(57)【要約】  架線からの直流電力を遮断する断流器と、鉄道車両を駆動する電動機を負荷とし直流電力を交流電力に変換するインバータと、断流器とインバータとの間に介在しインバータを動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサとを有する鉄道車両用駆動システムが、半導体減流器（断流器とインバータとに直列に接続された半導体スイッチ素子と、当該半導体スイッチ素子に並列に接続された抵抗とを有する）と、インバータが発生する帰線ノイズ電流を抑制するアクティブフィルタ装置とを有する。
2020004578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線からの直流電力を遮断する断流器と、鉄道車両を駆動する電動機を負荷とし直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記断流器と前記インバータとの間に介在し前記インバータを動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサとを有する主回路を含んだ鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記断流器と前記インバータとに直列に接続された半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子に並列に接続された抵抗とを有し前記主回路に設けられた半導体減流器と、
前記インバータが発生する帰線ノイズ電流を抑制するアクティブフィルタ装置と
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２】
前記アクティブフィルタ装置は、前記フィルタリアクトルを一次リアクトルとしたトランスにおける二次リアクトルに接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項３】
前記アクティブフィルタ装置は、前記主回路のP側と前記二次リアクトルを介して磁気結合されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項４】
前記アクティブフィルタ装置は、前記二次リアクトルに接続されたスイッチを有し、
前記アクティブフィルタ装置は、前記フィルタリアクトルから前記二次リアクトル経由で伝搬した過電流を検出した場合に、前記スイッチをオフとする、
ことを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項５】
制御装置を更に備え、
前記インバータは、第１のインバータであり、
前記アクティブフィルタ装置は、前記スイッチを介して前記二次リアクトルに接続された第２のインバータを備え、
前記主回路のP側に、前記主回路に重畳された交流電流成分を検出する電流センサが設置されており、
前記制御装置は、前記電流センサにより検出された交流電流成分に基づき、前記二次リアクトルを介して前記主回路に伝搬される交流電圧信号を出力する前記第２のインバータを制御する、
ことを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項６】
前記主回路に、前記主回路に重畳された交流電流成分を検出する電流センサが設置されており、
前記アクティブフィルタ装置は、前記電流センサにより検出された交流電流成分に基づき、前記二次リアクトルを介して前記主回路に伝搬される交流電圧信号を制御する、
ことを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項７】
前記電流センサは、交流電流センサである、
ことを特徴とする請求項６に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項８】
前記アクティブフィルタ装置は、前記架線と前記インバータが電気的に接続される前に、前記アクティブフィルタ装置の自己診断を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項９】
前記断流器、前記半導体減流器及び前記アクティブフィルタ装置に接続された制御装置を更に有し、
前記制御装置が、
前記断流器をオンにする前に、前記自己診断を行う契機となる指令であるスタンバイ指令を前記アクティブフィルタ装置に送信し、
前記スタンバイ指令に対して前記アクティブフィルタ装置から受信した応答が正常を示している場合に、前記断流器をオンにする、
ことを特徴とする請求項８に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１０】
前記断流器がオンとされた場合に前記フィルタコンデンサの充電が開始され、
前記制御装置は、前記フィルタコンデンサの充電後に、前記インバータが発生する帰線ノイズ電流を抑制するというメイン動作を前記アクティブフィルタ装置に開始させる、
ことを特徴とする請求項９に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１１】
前記断流器がオンとされた場合に前記フィルタコンデンサの充電が開始され、
前記フィルタコンデンサの充電後に、前記インバータが発生する帰線ノイズ電流を抑制するというメイン動作を前記アクティブフィルタ装置が開始する、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１２】
前記断流器、前記半導体減流器及び前記アクティブフィルタ装置に接続された制御装置を更に有し、
前記半導体減流器は、前記半導体スイッチ素子を含む複数の半導体スイッチ素子を有し、
前記制御装置は、前記断流器をオンとした後に前記アクティブフィルタ装置の異常が検出された場合、前記断流器及び前記アクティブフィルタ装置をオフにした後に、前記複数の半導体スイッチ素子のうちの所定の半導体スイッチ素子をオフにする、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１３】
前記半導体スイッチ素子は、第１の半導体スイッチ素子であり、
前記抵抗が、第１の抵抗であり、
前記半導体減流器は、更に、
前記第１の抵抗に直列接続された並列体を有し、
前記並列体は、
第２の半導体スイッチ素子と、
前記第２の半導体スイッチ素子に並列接続された第２の抵抗と
を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１４】
前記半導体スイッチ素子は、第１の半導体スイッチ素子であり、
前記抵抗が、第１の抵抗であり、
前記半導体減流器は、更に、
前記第１の抵抗に直列接続された第２の半導体スイッチ素子と、
前記第１の抵抗及び前記第２の半導体スイッチ素子に並列接続された第２の抵抗と
を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１５】
前記フィルタリアクトルである一次リアクトルと、前記アクティブフィルタ装置が接続されている前記二次リアクトルとの磁気結合の結合係数は、１未満である、
ことを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１６】
前記アクティブフィルタ装置は、前記二次リアクトルに接続されたスイッチと、前記スイッチに接続された減流抵抗とを有し、
前記アクティブフィルタ装置は、前記一次リアクトルから前記二次リアクトル経由で伝搬した電位を検出した場合に、前記スイッチをオフとする、
ことを特徴とする請求項１５に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１７】
前記アクティブフィルタ装置は、複数の半導体スイッチ素子を有するフルブリッジ回路を有し、
前記アクティブフィルタ装置は、前記一次リアクトルから前記二次リアクトル経由で伝搬した電位を検出した場合に、前記フルブリッジ回路の動作モードを還流モードとする、
ことを特徴とする請求項１５に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１８】
前記一次リアクトルを構成する一次巻線と、前記二次リアクトルを構成する二次巻線との一方が、前記一次巻線と前記二次巻線との他方の一部を囲む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１９】
前記二次巻線が、前記一次巻線を囲んでおり、且つ、前記二次巻線の全体が前記前記一次巻線の一部と重複している、
ことを特徴とする請求項１８に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項２０】
前記一次リアクトルを構成する一次巻線と、前記二次リアクトルを構成する二次巻線とが、同一の軸に沿って離間している、
ことを特徴とする請求項１５に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項２１】
前記結合係数は、１−（漏れインダクタンス／自己インダクタンス）の平方根であり、
前記自己インダクタンスに対する前記漏れインダクタンスが、前記結合係数が１未満となる値に調整されている、
ことを特徴とする請求項１５に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項２２】
前記フィルタリアクトルのインダクタンス値が1mH以上4mH以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至２１のうちのいずれか１項に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項２３】
前記電動機として、複数の電動機があり、
前記インバータが、複数のインバータ部を有し、
前記複数のインバータ部の各々について、
当該インバータ部には、前記複数の電動機のうち、当該インバータ部以外のいずれのインバータ部にも接続されていない一部の電動機が接続されている、
ことを特徴とする請求項１乃至２１のうちのいずれか１項に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項２４】
架線からの直流電力を遮断する断流器と、鉄道車両を駆動する電動機を負荷とし直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記断流器と前記インバータとの間に介在し前記インバータを動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサとを有する主回路を含んだ鉄道車両の駆動方法において、
前記断流器をオンとし、
前記断流器と前記インバータとに直列に接続された半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子に並列に接続された抵抗とを有し前記主回路に設けられた半導体減流器における半導体スイッチ素子をオンとし、
前記断流器及び前記半導体スイッチ素子がオン状態である場合に、前記インバータが発生する帰線ノイズ電流をアクティブフィルタ装置により抑制する、
ことを特徴とする鉄道車両の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、鉄道車両用駆動システム、及び、鉄道車両の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両用の駆動システムには、一般に、電流遮断器が設けられる。電流遮断器の一例として、例えば、特許文献１〜２に開示の電流遮断器が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2004-096877号公報
【特許文献２】特開2006-067732号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者が、電流遮断器として半導体減流器を採用してフィルタリアクトルを小型化した鉄道車両用駆動システムの実用化について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。【０００５】
鉄道車両用の駆動システムの主回路は、一般に、鉄道車両を駆動する電動機を負荷としたインバータを動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタコンデンサ及びフィルタリアクトルを有する。フィルタリアクトルは、走行時に発生する電流及び電圧の脈動の低減や、主回路中で高電位と低電位が短絡した際に大きな短絡電流が架線側から流れるのを抑える役割を担っている。このような役割に必要なインダクタンス値は、一般に、8mH〜12mHであり、故に、フィルタリアクトルの体積や質量が大きい。例えば、フィルタリアクトルの体積や質量は、電動機を除けば、駆動システム全体の1/2から1/3程度を占める。【０００６】
このため、フィルタリアクトルの小型化が実現できると駆動システム全体の小型化に寄与する。【０００７】
フィルタリアクトルを小型化するためには、インダクタンス値を小さく設定することが必要である。しかし、フィルタリアクトルを低インダクタンス化すると、フィルタコンデンサとフィルタリアクトルとを含んだフィルタの性能、すなわち、インバータから発生し帰線に出る高調波電圧である帰線ノイズ電流の増加を抑える性能が低下してしまう。これは、軌道回路上の信号機器の動作を不安定にする可能性がある。【０００８】
特許文献１及び２には、鉄道車両用の駆動システムに半導体減流器を適用した構成が開示されている。【０００９】
しかし、特許文献１及び２には、電流遮断器として半導体減流器を採用してフィルタリアクトルを小型化した鉄道車両用駆動システムの実用化に際してフィルタリアクトルの小型化と帰線ノイズ電流の増加を抑えることとを両立する技術は、開示も示唆もされていない。【００１０】
従って、本発明の目的は、フィルタリアクトルの小型化と帰線ノイズ電流の低減とを両立することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
架線からの直流電力を遮断する断流器と、鉄道車両を駆動する電動機を負荷とし直流電力を交流電力に変換するインバータと、断流器とインバータとの間に介在しインバータを動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサとを有する鉄道車両用駆動システムが、半導体減流器（断流器とインバータとに直列に接続された半導体スイッチ素子と、当該半導体スイッチ素子に並列に接続された抵抗とを有する）と、インバータが発生する帰線ノイズ電流を低減するアクティブフィルタ装置とを有する。
【発明の効果】
【００１２】
半導体減流器は、短時間で減流動作に移行できるため、フィルタリアクトルを低インダクタンス化することで事故時の電流増加速度が増加しても、低電流値で遮断完了できる。更に、フィルタリアクトルを低インダクタンス化すると、フィルタリアクトルとフィルタコンデンサとを含むフィルタ回路の性能が低下し得るという副作用があるが、アクティブフィルタにより、この副作用は抑制される。このようにして、本発明によれば、フィルタリアクトルの小型化と帰線ノイズ電流の低減とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る鉄道車両用駆動システムの構成図である。
【図２】図１におけるAF（アクティブフィルタ装置）の構成図である。
【図３Ａ】駆動システムの起動の際の動作シーケンスの概要を示す。
【図３Ｂ】駆動システムの停止の際の動作シーケンスの概要を示す。
【図３Ｃ】AF異常検知の際の動作シーケンスの概要を示す。
【図４】駆動システムの起動から停止までの概要のタイミングチャートの一例である。
【図５】AF異常が発生した場合のタイミングチャートの一例である。
【図６】実施例２に係る鉄道車両用駆動システムの構成図である。
【図７】実施例３に係る鉄道車両用駆動システムの構成図である。
【図８】実施例４に係る鉄道車両用駆動システムの構成図である。
【図９Ａ】結合係数の第１の調整方法が適用された内鉄型の鉄芯トランスの正面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示される鉄芯トランスの上面図である。
【図１０Ａ】結合係数の第１の調整方法が適用された外鉄型の鉄芯トランスの正面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示される鉄芯トランスの上面図である。
【図１１Ａ】結合係数の第２の調整方法が適用された内鉄型の鉄芯トランスの正面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示される鉄芯トランスの上面図である。
【図１２Ａ】結合係数の第２の調整方法が適用された外鉄型の鉄芯トランスの正面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａに示される鉄芯トランスの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の実施例の説明においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクション又は実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部又は全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施例の説明において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特性の数以上でも以下でもよい。
【００１５】
さらに、以下の実施例の説明において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施例の説明において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値及び範囲についても同様である。
【実施例１】
【００１６】
実施例１に係る駆動システム及びそれを用いた鉄道車両について、図１から図５を用いて説明する。【００１７】
図１は、実施例１に係る鉄道車両用駆動システムの構成図である。【００１８】
鉄道車両用駆動システムは、鉄道車両を駆動する１又は複数の主電動機１０１（本実施例では、IM1〜IM4）を駆動する。鉄道車両用駆動システムは、IM1〜IM4を含んでも含まなくてもよい。鉄道車両用駆動システムは、架線１０２（言い換えれば、パンタグラフ５０（以下、PAN））からの直流電力を交流電力に変換してIM1〜IM4へ出力する主回路１００と、主回路１００のP側（High側）と磁気結合されているアクティブフィルタ装置１５５（以下、AF）と、AFや主回路１００等を制御する制御論理部１５０（制御装置の一例）とを有する。【００１９】
主回路１００が、架線１０２（PAN）からの架線電圧（例えば直流1500V）と主回路１００とを電気的に切り離すための主スイッチ１１１（以下、MS）と、アース側と主回路１００とを電気的に切り離すための接地スイッチ１１２（以下、GS）と、インバータ１１３（以下、INV）側で過電流（事故電流）が発生したときにその過電流を減流する半導体減流器１１４（以下、SHB）と、減流電流を断流するためやINVが動作不良となった場合の主回路１００を開放するための１又は複数の断流器１１５（本実施例では、２つの断流器１１５であるLB1及びLB2）とを有する。また、主回路１００は、電圧計１１６（以下、DCPT1）と、電圧計１１７（以下、DCPT2）と、放電抵抗１１８（以下、DCHRe）と、放電用スイッチ１１９（以下、DS）と、過電圧放電用素子１２０（以下、OVTr）と、放電抵抗１２１（以下、OVRe）と、フィルタリアクトル１２２（以下、FL1）と、フィルタコンデンサ１２４（以下、FC）と、コンタクタ１２５（以下、AFK）と、INV（第１のインバータの一例）とを有する。【００２０】
INVは、IM1〜IM4を負荷としPANからの直流電力を交流電力に変換する。INVは、１つの素子群から構成されており、当該素子群が、複数（又は１つ）の素子ユニット１４０（本実施例では、３つの素子ユニットA〜C）を有する。各素子ユニット１４０は、１又は複数の半導体スイッチ素子を有する。INVは、半導体スイッチ素子で２レベルあるいは３レベル回路を構成し、直流電力を三相の可変周波数及び可変電圧に変換する一般的なインバータでよい。なお、INVの負荷となるIM1〜IM4の各々も、一般的な電動機（例えば同期電動機）でよい。【００２１】
FL1及びFCは、LB1及びLB2とINVとの間に介在し架線から流入する高調波ノイズや、INVが動作する際に発生する電圧の脈動を抑える。【００２２】
SHBは、減流用素子１４５（以下、SHBTr1）と、減流抵抗１４６（以下、DRe）と、充電用素子１４７（以下、SHBTr2）と、充電抵抗１４８（以下、CHRe）とを有する。SHBにおいて、SHBTr1が、LB2（少なくとも１つの断流器の一例）とINVとに直列に接続されている。また、CHReとSHBTr2とが並列に接続されており、DReが、CHReとSHBTr2との並列体に直列に接続されている。CHRe及びDReが、ＳＨＢにおける抵抗の一例であり、SHBTr1及びSHBTr2が、SHBにおける半導体スイッチ素子の一例である。本実施例において、半導体スイッチ素子は、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、SHBTr1及びSHBTr2の各々は、パワーモジュール（半導体スイッチ素子と、回生電力を通流する方向に並列接続したダイオードとの並列体）である。SHBTr1及びSHBTr2の少なくとも１つは、MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等他のパワーデバイスとしてもよい。MOSFET等のボディーダイオードを有するパワーデバイスが用いられる場合には、ダイオードは省略されてもよい。【００２３】
AFKは、AFとそれの図示しない電源（以下、AF電源）とに接続されている。AFKがオンとなると、AF電源からの電力がAFK通じてAFに提供される。なお、AF電源は、図示しないが、主回路１００の外部電源（例えば、PANからの電力に基づく電源、又は、別の電源）である。【００２４】
制御論理部１５０は、プログラムがプロセッサによって実行されることで実現されてもよいし、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）のようなハードウェア回路によって実現されてもよい。制御論理部１５０は、インバータ、AF及びSHB等の動作を制御する。例えば、最初にFCを充電するため、制御論理部１５０は、SHBTr1及びSHBTr2がオフの状態でLB1及びLB2をオンする（例えばLB1及びLB2にオン指令を出す）。PANからLB1、LB2、DRe、CHRe及びFL1経由でFCが充電される。FCの充電完了後、制御論理部１５０は、SHBTr1をオンする（例えばSHBTr1及びSHBTr2にオン指令を出す）。これにより、SHBTr1からINVに至る直流電流経路が導通する。INVが動作すると、IM1〜IM4が動作し、鉄道車両は走行する。地絡事故等により生じた事故電流（過電流）が制御論理部１５０により検出された場合、制御論理部１５０は、SHBTr1をオフする（例えばSHBTr1にオフ指令を出す）ことで電流をDReに転流する。結果、電流が減流する。電流がLB1及びLB2の直列体で遮断可能なレベルまで減流したら、制御論理部１５０は、LB1及びLB2を例えば同時にオフすることで電流経路（主電流）を遮断する。一般的な機械式高速遮断器では、事故電流の遮断に10ms程度の時間を要するのに対し、SHBTr1は数μsの短時間でオフし、減流動作に移行することができる。このため、FL1を低インダクタンス化することで事故時の電流増加速度が増加しても（例えば、FL1のインダクタンス値を1mH以上4mH以下としても）、変電所の動作に影響を与えない、低い電流値で遮断完了することができる。なお、本実施例によれば、SHBがFL1よりもPAN側にあるので、SHBによる保護範囲が拡大する。また、本実施例によれば、LB1及びLB2（複数の断流器１１５のうち直列に接続された２以上の断流器１１５の一例）は直列に接続されているので、１つの断流器を単体で使用した場合に比べ、遮断電流容量を増加させることができる。【００２５】
SHBは、短時間で減流動作に移行することができるため、FL1を低インダクタンス化することで事故時の電流増加速度が増加しても、低い電流値で遮断完了することができる。FL1を低インダクタンス化すると、FL1とFCとを含むフィルタ回路の性能が低下し得るという副作用があるが、当該副作用を抑制するため、本実施例では、AFが用意される。AFにより、帰線ノイズ電流が低減される。具体的には、FL1に対向したリアクトル１２３（以下、FL2）が用意される。FL1（主回路高圧線側）を一次リアクトルとしFL2を二次リアクトルとしたトランス（例えば空芯トランスや鉄芯トランス）が構成される。FL2に、AFが接続される。AFにより、FL1の低インダクタンス化により増加した帰線ノイズ電流を低減することができる。このようにして、FL1の小型化と帰線ノイズ電流の低減が両立される。【００２６】
図２は、AF（アクティブフィルタ装置１５５）の構成図である。【００２７】
図に示すように、AFは、制御基板２００（制御装置の一例）とインバータ基板２５０から構成される（制御基板２００とインバータ基板２５０のように基板が区別されておらずAFは一体基板で構成されてもよい）。【００２８】
制御基板２００は、信号トリマ２０２と、比較器２０３と、マイコン２０４と、PWM（Pulse Width Modulation）生成器２０５と、入力部（例えば入力端子）２１１〜２１５と、出力部（例えば出力端子）２２１〜２２４とを有する。インバータ基板２５０は、電源生成器２５１と、減流抵抗２５２（以下、RCL）と、電源用スイッチ２５３と、駆動回路２５４（以下、GD）と、交流スイッチ２５５と、リアクトル２５６（以下、Lf）と、コンデンサ２５７（以下、Cf）と、インバータ（第２のインバータの一例）２５８と、直流電流センサ２５９（以下、DCCT）と、入力部（例えば入力端子）２６１〜２６４と、出力部（例えば出力端子）２７１及び２７２とを有する。なお、制御基板２００は、AFの外にあり制御論理部１５０と一体であってもよいし、制御装置のうちの第１の部分が制御基板２００であり制御装置のうちの第２の部分が制御論理部１５０でもよい。【００２９】
インバータ基板２５０の出力部２７１は、FL2と接続され、主回路１００のP側と磁気結合されている。なお、磁気結合されたFL1及びFL2の結合係数kは、１未満（例えば、0<k<1）であるとよい。これにより、一次側の高圧主回路側の電圧変動が二次側のAFに与える影響を低減できる利点がある。この利点は、鉄道車両について大きいと考えられる。なぜなら、一般に、FL1は、鉄道車両の床下に設けられており、鉄道車両の床下は、雨や雪に晒されるため、FL1に地絡が発生する可能性があり、地絡が発生すると、PANから主回路１００に大電流が流れるためである。なお、結合係数kを１未満とすることは、FL1とFL2の巻線比や、FL1とFL2の相対的な位置を調整することで実現することが期待できる。【００３０】
また、本実施例では、インバータ基板２５０が、DCCTと、交流スイッチ２５５と、交流スイッチ２５５を駆動するGDとを有する。これにより、FL1及びFL2経由でAF内のインバータ２５８に伝搬する一次側の過電流を最小限に抑えることができ、結果として、結合係数kを実効的に下げることができる。具体的には、二次側に伝搬した過電流をDCCTが検知した場合、GDが交流スイッチ２５５をオフとする。より具体的には、次の通りである。すなわち、インバータ２５８とFL2との間に介在する交流スイッチ２５５は、通常はオン状態である。なぜなら、後述するように、インバータ２５８から交流電圧信号（ノイズ低減信号）をFL2経由でFL1に転送することで帰線ノイズ電流を低減するためである。DCCTが検知した直流電流を示す出力電圧が、出力部２７２及び入力部２１５経由でマイコン２０４に入力される。DCCTからの出力電圧が、二次側に伝搬した過電流を示している場合、マイコン２０４は、GDの駆動信号を出力する。駆動信号は、出力部２２３及び入力部２６３経由でGDに入力される。GDは、その駆動信号に応答して、交流スイッチ２５５をオフにする。これにより、FL2とインバータ２５８間の経路が遮断され、結果として、一次側と二次側の磁気結合が遮断される。このような制御が行われることで、二次側に伝搬する過電流を最小限に抑えることができ、結果として、AFのノイズ耐性を強化し信頼性の向上やインバータ２５８の小型化を実現することができる。なお、交流スイッチ２５５の構成は特に限定しない。交流スイッチ２５５は、交流電圧を伝搬できるいわゆるアナログスイッチと抵抗素子を並列接続した回路でもよい。【００３１】
AFは、一次側である主回路P側に設置した１又は複数の交流電流センサ２０１（本実施例では、２つの交流電流センサ２０１であるACCT1及びACCT2）からの交流出力電圧を入力信号として利用する。AFの一つの目的は、PANからの直流電流に含まれ得る交流成分を無くすことである。このため、センサとして、ACCT1及びACCT2のように交流専用のセンサが採用されればよく、結果として、交流成分だけでなく直流成分も抽出可能なセンサ（例えばホールセンサ）に比べて小型のセンサが採用されればよい。交流電流センサ２０１は、主回路１００に重畳された交流電流成分を検出する電流センサの一例である。【００３２】
信号トリマ２０２は、ACCT1及びACCT2からの入力信号（主回路に重畳された交流電流成分）から所望の周波数帯の入力信号をトリミングする。具体的には、例えば、信号トリマ２０２は、マイコン２０４内にて構築された制御ゲインKとバンドパスフィルタ（BPF）とに相当し、所望の周波数帯の入力信号をトリミングする。これらのトリミングされた信号が、PWM生成器２０５への搬送波２８０として適用され、マイコン２０４で生成したPWM制御信号（上記所望の周波数帯の交流成分を消すためのPWM制御信号）２８１が、PWM生成器２０５へ入力される。PWM生成器２０５により、搬送波２８０及びPWM制御信号２８１に基づく信号が生成されてインバータ基板２５０内のインバータ２５８に当該信号が出力部２２４及び入力部２６４経由で入力され、当該信号に基づきインバータ２５８から交流電圧Vcが出力される。このVcは、一次側の主回路線に設置されたACCT1で検知された帰線ノイズ電流を低減するように制御された電圧信号である。このノイズ低減信号は、Lf及びCfから構成されるフィルタ回路で成形され、FL2からFL1に転送される（図示のVafは、AFの出力電圧である）。FL1に転送されたノイズ低減信号（電圧信号）は、FL1における信号の交流成分の逆相の信号である。以上のような構成とすることで、FL1を低インダクタンス化した場合においても、帰線ノイズ電流を低減することができ、結果として、軌道回路上の信号機器が誤動作することを防ぐことができる。【００３３】
なお、AFは、帰線ノイズ電流を低減するが、AFが正常でなければ、AF自体がノイズを生成することになり得る。【００３４】
そこで、AFは、セルフチェック機能とモニタ機能とを有する。【００３５】
モニタ機能について説明する。モニタ機能によれば、下記の比較が行われる（なお、セルフチェック機能については、図３以降で説明する）。【００３６】
第１に、比較器２０３は、AF全体が正常か否かを検出るための比較である第１の比較を行う。具体的には、比較器２０３は、AFへ入力部２１２経由で入力されトリミングされた交流電流成分が、所望のレベル、即ち軌道回路の規定レベル以下かを判定する。【００３７】
第２に、比較器２０３は、交流電流センサ２０１の故障の有無を検出するための比較である第２の比較を行う。具体的には、比較器２０３は、ACCT1及びACCT2から信号トリマ２０２経由でそれぞれ入力された２つの信号の差分が交流電流センサ２０１の仕様規定値以下かを判定する。【００３８】
第１及び第２の比較の結果に基づくAFモニタ信号２９１及びAF動作信号２９２が出力される。具体的には、上記交流電流成分が規定レベルを超過した場合（つまり、帰線ノイズ電流が規定レベルを超過した場合）、又は、上記差分が交流電流センサの仕様規定値を超過した場合、AFモニタ信号２９１及びAF動作信号２９２は、そのようなAF異常であることを示す信号である。【００３９】
出力されたAFモニタ信号２９１は、出力部２２１経由で制御論理部１５０に入力される。また、AF動作信号２９２が、出力部２２２経由で制御論理部１５０に入力される。制御論理部１５０は、AFモニタ信号２９１及びAF動作信号２９２のうちの少なくとも１つに基づき、必要に応じて、AFのメイン動作を停止する。【００４０】
なお、第２の比較の意義は、例えば次の通りである。AFは交流電流センサ２０１の出力信号を入力値として用いる。このため、入力値が実際の帰線ノイズ電流値とずれてしまうと、AFから所望の信号が出力されずAF自体が軌道回路の信号機器にとってノイズ電流を生成してしまう恐れがある。そこで、本実施例では、少なくとも２つの交流電流センサの一例としてACCT1及びACCT2が備えられ、ACCT1及びACCT2がそれぞれ検知した交流電流成分の差分が既定値を超えているか否かが判定され、その判定結果が真の場合には、ACCT1及びACCT2の一方が故障していると判定される。【００４１】
以上のモニタ機能により、AFが正常か否かの状態を監視することが可能となる。なお、AFと外部機器（例えば制御論理部１５０）のインターフェースとしては、例えば、AFモニタ信号２９１の他に、AFをスタンバイ状態にするAFスタンバイ指令２９３、AF内のインバータ２５８を活性化するAFゲートスタート指令２９４、及び、AFが正常動作しているかを伝達するAF動作信号２９２がある。AFスタンバイ指令２９３は、制御論理部１５０から入力部２１１経由で入力される。AFゲートスタート指令２９４は、制御論理部１５０から入力部２１３経由で入力される。AF動作信号２９２は、出力部２２２経由で制御論理部１５０へ出力される。また、好適には、マイコン２０４を用いて上記の制御が行われてよく、例えば、ウォッチドッグタイマ、割込みコントローラ、任意のパルス出力IF（インターフェース）、インバータ基板２５０内のインバータ２５８の制御のためのPWMタイマといったものが利用されてよい。【００４２】
なお、本実施例では、AF電源は、外部のDC100V電源である。外部からDC100V電源が、AFKを介して、インバータ基板２５０内の電源生成器２５１に入力される。電源生成器２５１が、AFに必要な各種電源レベルを生成する。インバータ基板２５０に高圧電源を投入する際には、RCL経由で充電が行われ、その後に、電源用スイッチ２５３が導通されることで、突入電流発生が防止される。【００４３】
次に、本実施例に係る駆動システムで行われる制御の詳細を、図３Ａ〜図５を用いて説明する。なお、図４において、符号４０１は、レバーサ指令を示す。符号４０２は、力行／回生指令を示す。符号４０３は、INVゲートスタート（状態）を示す。符号４０４は、PWM生成器２０５のパタンスタート（状態）を示す。【００４４】
はじめに、図３Ａ及び図４を用いて、駆動システムの起動（セット側）を説明する。【００４５】
制御論理部１５０が、PANからの直流電力が通電する前に（LB1及びLB2をオンとする前に）、AFにセルフチェック機能を実行させる。具体的には、例えば、次の通りである。PANから架線電圧を取り込んだ後、例えば運転手によってリセットスイッチがオンとされることで、リセット信号が、制御論理部１５０に投入される（図３Ａ：Ｓ３０１）。リセット信号に応答して、制御論理部１５０は、図４に示すように、AFKをオンとし、AFに、AFスタンバイ指令２９３をAFに対するリセット信号と同時に投入する（図４：ｔ４１）。AFスタンバイ指令２９３（及びリセット信号）は、マイコン２０４に入力される。AFスタンバイ指令２９３（及びリセット信号）に応答して、マイコン２０４により、AFのセルフチェック（自己診断）が実施される（図３Ａ：Ｓ３０２）。セルフチェックは、例えば、マイコン２０４のリセット動作（電源投入や各種設定）（図３：Ｓ３０２Ａ）、マイコン２０４内の図示しないA/D（アナログデジタル変換）制御部にて、アナログ電圧信号を正確にマイコン２０４に取り込むための基準電圧を補正すること（図３：Ｓ３０２Ｂ）、PWMテストパターンの出力（図３：Ｓ３０２Ｃ）、及び、DCCTからの電圧信号の検出（図３：Ｓ３０２Ｄ）、を含む。セルフチェックの際には、PWM生成器２０５によりインバータ２５８にPWM信号を入力し、そのPWM信号に基づきインバータ２５８により所定周波数の正弦波を出力する。その際に、DCCTでその電流値を検知し、DCCTが検出した電流値を示す電圧信号がマイコン２０４のアナログ端子に入力される。つまり、AFの閉じたループにおいて電流が流れ、その電流の値がDCCTにより検知されマイコン２０４にフィードバックされる。入力されたアナログ値が、出力された所定周波数の正弦波として妥当な値であれば、マイコン２０４は、AFが正常であると判定する。【００４６】
以上のように、LB1及びLB2がオンとされる前に（架線１０２（PAN）とINVとが電気的に接続される前に）、AFのセルフチェックが実施される。AFに異常があると、AFのセルフチェックにおいてAFがノイズを発生し、そのノイズがFL2を経由して一次側に伝搬するおそれがあるが、セルフチェックの際には、LB1及びLB2がオフとなっているため、AFの出力電流（ノイズ）が帰線に流出することを防ぐことができる。【００４７】
セルフチェックにおいて異常が検出されなければ、セルフチェックの後、レバーサが投入される（図３Ａ：Ｓ３０３、図４：ｔ４２）。なお、セルフチェックにおいて異常が検出されなければ、正常を示すAF動作信号２９２が制御論理部１５０に出力される。【００４８】
更に、力行／回生指令が投入され（図３Ａ：Ｓ３０４−１）、また、制御論理部１５０によりLB1及びLB2がオンとされ（図３Ａ：Ｓ３０４−２）、故に、FCの充電が開始される（図３Ａ：Ｓ３０５、図４：ｔ４３）。符号４５０は、FC充電中を示す。【００４９】
この際、制御論理部１５０は、SHBのSHBTr1及びSHBTr2をオフとし（図４参照）、DReとCHReの直列抵抗を経由して充電することが望ましい。FL1が低インダクタンスであるため、充電時のトータルの充電抵抗値が低いと充電電流の傾き(di/dt)が大きくなり高調波ノイズ電流が発生する可能性がある。このため本実施例のように複数の抵抗を直列接続してFCに充電するとよい。【００５０】
また、FC充電中、制御論理部１５０は、AFにメイン動作（インバータ２８５）を止めておく。なぜなら、FC充電中にAFのメイン動作が行われると、FC充電時の交流電流成分に関してもAFによりノイズ低減が行われ（インバータ２８５から出力電圧がFL2経由でFL1へと伝搬され）、結果として、FC充電を妨げる（FC充電電流を相殺する）おそれがあるからである。【００５１】
FC充電を実施した後、制御論理部１５０は、AFゲートスタート指令２９４を出力し（図３Ａ：Ｓ３０６−１、図４：ｔ４５）、SHBTr1及びSHBTr2をオンとする（図３Ａ：Ｓ３０６−２、図４：ｔ４４及びｔ４６）。これにより、AFとSHBが動作状態となる。【００５２】
その後、制御論理部１５０は、INVをゲートスタートさせることで（図３Ａ：Ｓ３０７）、力行／回生動作を実施する。【００５３】
次に、図３Ｂ及び図４を用いて、駆動システムの停止（リセット側）を説明する。【００５４】
制御論理部１５０は、力行、惰行及び回生といった一連の動作を完了し、INVをゲートオフとさせ（図３Ｂ：Ｓ３１１、図４：ｔ４７）、レバーサ遮断とする際には（図３Ｂ：Ｓ３１２、図４：ｔ４８）、AFをオフとし（AFゲートスタート指令２９４をオフとし）（図３Ｂ：Ｓ３１３−１）、且つ、LB1及びLB2をオフとし（図３Ｂ：Ｓ３１３−２）、最後に、SHBをオフとする（図３Ｂ：Ｓ３１４、図４：ｔ４９）。なお、SHBのうち、SHBTr1が先にオフとされ（例えば、ｔ４８でオフとされ）、その後に（ｔ４９で）、SHBTr2がオフとされる。SHBTr2のオフがSHBのオフに相当する。最後までSHBTr2がオン状態であるので、LB1及びLB2のオフまでの後に事故電流が生じても、DReで減流させた後にLB1及びLB2のオフを実現することができる。また事故電流が発生しない場合においても、SHBTr1、SHBTr2の制御方法を同じとすることで制御論理部１５０の論理を簡略化できる。【００５５】
次に、AFの異常を検知した場合について、図３Ｃ及び図５を用いて説明する。【００５６】
図３Ｃによれば、AF異常が検知された場合（Ｓ３２１）、レバーサの状態が維持される（つまり、レバーサが遮断されない）点以外は、リセット側動作と同じシーケンスで、上述のＳ３１３−１、Ｓ３１３−２及びＳ３１４と同じ処理、すなわち、AF遮断（Ｓ３２２−１）、断流器（LB1及びLB2）の遮断（Ｓ３２２−２）、及び、SHBの遮断（Ｓ３２３）が順次に行われる。【００５７】
なお、図５は、制御論理部１５０により、AF異常を一度検知した後に（ｔ５１）、AF動作信号２９２から正常を検知し（ｔ５２）、力行指令が投入される場合（ｔ５３）を併せて示している。この場合、制御論理部１５０によりLB1及びLB2が再投入され（ｔ５４）、INVのゲートスタート（ｔ５５）までは、図３Ａに示したセット側シーケンスと同じ制御である。なお、図５によれば、一回目の異常検知後にAFのセルフチェックが実施されない。例えば、AF内のインバータ２５８にて過電流が発生し、マイコン２０４側で過電流を検知した場合において、この異常は軽故障であると判定された場合には、AFが再度セルフチェックをしないほうが、AFの再起動を高速に実施でき、駆動システムの復帰を迅速に行えるメリットがある。【００５８】
図５によれば、１回目のAF異常の検知は、軽故障（第２種の異常の一例）の検知の一例であり、２回目のAF異常の検知は、重故障（第１種の異常の一例）の検知の一例である。軌道回路の信号機器への影響度が相対的に低いAF異常が「軽故障」であり、軌道回路の信号機器への影響度が相対的に高いAF異常が「重故障」である。軌道回路の信号機器への影響度の高さは（言い換えれば、AF異常が軽故障であるか重故障であるかは）、AF異常の種別（例えば、過電圧、過昇温）と、AF異常の発生回数とのうちの少なくとも１つに従い定義することができる。重故障は、（ｘ）帰線ノイズ電流が規定レベルを超過、及び、（ｙ）ACCT1及びACCT2のいずれかが故障、のうちのいずれかである。一方、軽故障は、重故障以外のAF異常である。【００５９】
制御論理部１５０は、AFからのAFモニタ信号２９１及びAF動作信号２９２の少なくとも１つを基に、AFにおいて軽故障と重故障のいずれが発生したかを検知できる。重故障（例えば２回目のAF異常）が検知された場合、制御論理部１５０は、INV、LB1、LB2及びAFをオフとし（ｔ５６）、その後、AFKをオフとする（ｔ５７）。AFKのオフは、AF電源の遮断の一例である。【００６０】
以上が、実施例１の説明である。実施例１によれば、SHBを用いることで、鉄道車両内で発生した事故電流（過電流）を検知後に高速に遮断をすることができる。即ち、FL1を低インダクタンス化（小型軽量化）した際にも、事故電流の増加を最小限に抑えることができる。このため、架線に電力を供給する変電所の安定動作を確保できる。また、AFを用いることで、帰線ノイズ電流の低減が可能となる。このため、帰線上の軌道回路を誤動作させることを防ぐことができる。【００６１】
なお、実施例１では、AFスタンバイ指令２９３（オン）がAFに入力された場合に、セルフチェックが開始される。また、実施例１では、AFゲートスタート指令２９４（オン）が入力された場合に（又は、セルフチェック後、AFゲートスタート指令２９４（オン）無しに）、AFメイン動作（ACCT1及びACCT2からの入力に基づきインバータ２５８を制御することでAFの出力電圧をFL1側へ伝搬させる動作）が行われる。また、制御論理部１５０は、AFスタンバイ指令２９３をAFに入力し、その後にAFから受信したAF動作信号２９２及びAFモニタ信号２９１から正常が特定された場合に（且つFC充電が完了した場合に）、AFゲートスタート指令２９４をAFに入力してよい。
【実施例２】
【００６２】
次に本発明の実施例２を説明する。その際、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１との共通点については説明を省略又は簡略する。【００６３】
図６は、実施例２に係る鉄道車両用駆動システムの構成図の一例である。【００６４】
実施例１と異なる点は、INVが、複数の素子群の一例として、２つの素子群６０１Ａ及び６０１Ｂを有し、各素子群６０１で制御する主電動機が２つであることである。１つの素子群６０１の制御対象となる主電動機１０１の数が４から２に減っているため、主電動機１０１をより精度よく制御できる利点がある。なお、各素子群は、実施例１と同様、複数の素子ユニット１４０の一例として３つの素子ユニットを有する。【００６５】
また、本実施例によれば、INV以外のFCやOVTr等の回路部品（構成要素）は、２つの素子群６０１Ａ及び６０１Ｂで共通利用される。このように、いわゆる1C2M（１インバータ２モータ）制御の一部回路部品を共通利用とすることで、駆動システムの部品点数が増加するのを抑えることが可能となる。
【実施例３】
【００６６】
次に本発明の実施例３を説明する。その際、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１との共通点については説明を省略又は簡略する。【００６７】
図７は、実施例３に係る鉄道車両用駆動システムの構成図の一例である。【００６８】
実施例１と異なる点は、SHBの構成、具体的には、DReとCHReが並列接続されている点である。FC充電動作や、事故電流（過電流）検知時にSHBTr1をオフするためのシーケンスは実施例１と同じである。DReとCHReを並列接続する利点としては、減流電流が流れる経路がDReとCHReの２つの経路となるため、減流時に抵抗から発生する発熱量を、２つの抵抗で消費することができ、結果的に、減流抵抗と充電抵抗の本数を削減できることにある。実施例１では、減流電流をDReのみで消費する必要があるため、実施例３に比べて減流抵抗の質量（比熱）を大きく取らなければならない。このように、実施例３によれば、それぞれの抵抗を並列接続することで、SHBの小型化が可能となる。
【実施例４】
【００６９】
次に本発明の実施例４を説明する。その際、実施例３との相違点を主に説明し、実施例３との共通点については説明を省略又は簡略する。また、以下の説明では、同種の要素を区別しないで説明する場合には、参照符号のうちの共通部分を使用し、同種の要素を区別する場合は、参照符号を使用することがある。例えば、一次巻線を区別しない場合には、「一次巻線８２２」と言い、一次巻線を区別する場合には、「一次巻線８２２Ａ」、「一次巻線８２２Ｂ」のように言うことがある。【００７０】
図８は、実施例４に係る鉄道車両用駆動システムの構成図の一例である。なお、図８は、符号１３が示す範囲の詳細も示す。【００７１】
実施例４では、トランスとして、鉄芯トランス８３２が採用される。鉄芯トランス８３２において、鉄芯コア５１に、FL1及びFL2がそれぞれ巻き付けられている。FL1は、一次リアクトルとしてのフィルタリアクトルであり、FL2は、二次リアクトルである。【００７２】
FL2にアクティブフィルタ装置８０２（以下、AF）が接続されている。なお、本実施例では、図２に示した制御基板２００は、図１に示した制御論理部１５０と一体である。【００７３】
図８には、AFの構成要素の一部が例示されている。図８によれば、AFは、上述したLf、交流スイッチ２５５、RCL、電源用スイッチ２５３、インバータ２５８（以下、PM）及びDCCTの他に、直流電源８１２（以下、VCC）、コンデンサ８４（以下、Cp）、減流抵抗８４７（以下、RDRe）、ダンピングコンデンサ８２（以下、Cd）及びダンピング抵抗８１（以下、Rd）を備える。【００７４】
VCC及びCpが、PMに並列接続されている。AFは、例えばPWM（Pulse Width Modulation）制御することにより、Cpの直流電力を交流電力に変換して出力する。その出力端には、LfとCfで構成されるLCフィルタが接続されている。これにより、PWM制御に起因するスイッチングリプル成分を除去することができる。なお、AFのスイッチング周波数が十分に高い場合には、Lf及びCfが無くてもよい。【００７５】
RDReが、FL2とPM間に介在する交流スイッチ２５５に並列に接続されている。【００７６】
Cd及びRdは、直列に接続されており、且つ、Cfに並列に接続されている。Cd及びRdは、CfとLfの共振を抑制する。【００７７】
PMは、フルブリッジ回路であり、半導体スイッチ素子Q1〜Q4を備えている。Q1及びQ2は直列接続されてＵ相を構成し、Q3及びQ4は直列接続されてＶ相を構成する。Q1〜Q4の各々には、通流方向が逆方向となるようにダイオードが並列接続される。Q1〜Q4の各々がIGBTである場合にはダイオードを接続する必要があるが、Q1〜Q4の各々がMOSFETなどボディーダイオードを有する素子である場合にはダイオードを接続する代わりにMOSFETのボディーダイオードを利用することができる。【００７８】
本実施例では、FL1とFL2との磁気結合の結合係数kは、１未満（例えば、０．９５以下）とされる。具体的には、結合係数が、理想的な係数である１を実現できない（若干の漏れインダクタンスがある）結果として１未満となるのではなく、積極的に１未満に調整される。【００７９】
INVが発生する帰線ノイズ電流を抑制することがAFの主な役割であることを鑑みると、トランスにおける結合係数kは一般と同様に理想的な係数である１とされることが考えられる。結合係数が１と最も高ければ、AFの規模が小さくても帰線ノイズ電流の抑制を十分に行うことが期待できるからである。【００８０】
しかし、上述したように、FL1は、一般に、鉄道車両の床下に設けられ、故に、FL1に地絡が発生する可能性がある。FL1に地絡が発生した場合には、PANから主回路１００に大電流が流れる。このとき、結合係数kが高いほど、主回路１００における大電流の影響をAFが強く受けることになる。例えば、主回路P側で地絡が発生した場合、その瞬間FL1の両端電位は架線電圧とほぼ同等になる。このため、理想的なトランス（k=1）の場合は、その電位変動が二次側に伝搬する。このため、AF側に高電位が伝搬して、AF内の部品を破損する恐れがある。【００８１】
そこで、本実施例では、上述したように、結合係数kが、積極的に（言い換えれば意図的に）１未満とされる。結合係数kが１未満の範囲で調整されることで、主回路P側のFL1の両端電位変動の影響を受けにくくすることと帰線ノイズ電流を低減することとを両立することができる。【００８２】
本実施例では、トランスとして鉄芯トランス８３２が採用される。鉄芯トランス８３２のタイプとして、内鉄型と外鉄型がある。内鉄型によれば、磁気回路が一つであり、巻線が、その磁気回路である鉄芯上にある。従って、外観上、鉄芯が巻線の芯になる。一方、外鉄型によれば、巻線が二つ以上の磁気回路である鉄芯によって包み囲まれる。従って、巻線が内側にあり、その外側を鉄芯が囲む。【００８３】
鉄芯トランス８３２がタイプに関わらず、結合係数kが１未満に調整される。例えば、鉄芯トランス８３２のタイプが内鉄型であるか外鉄型であるかに関わらず、結合係数kが１未満に調整される。【００８４】
結合係数kは、１−（漏れインダクタンス／自己インダクタンス）の平方根である。つまり、k={1-(Ls/Lop)}^(1/2)である。Lsは、漏れインダクタンスである。Lopは、自己インダクタンスである。Lopに対するLsが、結合係数kが１未満となる値に調整されている。つまり、結合係数kが１未満となるよう漏洩磁束を調整できる。結合係数kの調整方法は、トランスの構成に依存してよい。例えば、上述したように、FL1及びFL2の巻線比を調整したり、FL1及びFL2の相対位置を調整したりすることで実現することが期待できる。【００８５】
結合係数kを１未満に調整する方法として、例えば、下記の第１の調整方法と第２の調整方法のいずれかの方法を採用することができる。
（１）第１の調整方法：FL1を構成する一次巻線と、FL2を構成する二次巻線との一方が、当該一次巻線と当該二次巻線との他方の一部を囲む。
（２）第２の調整方法：FL1を構成する一次巻線と、FL2を構成する二次巻線とが、同一の軸に沿って離間する。【００８６】
第１の調整方法と第２の調整方法のいずれかの方法も、鉄芯トランス８３２のタイプが内鉄型であるか外鉄型であるかに関わらず適用可能である。【００８７】
図９Ａは、第１の調整方法が適用された内鉄型の鉄芯トランス８３２Ａの正面図である。図９Ｂは、図９Ａに示される鉄芯トランス８３２Ａの上面図（図９ＡにおいてＡから見た鉄芯トランス８３２Ａの平面視を示す図）である。【００８８】
鉄芯コア５１Ａにおける平行な２つのコア部分の各々について、FL1を構成する一次巻線８２２Ａが、上下方向（長手方向）に延びた当該コア部分を囲み、一次巻線８２２Ａを、FL2を構成する二次巻線８２３Ａが囲む。一次巻線８２２Ａの外周と二次巻線８２３Ａの内周は離間している。二次巻線８２３Ａの上下方向に沿った全長は、一次巻線８２２Ａの上下方向に沿った全長よりも短く、二次巻線８２３Ａの全体が一次巻線８２２Ａの一部と重複している。例えば、二次巻線８２３Ａは、一次巻線８２２Ａの中央部分を囲む。【００８９】
図１０Ａは、第１の調整方法が適用された外鉄型の鉄芯トランス８３２Ｂの正面図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示される鉄芯トランス８３２Ｂの上面図である。【００９０】
鉄芯コア５１Ｂの中央の上下方向に延びたコア部分を、一次巻線８２２Ｂが囲み、一次巻線８２２Ｂを、二次巻線８２３Ｂが囲む。一次巻線８２２Ｂと二次巻線８２３Ｂの相対的な関係は、図９Ａ及び図９Ｂに示す関係と同じである。【００９１】
第１の調整方法では、結合係数kに依存するパラメータは、一次巻線８２２と二次巻線８２３の巻線比、及び、一次巻線８２２と二次巻線８２３の相対的な位置、のうちの少なくとも一つと考えられる。これらのパラメータのうちの少なくとも一つを調整することで、結合係数kを１未満の範囲で調整できる。【００９２】
図１１Ａは、第２の調整方法が適用された内鉄型の鉄芯トランス８３２Ｃの正面図である。図１１Ｂは、図１１Ａに示される鉄芯トランス８３２Ｃの上面図である。【００９３】
鉄芯コア５１Ｃの平行な２つのコア部分の各々について、当該コア部分を、一次巻線８２２Ｃと二次巻線８２３Ｃがそれぞれ囲む。一次巻線８２２Ｃと二次巻線８２３Ｃとが、当該コア部分の長手方向に沿って離隔距離ｔを隔てて離れている。【００９４】
図１２Ａは、第２の調整方法が適用された外鉄型の鉄芯トランス８３２Ｄの正面図である。図１２Ｂは、図１２Ａに示される鉄芯トランス８３２Ｄの上面図である。【００９５】
鉄芯コア５１Ｄの中央の上下方向に延びたコア部分を、一次巻線８２２Ｄと二次巻線８２３Ｄがそれぞれ囲む。図１１Ａ及び図１１Ｂと同様に、一次巻線８２２Ｄと二次巻線８２３Ｄとが、当該コア部分の長手方向に沿って離隔距離ｔを隔てて離れている。【００９６】
第２の調整方法では、結合係数kに依存するパラメータは、少なくとも離間距離ｔである。離間距離ｔを調整することで、結合係数kを１未満の範囲で調整できる。第２の調整方法において、結合係数kに依存するパラメータは、更に、一次巻線８２２と二次巻線８２３の巻線比が採用されてもよい。【００９７】
このように、結合係数kの調整方法として、第１及び第２の調整方法がある。第１の調整方法によれば、二次巻線８２３が一次巻線８２２と重複するので、長手方向に沿ったサイズを第２の調整方法よりも短く、以って、鉄芯トランス８３２が第２の調整方法よりも小さいことが期待できる。一方、第２の調整方法によれば、一次巻線８２２と二次巻線８２３の相対位置として選択可能な位置が第１の調整方法よりも多いので、結合係数kの調整可能な範囲が第１の調整方法よりも大きいこと（例えば、第１の調整方法よりも結合係数kの最小値が小さいこと）が期待できる。【００９８】
以上のように、結合係数kを１未満とすることで、主回路P側のFL1の両端電位変動の影響を受けにくくすることと帰線ノイズ電流を低減することとを両立することができる。また、結合係数kが１未満（0<k<1）である範囲において、比較的kが大きい範囲である第１の係数範囲と、第１の係数範囲以外の範囲である第２の係数範囲があってもよい。第１の係数範囲に属するkは、第１及び第２の調整方法のうちの少なくとも第１の調整方法により調整可能でよく、第２の係数範囲に属するkは、第１及び第２の調整方法のうちの少なくとも第２の調整方法により調整可能でよい。【００９９】
FL2側に電位（例えば過電流の影響としての高電位）が伝搬したことが例えばDCCTの検出値により特定された場合、下記のうちのいずれかの制御が行われてよい。なお、下記のいずれの制御も、例えば、DCCTの検出値が制御論理部１５０により特定され、制御論理部１５０からの指示により行われてよい。
（第１の制御）AFが、交流スイッチ２５５オフすることでRDReに誘起電流を転流させる。
（第２の制御）AFが、PMの動作モードを還流モードとする。具体的には、例えば、PMが、Q1及びQ3をオン状態にする。【０１００】
第１の制御及び第２の制御の各々の技術的意義は、例えば以下の通りである。【０１０１】
第１の制御によれば、誘起電流が減流することになる。このため、AF内の部品の電流定格仕様を低く抑えることができる。【０１０２】
第１の制御は、kが第１の係数範囲に属する場合に採用されてよい。【０１０３】
一方、kが第２の係数範囲に属する程に小さければ、交流スイッチ２５５及びRDReが無くてもよい。誘起電流の大きさは、減流しなくてもよい程度の大きさと考えられ、交流スイッチ２５５及びRDReが無くても、AFにおける部品の定格電流を低く抑えることが期待できるからである。【０１０４】
しかし、RDReが無いと、誘起電流は減流されずにPMを介してAF内の入力側のコンデンサCpを充電するモードになる場合がある。充電モードになると、AFの入力側電位が上昇するため、Cpの耐圧の超過が懸念される。【０１０５】
そこで、第２の制御が実行される。第２の制御によれば、誘起電流はPM内を還流するため、Cpに充電が生じない。故に、Cpの耐圧を抑えることができる。【０１０６】
以上、幾つかの実施例を説明したが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。【０１０７】
上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除及び置換の少なくとも１つをすることが可能である。【０１０８】
例えば、実施例３に係るSHBの回路構成と、実施例２に係る1C2M制御方式が組み合わされてもよい。また、INVに用いられている素子群の構成は、上下アームを一つに纏めたいわゆる2in1型のパワーモジュール構成であるが、もちろんこれに限定されない。素子群として、各アームを実装したいわゆる1in1型のパワーモジュールが用いられてもよい。さらには、INVの構成が、インバータパワーユニットとブレーキチョッパ素子を共通化したパワーユニット構成であってもよいことは言うまでもない。さらには、トランス（例えば、トランス型のフィルタリアクトルであるFL1）は空芯型でもよいし、鉄芯型でもよい。また、電動機１０１は、誘導電動機でもよいし永久磁石同期電動機でもよい。電動機１０１として永久磁石同期電動機を用いる場合は、図６に示したようにINVが複数（例えば４群分）の素子群を有し、一部の素子群でFCやOVTr等の部材は共通化する構成とすれば、主電動機の低損失化と駆動システムの軽量化に貢献できる。【０１０９】
また、例えば、本発明は、鉄道車両用駆動システムに限定されるものではなく、リアクトル（例えば上述したフィルタリアクトル）、コンデンサ及び電力変換器（例えばインバータ）のうちの少なくとも１つを含むシステム（例えば、風力発電システムや太陽光発電システムといった電力制御システム全般）などにも適用することが期待できる。【０１１０】
また、例えば、AFスタンバイ指令２９３（第１の指令の一例）、AFゲートスタート指令２９４（第２の指令の一例）及びAF動作信号の各々について、当該の指令（信号）の送信の一例が、指令（信号）のオン又はアサートでよい。また、AFスタンバイ指令２９３及びAFゲートスタート指令２９４の各々について、当該指令に従う動作の終了の指令の送信の一例が、AFスタンバイ指令２９３及びAFゲートスタート指令２９４のうちの該当の指令のオフ又はネゲートでよい。【０１１１】
また、FL1を含むトランスとして、いずれの種類のトランスを採用するかは任意であってよい。例えば、鉄芯トランスによれば、磁束が、実質的にコアに閉じるので、AFを、SHB、INV及びFLのうちのいずれのそばにも設けることができる。このため、トランスの位置が、SHB、INV及びFLから近いか否かによって、鉄芯トランスと空芯トランスのいずれを採用するかが決められてよい。【０１１２】
また、FL1のインダクタンス値は、1mH以上4mH以下でよい。本願発明者の検討によれば、1mHの技術的意義の一例は、インダクタンス値が1mHより小さくされてもFL1の更なる小型化が実質的に生じないと考えられることにある。4mHの技術的意義の一例は、フィルタリアクトルの役割に必要なインダクタンス値として一般に採用されている8mH〜12mHの半分以下であることが、フィルタリアクトルの小型化に貢献することにある。【０１１３】
また、上述した鉄道車両用駆動システムの構成は、電流遮断器として半導体減流器を採用してフィルタリアクトルを小型化した鉄道車両用駆動システムの実用化について本願発明者が鋭意検討した結果の一つとして想到された構成であるが、上述した構成のうちの少なくともAFは、電流遮断器として半導体減流器を採用してフィルタリアクトルを小型化した鉄道車両用駆動システム以外のシステム（例えば、半導体減流器以外の電流遮断器が採用されたシステムや、一般的なインダクタンス値のフィルタリアクトルが採用されたシステム）に適用されてもよい。すなわち、そのようなシステムに関し、例えば、下記のような表現が可能である。下記のアクティブフィルタ装置に、上述した実施例のうちの少なくとも一つに記載のAFが適用されてよい。
＜表現＞
架線からの直流電力を遮断する断流器と、鉄道車両を駆動する電動機を負荷とし直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記断流器と前記インバータとの間に介在し前記インバータを動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサとを有する主回路を含んだ鉄道車両用駆動システムにおいて、前記インバータが発生する帰線ノイズ電流を抑制するアクティブフィルタ装置を有することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【符号の説明】
【０１１４】
１１４：半導体減流器  １５５：アクティブフィルタ装置
【図１】
2020004578.tif 000003
【図２】
2020004578.tif 000004
【図３Ａ】
2020004578.tif 000005
【図３Ｂ】
2020004578.tif 000006
【図３Ｃ】
2020004578.tif 000007
【図４】
2020004578.tif 000008
【図５】
2020004578.tif 000009
【図６】
2020004578.tif 000010
【図７】
2020004578.tif 000011
【図８】
2020004578.tif 000012
【図９Ａ】
2020004578.tif 000013
【図９Ｂ】
2020004578.tif 000014
【図１０Ａ】
2020004578.tif 000015
【図１０Ｂ】
2020004578.tif 000016
【図１１Ａ】
2020004578.tif 000017
【図１１Ｂ】
2020004578.tif 000018
【図１２Ａ】
2020004578.tif 000019
【図１２Ｂ】
2020004578.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月13日(2020.4.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線からの直流電力を遮断する断流器と、鉄道車両を駆動する電動機を負荷とし直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記断流器と前記インバータとの間に介在し前記インバータを動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサとを有する主回路を含んだ鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記断流器と前記インバータとに直列に接続された半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子に並列に接続された抵抗とを有し前記主回路に設けられた半導体減流器と、
前記インバータが発生する帰線ノイズ電流を抑制するアクティブフィルタ装置と
を有し、
前記アクティブフィルタ装置は、前記フィルタリアクトルを一次リアクトルとしたトランスにおける二次リアクトルに接続されており、且つ、前記主回路のＰ側と前記二次リアクトルを介して磁気結合されており、
前記一次リアクトルと前記二次リアクトルとの磁気結合の結合係数は、０．９５以下であり、
前記フィルタリアクトルのインダクタンス値が１ｍＨ以上４ｍＨ以下である、
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記アクティブフィルタ装置は、前記二次リアクトルに接続されたスイッチを有し、
前記アクティブフィルタ装置は、前記フィルタリアクトルから前記二次リアクトル経由で伝搬した過電流を検出した場合に、前記スイッチをオフとする、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項５】
制御装置を更に備え、
前記インバータは、第１のインバータであり、
前記アクティブフィルタ装置は、前記スイッチを介して前記二次リアクトルに接続された第２のインバータを備え、
前記主回路のＰ側に、前記主回路に重畳された交流電流成分を検出する電流センサが設置されており、
前記制御装置は、前記電流センサにより検出された交流電流成分に基づき、前記二次リアクトルを介して前記主回路に伝搬される交流電圧信号を出力する前記第２のインバータを制御する、
ことを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項６】
前記主回路に、前記主回路に重畳された交流電流成分を検出する電流センサが設置されており、
前記アクティブフィルタ装置は、前記電流センサにより検出された交流電流成分に基づき、前記二次リアクトルを介して前記主回路に伝搬される交流電圧信号を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項７】
前記電流センサは、交流電流センサである、
ことを特徴とする請求項６に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項８】
前記アクティブフィルタ装置は、前記架線と前記インバータが電気的に接続される前に、前記アクティブフィルタ装置の自己診断を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項９】
前記断流器、前記半導体減流器及び前記アクティブフィルタ装置に接続された制御装置を更に有し、
前記制御装置が、
前記断流器をオンにする前に、前記自己診断を行う契機となる指令であるスタンバイ指令を前記アクティブフィルタ装置に送信し、
前記スタンバイ指令に対して前記アクティブフィルタ装置から受信した応答が正常を示している場合に、前記断流器をオンにする、
ことを特徴とする請求項８に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１０】
前記断流器がオンとされた場合に前記フィルタコンデンサの充電が開始され、
前記制御装置は、前記フィルタコンデンサの充電後に、前記インバータが発生する帰線ノイズ電流を抑制するというメイン動作を前記アクティブフィルタ装置に開始させる、
ことを特徴とする請求項９に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１１】
前記断流器がオンとされた場合に前記フィルタコンデンサの充電が開始され、
前記フィルタコンデンサの充電後に、前記インバータが発生する帰線ノイズ電流を抑制するというメイン動作を前記アクティブフィルタ装置が開始する、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１２】
前記断流器、前記半導体減流器及び前記アクティブフィルタ装置に接続された制御装置を更に有し、
前記半導体減流器は、前記半導体スイッチ素子を含む複数の半導体スイッチ素子を有し、
前記制御装置は、前記断流器をオンとした後に前記アクティブフィルタ装置の異常が検出された場合、前記断流器及び前記アクティブフィルタ装置をオフにした後に、前記複数の半導体スイッチ素子のうちの所定の半導体スイッチ素子をオフにする、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１３】
前記半導体スイッチ素子は、第１の半導体スイッチ素子であり、
前記抵抗が、第１の抵抗であり、
前記半導体減流器は、更に、
前記第１の抵抗に直列接続された並列体を有し、
前記並列体は、
第２の半導体スイッチ素子と、
前記第２の半導体スイッチ素子に並列接続された第２の抵抗と
を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１４】
前記半導体スイッチ素子は、第１の半導体スイッチ素子であり、
前記抵抗が、第１の抵抗であり、
前記半導体減流器は、更に、
前記第１の抵抗に直列接続された第２の半導体スイッチ素子と、
前記第１の抵抗及び前記第２の半導体スイッチ素子に並列接続された第２の抵抗と
を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１５】
（削除）
【請求項１６】
前記アクティブフィルタ装置は、前記二次リアクトルに接続されたスイッチと、前記スイッチに接続された減流抵抗とを有し、
前記アクティブフィルタ装置は、前記一次リアクトルから前記二次リアクトル経由で伝搬した電位を検出した場合に、前記スイッチをオフとする、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１７】
前記アクティブフィルタ装置は、複数の半導体スイッチ素子を有するフルブリッジ回路を有し、
前記アクティブフィルタ装置は、前記一次リアクトルから前記二次リアクトル経由で伝搬した電位を検出した場合に、前記フルブリッジ回路の動作モードを還流モードとする、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１８】
前記一次リアクトルを構成する一次巻線と、前記二次リアクトルを構成する二次巻線との一方が、前記一次巻線と前記二次巻線との他方の一部を囲む、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項１９】
前記二次巻線が、前記一次巻線を囲んでおり、且つ、前記二次巻線の全体が前記前記一次巻線の一部と重複している、
ことを特徴とする請求項１８に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項２０】
前記一次リアクトルを構成する一次巻線と、前記二次リアクトルを構成する二次巻線とが、同一の軸に沿って離間している、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項２１】
前記結合係数は、１−（漏れインダクタンス／自己インダクタンス）の平方根であり、
前記自己インダクタンスに対する前記漏れインダクタンスが、前記結合係数が１未満となる値に調整されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項２２】
（削除）
【請求項２３】
前記電動機として、複数の電動機があり、
前記インバータが、複数のインバータ部を有し、
前記複数のインバータ部の各々について、
当該インバータ部には、前記複数の電動機のうち、当該インバータ部以外のいずれのインバータ部にも接続されていない一部の電動機が接続されている、
ことを特徴とする請求項１、４乃至１４、１６乃至２１のうちのいずれか１項に記載の鉄道車両用駆動システム。
【請求項２４】
架線からの直流電力を遮断する断流器と、鉄道車両を駆動する電動機を負荷とし直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記断流器と前記インバータとの間に介在し前記インバータを動作する際に発生する電圧の脈動を抑えるフィルタリアクトル及びフィルタコンデンサとを有する主回路を含んだ鉄道車両の駆動方法において、
前記断流器をオンとし、
前記断流器と前記インバータとに直列に接続された半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子に並列に接続された抵抗とを有し前記主回路に設けられた半導体減流器における半導体スイッチ素子をオンとし、
前記断流器及び前記半導体スイッチ素子がオン状態である場合に、前記インバータが発生する帰線ノイズ電流をアクティブフィルタ装置により抑制し、
前記アクティブフィルタ装置は、前記フィルタリアクトルを一次リアクトルとしたトランスにおける二次リアクトルに接続されており、且つ、前記主回路のＰ側と前記二次リアクトルを介して磁気結合されており、
前記一次リアクトルと前記二次リアクトルとの磁気結合の結合係数は、０．９５以下であり、
前記フィルタリアクトルのインダクタンス値が１ｍＨ以上４ｍＨ以下である、
ことを特徴とする鉄道車両の駆動方法。
【国際調査報告】
2020004578.tif 000021
2020004578.tif 000022
2020004578.tif 000023
2020004578.tif 000024