイオード素子９の接続点と、キャパシタ７の正極端子とを結ぶ電力線の途中に配置する。なお、キャパシタ７の正極端子は接地点６に接続し、負極端子はインバータ装置４の低電位側端子に接続する。
【００１８】
本発明の実施形態においては、回生時は図３のように回生電流Ｉsが流れ、キャパシタ７は回生電流Ｉsにより充電され、キャパシタ７の両端に電圧Ｖｃが発生する。このとき、インバータ装置４の低電位側端子の電圧は、接地点６を基準として、キャパシタ７の端子間電圧Ｖｃだけ引き下げられる。一方、インバータ装置４の高電位側端子の電位は、接地点６を基準電位と考えると、架線電圧Ｖｓに等しい。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電位差は、キャパシタ７の端子間電圧Ｖｃと、架線電圧Ｖｓの和、Ｖｃ＋Ｖｓとなる。このようにして、インバータ装置４の入出力端子間（正極から負極）の電位差をキャパシタ７の端子間電圧Ｖｃだけ増大させることにより、インバータ装置４の最大通流電流を変えることなく、最大回生電力を（Ｖｃ＋Ｖｓ）／Ｖｓだけ拡大できる。また、このときキャパシタ７には、端子間電圧Ｖｃとキャパシタ通流電流Ｉcの積、Ｖｃ×Ｉcに相当する電力が充電される。
【００１９】
その後、図４及び図６に示すように、スイッチング素子８を周期的にチョッピング（オン／オフ）することで、キャパシタ７に放電電流（チョッパ電流）を流す。
【００２０】
具体的には、図４に示すように、前述のスイッチング素子８を所定時間Ｔonだけオンすると、キャパシタ７の正極側と負極側は平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０を通じて短絡されるが、このとき、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、所定時間Ｔonの期間に通流した電流と、キャパシタ７の端子間電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。このとき、スイッチング素子８を通流する電流Ｉ8は平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０にエネルギを蓄えるのに伴い次第に増加していく。
【００２１】
このときのスイッチング素子８を通流する電流Ｉ8および回生電流Ｉsのタイムチャートを図５に示す。
【００２２】
スイッチング素子８を通流する電流Ｉ8と回生電流Ｉsとがバランスする前後の期間において、期間Ａ（スイッチング素子８がオン状態であり、スイッチング素子８を通流する電流Ｉ8が回生電流Ｉsより小さい期間）では回生電流Ｉsに対してスイッチング素子８を通流する電流Ｉ8の方が小さいためキャパシタ７は充電される。一方、期間Ｂ（スイッチング素子８がオン状態であり、スイッチング素子８を通流する電流Ｉ8が回生電流Ｉsより大きい期間）では回生電流Ｉsに対してスイッチング素子８を通流する電流Ｉ8の方が大きくなるためキャパシタ７は放電される。
【００２３】
その後、図６に示すように、スイッチング素子８を所定時間Ｔoffだけオフすると、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０に蓄えられた電力エネルギはダイオード素子９を介して集電装置１とインバータ装置４の間の直流電力部に放出される。このとき、ダイオード素子９を通流する電流Ｉ9は平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０に蓄えられたエネルギの放出に伴い次第に減少していく。
【００２４】
このときのダイオード素子９を通流する電流Ｉ9および回生電流Ｉsのタイムチャートを図７に示す。
【００２５】
ダイオード素子９を通流する電流Ｉ9と回生電流Ｉsとがバランスする前後の期間において、期間Ｃ（スイッチング素子８がオフ状態であり、ダイオード素子９を通流する電流Ｉ9が回生電流Ｉsより大きい期間）では回生電流Ｉsに対してダイオード素子９を通流する電流Ｉ9の方が大きいためキャパシタ７は放電される。一方、期間Ｄ（スイッチング素子８がオフ状態であり、ダイオード素子９を通流する電流Ｉ9が回生電流Ｉsより小さい期間）では回生電流Ｉsに対してダイオード素子９を通流する電流Ｉ9の方が小さくなるためキャパシタ７は充電される。
【００２６】
ここで、スイッチング素子８をオン／オフしたときの、キャパシタ７の充電電流（回生電流Ｉs）と放電電流（チョッパ電流ＩMSL）を図８に示す。また、キャパシタ７の通流電流Ｉcを図９に示す。キャパシタ７には充電電流（回生電流Ｉs）と放電電流（チョッパ電流ＩMSL）の差分の電流が通流し、充電電流（回生電流Ｉs）と放電電流（チョッパ電流ＩMSL）の差分を時間積算した値が充電電荷量としてキャパシタ７に充電される。したがって、キャパシタ７は回生電力をすべて充電する必要がなく、充放電装置１１による放電電流分だけキャパシタ７に充電される充電電荷量が低減するため、キャパシタ７の小容量化が図れる。また、スイッチング素子８のチョッピング（オン／オフ）により、キャパシタ７の放電電流の大きさを調整し、キャパシタ７の端子間電圧（充電電荷量）をコントロールすることによりキャパシタ７の端子間電圧Ｖｃを所望の値に制御することも可能となる。つまり、キャパシタ７の放電電流を大きくする場合には、スイッチング素子８のオン期間を長くするようにチョッピングを調節し、キャパシタ７の放電電流を小さくする場合には、スイッチング素子８のオン期間を短くするようにチョッピングを調節する。
【００２７】
本発明の実施態様により、リチウムイオン電池等の大容量の蓄電素子を用いることなく、小容量のキャパシタで高速域電気ブレーキ機能の実現が可能となり、システムの低コスト化が図れる。また、充放電装置１１によりキャパシタ７の放電電流を調整することでキャパシタ７の端子間電圧をコントロールでき、インバータ装置４の直流入力電圧を可変制御することが可能となる。なお、キャパシタ７の放電電流の制御は、インバータ装置４の直流入力電圧を所望の値に追従させるように制御しても良く、キャパシタ７の端子間電圧を所望の値に追従させるように制御しても良い。
【００２８】
本実施例では、充放電装置の具体的な構成として、スイッチング素子８とダイオード素子９を利用する例を示したが、ダイオード素子９は、直流電圧源の接地点から直流電圧源の正極側の方向へのみ電流を導通できる電流方向制御手段であれば置換え可能であり、また、スイッチング素子８は直流電圧源から直流電圧源の接地点の方向への電流を導通または遮断できる電流遮断手段であれば、置換え可能である。
【実施例２】
【００２９】
図１０は本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態の基本構成を示す図である。
【００３０】
集電装置１から給電した直流電力は、フィルタリアクトル（ＦＬ）２、およびフィルタコンデンサ（ＦＣ）３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）で高周波数域の変動を除去した後、インバータ装置４に入力される。インバータ装置４は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の３相交流電力に変換して、主電動機５ａ，５ｂを駆動する。ここではインバータ装置４が駆動する交流電動機が２台の場合を示しているが、本発明としてはインバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。接地点６はこの回路の基準電位を決めている。
【００３１】
スイッチング素子１２ａ，１２ｂは、半導体素子による電流遮断手段である。スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのそれぞれの入出力端子には、導通方向が反対向きに、ダイオード素子１３ａとダイオード素子１３ｂが並列に接続される。逆並列接続されたスイッチング素子１２ａとダイオード素子１３ａと、逆並列接続されたスイッチング素子１２ｂとダイオード素子１３ａと、互いには直列に接続され、当該直列接続体はインバータ装置に対して並列接続される。つまり、スイッチング素子１２ａとダイオード素子１３ａとスイッチング素子１２ｂとダイオード素子１３ａは、前記集電装置と前記インバータ装置の正極側とを結ぶ電力線と、前記インバータ装置の負極側と前記キャパシタの負極側とを結ぶ電力線と、の間に挿入される。
【００３２】
平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０は、スイッチング素子１２ａと１２ｂの接続点と、キャパシタ７の正極端子を結ぶ電力線の途中に配置する。なお、キャパシタ７の正極端子は接地点６に接続し、負極端子はインバータ装置４の低電位側端子に接続する。
【００３３】
本発明の実施形態においては、回生時は図１１のように回生電流が流れ、キャパシタ７は回生電流により充電され、キャパシタ７の両端に電圧Ｖｃが発生する。このとき、インバータ装置４の低電位側端子の電圧は、接地点６を基準として、キャパシタ７の端子間電圧Ｖｃだけ引き下げられる。一方、インバータ装置４の高電位側端子の電位は、接地点６を基準電位と考えると、架線電圧Ｖｓに等しい。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電位差は、キャパシタ７の端子間電圧Ｖｃと、架線電圧Ｖｓの和、Ｖｃ＋Ｖｓとなる。このようにして、インバータ装置４の入出力端子間（正極から負極）の電位差をキャパシタ７の端子間電圧Ｖｃだけ増大させることにより、インバータ装置４の最大通流電流を変えることなく、最大回生電力を（Ｖｃ＋Ｖｓ）／Ｖｓだけ拡大できる。また、このときキャパシタ７には、端子間電圧Ｖｃとキャパシタ通流電流Ｉc（＝架線電流Ｉs）の積、Ｖｃ×Ｉcに相当する電力が充電される。
【００３４】
その後、本発明の実施形態においては、図１２及び図１４に示すように、スイッチング素子１２ｂを周期的にチョッピング（オン／オフ）することで、キャパシタ７に放電電流（チョッパ電流）を流す。
【００３５】
具体的には、図１２に示すように、スイッチング素子１２ａはオフ状態とし、前述のスイッチング素子１２ｂを所定時間Ｔonだけオンすると、キャパシタ７の正極側と負極側は平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０を通じて短絡されるが、このとき、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ｔonの期間に通流した電流と、キャパシタ７の端子間電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。このとき、スイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bは平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０にエネルギを蓄えるのに伴い次第に増加していく。
【００３６】
このときのスイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bおよび回生電流Ｉsのタイムチャートを図１３に示す。
【００３７】
スイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bと回生電流Ｉsとがバランスする前後の期間において、期間Ａ（スイッチング素子１２ｂがオン状態であり、スイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bが回生電流Ｉsより小さい期間）では回生電流Ｉsに対してスイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bの方が小さいためキャパシタ７は充電される。一方、期間Ｂ（スイッチング素子８ｂがオン状態であり、スイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bが回生電流Ｉsより大きい期間）では回生電流Ｉsに対してスイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bの方が大きくなるためキャパシタ７は放電される。
【００３８】
その後、図１４に示すように、スイッチング素子１２ａはオフ状態を維持し、スイッチング素子１２ｂを所定時間Ｔoffだけオフすると、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０に蓄えられた電力エネルギはダイオード素子１３ａを介して集電装置１とインバータ装置４の間の直流電力部に放出される。このとき、ダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aは平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０に蓄えられたエネルギの放出に伴い次第に減少していく。
【００３９】
このときのダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aおよび回生電流Ｉsのタイムチャートを図１５に示す。
【００４０】
ダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aと回生電流Ｉsとがバランスする前後の期間において、期間Ｃ（スイッチング素子１２ｂがオフ状態であり、ダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aが回生電流Ｉsより大きい期間）では回生電流Ｉsに対してダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aの方が大きいためキャパシタ７は放電される。一方、期間Ｄ（スイッチング素子１２ｂがオフ状態であり、ダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aが回生電流Ｉsより小さい期間）では回生電流Ｉsに対してダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aの方が小さくなるためキャパシタ７は充電される。
【００４１】
キャパシタ７には充電電流（回生電流Ｉs）と放電電流（チョッパ電流ＩMSL）の差分の電流が通流し、充電電流（回生電流Ｉs）と放電電流（チョッパ電流ＩMSL）の差分を時間積算した値が充電電荷量として充電される。したがって、充放電装置１１による放電電流分だけキャパシタ７に充電される充電電荷量が低減するためキャパシタ７の小容量化が図れる。また、スイッチング素子１２ｂのチョッピング（オン／オフ）により、キャパシタ７の放電電流の大きさを調整し、キャパシタ７の端子間電圧（充電電荷量）をコントロールすることによりキャパシタ７の端子間電圧Ｖｃを所望の値に制御することが可能となる。つまり、キャパシタ７の放電電流を大きくする場合には、スイッチング素子８のオン期間を長くするようにチョッピングを調節し、キャパシタ７の放電電流を小さくする場合には、スイッチング素子８のオン期間を短くするようにチョッピングを調節する。
【００４２】
本発明の実施態様により、リチウムイオン電池等の大容量の蓄電素子を用いることなく、小容量のキャパシタで高速域電気ブレーキ機能の実現が可能となり、システムの低コスト化が図れる。また、スイッチング素子１２ｂのチョッピング（オン／オフ）によりキャパシタ７の放電電流を調整することでキャパシタ７の端子間電圧をコントロールでき、インバータ装置４の直流入力電圧を可変制御することが可能となる。なお、スイッチング素子１２ｂのチョッピング（オン／オフ）制御は、インバータ装置４の直流入力電圧を所望の値に追従させるように制御しても良く、キャパシタ７の端子間電圧を所望の値に追従させるように制御しても良い。
【００４３】
本実施例では、充放電装置の具体的な構成として、スイッチング素子１２ａ，１２ｂ，ダイオード素子１３ａ，１３ｂ利用する例を示したが、直流電圧源から直流電圧源の接地点の方向への電流を導通または遮断できる半導体素子で構成される電流遮断手段と、電流遮断手段と逆方向にのみ電流を導通できる電流方向制御手段と、を並列接続した構成であれば置換え可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 集電装置
２ フィルタリアクトル
３ フィルタコンデンサ
４ インバータ装置
５ａ，５ｂ 交流電動機
６ 接地点
７ キャパシタ
８，１２ａ，１２ｂ スイッチング素子
９，１３ａ，１３ｂ ダイオード素子
１０ 平滑リアクトル
１１ 充放電装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電素子を搭載した車両の駆動装置に関し、特に回生ブレーキが動作する速度域を拡大する機能を実現できる鉄道車両の駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の分野では、ブレーキ時に主電動機を発電機として動作させて、ブレーキ力を得ると同時に車両の運動エネルギを電気エネルギに変換して架線へ戻す回生ブレーキ制御が広く用いられている。回生ブレーキ制御により架線に戻された電力は、他の車両が力行する電力として利用できるため、消費電力を低減することができる。
【０００３】
しかしながら、回生ブレーキ制御には、主電動機やインバータ装置の性能により高速度域（定トルク終端速度以上）では回生性能が制限され、十分なブレーキ力が得られないという課題がある。
【０００４】
この課題を解決する技術が、例えば特許文献１に記載されている。前記特許文献１に記載の鉄道車両の駆動装置は、電動機と電動機を駆動するインバータ装置と充放電可能な蓄電素子と蓄電素子に対する電圧変換器（チョッパ装置）を備え、蓄電素子をインバータ装置と直列に接続し、電圧変換器により発生した電圧を直流電源電圧（架線電圧）に加算し、インバータ装置に印加している。これにより電動機に印加される電圧が増加し、電動機出力を増大できるので、電動機の電流を増加することなく高速域での回生ブレーキ力を増大することができる（以下、高速域電気ブレーキ機能と呼ぶ）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７８６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来技術の場合、蓄電素子には端子間電圧と通流電流の積に相当する電力が充電される。この場合は、蓄電素子には回生電流（架線電流）Ｉsが通流するため、蓄電素子には、端子間電圧Ｖｂと回生電流Ｉsの積Ｖｂ×Ｉsに相当する大きな電力が充電される。そのため、蓄電素子としてリチウムイオン電池等の比較的容量の大きい蓄電素子が必要となり、システムのコストアップにつながるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、リチウムイオン電池等の大容量蓄電素子を用いることなく、高速域電気ブレーキ機能の実現に不可欠なインバータ装置の直流入力電圧を昇圧する手段を提供し、システムの低コスト化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
直流電圧源から直流電力を得る集電装置と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、インバータ装置の直流電力側に接続される充放電可能なキャパシタと、キャパシタの電力を充放電する充放電装置と、を備え、交流電動機から回生電力を発生させる際に、インバータ装置とキャパシタを直列に接続して回生電流によりキャパシタを充電することにより、キャパシタの端子間電圧と架線電圧の和を前記インバータ装置の直流入力電圧とすると共に、充放電装置を動作させてキャパシタに充電された電荷を放電する電流経路を設ける。つまり、キャパシタの放電を行う充放電装置（例、チョッパ装置）を設け、高速域電気ブレーキ機能によりキャパシタを充電する方向に流れる電流経路（回生電流）の他に、充放電装置によりキャパシタを放電する方向に流れる電流経路（チョッパ電流）をつくる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施態様によれば、高速域電気ブレーキ機能によりキャパシタを充電する方向に流れる電流経路（回生電流）の他に、充放電装置によりキャパシタを放電する方向に流れる電流経路（チョッパ電流）を設けることで、従来技術のようにリチウムイオン電池等の大容量の蓄電素子を用いることなく、小容量のキャパシタで高速域電気ブレーキ機能の実現を可能とすることでシステムの低コスト化が図れる。
【００１０】
また、充放電装置によりキャパシタの放電電流量を調整することで、キャパシタの端子間電圧がコントロールでき、インバータ装置の直流入力電圧を可変制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の鉄道車両の駆動装置における基本構成を示す図。
【図２】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態の基本構成を示す図。
【図３】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態における基本動作（充放電装置が動作しない場合）を示す図。
【図４】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態における基本動作（充放電装置が動作する場合：スイッチング素子８オンの時）を示す図。
【図５】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態における基本動作（スイッチング素子８オンの時）におけるスイッチング素子８を通流する電流および回生電流の時間波形を示す図。
【図６】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態における基本動作（充放電装置が動作する場合：スイッチング素子８オフの時）を示す図。
【図７】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態における基本動作（スイッチング素子８オフの時）におけるダイオード素子９を通流する電流および回生電流の時間波形を示す図。
【図８】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態におけるキャパシタ充電電流と放電電流の時間波形を示す図。
【図９】本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態におけるキャパシタ通流電流の時間波形を示す図。
【図１０】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態の基本構成を示す図。
【図１１】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態における基本動作（充放電装置が動作しない場合）を示す図。
【図１２】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態における基本動作（充放電装置が動作する場合：スイッチング素子１２ｂオンの時）を示す図。
【図１３】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態における基本動作（スイッチング素子１２ｂオンの時）におけるスイッチング素子１２ｂを通流する電流および回生電流の時間波形を示す図。
【図１４】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態における基本動作（充放電装置が動作する場合：スイッチング素子１２ｂオフの時）を示す図。
【図１５】本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態における基本動作（スイッチング素子１２ｂオフの時）におけるダイオード素子１３ａを通流する電流および回生電流の時間波形を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の鉄道車両の駆動装置における基本構成を示す図である。
【００１４】
電車線などの直流電圧源から直流電力を得る集電装置１と、フィルタリアクトル（ＦＬ）２、およびフィルタコンデンサ（ＦＣ）３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４と、インバータ装置４により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機５ａ，５ｂと、インバータ装置４の直流電力側に充放電が可能な蓄電素子としてキャパシタ７と、キャパシタ７の電力を充放電する機能を有する充放電装置１１を備えた鉄道車両の駆動装置である。なお、キャパシタ７はインバータ装置４の低電位側端子に直列に接続される。
【００１５】
図１では、インバータ装置４が駆動する主電動機が２台の場合を示しているが、本発明としてはインバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。
【００１６】
図２は本発明の鉄道車両の駆動装置における第１の実施形態の基本構成を示す図である。
【００１７】
充放電装置１１はスイッチング素子８およびダイオード素子９および平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０で構成される。スイッチング素子８とダイオード素子９を直列に接続した回路は、直流電力側にインバータ装置４と並列に接続される。つまり、スイッチング素子８とダイオード素子９を直列に接続した回路は、前記集電装置と前記インバータ装置の正極側とを結ぶ電力線と、前記インバータ装置の負極側と前記キャパシタの負極側とを結ぶ電力線と、の間に挿入される。また、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０は、スイッチング素子８とダイオード素子９の接続点と、キャパシタ７の正極端子とを結ぶ電力線の途中に配置する。なお、キャパシタ７の正極端子は接地点６に接続し、負極端子はインバータ装置４の低電位側端子に接続する。
【００１８】
本発明の実施形態においては、回生時は図３のように回生電流Ｉsが流れ、キャパシタ７は回生電流Ｉsにより充電され、キャパシタ７の両端に電圧Ｖｃが発生する。このとき、インバータ装置４の低電位側端子の電圧は、接地点６を基準として、キャパシタ７の端子間電圧Ｖｃだけ引き下げられる。一方、インバータ装置４の高電位側端子の電位は、接地点６を基準電位と考えると、架線電圧Ｖｓに等しい。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電位差は、キャパシタ７の端子間電圧Ｖｃと、架線電圧Ｖｓの和、Ｖｃ＋Ｖｓとなる。このようにして、インバータ装置４の入出力端子間（正極から負極）の電位差をキャパシタ７の端子間電圧Ｖｃだけ増大させることにより、インバータ装置４の最大通流電流を変えることなく、最大回生電力を（Ｖｃ＋Ｖｓ）／Ｖｓだけ拡大できる。また、このときキャパシタ７には、端子間電圧Ｖｃとキャパシタ通流電流Ｉcの積、Ｖｃ×Ｉcに相当する電力が充電される。
【００１９】
その後、図４及び図６に示すように、スイッチング素子８を周期的にチョッピング（オン／オフ）することで、キャパシタ７に放電電流（チョッパ電流）を流す。
【００２０】
具体的には、図４に示すように、前述のスイッチング素子８を所定時間Ｔonだけオンすると、キャパシタ７の正極側と負極側は平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０を通じて短絡されるが、このとき、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、所定時間Ｔonの期間に通流した電流と、キャパシタ７の端子間電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。このとき、スイッチング素子８を通流する電流Ｉ8は平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０にエネルギを蓄えるのに伴い次第に増加していく。
【００２１】
このときのスイッチング素子８を通流する電流Ｉ8および回生電流Ｉsのタイムチャートを図５に示す。
【００２２】
スイッチング素子８を通流する電流Ｉ8と回生電流Ｉsとがバランスする前後の期間において、期間Ａ（スイッチング素子８がオン状態であり、スイッチング素子８を通流する電流Ｉ8が回生電流Ｉsより小さい期間）では回生電流Ｉsに対してスイッチング素子８を通流する電流Ｉ8の方が小さいためキャパシタ７は充電される。一方、期間Ｂ（スイッチング素子８がオン状態であり、スイッチング素子８を通流する電流Ｉ8が回生電流Ｉsより大きい期間）では回生電流Ｉsに対してスイッチング素子８を通流する電流Ｉ8の方が大きくなるためキャパシタ７は放電される。
【００２３】
その後、図６に示すように、スイッチング素子８を所定時間Ｔoffだけオフすると、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０に蓄えられた電力エネルギはダイオード素子９を介して集電装置１とインバータ装置４の間の直流電力部に放出される。このとき、ダイオード素子９を通流する電流Ｉ9は平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０に蓄えられたエネルギの放出に伴い次第に減少していく。
【００２４】
このときのダイオード素子９を通流する電流Ｉ9および回生電流Ｉsのタイムチャートを図７に示す。
【００２５】
ダイオード素子９を通流する電流Ｉ9と回生電流Ｉsとがバランスする前後の期間において、期間Ｃ（スイッチング素子８がオフ状態であり、ダイオード素子９を通流する電流Ｉ9が回生電流Ｉsより大きい期間）では回生電流Ｉsに対してダイオード素子９を通流する電流Ｉ9の方が大きいためキャパシタ７は放電される。一方、期間Ｄ（スイッチング素子８がオフ状態であり、ダイオード素子９を通流する電流Ｉ9が回生電流Ｉsより小さい期間）では回生電流Ｉsに対してダイオード素子９を通流する電流Ｉ9の方が小さくなるためキャパシタ７は充電される。
【００２６】
ここで、スイッチング素子８をオン／オフしたときの、キャパシタ７の充電電流（回生電流Ｉs）と放電電流（チョッパ電流ＩMSL）を図８に示す。また、キャパシタ７の通流電流Ｉcを図９に示す。キャパシタ７には充電電流（回生電流Ｉs）と放電電流（チョッパ電流ＩMSL）の差分の電流が通流し、充電電流（回生電流Ｉs）と放電電流（チョッパ電流ＩMSL）の差分を時間積算した値が充電電荷量としてキャパシタ７に充電される。したがって、キャパシタ７は回生電力をすべて充電する必要がなく、充放電装置１１による放電電流分だけキャパシタ７に充電される充電電荷量が低減するため、キャパシタ７の小容量化が図れる。また、スイッチング素子８のチョッピング（オン／オフ）により、キャパシタ７の放電電流の大きさを調整し、キャパシタ７の端子間電圧（充電電荷量）をコントロールすることによりキャパシタ７の端子間電圧Ｖｃを所望の値に制御することも可能となる。つまり、キャパシタ７の放電電流を大きくする場合には、スイッチング素子８のオン期間を長くするようにチョッピングを調節し、キャパシタ７の放電電流を小さくする場合には、スイッチング素子８のオン期間を短くするようにチョッピングを調節する。
【００２７】
本発明の実施態様により、リチウムイオン電池等の大容量の蓄電素子を用いることなく、小容量のキャパシタで高速域電気ブレーキ機能の実現が可能となり、システムの低コスト化が図れる。また、充放電装置１１によりキャパシタ７の放電電流を調整することでキャパシタ７の端子間電圧をコントロールでき、インバータ装置４の直流入力電圧を可変制御することが可能となる。なお、キャパシタ７の放電電流の制御は、インバータ装置４の直流入力電圧を所望の値に追従させるように制御しても良く、キャパシタ７の端子間電圧を所望の値に追従させるように制御しても良い。
【００２８】
本実施例では、充放電装置の具体的な構成として、スイッチング素子８とダイオード素子９を利用する例を示したが、ダイオード素子９は、直流電圧源の接地点から直流電圧源の正極側の方向へのみ電流を導通できる電流方向制御手段であれば置換え可能であり、また、スイッチング素子８は直流電圧源から直流電圧源の接地点の方向への電流を導通または遮断できる電流遮断手段であれば、置換え可能である。
【実施例２】
【００２９】
図１０は本発明の鉄道車両の駆動装置における第２の実施形態の基本構成を示す図である。
【００３０】
集電装置１から給電した直流電力は、フィルタリアクトル（ＦＬ）２、およびフィルタコンデンサ（ＦＣ）３で構成するＬＣ回路（フィルタ回路）で高周波数域の変動を除去した後、インバータ装置４に入力される。インバータ装置４は、入力された直流電力を可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の３相交流電力に変換して、主電動機５ａ，５ｂを駆動する。ここではインバータ装置４が駆動する交流電動機が２台の場合を示しているが、本発明としてはインバータ装置４が駆動する主電動機の台数は限定しない。接地点６はこの回路の基準電位を決めている。
【００３１】
スイッチング素子１２ａ，１２ｂは、半導体素子による電流遮断手段である。スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂのそれぞれの入出力端子には、導通方向が反対向きに、ダイオード素子１３ａとダイオード素子１３ｂが並列に接続される。逆並列接続されたスイッチング素子１２ａとダイオード素子１３ａと、逆並列接続されたスイッチング素子１２ｂとダイオード素子１３ａと、互いには直列に接続され、当該直列接続体はインバータ装置に対して並列接続される。つまり、スイッチング素子１２ａとダイオード素子１３ａとスイッチング素子１２ｂとダイオード素子１３ａは、前記集電装置と前記インバータ装置の正極側とを結ぶ電力線と、前記インバータ装置の負極側と前記キャパシタの負極側とを結ぶ電力線と、の間に挿入される。
【００３２】
平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０は、スイッチング素子１２ａと１２ｂの接続点と、キャパシタ７の正極端子を結ぶ電力線の途中に配置する。なお、キャパシタ７の正極端子は接地点６に接続し、負極端子はインバータ装置４の低電位側端子に接続する。
【００３３】
本発明の実施形態においては、回生時は図１１のように回生電流が流れ、キャパシタ７は回生電流により充電され、キャパシタ７の両端に電圧Ｖｃが発生する。このとき、インバータ装置４の低電位側端子の電圧は、接地点６を基準として、キャパシタ７の端子間電圧Ｖｃだけ引き下げられる。一方、インバータ装置４の高電位側端子の電位は、接地点６を基準電位と考えると、架線電圧Ｖｓに等しい。すなわち、インバータ装置４の入出力端子間（正極〜負極）の電位差は、キャパシタ７の端子間電圧Ｖｃと、架線電圧Ｖｓの和、Ｖｃ＋Ｖｓとなる。このようにして、インバータ装置４の入出力端子間（正極から負極）の電位差をキャパシタ７の端子間電圧Ｖｃだけ増大させることにより、インバータ装置４の最大通流電流を変えることなく、最大回生電力を（Ｖｃ＋Ｖｓ）／Ｖｓだけ拡大できる。また、このときキャパシタ７には、端子間電圧Ｖｃとキャパシタ通流電流Ｉc（＝架線電流Ｉs）の積、Ｖｃ×Ｉcに相当する電力が充電される。
【００３４】
その後、本発明の実施形態においては、図１２及び図１４に示すように、スイッチング素子１２ｂを周期的にチョッピング（オン／オフ）することで、キャパシタ７に放電電流（チョッパ電流）を流す。
【００３５】
具体的には、図１２に示すように、スイッチング素子１２ａはオフ状態とし、前述のスイッチング素子１２ｂを所定時間Ｔonだけオンすると、キャパシタ７の正極側と負極側は平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０を通じて短絡されるが、このとき、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０は、その電流増加率を一定値内に抑えると同時に、Ｔonの期間に通流した電流と、キャパシタ７の端子間電圧の積を時間積分した電力エネルギを蓄える。このとき、スイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bは平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０にエネルギを蓄えるのに伴い次第に増加していく。
【００３６】
このときのスイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bおよび回生電流Ｉsのタイムチャートを図１３に示す。
【００３７】
スイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bと回生電流Ｉsとがバランスする前後の期間において、期間Ａ（スイッチング素子１２ｂがオン状態であり、スイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bが回生電流Ｉsより小さい期間）では回生電流Ｉsに対してスイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bの方が小さいためキャパシタ７は充電される。一方、期間Ｂ（スイッチング素子８ｂがオン状態であり、スイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bが回生電流Ｉsより大きい期間）では回生電流Ｉsに対してスイッチング素子１２ｂを通流する電流Ｉ12bの方が大きくなるためキャパシタ７は放電される。
【００３８】
その後、図１４に示すように、スイッチング素子１２ａはオフ状態を維持し、スイッチング素子１２ｂを所定時間Ｔoffだけオフすると、平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０に蓄えられた電力エネルギはダイオード素子１３ａを介して集電装置１とインバータ装置４の間の直流電力部に放出される。このとき、ダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aは平滑リアクトル（ＭＳＬ）１０に蓄えられたエネルギの放出に伴い次第に減少していく。
【００３９】
このときのダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aおよび回生電流Ｉsのタイムチャートを図１５に示す。
【００４０】
ダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aと回生電流Ｉsとがバランスする前後の期間において、期間Ｃ（スイッチング素子１２ｂがオフ状態であり、ダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aが回生電流Ｉsより大きい期間）では回生電流Ｉsに対してダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aの方が大きいためキャパシタ７は放電される。一方、期間Ｄ（スイッチング素子１２ｂがオフ状態であり、ダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aが回生電流Ｉsより小さい期間）では回生電流Ｉsに対してダイオード素子１３ａを通流する電流Ｉ13aの方が小さくなるためキャパシタ７は充電される。
【００４１】
キャパシタ７には充電電流（回生電流Ｉs）と放電電流（チョッパ電流ＩMSL）の差分の電流が通流し、充電電流（回生電流Ｉs）と放電電流（チョッパ電流ＩMSL）の差分を時間積算した値が充電電荷量として充電される。したがって、充放電装置１１による放電電流分だけキャパシタ７に充電される充電電荷量が低減するためキャパシタ７の小容量化が図れる。また、スイッチング素子１２ｂのチョッピング（オン／オフ）により、キャパシタ７の放電電流の大きさを調整し、キャパシタ７の端子間電圧（充電電荷量）をコントロールすることによりキャパシタ７の端子間電圧Ｖｃを所望の値に制御することが可能となる。つまり、キャパシタ７の放電電流を大きくする場合には、スイッチング素子８のオン期間を長くするようにチョッピングを調節し、キャパシタ７の放電電流を小さくする場合には、スイッチング素子８のオン期間を短くするようにチョッピングを調節する。
【００４２】
本発明の実施態様により、リチウムイオン電池等の大容量の蓄電素子を用いることなく、小容量のキャパシタで高速域電気ブレーキ機能の実現が可能となり、システムの低コスト化が図れる。また、スイッチング素子１２ｂのチョッピング（オン／オフ）によりキャパシタ７の放電電流を調整することでキャパシタ７の端子間電圧をコントロールでき、インバータ装置４の直流入力電圧を可変制御することが可能となる。なお、スイッチング素子１２ｂのチョッピング（オン／オフ）制御は、インバータ装置４の直流入力電圧を所望の値に追従させるように制御しても良く、キャパシタ７の端子間電圧を所望の値に追従させるように制御しても良い。
【００４３】
本実施例では、充放電装置の具体的な構成として、スイッチング素子１２ａ，１２ｂ，ダイオード素子１３ａ，１３ｂ利用する例を示したが、直流電圧源から直流電圧源の接地点の方向への電流を導通または遮断できる半導体素子で構成される電流遮断手段と、電流遮断手段と逆方向にのみ電流を導通できる電流方向制御手段と、を並列接続した構成であれば置換え可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 集電装置
２ フィルタリアクトル
３ フィルタコンデンサ
４ インバータ装置
５ａ，５ｂ 交流電動機
６ 接地点
７ キャパシタ
８，１２ａ，１２ｂ スイッチング素子
９，１３ａ，１３ｂ ダイオード素子
１０ 平滑リアクトル
１１ 充放電装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧源から直流電力を得る集電装置と、
前記直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、
前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、
前記インバータ装置の直流電力側に接続される充放電可能なキャパシタと、
前記キャパシタの電力を充放電する充放電装置と、を備え、
前記交流電動機から回生電力を発生させる際に、前記インバータ装置と前記キャパシタを直列に接続して回生電流により前記キャパシタを充電することにより、キャパシタの端子間電圧と架線電圧の和を前記インバータ装置の直流入力電圧とすると共に、
前記充放電装置を動作させて前記キャパシタに充電された電荷を放電する電流経路を設けることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両の駆動装置において、
前記充放電装置は、前記キャパシタの放電電流を制御することで、前記キャパシタの端子間電圧または前記インバータ装置の直流入力電圧を所望の電圧値に調節することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の鉄道車両の駆動装置において、
前記充放電装置は、前記集電装置と前記インバータ装置の正極側とを結ぶ電力線に一方を接続する第１の電流制御手段と、
前記第１の電流制御手段の他方と、前記インバータ装置の負極側と前記キャパシタの負極側とを結ぶ電力線と、の間に挿入される第２の電流制御手段と、
前記第１の電流制御手段と前記第２の電流制御手段の接続位置と前記キャパシタの正極側の間に挿入されたリアクトルと、を備えることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
【請求項４】
請求項３に記載の鉄道車両の駆動装置において、
前記第１の電流制御手段は、前記直流電圧源の接地点から前記直流電圧源の正極側の方向へのみ電流を導通できる電流方向制御手段であり、前記第２の電流制御手段は前記直流電圧源から前記直流電圧源の接地点の方向への電流を導通または遮断できる電流遮断手段であることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
【請求項５】
請求項３に記載の鉄道車両の駆動装置において、
前記第１の電流制御手段と前記第２の電流制御手段は、前記直流電圧源から前記直流電圧源の接地点の方向への電流を導通または遮断できる半導体素子で構成される電流遮断手段と、前記電流遮断手段と逆方向にのみ電流を導通できる電流方向制御手段と、を並列接続した構成であることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
【請求項１】
直流電圧源から直流電力を得る集電装置と、
前記直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、
前記インバータ装置により駆動される少なくとも１台以上の交流電動機と、
前記インバータ装置の直流電力側に接続される充放電可能なキャパシタと、
前記キャパシタの電力を充放電する充放電装置と、を備え、
前記交流電動機から回生電力を発生させる際に、前記インバータ装置と前記キャパシタを直列に接続して回生電流により前記キャパシタを充電することにより、キャパシタの端子間電圧と架線電圧の和を前記インバータ装置の直流入力電圧とすると共に、
前記充放電装置を動作させて前記キャパシタに充電された電荷を放電する電流経路を設けることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両の駆動装置において、
前記充放電装置は、前記キャパシタの放電電流を制御することで、前記キャパシタの端子間電圧または前記インバータ装置の直流入力電圧を所望の電圧値に調節することを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の鉄道車両の駆動装置において、
前記充放電装置は、前記集電装置と前記インバータ装置の正極側とを結ぶ電力線に一方を接続する第１の電流制御手段と、
前記第１の電流制御手段の他方と、前記インバータ装置の負極側と前記キャパシタの負極側とを結ぶ電力線と、の間に挿入される第２の電流制御手段と、
前記第１の電流制御手段と前記第２の電流制御手段の接続位置と前記キャパシタの正極側の間に挿入されたリアクトルと、を備えることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
【請求項４】
請求項３に記載の鉄道車両の駆動装置において、
前記第１の電流制御手段は、前記直流電圧源の接地点から前記直流電圧源の正極側の方向へのみ電流を導通できる電流方向制御手段であり、前記第２の電流制御手段は前記直流電圧源から前記直流電圧源の接地点の方向への電流を導通または遮断できる電流遮断手段であることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
【請求項５】
請求項３に記載の鉄道車両の駆動装置において、
前記第１の電流制御手段と前記第２の電流制御手段は、前記直流電圧源から前記直流電圧源の接地点の方向への電流を導通または遮断できる半導体素子で構成される電流遮断手段と、前記電流遮断手段と逆方向にのみ電流を導通できる電流方向制御手段と、を並列接続した構成であることを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１７５８０２（Ｐ２０１２−１７５８０２Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３５３００（Ｐ２０１１−３５３００）
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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