鉄道車両用駆動システムおよび鉄道車両、これを備えた列車編成
【課題】電化区間，非電化区間それぞれにおいて最適な電源を用いる方法として、複数の異なる電力源（架線，エンジンにより駆動される発電機，燃料電池）に対応するシステムが提案されている。これによれは、電化区間，非電化区間それぞれにおいて、最適な駆動システムにて、列車を運行することが可能となる。しかしながら、非電化区間を走行することを前程としたシステムと比較して、エンジンの起動，停止の機会が増加することになる。この結果、エンジンを起動するためのスターターモータの信頼性が低下すると言う問題が生じる。
【解決手段】エンジンに接続された発電機を、駆動システムの有する電力変換回路によって電動機として動作させ、エンジンを起動することで、スターターモータの負荷を低減し、高信頼の駆動システムを実現する。
【解決手段】エンジンに接続された発電機を、駆動システムの有する電力変換回路によって電動機として動作させ、エンジンを起動することで、スターターモータの負荷を低減し、高信頼の駆動システムを実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用駆動装置に関し、特に複数の異なる電力源から電力を得る駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道には、トロリーワイヤーやサードレールを介して地上から列車に電力を供給する設備が具備されている区間（以下、「電化区間」と言う。）と、地上からの電力供給設備がなく列車自身が有している発電手段により電力を得る（または動力源により動力を得る）区間（以下、「非電化区間」という。）の二種類の区間がある。電化区間では列車の制動時に発生する回生電力を他の列車で消費することが可能であるため、一般的に電化方式の方がエネルギー効率の高く、列車量の多い区間が優先的に電化される傾向にある。また、昨今では、エネルギー単価の高騰を背景に、非電化区間の電化計画が進んでいる。
【０００３】
一方で、列車の運用を効率的に行うためには、電化，非電化区間の区別なく走行できる列車が望まれる。このような列車を実現する手段としては、電力源／動力源を持たない車両によって構成される列車編成を、電化区間では電気機関車で牽引し、非電化区間では内燃機関を動力源とする、例えば、ディーゼル機関車で牽引する方式が一般的に広く用いられている。
【０００４】
電気機関車，ディーゼル機関車に関らず機関車は、多くの機器を搭載しており、通常、列車を構成する客車の数倍の重量がある。例えば、日本国内を走行している新幹線列車のように、駆動装置などの列車に必要な機能を分散配置した動力分散型の列車と比較して、機関車は、軸重のある車軸により、軌道へのダメージが大きくなる、あるいは、重量が集中した車両に対しては、大容量のブレーキ装置が必要であるなどの理由により、列車の高速化に限界があると言う課題があった。
【０００５】
一方で、機能分散型の列車においては、電化区間用，非電化区間用のそれぞれに最適化する必要があり、共通化できないという課題がある。
【０００６】
このような課題に対して、特許文献１では、架線電圧またはディーゼルエンジン（および燃料電池／Gas Cell）による発電手段すなわち異なる電力源（文献１ Ｆｉｇ１：１１および１２，２１，３１）およびこれらの電力源から得られる電力を直流電圧に変換し直流電圧に変化する電力変換器（文献１ Ｆｉｇ１：１３，２０，３２）を有し、走行区間に合せて、これらを適宜切替えることにより、上記の課題を解消できる鉄道用車両駆動装置およびそれを用いた鉄道用車両を実現する手段が掲載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１１８６４９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
エンジンの起動は、一般的に専用のスターターによって行われるが、エンジンシステムの小型・軽量化のためスターターは必要最小限のトルク出力と、起動回数（例えば車両の場合一日に１〜２回程度）を前程に設計されている。このため、エンジンにより駆動される発電機以外を電力源とする区間（例えば、電化区間）ではエンジンを停止させておいて、エンジンにより駆動される発電機を電力源とする区間（例えば、非電化区間）ではエンジンを起動する特許文献１に記載されたような鉄道車両は、当然のことながらエンジンの起動回数が増大する。
【０００９】
この結果、スターターの寿命が短くなり頻繁にスターターを交換することが必要になったり、運行中にエンジンを起動できずに列車の運行を継続できなくなったりすることになる。つまり、駆動システムの信頼性を低下させる原因となる。
【００１０】
このような状況を避けるためには、スターターの変更（大容量化）が必要となるが、エンジン用スターターは通常エンジン毎に標準化されており、エンジンの使用環境（起動回数）に応じてスターターを設計変更することは容易ではなく、コスト高となる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した課題を解決する手段として、エンジンの起動を行う際に、発電機用電力変換装置が、発電機を駆動して、エンジンにトルクを与える。つまり、エンジンにより駆動される発電機を、発電機の出力を直流に変換する電力変換回路によって、エンジンを起動するために必要なトルクを発生する様に駆動し（すなわち電動機として駆動し）、エンジンを起動する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、スターターを使用とすることなくエンジンを起動することが可能となり、発電システムの省保守化，高信頼化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態を示す駆動システム図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す駆動システム図である。
【図３】図５に示す駆動システムを適用した列車編成の構成例を示す図である。
【図４】図１に示す駆動システムを適用した列車編成の構成例を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す駆動システム図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。本発明を構成する鉄道車両用駆動システムの例および鉄道車両編成への適用例およびその効果を図１〜図５を用いて説明する。
【００１５】
まず、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する電力変換器を、複数の異なる交流電源に接続可能として、電力変換器を各交流電源で共通化した例を実施例１として説明する。さらに、複数の異なる交流電源に対してそれぞれ異なる電力変換器を接続する例を実施例２として説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１の構成および効果を図１〜図５を用いて説明する。
【００１７】
まず、電源用電力変換回路を各交流電源に対して共通化した構成について説明する。
【００１８】
図１は、交流電源である変電所と接続される架線（図示しない）から単相交流電力を取り込む集電装置１と、架線電圧を降圧し主変圧器１１とを備え、主変圧器１１の低圧側には巻線が二つ配置されており、各巻線には単相交流が供給される。また、駆動システムは、自己消弧能力を有する半導体素子（例えばＩＧＢＴ）とダイオードとが逆並列に接続された接続体を２個直列接続して構成されたスイッチング回路を二相分備えた交流電力を直流電力に変換する電源用電力変換回路２１および電源用電力変換回路２２と、前記主変圧器１１と前記電源用電力変換回路２１，２２の間に接続された接触器１２と、前記電源用電力変換回路２１，２２の直流側に接続され直流電圧を平滑する平滑コンデンサ３と、前記平滑コンデンサ３の両端の電圧を電圧源として、半導体素子の組合せにより構成され主電動機５を駆動する電動機駆動用変換回路４と、エンジンおよび該エンジンと連結した発電機からなり三相交流電源を供給する発電ユニット６と、前記主変圧器１１および前記電源用電力変換回路２１，２２の接続点（前記電源用電力変換回路２１，２２の交流側）と前記発電ユニット６の三相交流出力との間に接続された接触器１３と、からなる鉄道車両用駆動システムである。
【００１９】
図１の例では、列車が架線下すなわち電化区間を走行している場合においては前記接触器１２を閉じ、前記接触器１３を開く。前記電源用電力変換回路２１，２２には主変圧器１１からそれぞれ単相交流電力が供給されるため、前記電源用電力変換回路２１，２２を構成する半導体素子を単相交流を直流へ変換するように適宜スイッチングさせることで、架線から供給される単相の交流電圧を前記電源用電力変換回路２１，２２によって変換し、直流電圧を得て、電動機駆動用変換回路４にて主電動機５を駆動する。
【００２０】
一方、列車が架線の無い区間すなわち非電化区間を走行している場合には、前記接触器１２を開き、前記接触器１３を閉じる。ここで、発電ユニット６から供給される三相交流の二相分は前記電源用電力変換回路２１の交流側に接続され、残る一相分は前記電源用電力変換回路２２を構成する二相分の電力変換回路の一相分２２１を構成する半導体素子に接続されている。前記電源用電力変換回路２２の一相分２２１を構成する半導体素子と、前記電源用電力変換回路２１の二相分の電力変換回路と、を三相交流を直流に変換するように適宜スイッチングさせ、前記発電ユニット６の三相交流出力電圧を直流電圧に変換する。また、このとき前記電源用電力変換回路２２のスイッチング動作していない一相分２２２を構成する半導体素子に対しては、不必要なスイッチングを防止するためオフ指令を与える。ここで、車両が架線下（電化区間）を走行中であって架線が異常状態である場合に、上述のように電源を架線から発電ユニット６に切替える制御を行っても、本発明の効果を得ることができる。
【００２１】
ここで、比較のために図５に示した機器構成との差異から、図１の回路から得られる利点について簡単に説明する。なお、図１と同じ機能を有する部分については同一の番号で示し、ここでは説明しない。図５の例では、主変圧器１１専用の電源用電力変換回路２１と２２および発電ユニット６専用の三相電源用電力変換回路６１を具備している。
【００２２】
これに対し、図１の例では、電源の変更（架線または発電ユニット）に応じて接触器１２，１３を切替えることで、直流電力を生成する電力変換回路を構成する半導体素子を共有化し、電源用電力変換回路２１，２２に、これらが持つ本来の機能である主変圧器１１の交流出力を直流電圧へ変換する電源用電力変換回路の機能に加え、発電ユニット６の三相交流出力電圧を直流電圧へ変換する機能を持たせることで、駆動システムの小型，軽量化を図ることができる。
【００２３】
実施例１の列車編成における効果を図３および図４を用いて説明する。図３に示すように図５の駆動システムでは、車両のぎ装スペースと装置の容積，重量の制約から、主変圧器１１と、電源用電力変換回路２１，２２，平滑コンデンサ３，電動機駆動用電力変換回路４からなる電力変換装置部と、発電ユニット６および三相電源用電力変換回路６１とを、それぞれ別の車両にぎ装する必要があった。このため、車両間の渡る電線の数が増加するため電線による重量増大やぎ装コストの増大などの課題があった。また、３両編成以上の列車にしか対応できないという課題があった。
【００２４】
実施例１によれば、図４に示すように電源用電力変換回路２１，２２，平滑コンデンサ３，電動機駆動用電力変換回路４からなる電力変換装置部と、発電ユニット６を同一車両にぎ装できるため、車両間を渡る電線数を図５のシステムと比較して少なくすることができ、列車の軽量化，低コスト化，高信頼化を実現することができる。また、最小車両数が２両となるため編成を組む上で自由度が高くなる。例えば、５両編成の編成列車が必要とされる場合に、従来例では１つの駆動システム（３両）と駆動システムを搭載しない２車両を連結して編成列車を構成することになるが、本発明では、１つの駆動システム（２両）と駆動システムを搭載しない３車両を連結した編成列車、または２つの駆動システム（４両）と駆動システムを搭載しない１車両を連結した編成列車、のいずれかを必要な駆動力に応じて選択することが可能となり、編成の自由度が高くなる。さらに、少ない車種数で列車編成を構成できるというメリットが得られる。この結果、車両管理，運用の観点からも自由度が高くなり、保守，運用を容易にできる。
【００２５】
図１に示す駆動システムの非電化区間走行時における運転方法として、本実施例では、上述した通り、一相分２２２を構成する半導体素子には、不必要なスイッチングを防止するためオフ指令を与え、前記電源用電力変換回路２２の一相分２２１を構成する半導体素子と、前記電源用電力変換回路２１の二相分の電力変換回路と、には適宜スイッチングさせることを説明した。しかし、非電化区間走行時における別の運転方法として、下記のように運転方法も適用可能である。
【００２６】
非電化区間において接触器１２を開き、接触器１３を閉じ、電源用電力変換回路２１，２２を構成する半導体素子全てにオフ指令を与える。この場合、電源用電力変換回路２１，２２を構成する各半導体素子に逆並列に接続されたダイオードにより、ダイオード整流回路が構成されることになるため、発電ユニット６の出力である三相交流電圧を電源用電力変換回路２１，２２により整流することが可能となる。そのため上述したように、列車の軽量化，低コスト化，高信頼化、さらには、編成の自由度が高くなるという効果を得ることができる。
【００２７】
ここで、列車が電化区間と非電化区間のどちらを走行しているかは、パンタグラフ電圧の検出結果により判断しても良い。また、速度発電機やＧＰＳにより生成される列車の走行位置と、予め記憶しておいた電化区間の位置情報とを比較した結果により判断しても良い。また、地上子などの地上側設備から電化／非電化区間の情報を受信して判断することも可能である。
【００２８】
さらに、車両が架線下（電化区間）を走行中であって架線が異常状態であるかどうかの判断は、パンタグラフ電圧の検出結果により判断することが可能である。
【００２９】
電源用電力変換回路２１，２２を構成する半導体素子の電流容量は、架線から電源を得る場合の最大電力および発電ユニット６から電源を得る場合の最大電力の大きい方に合わせて設計することは言うまでも無い。
【００３０】
また、図１の例では主変圧器１１は駆動システム用低圧巻線が二巻の場合を例にとっているが、低圧巻線を二巻以上の例えば四巻，六巻として複数の駆動システムに電源を供給してもよい。
【００３１】
図１に示す例では、一つの駆動システムに対して二つの低圧巻線から電力を供給する例を挙げているが、低圧巻線の数は三つ以上であって良い。また、一つの駆動システムに対して電力を供給する発電ユニットは、１つである必要はなく、２つ以上の発電ユニットを接続しても良い。このように駆動システム内に多数の低圧巻線または発電ユニットから電力が供給される場合において、電源用電力変換回路２１，２２は、複数の異なる交流電源の内、最大相数となる交流電源の相数と対応する数の交流入力端を少なくとも有し、接触器により接続された交流電源の交流電力に応じて半導体素子を動作させて、当該交流電力を直流電力に変換する。
【００３２】
次に、図２を用いて、電源用電力変換回路を各交流電源に対して共通化する別の適用例を説明する。図２は主変圧器１１の低圧側の一巻線に対して１つの駆動システムが接続される場合の例である。図２の例では、主変圧器１１の低圧側の一巻線に電源用電力変換回路２１が接続されており、低圧側の一巻線と電源用電力変換回路２１との間には、接触器１４が接続されている。つまり、図１における接触器１２に替わって、一相分（二相）タイプの接触器１４が接続されている。さらに、図１における電源用電力変換回路２２に替わり、電力変換回路一相分の電源用電力変換回路２３を備える。つまり、発電ユニット６から供給される三相交流の二相分は前記電源用電力変換回路２１の交流側に接続され、残る一相分は前記電源用電力変換回路２３の交流側に接続されている。他の部分の構成および動作は、図１と同じである。
【００３３】
図２の例では、架線下すなわち電化区間においては前記接触器１４を閉じ、前記接触器１３を開き、架線を電源として前記電源用電力変換回路２１を構成する半導体素子を単相交流を直流へ変換するように適宜スイッチングさせ、直流電圧を得て、電動機駆動用変換回路４にて主電動機５を駆動する。このとき、前記電源用電力変換回路２３を構成する半導体素子に対しては、不必要なスイッチングを防止するためオフ指令を与える。
【００３４】
一方、架線の無い区間すなわち非電化区間では、前記接触器１４を開き、前記接触器１３を閉じ、前記電源用電力変換回路２１と、前記一相分の電源用電力変換回路２３を構成する半導体素子を三相交流を直流に変換するように適宜スイッチングさせ、前記発電ユニット６の三相交流出力を直流に変換する。
【００３５】
これにより、図１の場合と同様、架線から電力を得る場合に必要な電力変換回路と、発電ユニットから電力を得る場合に必要な電力変換回路を個別に備える必要が無くなり、駆動システムを小型，軽量化することができる。
【００３６】
図２に示す駆動システムの非電化区間における運転方法としては、上述した通り、前記電源用電力変換回路２１および前記電源用電力変換回路２３を構成する半導体素子を適宜スイッチングさせることを説明したが、非電化区間における別の運転方法として、下記のように運転方法も適用可能である。
【００３７】
非電化区間において接触器１４を開き、接触器１３を閉じ、電源用電力変換回路２１，２３を構成する半導体素子全てにオフ指令を与える。この場合、半導体素子に逆並列に接続されたダイオードにより、ダイオード整流回路を構成することになるため、発電ユニット６の出力である三相交流電圧を整流することが可能となり、上述した運転方法と同様に駆動システムを小型，軽量化することができる。
【００３８】
図２の例では主変圧器１１は駆動システム用低圧巻線が一巻の場合を例にとっているが、低圧巻線を二巻以上として、複数の駆動システムに電源供給しても良い。
【００３９】
また、図１，図２のいずれの例においても、電力変換回路（２１，２２，２３，４）の直流側には平滑コンデンサ３のみが示されているが、交流電源の整流に伴う整流リプルを除去するフィルタ回路が接続されていても本発明の効果に影響は無い。もちろん、前記平滑コンデンサ３に前記平滑コンデンサ３を電圧源として車上の電気機器（例えば、照明機器，空調機器など）に電源を供給する補助電源装置ＡＰＳを接続しても本発明の効果が得られることは言うまでも無い。さらに、図１，図２の例における接触器（１２，１３，１４）は、接点式であっても（オン，オフ指令で導通状態を切替える）半導体方式であっても本発明の効果には影響しない。
【００４０】
上記の駆動システムを搭載することにより、電化区間および非電化区間を走行する駆動システムを最適なシステム構成にて運用することができる。
【００４１】
上述したように、複数の異なる交流電源の内、最大相数と同じ員数の交流入力端を有し、交流電力を直流に変換する電力変換回路と、前記交流電源と、前記電力変換回路との接続状態を切替える切替手段を備え、電源に応じて接続状態を切替えることで、同一機能を有する電力変換器を構成する電力変換回路を共有化して、稼働率を上げることができ、電力源の電力を変換する電力変換装置を電力源毎に備える必要が無くなり、複数の異なる電力源を有する鉄道車両用駆動システムの小型，軽量化，簡略化が可能となる。この結果、異なる電力源への対応が可能でありながら、列車の編成重量低減，保守費用低減，部品点数減少による信頼性向上が期待できる。また、装置の小型，軽量化に伴い、装置のぎ装の自由度が増し、列車編成構成の自由度も増大するため、より汎用性の高い鉄道車両を提供することが可能となる。
【００４２】
次に、エンジンスターターの機能を電源用電力変換回路にて達成する構成について図１および図２を用いて以下に説明する。
【００４３】
従来技術においてはエンジン６０１の起動は、エンジン起動用のモータであるエンジンスターター６０によりエンジンを回転させることによって行われるが、エンジンシステムの小型・軽量化のためエンジンスターター６０は、必要最小限のトルク出力と、起動回数（例えば車両の場合一日に１〜２回程度）を前程に設計されている。このため、電化区間（発電機６００以外を電源とする区間）でエンジン６０１を停止させておいて非電化区間（発電機６００を電源とする区間）でエンジン６０１を起動する前述の鉄道車両では、非電化区間（発電機６００を電源とする区間）のみを走行する車両と比較して、当然のことながらエンジン６０１の起動回数が増大する。この結果、エンジンスターター６０の寿命が短くなり頻繁にエンジンスターター６０を交換することが必要になる。また、運行中にエンジンスターター６０が故障した場合にはエンジン６０１を起動できずに列車の運行を継続できなくなったりすることになる。
【００４４】
エンジンスターター６０の長寿命化のためには、エンジンスターター６０の変更（大容量化）が必要となるが、エンジン用スターターはエンジン毎に標準化されており、容易に設計を変更できず、設計変更には高いコストが掛かるという課題がある。また、エンジンスターター６０の故障時の問題を解決するためには、予備のエンジンスターター６０が必要となるが、設備増大や重量増大という課題がある。
【００４５】
そこで、本発明では、図１に示す電源用電力変換回路２１および電源用電力変換回路２２の一相分の変換回路、または図２に示す電源用電力変換回路２１および一相分の変換回路である電源用電力変換回路２３で構成される電力変換回路にて、平滑コンデンサ３を直流電圧源として、発電機ユニット６を構成する発電機６００を電動機として動作させ、エンジンを回転させることにより、エンジン６０１を起動する。
【００４６】
これにより、エンジンスターター６０によるエンジン起動機会を低減することができ、エンジンスターターの大容量化をせずとも、エンジンスターター６０の長寿命化を図ることができる。また、エンジンスターター６０が故障した際のバックアップとして既存の電力変換回路を利用できるので、設備や重量を増大させずに列車の運行を継続できる。
【００４７】
さらには、エンジンスターター６０を搭載せずに、エンジンの起動を毎回電力変換回路により行うことにより、エンジンスターター６０自体を不要とすることも可能となる。
【００４８】
以下に、図１に示す実施形態におけるエンジン起動までの具体的動作を説明する。
【００４９】
架線下を走行している区間（発電機６００以外を電源とする区間）から、非電化区間（発電機６００を電源とする区間）に移行する手前、言い換えると発電機を駆動するエンジンを起動すべき地点に到達する前に、電源用電力変換回路２１または電源用電力変換回路２２により平滑コンデンサ３に、エンジン６０１を起動するのに十分な電荷を蓄える。（図２の場合は、電源用電力変換回路２１により平滑コンデンサ３に、エンジン６０１を起動するのに十分な電荷を蓄える。）この状態にて、接触器１２を開き、接触器１３を閉じ、電源用電力変換回路２１および電源用電力変換回路２２を構成する一相分の変換回路２２１からなる三相電力変換回路にて、発電機６００を電動機として動作させ、エンジン６０１に起動トルクを与え、エンジン６０１を起動する。エンジンを起動した後は、上述のように前記三相電力変換回路にて発電機６００の出力を電源として、直流電圧を得て、電動機駆動用変換回路４にて主電動機５を駆動する動作を開始する（図１，図２のそれぞれの例において、前記三相電力変換回路を構成する半導体素子をスイッチングさせて整流する場合、前記半導体素子のスイッチングを停止してダイオード整流器と動作させる場合のいずれにも適用できる）。
【００５０】
次に、図２に示す実施形態におけるエンジン起動までの具体的動作を説明する。
【００５１】
この場合の動作は、図１における接触器１２の動作を図２における接触器１４の動作に置換え、図１における電源用電力変換回路２２を構成する一相分の変換回路２２１の動作を図２における電源用電力変換回路２３の動作に置換えたものとなる。
【００５２】
ここで、列車の運転手がエンジン６０１を起動する場合のエンジン６０１の起動方法について、説明する。列車の運転手がエンジン６０１を起動する場合、運転手は発電機を駆動するエンジンを起動すべき地点、すなわち電化区間（発電機６００以外を電源とする区間）から非電化区間（発電機６００を電源とする区間）に移行する地点の手前で、エンジン起動指令を与える。駆動システムは、運転手（運転台）からの指令に基づき、上述の様に、電源用電力変換回路２１または２２（図２の場合は、電源用電力変換回路２１）により平滑コンデンサ３に、エンジン６０１を起動するのに十分な電荷を蓄え、三相電力変換回路にて、発電機６００を電動機として動作させ、エンジン６０１に起動トルクを与え、エンジン６０１を起動する。
【００５３】
上述したエンジンの起動は、エンジンが起動される際に、平滑コンデンサ３にエンジン起動に必要な電荷が蓄えられていること、もしくは架線や主電動機からエンジン起動に必要な電力の供給を受けることが重要であり、エンジン起動のタイミングが、列車が電化区間の終端近傍にあるか、列車が非電化区間に進入した後であるかは問わない。
【００５４】
また、電化区間（発電機６００以外を電源とする区間）から非電化区間（発電機６００を電源とする区間）の切替えの区間を列車が走行していることを、ここには図示していない列車管理装置（Train Management System、以下ＴＭＳと言う）によって判断し、上記の平滑コンデンサ３の充電，接触器１２，１３，１４の切替え，発電機６００による、エンジン６０１の起動の一連シーケンスの開始指令を、ＴＭＳによって自動的発生しても良い。これにより、運転手の負荷を低減し、且つエンジン起動に必要な電荷の蓄積およびエンジンの起動を確実にすることができる。
【００５５】
あらかじめ設定した走行ルートに、電化・非電化区間の位置を車上データベースに持たせ、始点または中間の停車駅からの走行距離と、前記車上データベースのデータとを比較して判断する。この判断結果に基づいて、上記のシーケンスを開始し、実行することで、エンジン６０１の起動を行う。
【００５６】
別の列車の走行区間の判定方法として、走行ルートのデータベースとＧＰＳにより判定する方法が適用できる。この方法では、上記の方法において駅からの走行距離ではなく、ＧＰＳ（Global Positioning System）からの信号により、電化・非電化切替地点接近・通過の判断を行い、この判断結果に基づいて、上記のシーケンスを開始し、実行することで、エンジン６０１の起動を行う。
【００５７】
別の列車の走行区間の判定方法として、上述の判断方法においてＧＰＳに変わり、地上の信号システムからの信号（地点信号）により判断する方法を適用しても良い。つまり、地上装置から受信した信号に基づき列車に対して停止指令を発生する車上信号装置から得られる地点情報を用いる方法である。
【００５８】
また、電化・非電化切替地点であることを直接送信できる機能を有する信号システムが装置されている場合には、その場合にはその信号に基づいて、エンジン６０１の起動の一連シーケンスの開始指令を、ＴＭＳによって発生させることでエンジン６０１を起動する。この場合には、上記シーケンスを開始の走行ルートのデータベースは不要となる。
【００５９】
上記の電化・非電化切替区間への接近・通過判定手段は、確度を高めるために二つ以上の方法を同時に用いても良い。
【００６０】
また、エンジンは、走行中であっても、停止中であっても起動できることは言うまでもない。
【００６１】
以上により、エンジンスターター６０によるエンジン起動機会を低減することができ、エンジンスターターの大容量化をせずとも、エンジンスターター６０の長寿命化を図ることができる。また、エンジンスターター６０が故障した際のバックアップとして既存の電力変換回路を利用できるので、設備増大や重量増大という課題を解決できる。
【００６２】
上記は、平滑コンデンサ３から直流電圧源を得る構成となっているが、直流電圧をより長時間安定的に供給できる蓄電手段、例えばバッテリーやスーパーキャパシタ（電気二重層キャパシタ）を備え、これら蓄電手段を電力源として、エンジン６０１を起動しても良い。蓄電手段を備えることで、常にエンジンを起動できるので、非電化区間での列車の始動においてもエンジンを起動できると言うメリットが得られる。この結果、エンジンスターター６０を備えない駆動システムを提供することも容易となり、より高信頼かつ省保守の駆動システムを提供することができる。
【実施例２】
【００６３】
本発明の実施例２について図５を用いて説明する。
【００６４】
図５は、エンジンスターターの機能を電源用電力変換回路にて達成する発明の他の実施例である。
【００６５】
本実施例では、図１と相違する構成について説明する。説明を省略した構成や動作については実施例１と同様である。図１の例では、電源の変更（架線または発電ユニット）に応じて接触器１２，１３を切替えることで、直流電力を生成する電力変換回路を構成する半導体素子を共有化し、電源用電力変換回路２１，２２に、これらが持つ本来の機能である主変圧器１１の交流出力を直流電圧へ変換する電源用電力変換回路の機能に加え、発電ユニット６の三相交流出力電圧を直流電圧へ変換する機能を持たせた構成である。一方、図５に示す例では、主変圧器１１からの交流電力を直流電力に変換するための電源用電力変換回路２１，２２と、発電ユニット６からの三相交流電力を直流電力に変換する三相電源用電力変換回路６１と、を別々に具備している。
【００６６】
ここで、三相電源用電力変換回路６１は、平滑コンデンサ３を直流電圧源として、発電機ユニット６を構成する発電機６００を電動機として動作させ、エンジンを回転させることにより、エンジン６０１を起動する。
【００６７】
これにより、エンジンスターター６０によるエンジン起動機会を低減することができ、エンジンスターターの大容量化をせずとも、エンジンスターター６０の長寿命化を図ることができる。また、エンジンスターター６０が故障した際のバックアップとして既存の電力変換回路を利用できるので、設備や重量を増大させずに列車の運行を継続できる。
【００６８】
さらには、エンジンスターター６０を搭載せずに、エンジンの起動を毎回電力変換回路により行うことにより、エンジンスターター６０自体を不要とすることも可能となる。
【００６９】
以下に、図５に示す実施形態におけるエンジン起動までの具体的動作を説明する。
【００７０】
架線下を走行している区間（発電機６００以外を電源とする区間）から、非電化区間（発電機６００を電源とする区間）に移行する手前、言い換えると発電機を駆動するエンジンを起動すべき地点に到達する前に、平滑コンデンサ３に蓄えられた電力、または架線から供給される電力、または主電動機からの回生電力を電源として、三相電源用電力変換回路６１にて、発電機６００を電動機として動作させ、エンジン６０１に起動トルクを与え、エンジン６０１を起動する。エンジンを起動した後は、三相電源用電力変換回路６１にて発電機６００の出力を電源として、直流電圧を得て、電動機駆動用変換回路４にて主電動機５を駆動する動作を開始する。
【００７１】
上述したエンジンの起動は、エンジンが起動される際に、平滑コンデンサ３にエンジン起動に必要な電荷が蓄えられている、もしくは架線や主電動機からエンジン起動に必要な電力の供給を受けることが重要であり、エンジン起動のタイミングが、列車が電化区間の終端近傍にあるか、列車が非電化区間に進入した後であるかは問わない。
【符号の説明】
【００７２】
１ 集電装置
３ 平滑コンデンサ
４ 電動機駆動用変換回路（モータ駆動用インバータ回路）
５ 主電動機
６ 発電ユニット
１１ 主変圧器
１２，１３，１４ 接触器
２１，２２ 電源用電力変換回路
２３ 電源用電力変換回路一相分
６０ エンジンスターター
６１ 三相電源用電力変換回路
２２１，２２２ 電源用電力変換回路２２を構成する変換回路一相分
６００ 発電機
６０１ エンジン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用駆動装置に関し、特に複数の異なる電力源から電力を得る駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道には、トロリーワイヤーやサードレールを介して地上から列車に電力を供給する設備が具備されている区間（以下、「電化区間」と言う。）と、地上からの電力供給設備がなく列車自身が有している発電手段により電力を得る（または動力源により動力を得る）区間（以下、「非電化区間」という。）の二種類の区間がある。電化区間では列車の制動時に発生する回生電力を他の列車で消費することが可能であるため、一般的に電化方式の方がエネルギー効率の高く、列車量の多い区間が優先的に電化される傾向にある。また、昨今では、エネルギー単価の高騰を背景に、非電化区間の電化計画が進んでいる。
【０００３】
一方で、列車の運用を効率的に行うためには、電化，非電化区間の区別なく走行できる列車が望まれる。このような列車を実現する手段としては、電力源／動力源を持たない車両によって構成される列車編成を、電化区間では電気機関車で牽引し、非電化区間では内燃機関を動力源とする、例えば、ディーゼル機関車で牽引する方式が一般的に広く用いられている。
【０００４】
電気機関車，ディーゼル機関車に関らず機関車は、多くの機器を搭載しており、通常、列車を構成する客車の数倍の重量がある。例えば、日本国内を走行している新幹線列車のように、駆動装置などの列車に必要な機能を分散配置した動力分散型の列車と比較して、機関車は、軸重のある車軸により、軌道へのダメージが大きくなる、あるいは、重量が集中した車両に対しては、大容量のブレーキ装置が必要であるなどの理由により、列車の高速化に限界があると言う課題があった。
【０００５】
一方で、機能分散型の列車においては、電化区間用，非電化区間用のそれぞれに最適化する必要があり、共通化できないという課題がある。
【０００６】
このような課題に対して、特許文献１では、架線電圧またはディーゼルエンジン（および燃料電池／Gas Cell）による発電手段すなわち異なる電力源（文献１ Ｆｉｇ１：１１および１２，２１，３１）およびこれらの電力源から得られる電力を直流電圧に変換し直流電圧に変化する電力変換器（文献１ Ｆｉｇ１：１３，２０，３２）を有し、走行区間に合せて、これらを適宜切替えることにより、上記の課題を解消できる鉄道用車両駆動装置およびそれを用いた鉄道用車両を実現する手段が掲載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１１８６４９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
エンジンの起動は、一般的に専用のスターターによって行われるが、エンジンシステムの小型・軽量化のためスターターは必要最小限のトルク出力と、起動回数（例えば車両の場合一日に１〜２回程度）を前程に設計されている。このため、エンジンにより駆動される発電機以外を電力源とする区間（例えば、電化区間）ではエンジンを停止させておいて、エンジンにより駆動される発電機を電力源とする区間（例えば、非電化区間）ではエンジンを起動する特許文献１に記載されたような鉄道車両は、当然のことながらエンジンの起動回数が増大する。
【０００９】
この結果、スターターの寿命が短くなり頻繁にスターターを交換することが必要になったり、運行中にエンジンを起動できずに列車の運行を継続できなくなったりすることになる。つまり、駆動システムの信頼性を低下させる原因となる。
【００１０】
このような状況を避けるためには、スターターの変更（大容量化）が必要となるが、エンジン用スターターは通常エンジン毎に標準化されており、エンジンの使用環境（起動回数）に応じてスターターを設計変更することは容易ではなく、コスト高となる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した課題を解決する手段として、エンジンの起動を行う際に、発電機用電力変換装置が、発電機を駆動して、エンジンにトルクを与える。つまり、エンジンにより駆動される発電機を、発電機の出力を直流に変換する電力変換回路によって、エンジンを起動するために必要なトルクを発生する様に駆動し（すなわち電動機として駆動し）、エンジンを起動する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、スターターを使用とすることなくエンジンを起動することが可能となり、発電システムの省保守化，高信頼化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態を示す駆動システム図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す駆動システム図である。
【図３】図５に示す駆動システムを適用した列車編成の構成例を示す図である。
【図４】図１に示す駆動システムを適用した列車編成の構成例を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す駆動システム図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。本発明を構成する鉄道車両用駆動システムの例および鉄道車両編成への適用例およびその効果を図１〜図５を用いて説明する。
【００１５】
まず、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する電力変換器を、複数の異なる交流電源に接続可能として、電力変換器を各交流電源で共通化した例を実施例１として説明する。さらに、複数の異なる交流電源に対してそれぞれ異なる電力変換器を接続する例を実施例２として説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１の構成および効果を図１〜図５を用いて説明する。
【００１７】
まず、電源用電力変換回路を各交流電源に対して共通化した構成について説明する。
【００１８】
図１は、交流電源である変電所と接続される架線（図示しない）から単相交流電力を取り込む集電装置１と、架線電圧を降圧し主変圧器１１とを備え、主変圧器１１の低圧側には巻線が二つ配置されており、各巻線には単相交流が供給される。また、駆動システムは、自己消弧能力を有する半導体素子（例えばＩＧＢＴ）とダイオードとが逆並列に接続された接続体を２個直列接続して構成されたスイッチング回路を二相分備えた交流電力を直流電力に変換する電源用電力変換回路２１および電源用電力変換回路２２と、前記主変圧器１１と前記電源用電力変換回路２１，２２の間に接続された接触器１２と、前記電源用電力変換回路２１，２２の直流側に接続され直流電圧を平滑する平滑コンデンサ３と、前記平滑コンデンサ３の両端の電圧を電圧源として、半導体素子の組合せにより構成され主電動機５を駆動する電動機駆動用変換回路４と、エンジンおよび該エンジンと連結した発電機からなり三相交流電源を供給する発電ユニット６と、前記主変圧器１１および前記電源用電力変換回路２１，２２の接続点（前記電源用電力変換回路２１，２２の交流側）と前記発電ユニット６の三相交流出力との間に接続された接触器１３と、からなる鉄道車両用駆動システムである。
【００１９】
図１の例では、列車が架線下すなわち電化区間を走行している場合においては前記接触器１２を閉じ、前記接触器１３を開く。前記電源用電力変換回路２１，２２には主変圧器１１からそれぞれ単相交流電力が供給されるため、前記電源用電力変換回路２１，２２を構成する半導体素子を単相交流を直流へ変換するように適宜スイッチングさせることで、架線から供給される単相の交流電圧を前記電源用電力変換回路２１，２２によって変換し、直流電圧を得て、電動機駆動用変換回路４にて主電動機５を駆動する。
【００２０】
一方、列車が架線の無い区間すなわち非電化区間を走行している場合には、前記接触器１２を開き、前記接触器１３を閉じる。ここで、発電ユニット６から供給される三相交流の二相分は前記電源用電力変換回路２１の交流側に接続され、残る一相分は前記電源用電力変換回路２２を構成する二相分の電力変換回路の一相分２２１を構成する半導体素子に接続されている。前記電源用電力変換回路２２の一相分２２１を構成する半導体素子と、前記電源用電力変換回路２１の二相分の電力変換回路と、を三相交流を直流に変換するように適宜スイッチングさせ、前記発電ユニット６の三相交流出力電圧を直流電圧に変換する。また、このとき前記電源用電力変換回路２２のスイッチング動作していない一相分２２２を構成する半導体素子に対しては、不必要なスイッチングを防止するためオフ指令を与える。ここで、車両が架線下（電化区間）を走行中であって架線が異常状態である場合に、上述のように電源を架線から発電ユニット６に切替える制御を行っても、本発明の効果を得ることができる。
【００２１】
ここで、比較のために図５に示した機器構成との差異から、図１の回路から得られる利点について簡単に説明する。なお、図１と同じ機能を有する部分については同一の番号で示し、ここでは説明しない。図５の例では、主変圧器１１専用の電源用電力変換回路２１と２２および発電ユニット６専用の三相電源用電力変換回路６１を具備している。
【００２２】
これに対し、図１の例では、電源の変更（架線または発電ユニット）に応じて接触器１２，１３を切替えることで、直流電力を生成する電力変換回路を構成する半導体素子を共有化し、電源用電力変換回路２１，２２に、これらが持つ本来の機能である主変圧器１１の交流出力を直流電圧へ変換する電源用電力変換回路の機能に加え、発電ユニット６の三相交流出力電圧を直流電圧へ変換する機能を持たせることで、駆動システムの小型，軽量化を図ることができる。
【００２３】
実施例１の列車編成における効果を図３および図４を用いて説明する。図３に示すように図５の駆動システムでは、車両のぎ装スペースと装置の容積，重量の制約から、主変圧器１１と、電源用電力変換回路２１，２２，平滑コンデンサ３，電動機駆動用電力変換回路４からなる電力変換装置部と、発電ユニット６および三相電源用電力変換回路６１とを、それぞれ別の車両にぎ装する必要があった。このため、車両間の渡る電線の数が増加するため電線による重量増大やぎ装コストの増大などの課題があった。また、３両編成以上の列車にしか対応できないという課題があった。
【００２４】
実施例１によれば、図４に示すように電源用電力変換回路２１，２２，平滑コンデンサ３，電動機駆動用電力変換回路４からなる電力変換装置部と、発電ユニット６を同一車両にぎ装できるため、車両間を渡る電線数を図５のシステムと比較して少なくすることができ、列車の軽量化，低コスト化，高信頼化を実現することができる。また、最小車両数が２両となるため編成を組む上で自由度が高くなる。例えば、５両編成の編成列車が必要とされる場合に、従来例では１つの駆動システム（３両）と駆動システムを搭載しない２車両を連結して編成列車を構成することになるが、本発明では、１つの駆動システム（２両）と駆動システムを搭載しない３車両を連結した編成列車、または２つの駆動システム（４両）と駆動システムを搭載しない１車両を連結した編成列車、のいずれかを必要な駆動力に応じて選択することが可能となり、編成の自由度が高くなる。さらに、少ない車種数で列車編成を構成できるというメリットが得られる。この結果、車両管理，運用の観点からも自由度が高くなり、保守，運用を容易にできる。
【００２５】
図１に示す駆動システムの非電化区間走行時における運転方法として、本実施例では、上述した通り、一相分２２２を構成する半導体素子には、不必要なスイッチングを防止するためオフ指令を与え、前記電源用電力変換回路２２の一相分２２１を構成する半導体素子と、前記電源用電力変換回路２１の二相分の電力変換回路と、には適宜スイッチングさせることを説明した。しかし、非電化区間走行時における別の運転方法として、下記のように運転方法も適用可能である。
【００２６】
非電化区間において接触器１２を開き、接触器１３を閉じ、電源用電力変換回路２１，２２を構成する半導体素子全てにオフ指令を与える。この場合、電源用電力変換回路２１，２２を構成する各半導体素子に逆並列に接続されたダイオードにより、ダイオード整流回路が構成されることになるため、発電ユニット６の出力である三相交流電圧を電源用電力変換回路２１，２２により整流することが可能となる。そのため上述したように、列車の軽量化，低コスト化，高信頼化、さらには、編成の自由度が高くなるという効果を得ることができる。
【００２７】
ここで、列車が電化区間と非電化区間のどちらを走行しているかは、パンタグラフ電圧の検出結果により判断しても良い。また、速度発電機やＧＰＳにより生成される列車の走行位置と、予め記憶しておいた電化区間の位置情報とを比較した結果により判断しても良い。また、地上子などの地上側設備から電化／非電化区間の情報を受信して判断することも可能である。
【００２８】
さらに、車両が架線下（電化区間）を走行中であって架線が異常状態であるかどうかの判断は、パンタグラフ電圧の検出結果により判断することが可能である。
【００２９】
電源用電力変換回路２１，２２を構成する半導体素子の電流容量は、架線から電源を得る場合の最大電力および発電ユニット６から電源を得る場合の最大電力の大きい方に合わせて設計することは言うまでも無い。
【００３０】
また、図１の例では主変圧器１１は駆動システム用低圧巻線が二巻の場合を例にとっているが、低圧巻線を二巻以上の例えば四巻，六巻として複数の駆動システムに電源を供給してもよい。
【００３１】
図１に示す例では、一つの駆動システムに対して二つの低圧巻線から電力を供給する例を挙げているが、低圧巻線の数は三つ以上であって良い。また、一つの駆動システムに対して電力を供給する発電ユニットは、１つである必要はなく、２つ以上の発電ユニットを接続しても良い。このように駆動システム内に多数の低圧巻線または発電ユニットから電力が供給される場合において、電源用電力変換回路２１，２２は、複数の異なる交流電源の内、最大相数となる交流電源の相数と対応する数の交流入力端を少なくとも有し、接触器により接続された交流電源の交流電力に応じて半導体素子を動作させて、当該交流電力を直流電力に変換する。
【００３２】
次に、図２を用いて、電源用電力変換回路を各交流電源に対して共通化する別の適用例を説明する。図２は主変圧器１１の低圧側の一巻線に対して１つの駆動システムが接続される場合の例である。図２の例では、主変圧器１１の低圧側の一巻線に電源用電力変換回路２１が接続されており、低圧側の一巻線と電源用電力変換回路２１との間には、接触器１４が接続されている。つまり、図１における接触器１２に替わって、一相分（二相）タイプの接触器１４が接続されている。さらに、図１における電源用電力変換回路２２に替わり、電力変換回路一相分の電源用電力変換回路２３を備える。つまり、発電ユニット６から供給される三相交流の二相分は前記電源用電力変換回路２１の交流側に接続され、残る一相分は前記電源用電力変換回路２３の交流側に接続されている。他の部分の構成および動作は、図１と同じである。
【００３３】
図２の例では、架線下すなわち電化区間においては前記接触器１４を閉じ、前記接触器１３を開き、架線を電源として前記電源用電力変換回路２１を構成する半導体素子を単相交流を直流へ変換するように適宜スイッチングさせ、直流電圧を得て、電動機駆動用変換回路４にて主電動機５を駆動する。このとき、前記電源用電力変換回路２３を構成する半導体素子に対しては、不必要なスイッチングを防止するためオフ指令を与える。
【００３４】
一方、架線の無い区間すなわち非電化区間では、前記接触器１４を開き、前記接触器１３を閉じ、前記電源用電力変換回路２１と、前記一相分の電源用電力変換回路２３を構成する半導体素子を三相交流を直流に変換するように適宜スイッチングさせ、前記発電ユニット６の三相交流出力を直流に変換する。
【００３５】
これにより、図１の場合と同様、架線から電力を得る場合に必要な電力変換回路と、発電ユニットから電力を得る場合に必要な電力変換回路を個別に備える必要が無くなり、駆動システムを小型，軽量化することができる。
【００３６】
図２に示す駆動システムの非電化区間における運転方法としては、上述した通り、前記電源用電力変換回路２１および前記電源用電力変換回路２３を構成する半導体素子を適宜スイッチングさせることを説明したが、非電化区間における別の運転方法として、下記のように運転方法も適用可能である。
【００３７】
非電化区間において接触器１４を開き、接触器１３を閉じ、電源用電力変換回路２１，２３を構成する半導体素子全てにオフ指令を与える。この場合、半導体素子に逆並列に接続されたダイオードにより、ダイオード整流回路を構成することになるため、発電ユニット６の出力である三相交流電圧を整流することが可能となり、上述した運転方法と同様に駆動システムを小型，軽量化することができる。
【００３８】
図２の例では主変圧器１１は駆動システム用低圧巻線が一巻の場合を例にとっているが、低圧巻線を二巻以上として、複数の駆動システムに電源供給しても良い。
【００３９】
また、図１，図２のいずれの例においても、電力変換回路（２１，２２，２３，４）の直流側には平滑コンデンサ３のみが示されているが、交流電源の整流に伴う整流リプルを除去するフィルタ回路が接続されていても本発明の効果に影響は無い。もちろん、前記平滑コンデンサ３に前記平滑コンデンサ３を電圧源として車上の電気機器（例えば、照明機器，空調機器など）に電源を供給する補助電源装置ＡＰＳを接続しても本発明の効果が得られることは言うまでも無い。さらに、図１，図２の例における接触器（１２，１３，１４）は、接点式であっても（オン，オフ指令で導通状態を切替える）半導体方式であっても本発明の効果には影響しない。
【００４０】
上記の駆動システムを搭載することにより、電化区間および非電化区間を走行する駆動システムを最適なシステム構成にて運用することができる。
【００４１】
上述したように、複数の異なる交流電源の内、最大相数と同じ員数の交流入力端を有し、交流電力を直流に変換する電力変換回路と、前記交流電源と、前記電力変換回路との接続状態を切替える切替手段を備え、電源に応じて接続状態を切替えることで、同一機能を有する電力変換器を構成する電力変換回路を共有化して、稼働率を上げることができ、電力源の電力を変換する電力変換装置を電力源毎に備える必要が無くなり、複数の異なる電力源を有する鉄道車両用駆動システムの小型，軽量化，簡略化が可能となる。この結果、異なる電力源への対応が可能でありながら、列車の編成重量低減，保守費用低減，部品点数減少による信頼性向上が期待できる。また、装置の小型，軽量化に伴い、装置のぎ装の自由度が増し、列車編成構成の自由度も増大するため、より汎用性の高い鉄道車両を提供することが可能となる。
【００４２】
次に、エンジンスターターの機能を電源用電力変換回路にて達成する構成について図１および図２を用いて以下に説明する。
【００４３】
従来技術においてはエンジン６０１の起動は、エンジン起動用のモータであるエンジンスターター６０によりエンジンを回転させることによって行われるが、エンジンシステムの小型・軽量化のためエンジンスターター６０は、必要最小限のトルク出力と、起動回数（例えば車両の場合一日に１〜２回程度）を前程に設計されている。このため、電化区間（発電機６００以外を電源とする区間）でエンジン６０１を停止させておいて非電化区間（発電機６００を電源とする区間）でエンジン６０１を起動する前述の鉄道車両では、非電化区間（発電機６００を電源とする区間）のみを走行する車両と比較して、当然のことながらエンジン６０１の起動回数が増大する。この結果、エンジンスターター６０の寿命が短くなり頻繁にエンジンスターター６０を交換することが必要になる。また、運行中にエンジンスターター６０が故障した場合にはエンジン６０１を起動できずに列車の運行を継続できなくなったりすることになる。
【００４４】
エンジンスターター６０の長寿命化のためには、エンジンスターター６０の変更（大容量化）が必要となるが、エンジン用スターターはエンジン毎に標準化されており、容易に設計を変更できず、設計変更には高いコストが掛かるという課題がある。また、エンジンスターター６０の故障時の問題を解決するためには、予備のエンジンスターター６０が必要となるが、設備増大や重量増大という課題がある。
【００４５】
そこで、本発明では、図１に示す電源用電力変換回路２１および電源用電力変換回路２２の一相分の変換回路、または図２に示す電源用電力変換回路２１および一相分の変換回路である電源用電力変換回路２３で構成される電力変換回路にて、平滑コンデンサ３を直流電圧源として、発電機ユニット６を構成する発電機６００を電動機として動作させ、エンジンを回転させることにより、エンジン６０１を起動する。
【００４６】
これにより、エンジンスターター６０によるエンジン起動機会を低減することができ、エンジンスターターの大容量化をせずとも、エンジンスターター６０の長寿命化を図ることができる。また、エンジンスターター６０が故障した際のバックアップとして既存の電力変換回路を利用できるので、設備や重量を増大させずに列車の運行を継続できる。
【００４７】
さらには、エンジンスターター６０を搭載せずに、エンジンの起動を毎回電力変換回路により行うことにより、エンジンスターター６０自体を不要とすることも可能となる。
【００４８】
以下に、図１に示す実施形態におけるエンジン起動までの具体的動作を説明する。
【００４９】
架線下を走行している区間（発電機６００以外を電源とする区間）から、非電化区間（発電機６００を電源とする区間）に移行する手前、言い換えると発電機を駆動するエンジンを起動すべき地点に到達する前に、電源用電力変換回路２１または電源用電力変換回路２２により平滑コンデンサ３に、エンジン６０１を起動するのに十分な電荷を蓄える。（図２の場合は、電源用電力変換回路２１により平滑コンデンサ３に、エンジン６０１を起動するのに十分な電荷を蓄える。）この状態にて、接触器１２を開き、接触器１３を閉じ、電源用電力変換回路２１および電源用電力変換回路２２を構成する一相分の変換回路２２１からなる三相電力変換回路にて、発電機６００を電動機として動作させ、エンジン６０１に起動トルクを与え、エンジン６０１を起動する。エンジンを起動した後は、上述のように前記三相電力変換回路にて発電機６００の出力を電源として、直流電圧を得て、電動機駆動用変換回路４にて主電動機５を駆動する動作を開始する（図１，図２のそれぞれの例において、前記三相電力変換回路を構成する半導体素子をスイッチングさせて整流する場合、前記半導体素子のスイッチングを停止してダイオード整流器と動作させる場合のいずれにも適用できる）。
【００５０】
次に、図２に示す実施形態におけるエンジン起動までの具体的動作を説明する。
【００５１】
この場合の動作は、図１における接触器１２の動作を図２における接触器１４の動作に置換え、図１における電源用電力変換回路２２を構成する一相分の変換回路２２１の動作を図２における電源用電力変換回路２３の動作に置換えたものとなる。
【００５２】
ここで、列車の運転手がエンジン６０１を起動する場合のエンジン６０１の起動方法について、説明する。列車の運転手がエンジン６０１を起動する場合、運転手は発電機を駆動するエンジンを起動すべき地点、すなわち電化区間（発電機６００以外を電源とする区間）から非電化区間（発電機６００を電源とする区間）に移行する地点の手前で、エンジン起動指令を与える。駆動システムは、運転手（運転台）からの指令に基づき、上述の様に、電源用電力変換回路２１または２２（図２の場合は、電源用電力変換回路２１）により平滑コンデンサ３に、エンジン６０１を起動するのに十分な電荷を蓄え、三相電力変換回路にて、発電機６００を電動機として動作させ、エンジン６０１に起動トルクを与え、エンジン６０１を起動する。
【００５３】
上述したエンジンの起動は、エンジンが起動される際に、平滑コンデンサ３にエンジン起動に必要な電荷が蓄えられていること、もしくは架線や主電動機からエンジン起動に必要な電力の供給を受けることが重要であり、エンジン起動のタイミングが、列車が電化区間の終端近傍にあるか、列車が非電化区間に進入した後であるかは問わない。
【００５４】
また、電化区間（発電機６００以外を電源とする区間）から非電化区間（発電機６００を電源とする区間）の切替えの区間を列車が走行していることを、ここには図示していない列車管理装置（Train Management System、以下ＴＭＳと言う）によって判断し、上記の平滑コンデンサ３の充電，接触器１２，１３，１４の切替え，発電機６００による、エンジン６０１の起動の一連シーケンスの開始指令を、ＴＭＳによって自動的発生しても良い。これにより、運転手の負荷を低減し、且つエンジン起動に必要な電荷の蓄積およびエンジンの起動を確実にすることができる。
【００５５】
あらかじめ設定した走行ルートに、電化・非電化区間の位置を車上データベースに持たせ、始点または中間の停車駅からの走行距離と、前記車上データベースのデータとを比較して判断する。この判断結果に基づいて、上記のシーケンスを開始し、実行することで、エンジン６０１の起動を行う。
【００５６】
別の列車の走行区間の判定方法として、走行ルートのデータベースとＧＰＳにより判定する方法が適用できる。この方法では、上記の方法において駅からの走行距離ではなく、ＧＰＳ（Global Positioning System）からの信号により、電化・非電化切替地点接近・通過の判断を行い、この判断結果に基づいて、上記のシーケンスを開始し、実行することで、エンジン６０１の起動を行う。
【００５７】
別の列車の走行区間の判定方法として、上述の判断方法においてＧＰＳに変わり、地上の信号システムからの信号（地点信号）により判断する方法を適用しても良い。つまり、地上装置から受信した信号に基づき列車に対して停止指令を発生する車上信号装置から得られる地点情報を用いる方法である。
【００５８】
また、電化・非電化切替地点であることを直接送信できる機能を有する信号システムが装置されている場合には、その場合にはその信号に基づいて、エンジン６０１の起動の一連シーケンスの開始指令を、ＴＭＳによって発生させることでエンジン６０１を起動する。この場合には、上記シーケンスを開始の走行ルートのデータベースは不要となる。
【００５９】
上記の電化・非電化切替区間への接近・通過判定手段は、確度を高めるために二つ以上の方法を同時に用いても良い。
【００６０】
また、エンジンは、走行中であっても、停止中であっても起動できることは言うまでもない。
【００６１】
以上により、エンジンスターター６０によるエンジン起動機会を低減することができ、エンジンスターターの大容量化をせずとも、エンジンスターター６０の長寿命化を図ることができる。また、エンジンスターター６０が故障した際のバックアップとして既存の電力変換回路を利用できるので、設備増大や重量増大という課題を解決できる。
【００６２】
上記は、平滑コンデンサ３から直流電圧源を得る構成となっているが、直流電圧をより長時間安定的に供給できる蓄電手段、例えばバッテリーやスーパーキャパシタ（電気二重層キャパシタ）を備え、これら蓄電手段を電力源として、エンジン６０１を起動しても良い。蓄電手段を備えることで、常にエンジンを起動できるので、非電化区間での列車の始動においてもエンジンを起動できると言うメリットが得られる。この結果、エンジンスターター６０を備えない駆動システムを提供することも容易となり、より高信頼かつ省保守の駆動システムを提供することができる。
【実施例２】
【００６３】
本発明の実施例２について図５を用いて説明する。
【００６４】
図５は、エンジンスターターの機能を電源用電力変換回路にて達成する発明の他の実施例である。
【００６５】
本実施例では、図１と相違する構成について説明する。説明を省略した構成や動作については実施例１と同様である。図１の例では、電源の変更（架線または発電ユニット）に応じて接触器１２，１３を切替えることで、直流電力を生成する電力変換回路を構成する半導体素子を共有化し、電源用電力変換回路２１，２２に、これらが持つ本来の機能である主変圧器１１の交流出力を直流電圧へ変換する電源用電力変換回路の機能に加え、発電ユニット６の三相交流出力電圧を直流電圧へ変換する機能を持たせた構成である。一方、図５に示す例では、主変圧器１１からの交流電力を直流電力に変換するための電源用電力変換回路２１，２２と、発電ユニット６からの三相交流電力を直流電力に変換する三相電源用電力変換回路６１と、を別々に具備している。
【００６６】
ここで、三相電源用電力変換回路６１は、平滑コンデンサ３を直流電圧源として、発電機ユニット６を構成する発電機６００を電動機として動作させ、エンジンを回転させることにより、エンジン６０１を起動する。
【００６７】
これにより、エンジンスターター６０によるエンジン起動機会を低減することができ、エンジンスターターの大容量化をせずとも、エンジンスターター６０の長寿命化を図ることができる。また、エンジンスターター６０が故障した際のバックアップとして既存の電力変換回路を利用できるので、設備や重量を増大させずに列車の運行を継続できる。
【００６８】
さらには、エンジンスターター６０を搭載せずに、エンジンの起動を毎回電力変換回路により行うことにより、エンジンスターター６０自体を不要とすることも可能となる。
【００６９】
以下に、図５に示す実施形態におけるエンジン起動までの具体的動作を説明する。
【００７０】
架線下を走行している区間（発電機６００以外を電源とする区間）から、非電化区間（発電機６００を電源とする区間）に移行する手前、言い換えると発電機を駆動するエンジンを起動すべき地点に到達する前に、平滑コンデンサ３に蓄えられた電力、または架線から供給される電力、または主電動機からの回生電力を電源として、三相電源用電力変換回路６１にて、発電機６００を電動機として動作させ、エンジン６０１に起動トルクを与え、エンジン６０１を起動する。エンジンを起動した後は、三相電源用電力変換回路６１にて発電機６００の出力を電源として、直流電圧を得て、電動機駆動用変換回路４にて主電動機５を駆動する動作を開始する。
【００７１】
上述したエンジンの起動は、エンジンが起動される際に、平滑コンデンサ３にエンジン起動に必要な電荷が蓄えられている、もしくは架線や主電動機からエンジン起動に必要な電力の供給を受けることが重要であり、エンジン起動のタイミングが、列車が電化区間の終端近傍にあるか、列車が非電化区間に進入した後であるかは問わない。
【符号の説明】
【００７２】
１ 集電装置
３ 平滑コンデンサ
４ 電動機駆動用変換回路（モータ駆動用インバータ回路）
５ 主電動機
６ 発電ユニット
１１ 主変圧器
１２，１３，１４ 接触器
２１，２２ 電源用電力変換回路
２３ 電源用電力変換回路一相分
６０ エンジンスターター
６１ 三相電源用電力変換回路
２２１，２２２ 電源用電力変換回路２２を構成する変換回路一相分
６００ 発電機
６０１ エンジン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流架線から供給される交流電力を直流電力に変換する架線用電力変換装置と、
エンジンにより駆動される発電機から供給される交流電力を直流電力に変換する発電機用電力変換装置と、
前記架線用電力変換装置と前記発電機用電力変換装置の少なくともいずれかにより変換された直流電力を電源として電動機を駆動する電動機用電力変換装置と、を備えた駆動システムにおいて、
前記エンジンの起動を行う際に、前記発電機用電力変換装置は、前記発電機を駆動して、前記エンジンにトルクを与えることを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項２】
請求項１記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記直流電力を蓄える平滑コンデンサまたは蓄電手段を備え、
前記エンジンの起動を行う際に、前記発電機用電力変換装置は、前記平滑コンデンサまたは蓄電手段に蓄えられた直流電力により、前記発電機を駆動することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項３】
請求項１記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記エンジンの起動を行う際に、前記発電機用電力変換装置は、前記架線用電力変換装置から供給される直流電力、または前記発電機用電力変換装置から供給される直流電力により、前記発電機を駆動することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記交流架線からパンタグラフを介して集電した交流電力を降圧する主変圧器を備え、
前記架線用電力変換装置及び前記電動機用電力変換装置は、自己消弧能力を有する半導体素子とダイオードを逆並列に接続したスイッチング機能を有する一相分のスイッチング回路を複数相分有しており、
前記電動機用電力変換装置と前記架線用電力変換装置は、少なくとも二相分の前記スイッチング回路が共通化された電源用電力変換装置であり、
前記電源用電力変換装置の交流電源を前記主変圧器と前記発電機から選択する電源選択手段を備え、
前記電源用電力変換装置は、前記電源選択手段により接続された交流電源に応じた電力変換動作を行うことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項５】
請求項４記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記電源用電力変換装置は、前記電源選択手段により前記主変圧器と接続された場合に前記主変圧器から供給される単相交流電力を直流電力に変換する二相分の前記スイッチング回路を二組有する四相分の前記スイッチング回路で構成され、かつ、前記電源選択手段により前記発電機と接続された場合に、前記四相分のスイッチング回路の内、三相分を用いて前記発電機から供給される三相交流電力を直流電力に変換することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項６】
請求項４記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記電源用電力変換装置は、前記電源選択手段により前記主変圧器と接続された場合に前記主変圧器から供給される単相交流電力を直流電力に変換する二相分の前記スイッチング回路と、前記主変圧器と接続されない一相分の前記スイッチング回路とを含んだ三相分の前記スイッチング回路で構成され、かつ、前記電源選択手段により前記発電機と接続された場合に、前記三相分のスイッチング回路により前記発電機から供給される三相交流電力を直流電力に変換することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項７】
請求項５記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
車両が前記交流架線の無い区間を走行している場合、または異常のある交流架線区間を走行している場合に、
前記電源選択手段は、前記電源用電力変換装置を構成する四相分の前記スイッチング回路の内、三相分の前記スイッチング回路へ前記発電機からの三相交流電力を供給し、
前記電源用電力変換装置は、残り一相分のスイッチング回路の前記半導体素子を非導通状態に保つことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項８】
請求項５記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
車両が前記交流架線の無い区間を走行している場合、または異常のある交流架線区間を走行している場合に、
前記電源選択手段は、前記電源用電力変換装置を構成する四相分の前記スイッチング回路の内、三相分の前記スイッチング回路へ前記発電機からの三相交流電力を供給し、
前記電源用電力変換装置は、前記電源用電力変換装置を構成する四相分の前記スイッチング回路の前記半導体素子を非導通状態に保ち、前記スイッチング回路の前記ダイオードにより、前記発電機からの三相交流出力を整流して直流電力を得ることを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項９】
請求項６記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
車両が前記交流架線の区間を走行する場合に、前記電源用電力変換装置は、前記電源用電力変換装置を構成する三相分の前記スイッチング回路の内、前記主変圧器に接続されていない一相分のスイッチング回路の前記半導体素子を非導通状態に保つことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
車両が前記交流架線の区間から前記交流架線の無い区間への切替えの区間を列車が走行していることを検知して、前記エンジンの起動の開始指令を出力する列車管理システムを有することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記列車管理システムは、前記鉄道車両用駆動システムを搭載した列車の走行ルートと、列車の走行距離またはＧＰＳによって検出した列車の位置と、に基づいて前記エンジンの起動の開始指令を出力することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１２】
請求項１０記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
地上装置から受信する信号に基づき列車に対して停止指令を発生する車上信号装置を備え、
前記列車管理システムは、前記鉄道車両用駆動システムを搭載した列車の走行ルートと、前記車上信号装置から得られる地点情報と、に基づき列車の位置を判定し、前記エンジンの起動の開始指令を出力することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１３】
請求項１０記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
地上装置から受信する信号に基づき列車に対して停止指令を発生する車上信号装置を備え、
前記列車管理システムは、前記車上信号装置から得られる列車の位置に基づき、前記エンジンの起動の開始指令を出力することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の鉄道車両用駆動システムを搭載した鉄道車両。
【請求項１５】
請求項１４記載の鉄道車両により構成される列車編成。
【請求項１】
交流架線から供給される交流電力を直流電力に変換する架線用電力変換装置と、
エンジンにより駆動される発電機から供給される交流電力を直流電力に変換する発電機用電力変換装置と、
前記架線用電力変換装置と前記発電機用電力変換装置の少なくともいずれかにより変換された直流電力を電源として電動機を駆動する電動機用電力変換装置と、を備えた駆動システムにおいて、
前記エンジンの起動を行う際に、前記発電機用電力変換装置は、前記発電機を駆動して、前記エンジンにトルクを与えることを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項２】
請求項１記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記直流電力を蓄える平滑コンデンサまたは蓄電手段を備え、
前記エンジンの起動を行う際に、前記発電機用電力変換装置は、前記平滑コンデンサまたは蓄電手段に蓄えられた直流電力により、前記発電機を駆動することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項３】
請求項１記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記エンジンの起動を行う際に、前記発電機用電力変換装置は、前記架線用電力変換装置から供給される直流電力、または前記発電機用電力変換装置から供給される直流電力により、前記発電機を駆動することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記交流架線からパンタグラフを介して集電した交流電力を降圧する主変圧器を備え、
前記架線用電力変換装置及び前記電動機用電力変換装置は、自己消弧能力を有する半導体素子とダイオードを逆並列に接続したスイッチング機能を有する一相分のスイッチング回路を複数相分有しており、
前記電動機用電力変換装置と前記架線用電力変換装置は、少なくとも二相分の前記スイッチング回路が共通化された電源用電力変換装置であり、
前記電源用電力変換装置の交流電源を前記主変圧器と前記発電機から選択する電源選択手段を備え、
前記電源用電力変換装置は、前記電源選択手段により接続された交流電源に応じた電力変換動作を行うことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項５】
請求項４記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記電源用電力変換装置は、前記電源選択手段により前記主変圧器と接続された場合に前記主変圧器から供給される単相交流電力を直流電力に変換する二相分の前記スイッチング回路を二組有する四相分の前記スイッチング回路で構成され、かつ、前記電源選択手段により前記発電機と接続された場合に、前記四相分のスイッチング回路の内、三相分を用いて前記発電機から供給される三相交流電力を直流電力に変換することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項６】
請求項４記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記電源用電力変換装置は、前記電源選択手段により前記主変圧器と接続された場合に前記主変圧器から供給される単相交流電力を直流電力に変換する二相分の前記スイッチング回路と、前記主変圧器と接続されない一相分の前記スイッチング回路とを含んだ三相分の前記スイッチング回路で構成され、かつ、前記電源選択手段により前記発電機と接続された場合に、前記三相分のスイッチング回路により前記発電機から供給される三相交流電力を直流電力に変換することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項７】
請求項５記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
車両が前記交流架線の無い区間を走行している場合、または異常のある交流架線区間を走行している場合に、
前記電源選択手段は、前記電源用電力変換装置を構成する四相分の前記スイッチング回路の内、三相分の前記スイッチング回路へ前記発電機からの三相交流電力を供給し、
前記電源用電力変換装置は、残り一相分のスイッチング回路の前記半導体素子を非導通状態に保つことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項８】
請求項５記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
車両が前記交流架線の無い区間を走行している場合、または異常のある交流架線区間を走行している場合に、
前記電源選択手段は、前記電源用電力変換装置を構成する四相分の前記スイッチング回路の内、三相分の前記スイッチング回路へ前記発電機からの三相交流電力を供給し、
前記電源用電力変換装置は、前記電源用電力変換装置を構成する四相分の前記スイッチング回路の前記半導体素子を非導通状態に保ち、前記スイッチング回路の前記ダイオードにより、前記発電機からの三相交流出力を整流して直流電力を得ることを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項９】
請求項６記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
車両が前記交流架線の区間を走行する場合に、前記電源用電力変換装置は、前記電源用電力変換装置を構成する三相分の前記スイッチング回路の内、前記主変圧器に接続されていない一相分のスイッチング回路の前記半導体素子を非導通状態に保つことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
車両が前記交流架線の区間から前記交流架線の無い区間への切替えの区間を列車が走行していることを検知して、前記エンジンの起動の開始指令を出力する列車管理システムを有することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記列車管理システムは、前記鉄道車両用駆動システムを搭載した列車の走行ルートと、列車の走行距離またはＧＰＳによって検出した列車の位置と、に基づいて前記エンジンの起動の開始指令を出力することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１２】
請求項１０記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
地上装置から受信する信号に基づき列車に対して停止指令を発生する車上信号装置を備え、
前記列車管理システムは、前記鉄道車両用駆動システムを搭載した列車の走行ルートと、前記車上信号装置から得られる地点情報と、に基づき列車の位置を判定し、前記エンジンの起動の開始指令を出力することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１３】
請求項１０記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
地上装置から受信する信号に基づき列車に対して停止指令を発生する車上信号装置を備え、
前記列車管理システムは、前記車上信号装置から得られる列車の位置に基づき、前記エンジンの起動の開始指令を出力することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の鉄道車両用駆動システムを搭載した鉄道車両。
【請求項１５】
請求項１４記載の鉄道車両により構成される列車編成。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１７８８９８（Ｐ２０１２−１７８８９８Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３９１７９（Ｐ２０１１−３９１７９）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【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１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【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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