JP2020108328A - 電力変換装置および電力変換装置における電流制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタリアクトルの地絡による事故電流および架線電圧急変時の共振電流を抑制する、鉄道車両の駆動装置を提供する。【解決手段】駆動装置１Ｓは、架線１から供給された直流電力を交流電力に変換する電力変換装置６と、電力変換装置６の架線１側に接続されたフィルタリアクトル９と、フィルタリアクトル９の架線１側に接続されたスイッチング素子Ｑ７と、スイッチング素子Ｑ７に並列に接続された抵抗器１０１と、スイッチング素子Ｑ７の架線１側に接続され、直流電力を遮断する遮断器１１と、架線電圧を検出する電圧検出手段１３と、架線電流を検出する電流検出手段１２と、制御論理部１５と、を有する。制御論理部１５は、架線電圧または架線電流に基づいて、スイッチング素子Ｑ７をスイッチング制御してチョッピング動作させる制御と、スイッチング素子Ｑ７をオフ制御した後に遮断器１１を解放させて直流電力を遮断する制御とを行う。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置および電力変換装置における電流制御方法に関する。

鉄道車両駆動用の電機品である電力変換装置やフィルタリアクトルは、車両の床下に搭載されている。近年では、車両のメンテナンス性を向上するために、レールや架線の劣化および故障を把握するためのモニタリング装置の搭載が検討されている。車両の床下スペースは有限であることから、これらのモニタリング装置を車両に搭載するためには、駆動電機品を小型化する必要がある。

電力変換装置では、電圧駆動型のパワー半導体であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）が適用されている。ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴをはじめとするパワー半導体は、高速なスイッチング動作によりスイッチング損失を低減できることから、電力変換装置の冷却器を小型化することができる。

電力変換装置は、フィルタリアクトルを有する。フィルタリアクトルの小型化にはそのインダクタンス値を低減することが有効であるものの、電力変換装置の故障やフィルタリアクトルが地絡時に生じる事故電流の傾きは、フィルタリアクトルのインダクタンス値の低減により増加する。このため、変電所をトリップさせないよう事故電流を高速に減流する必要がある。

また、直流架線の鉄道車両では、直流架線の電圧が急激に変動することがある。この架線電圧急変が原因となり、フィルタリアクトルと電力変換装置に搭載されたフィルタキャパシタにより共振電流が生じる。フィルタリアクトルを小型化し、フィルタリアクトルのインダクタンス値を低減すると、この共振電流のピーク値が増加し、変電所の許容電流を超過する恐れがある。そこで、直流架線と電力変換装置の間に半導体素子と抵抗器で構成された装置を搭載することで、上記の事故電流と共振電流を抑制する技術が開発されている。

例えば特許文献１には、「限流抵抗と並列にトランジスタを接続する。電流センサーからの電流検出信号が設定値を越えるとトランジスタをＯＦＦして入力電流を限流し、電流が設定値未満となるとトランジスタをＯＮさせ限流抵抗を短絡する制御回路を設ける。さらに、遮断条件が成立したときトランジスタをオフしかかる後直流遮断器を解放させる遮断順次回路を設ける」ことが開示されている（特許文献１の要約書参照）。

特開平６−７０４５７号公報

しかしながら、特許文献１では、半導体減流装置よりも架線側にフィルタリアクトルが接続されており、電流センサーがフィルタリアクトルより負荷側に接続されているため、フィルタリアクトルの地絡による事故電流は検出できず、当該事故電流を減流することができない。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、鉄道車両において、フィルタリアクトルの地絡による事故電流および架線電圧急変時の共振電流をともに抑制することを目的とする。

かかる課題を解決するため本発明においては、電力変換装置は、架線から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの前記架線側に接続されたリアクトルとを有する。また、電力変換装置は、前記リアクトルの前記架線側に接続された半導体素子と、前記半導体素子に並列に接続された抵抗器と、前記半導体素子の前記架線側に接続され、前記直流電力を遮断する遮断器と、前記架線の架線電圧を検出する電圧検出手段と、前記架線を流れる架線電流を検出する電流検出手段とを有する。また、電力変換装置は、前記電圧検出手段により検出された前記架線電圧、または、前記電流検出手段により検出された前記架線電流に基づいて、前記半導体素子をスイッチング制御してチョッピング動作させる第一の制御と、前記半導体素子をオフ制御した後に前記遮断器を解放させて前記直流電力を遮断する第二の制御とを行う制御部を有する。

本発明によれば、鉄道車両において、フィルタリアクトルの地絡による事故電流および架線電圧急変時の共振電流をともに抑制できる。

実施例１における電気車の概略図である。 実施例１における駆動装置の回路図である。 実施例１における事故電流抑制時の駆動装置の動作波形である。 実施例１における共振電流抑制時の駆動装置の動作波形である。 実施例１における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。 実施例１における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。 実施例２における駆動装置の回路図である。 実施例３における駆動装置の回路図である。 実施例３における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。 実施例３における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。 実施例４における駆動装置の回路図である。 実施例４における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。 実施例４における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。 実施例５における駆動装置の回路図である。 実施例６における駆動装置の回路図である。 実施例６におけるフィルタリアクトルの二次巻線の電圧を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。 実施例７における鉄道車両（電気車）の駆動装置の構成の一例を示す図である。 実施例７における駆動装置を構成する各機器の制御（駆動装置のインバータ動作中の主回路入力電流（架線電流Ｉｓ）の急変発生時）を表すタイミングチャートの一例を示す図である。 実施例８における駆動装置を構成する各機器の制御（駆動装置のインバータ動作中の主回路入力電流（架線電流Ｉｓ）の急変発生時）を表すタイミングチャートの一例を示す図である。 実施例９における鉄道車両（電気車）の駆動装置の構成の一例を示す図である。

以下図面に基づき、本発明の実施例を詳述する。以下の実施例を説明するための各図において、同一の参照番号で同一あるいは類似の機能を有する要素または処理を示し、後出の説明が省略される。また、実施例および変形例のそれぞれは、本発明の技術思想の範囲内および整合する範囲内でその一部または全部を組合せることができる。

＜電気車および駆動装置の構成＞
図１は、実施例１に示す電気車の概略図である。図２は、実施例１における駆動装置の回路図である。

図１において、電気車１００を加速するための力行動作では、電力源の架線１から集電装置７を介して車両８に電力が供給される。図２に示すように、架線１から供給された直流電力は、遮断器１１と半導体減流装置１０とフィルタリアクトル９と電力変換装置６を介して直流電力から交流電力に変換される。電動機５は、変換された交流電力により駆動される。電動機５の駆動により、車輪３が回転し車両８が前進する。電動機５は、誘導電動機または永久磁石同期電動機のどちらでもよい。

電気車１００を減速するための回生動作では、電力の流れが力行動作の逆になる。すなわち、発電機として動作する電動機５が発電した交流電力は、電力変換装置６により直流電力に変換されたのちに、フィルタリアクトル９と半導体減流装置１０と遮断器１１と集電装置７を介して架線１に回生される。

電力変換装置６の負電圧側は、電気的なグラウンドとして、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、台車４は車両８を支えている。以下では架線１の電圧は一例として直流１５００Ｖとして説明する。

図２に示す駆動装置１Ｓは、電力変換装置６と、フィルタリアクトル９と、半導体減流装置１０と、遮断器１１と、電流検出手段１２と、電圧検出手段１３と、制御論理部１５とを有する。電動機５を駆動する電力変換装置６は、キャパシタ１０５およびスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を有する。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は直列接続されてＵ相を構成し、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は直列接続されてＶ相を構成し、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６は直列接続されてＷ相を構成する。

電力変換装置６は、例えばインバータである。電力変換装置６のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ逆並列接続される。ここで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がＩＧＢＴの場合には、ダイオードＤ１〜Ｄ６を接続する必要がある。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がＭＯＳＦＥＴなどボディダイオードを有する素子である場合には、ダイオードＤ１〜Ｄ６を接続せずにＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを利用することができる。また、直列接続されたスイッチング素子もしくはダイオードが同一のパッケージに搭載された２ｉｎ１素子を用いてもよい。

なお、本実施例では例えばインバータ自体を電力変換装置６と呼ぶが、電力変換装置６とフィルタリアクトル９と半導体減流装置１０と遮断器１１と電流検出手段１２と電圧検出手段１３と制御論理部１５とを含んだ駆動装置１Ｓも、電力変換装置と言い得る。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの電圧制御型スイッチング素子や、サイリスタなどの電流制御型スイッチング素子でよい。ダイオードＤ１〜Ｄ６は、ＰＮダイオードやＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）などでよい。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０およびダイオードＤ１〜Ｄ１０の半導体は、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）でもよい。

電力変換装置６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御されることにより、入力された直流電力を変換した交流電力を出力することで、電動機５に交流電力を供給する。ＰＷＭ制御の指令は、論理部（図示せず）で生成される。ここで、フィルタリアクトル９とキャパシタ１０５は、フィルタ回路としての機能を有しており、架線１へ流れ出るノイズ電流を低減している。

架線１の直流電圧は電圧センサー等の電圧検出手段１３を用いて検出される。また、架線１から電力変換装置６へ流れる電流は電流センサー等の電流検出手段１２を用いて検出される。制御論理部１５は、電圧検出手段１３で検出された架線電圧の値、および／または、電流検出手段１２で検出された架線電流の値を用いた演算処理結果に基づいて、半導体減流装置１０および遮断器１１に制御信号を出力する。なお、制御論理部１５は、電力変換装置６の論理部（図示せず）と共通でもよい。

本実施例の駆動装置１Ｓでは、遮断器１１とフィルタリアクトル９の間に半導体減流装置１０が接続されている。半導体減流装置１０は、スイッチング素子Ｑ７と、ダイオードＤ７と、抵抗器１０１とで構成されている。スイッチング素子Ｑ７には冷却器（図示せず）が接続されており、冷却器によりスイッチング素子Ｑ７の発熱が冷却される。

電力変換装置６の動作を説明する。電力変換装置６を駆動するためにはキャパシタ１０５を初期充電する必要がある。キャパシタ１０５の初期充電時には、スイッチング素子Ｑ７をオフ状態とし、遮断器１１を閉路とする。キャパシタ１０５の充電電流は、架線１から遮断器１１と抵抗器１０１とフィルタリアクトル９を介して流れる。この充電電流によりキャパシタ１０５は充電され、キャパシタ１０５の電圧は架線１の電圧まで上昇する。

キャパシタ１０５が充電されると、半導体減流装置１０のスイッチング素子Ｑ７はオン状態になる。電力変換装置６が動作を開始すると架線１から遮断器１１とスイッチング素子Ｑ７とフィルタリアクトル９を介して電力変換装置６に直流電力が供給される。

＜実施例１の事故電流の抑制方法＞
ここで、フィルタリアクトル９は車両８の床下の搭載されているため雨風等で絶縁性能が低下し、地絡することがある。例えば、フィルタリアクトル９と電力変換装置６の間で地絡が起きた場合、架線１から事故電流が流入する。同様に、電力変換装置６のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの相が短絡状態になると事故電流が流れる。この事故電流は架線１に直流電力を供給している変電所から流れるため、事故電流が変電所の許容電流を超過すると架線１への電力の供給が停止される。すなわち、事故電流は速やかに減流し遮断する必要がある。

図３の動作波形を用いて、本実施例の電力変換装置における事故電流の抑制方法を説明する。図３は、実施例１における事故電流抑制時の駆動装置の動作波形である。時刻ｔ＝ｔ１１において、フィルタリアクトル９の地絡または電力変換装置６の故障等により、図３の直線３０１で示すように架線電圧Ｅｓが低下し始めると共に、直線３０２で示すように事故電流が流れ始める。この事故は電流検出手段１２もしくは電圧検出手段１３を用いて検出する。時刻ｔ＝ｔ１１（あるいは時刻ｔ＝ｔ１１と時刻＝ｔ１２の間）で事故が検出されると、時刻ｔ＝ｔ１２において半導体減流装置１０のスイッチング素子Ｑ７がオフ状態にされる。

スイッチング素子Ｑ７がオフ状態になると架線１と抵抗器１０１が接続されるため、架線から流入する事故電流は架線１の電圧と抵抗器１０１の抵抗値の除算で定まる電流に抑制される。例えば、架線１の直流電圧が１５００Ｖ、抵抗器１０１の抵抗値が１０Ωの場合、１５０Ａとなる。その後、時刻ｔ＝ｔ１３において遮断器１１が解放され、事故電流が０Ａまで遮断される。また、半導体減流装置１０はフィルタリアクトル９よりも架線１側に接続されているため、電力変換装置６の故障のみならずフィルタリアクトル９の地絡による事故電流も抑制することができる。

＜実施例１の共振電流の抑制方法＞
一方、架線１の直流電圧は急激に変動することがある。例えば、架線１の直流電圧が１５００Ｖから１８００Ｖに急激に上昇すると、フィルタリアクトル９とキャパシタ１０５でのＬＣ共振回路が形成され、架線１から共振電流が流れる。フィルタリアクトル９のインダクタンス値を低減すると共振電流の正のピーク値が増加するため、速やかに抑制する必要がある。この架線電圧急変は事故ではないため、電力変換装置６の動作は継続する必要がある。

図４の動作波形を用いて、本実施例の電力変換装置における共振電流の抑制方法を説明する。図４は、実施例１における共振電流抑制時の駆動装置の動作波形である。時刻ｔ＝ｔ２１において、架線電圧急変が発生し、図４の破線４０１で示すような共振電流が流れ始める。この共振電流は電流検出手段１２もしくは電圧検出手段１３を用いて検出する。架線電圧急変が検出されると時刻ｔ＝ｔ２２において半導体減流装置１０のスイッチング素子Ｑ７がチョッピング動作を開始し、時刻ｔ＝ｔ２３までチョッピング動作を継続する。

チョッピング動作とはスイッチング素子Ｑ７のオン状態およびオフ状態を小刻みに繰り返すことである。スイッチング素子Ｑ７がオン状態の場合、架線１の直流電圧とキャパシタ１０５の電圧の電位差により架線１からキャパシタ１０５に向かって電流が流れる。スイッチング素子Ｑ７がオフ状態の場合、架線１とキャパシタ１０５の間に抵抗器１０１が接続されるため、架線１からキャパシタ１０５に流れる電流が減流される。このようにチョッピング動作することで、半導体減流装置１０は等価的に抵抗として機能し、図４の実線４０２で示すように、共振電流の正のピーク値を低減し、共振電流を速やかに抑制することができる。

スイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作におけるスイッチング周波数は、商用電源の周波数である５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの倍数の周波数とする。一例として、スイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作におけるスイッチング周波数は、商用電源の周波数が５０Ｈｚの場合には３００Ｈｚとし、商用電源の周波数が６０Ｈｚの場合には３６０Ｈｚとする。架線１の直流電圧は、交流商用電源を全波整流して生成している。このため、架線１の直流電圧は交流商用電源の周波数の倍数成分を含んでおり、通常、信号設備や通信設備はこれらの周波数を使用していない。すなわち、商用電源の周波数の倍数の周波数でスイッチング素子Ｑ７がチョッピング動作を行うことで、信号設備や通信設備に障害を与えることなく、チョッピング動作により共振電流を抑制できる。

以上より、半導体減流装置１０は、事故電流発生時にはスイッチング素子Ｑ７をオフ状態にしたのちに遮断器１１を解放することで事故電流を速やかに減流および遮断することができる。また、半導体減流装置１０は、架線電圧急変時にはスイッチング素子Ｑ７をチョッピング動作することで共振電流を速やかに抑制することができる。この結果、フィルタリアクトル９のインダクタンス値を低減しても、事故電流および共振電流を変電所の許容電流以下に抑制できる。

＜実施例１の架線電圧を用いた駆動装置の処理＞
図５を用いてスイッチング素子Ｑ７の動作フローを説明する。図５は、実施例１における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。図５は架線の電圧検出手段１３を用いてスイッチング素子Ｑ７の動作状態を制御する方法を示す。電圧検出手段１３を用いてスイッチング素子Ｑ７の動作状態を制御する方法を用いる場合には、駆動装置１Ｓにおいて、電流検出手段１２を省略可能である。

図５に示すように、先ず、ステップＳ１１では、制御論理部１５は、電圧検出手段１３を用いて架線１の架線電圧Ｅｓを検出する。続いて、ステップＳ１２では、制御論理部１５は、ステップＳ１１で検出した架線電圧Ｅｓから架線の基準電圧Ｅｓ０を減算した偏差ΔＥｓ（＝Ｅｓ−Ｅｓ０）を演算する。例えば、制御論理部１５は、一定周期でサンプリングした架線電圧Ｅｓと架線の基準電圧Ｅｓ０との電圧差を偏差ΔＥｓとする。

続いて、ステップＳ１３では、制御論理部１５は、ステップＳ１２で演算した偏差ΔＥｓが例えば２００Ｖより大であるかを判定する。制御論理部１５は、ステップＳ１２で演算した偏差ΔＥｓが２００Ｖより大である場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、ステップＳ１４に処理を移し、偏差ΔＥｓが２００Ｖ以下である場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、ステップＳ１５に処理を移す。

ステップＳ１４では、制御論理部１５は、スイッチング素子Ｑ７にチョッピング動作を行わせる。ステップＳ１４が終了すると、制御論理部１５は、ステップＳ１１に処理を戻す。

他方ステップＳ１５では、制御論理部１５は、ステップＳ１２で演算した偏差ΔＥｓが例えば−２００Ｖより小であるかを判定する。制御論理部１５は、ステップＳ１２で演算した偏差ΔＥｓが−２００Ｖより小である場合（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、ステップＳ１６に処理を移し、偏差ΔＥｓが−２００Ｖ以上である場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、ステップＳ１１に処理を戻す。

ステップＳ１６では、制御論理部１５は、スイッチング素子Ｑ７をオフ動作させて遮断器１１により遮断可能な程度まで事故電流を抑制する。続いて、ステップＳ１７では、制御論理部１５は、遮断器１１を解放する。ステップＳ１７が終了すると、制御論理部１５は、実施例１における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。

図３に示すとおり、フィルタリアクトル９の地絡等が生じると架線電圧Ｅｓは低下していくため、架線電圧の偏差ΔＥｓが発生する。この偏差ΔＥｓにしきい値を設け、例えば偏差ΔＥｓが−２００Ｖより低くなると地絡の発生を検出し、スイッチング素子Ｑ７をオフ状態にしたのちに遮断器１１を解放する。

また、図４に示すとおり、架線電圧急変が生じると架線電圧Ｅｓに偏差ΔＥｓが発生する。制御論理部１５は、この偏差ΔＥｓにしきい値を設け、例えば偏差ΔＥｓが２００Ｖより高くなると架線電圧急変の発生を検出しスイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作を開始する。このように架線電圧Ｅｓの偏差ΔＥｓを検出することで架線電圧急変および地絡を切り分けることができる。

＜実施例１の架線電流を用いた駆動装置の処理＞
図６は電流検出手段１２を用いてスイッチング素子Ｑ７を制御するときの動作フローを示す。図６は、実施例１における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。図６は、電流検出手段１２を用いて架線１から流入する電流を検出する方法を示す。電流検出手段１２を用いてスイッチング素子Ｑ７の動作状態を制御する方法を用いる場合には、駆動装置１Ｓにおいて、電圧検出手段１３を省略可能である。

ここで、電流検出手段１２を架線１と遮断器１１の間に接続することで、フィルタリアクトル９の地絡および電力変換装置６の故障による事故電流を共に検出することができる。例えば、フィルタリアクトル９と電力変換装置６の間に電流検出手段を接続すると、電力変換装置６の故障による事故電流は検出できるが、フィルタリアクトル９の地絡は検出できない。

図６に示すように、先ず、ステップＳ２１では、制御論理部１５は、電流検出手段１２で架線電流Ｉｓを検出する。続いて、ステップＳ２２では、制御論理部１５は、ステップＳ２１で検出した架線電流Ｉｓの変化率ｄＩｓ／ｄｔを演算する。

続いて、ステップＳ２３では、制御論理部１５は、ステップＳ２２で演算した変化率ｄＩｓ／ｄｔが例えば１０Ａ／ｍｓより大であるかを判定する。制御論理部１５は、ステップＳ２２で演算した変化率ｄＩｓ／ｄｔが１０Ａ／ｍｓより大である場合（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、ステップＳ２４に処理を移す。一方、制御論理部１５は、変化率ｄＩｓ／ｄｔが１０Ａ／ｍｓ以下である場合（ステップＳ２３：Ｎｏ）、ステップＳ２１に処理を戻す。

ステップＳ２４では、制御論理部１５は、スイッチング素子Ｑ７にチョッピング動作を行わせる。続いて、ステップＳ２５では、制御論理部１５は、架線電流Ｉｓを検出する。

続いて、ステップＳ２５では、制御論理部１５は、ステップＳ２５で検出した架線電流Ｉｓが例えば１５００Ａより大であるかを判定する。制御論理部１５は、ステップＳ２５で検出した架線電流Ｉｓが１５００Ａより大である場合（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、ステップＳ２７に処理を移し、架線電流Ｉｓが１５００Ａ以下である場合（ステップＳ２６：Ｎｏ）、ステップＳ２１に処理を戻す。

ステップＳ２７では、制御論理部１５は、スイッチング素子Ｑ７にチョッピング動作を行わせる。続いて、制御論理部１５は、スイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作をオフにする。続いて、ステップＳ２８では、制御論理部１５は、遮断器１１を解放する。ステップＳ２８が終了すると、制御論理部１５は、実施例１における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。

図４に示す通り、架線電圧急変が生じ架線電圧が上昇すると、架線電流Ｉｓが上昇し始める。この電流変化率を検出し、しきい値を越えるとスイッチング素子Ｑ７はチョッピング動作を開始する。電流変化率は制御論理部１５で演算され、例えば一定周期でサンプリングした架線電流Ｉｓと架線の基準電流Ｉｓ０との電流差を算出し、その値をサンプリング周期で除算して変化率ｄＩｓ／ｄｔを求める。ここで、電流変化率のしきい値は架線１のインダクタンス値も考慮して設定することが望ましい。上記のように、例えば、電流変化率が１０Ａ／ｍｓより大となった場合にスイッチング素子Ｑ７にチョッピング動作を開始させる。

図６において、ステップＳ２３で変化率ｄＩｓ／ｄｔがしきい値を超えると判定された架線電流Ｉｓの変化が、架線電圧急変による共振電流であれば、ステップＳ２４のスイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作により低減することができる。一方、ステップＳ２３で変化率ｄＩｓ／ｄｔがしきい値を超えると判定された架線電流Ｉｓの変化が、フィルタリアクトル９の地絡による事故電流であれば、ステップＳ２４のスイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作では抑制できず、架線電流Ｉｓは増大する。

そこで、図６のステップＳ２５に示すように、ステップＳ２４のスイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作開始後も架線１の電流を電流検出手段１２で検出する。そして、ステップＳ２６に示すように、架線１の架線電流Ｉｓにしきい値を設け、しきい値を越えるとスイッチング素子Ｑ７をオフ状態とする。スイッチング素子Ｑ７がオフ状態になると抵抗器１０１で事故電流が減流され遮断器１１を解放することで事故電流を０Ａまで遮断する。

このように、架線１の電流の変化率ｄＩｓ／ｄｔがしきい値以上になるとスイッチング素子Ｑ７にチョッピング動作を開始させ、チョッピング動作後の架線１の架線電流Ｉｓがしきい値以上になるとスイッチング素子Ｑ７をオフ状態にして遮断器１１を解放させる。これにより、共振電流および事故電流を共に抑制することができる。本実施例は、架線１の電流値をもとにスイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作を開始する特許文献１と比較して、架線１の電流変化率に応じてチョッピング動作を開始するので、遅延時間が短く、チョッピング動作に伴うスイッチング素子Ｑ７の損失を低減できる。

本実施例の駆動装置１Ｓでは、フィルタリアクトル９と、架線１側に接続された遮断器１１との間に半導体減流装置１０が接続されている。このため、フィルタリアクトル９の地絡による事故電流および架線電圧急変時の共振電流を共に検出して、抑制することができる。

なお、制御論理部１５は、ステップＳ２２での架線電流Ｉｓの変化率ｄＩｓ／ｄｔの演算に代えて、基準電流Ｉｓ０と架線電流Ｉｓとの偏差ΔＩｓを演算し、ステップＳ２３で偏差ΔＩｓをしきい値判定するとしてもよい。あるいは、制御論理部１５は、ステップＳ２２での架線電流Ｉｓの変化率ｄＩｓ／ｄｔの演算を省略し、ステップＳ２３で架線電流Ｉｓそのものをしきい値判定するとしてもよい。また、制御論理部１５は、架線電流Ｉｓの変化率ｄＩｓ／ｄｔまたは偏差ΔＩｓに代えて、架線電圧Ｅｓの変化率ｄＥｓ／ｄｔまたは偏差ΔＥｓを用いて共振電流および事故電流を検出するとしてもよい。

図７は、実施例２における駆動装置の回路図である。実施例２の駆動装置２Ｓにおける半導体減流装置１０Ｂは、実施例１の駆動装置２Ｓの半導体減流装置１０と比較して、スイッチング素子Ｑ８およびスイッチング素子Ｑ８の逆並列ダイオードＤ８と、抵抗器１０２とが追加されている。スイッチング素子Ｑ８と抵抗器１０２とは、直列に接続されている。また、スイッチング素子Ｑ８と抵抗器１０２とは、スイッチング素子Ｑ７および抵抗器１０１に対して並列に接続されている。

電力変換装置６を駆動するためにキャパシタ１０５を初期充電する際、キャパシタ１０５の初期充電時にはスイッチング素子Ｑ７、Ｑ８をオフ状態とし、架線１から遮断器１１、抵抗器１０１、フィルタリアクトル９を介してキャパシタ１０５に充電電流が流れる。すなわち、抵抗器１０１はキャパシタ１０５の充電抵抗として動作する。

キャパシタ１０５の初期充電が完了するとスイッチング素子Ｑ７、Ｑ８をオン状態とする。共振電流を抑制するためにスイッチング素子Ｑ８をオン状態にしたままスイッチング素子Ｑ７をチョッピング動作させる、もしくは、事故電流を抑制するためにスイッチング素子Ｑ８をオン状態にしたままスイッチング素子Ｑ７をオフ状態にする。このとき、抵抗器１０１、１０２に電流が流れるため、これらの合成抵抗は抵抗器１０１、１０２の並列値となる。

上記のように、実施例２に示す半導体減流装置１０Ｂでは、キャパシタ１０５の初期充電時の抵抗値と、スイッチング素子Ｑ７がオフ時の抵抗値を切り替えることができる。架線１の直流電圧が例えば１５００Ｖの場合、キャパシタ１０５を充電するときの抵抗値は充電電流のピーク値を抑制するため１０Ω前後である。一方、スイッチング素子Ｑ７をオフにするときの抵抗値はサージ電圧を抑制するために数Ωとする。

このように、抵抗器１０１と抵抗器１０２とを切り替える実施例２の半導体減流装置１０Ｂは、キャパシタ１０５の充電電流を抑制し、スイッチング素子Ｑ７がオフ時のサージ電圧を低減することができる。

なお、実施例２における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理、および、実施例２における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理は、それぞれ、図５に示すフローチャート、および、図５に示すフローチャートと同様である。

図８は、実施例３における駆動装置の回路図である。実施例３の駆動装置３Ｓは、実施例２の駆動装置２Ｓと比較して、フィルタリアクトル９に二次側巻線を設け第二の電力変換装置１４を接続している点が異なる。

第二の電力変換装置１４は、架線１を流れるノイズ電流を抑制する機能を有する。このノイズ電流は数Ａ程度であるのに対し、スイッチング素子Ｑ７が共振電流を抑制するためにチョッピング動作を実施すると、架線１には数十Ａ程度のリプル電流が重畳する場合があるが、第二の電力変換装置１４は、このリプル電流を抑制する必要はない。そのため、制御論理部１５は、第二の電力変換装置１４の電力容量を低減するために、スイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作時には、第二の電力変換装置１４の動作を停止させる。

＜実施例３の駆動装置の処理＞
図９は、実施例３における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。実施例３における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理は、図５に示す実施例１のフローチャートと比較して、ステップＳ１７に続くステップＳ１８において、制御論理部１５が、第二の電力変換装置１４をオフにする点が異なる。ステップＳ１８が終了すると、制御論理部１５は、実施例３における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。

また、図１０は、実施例３における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理例を示すフローチャートである。実施例３における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理は、図６に示す実施例１のフローチャートと比較して、ステップＳ２８に続くステップＳ２９において、制御論理部１５が、第二の電力変換装置１４をオフにする点が異なる。ステップＳ２９が終了すると、制御論理部１５は、実施例３における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。

実施例４の説明に先立ち、半導体減流装置（ＳＨＢ）とアクティブフィルタ（第二の電力変換装置）を組合せることで、フィルタリアクトル９を低インダクタンス化できる点について述べておく。フィルタリアクトル９は、インダクタンス値を低減して小型化を図ることで、重量軽減や駆動装置の設計容易性を高めるというメリットがある。しかし、フィルタリアクトル９は、事故電流発生時の架線電流の増加速度（時間傾き）の抑制機能と、架線から駆動装置に入り帰線に至るまでの電流経路に流れる帰線電流ノイズの抑制機能の要件充足が求められるため、インタクタンス値の低減に制限がある。

そこで、架線電流の増加速度（時間傾き）の抑制に関しては半導体減流装置（ＳＨＢ）を用い、帰線電流ノイズの抑制に関してはアクティブフィルタ（第二の電力変換装置）を用いて、フィルタリアクトル９の機能を補助することで、フィルタリアクトル９のインタクタンス値を、例えば従来の半分である４ｍＨ以下にできる。このように、フィルタリアクトル９の低インダクタンス化を図るため、駆動装置において半導体減流装置（ＳＨＢ）とアクティブフィルタ（第二の電力変換装置）を組合せて用いる。

図１１は、実施例４における駆動装置４Ｓの回路図である。実施例４の駆動装置４Ｓの半導体減流装置１０Ｃは、実施例３の駆動装置３Ｓの半導体減流装置１０Ｂと比較して、スイッチング素子Ｑ９およびスイッチング素子Ｑ９の逆並列ダイオードＤ９と、抵抗器１０３とが追加されている。

本実施例での電力変換装置６の動作を説明する。電力変換装置６を駆動するためにはキャパシタ１０５を初期充電する必要がある。キャパシタ１０５の初期充電時には、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８、Ｑ９をオフ状態とし、遮断器１１を閉路とする。キャパシタ１０５の充電電流は、架線１から遮断器１１と抵抗器１０１とフィルタリアクトル９を介して流れる。すなわち、抵抗器１０１はキャパシタ１０５の充電抵抗として動作する。この充電電流によりキャパシタ１０５は充電され、キャパシタ１０５の電圧は架線１の電圧まで上昇する。

キャパシタ１０５の初期充電が完了すると、半導体減流装置１０Ｃのスイッチング素子Ｑ７、Ｑ８、Ｑ９をオン状態とする。電力変換装置６が動作を開始すると架線１から遮断器１１とスイッチング素子Ｑ７とフィルタリアクトル９を介して電力変換装置６に直流電力が供給される。

ここで、フィルタリアクトル９の地絡や電力変換装置６の故障が発生し、架線電流Ｉｓの変化率ｄＩｓ／ｄｔ、架線電圧Ｅｓの変化率ｄＥｓ／ｄｔもしくは偏差ΔＥｓが閾値を超過したことを検出した場合に、スイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作を行い事故電流および架線電圧急変時の共振電流を抑制する。

このスイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作時には、架線電流Ｉｓと抵抗器１０１、１０２、１０３の合成抵抗の積の電位変動がフィルタリアクトル９の一次側にあらわれる。この電位変動は、フィルタリアクトル９の一次巻線と二次巻線の結合係数に応じて、第二の電力変換装置１４に印加され、第二の電力変換装置１４は印加された電圧に応じて電流を出力する。第二の電力変換装置１４は、架線１に流れるノイズ電流を抑制する機能を有するため、半導体減流装置１０Ｃのスイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作による電位変動に対して動作してしまうと、架線１に流れるノイズ電流の抑制を行う機能が損なわれる。

このため、抵抗器１０１、１０２、１０３の合成抵抗を小さくするために抵抗器１０３の抵抗値を例えば１Ω以下とし、スイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作時の電位変動を小さくして、半導体減流装置１０Ｃのスイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作時も、第二の電力変換装置１４の動作を継続させ、架線１に流れるノイズ電流の抑制機能が損なわれないようにする。スイッチング素子Ｑ７のチョッピング動作後も架線電流Ｉｓが増加する場合や架線電圧Ｅｓの変化率ｄＥｓ／ｄｔの抑制ができない場合には、スイッチング素子Ｑ８をオン状態にしたまま、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ９をオフし、抵抗器１０１、１０２で事故電流を減流した後、遮断器１１にて電流を遮断する。

＜実施例４の駆動装置の処理＞
図１２は、実施例４における架線電圧を用いた場合の駆動装置４Ｓの処理例を示すフローチャートである。実施例４における架線電圧を用いた場合の駆動装置４Ｓの処理は、図９に示す実施例３のフローチャートと比較して、ステップＳ１６に続くステップＳ１６Ｂにおいて、制御論理部１５が、スイッチング素子Ｑ９をオフにして減流動作を行う点が異なる。ステップＳ１６Ｂが終了すると、制御論理部１５は、事故電流／共振電流を抵抗器１０１、１０２に転流し減流動作を行った後、ステップＳ１７で遮断器を開放し、ステップＳ１８で第二の電力変換装置１４をオフにして、実施例４における架線電圧を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。

図１３は、実施例４における架線電流を用いた場合の駆動装置４Ｓの処理例を示すフローチャートである。実施例４における架線電流を用いた場合の駆動装置４Ｓの処理は、図１０に示す実施例３のフローチャートと比較して、ステップＳ２７に続くステップＳ２７Ｂにおいて、スイッチング素子Ｑ９をオフにして減流動作を行う点が異なる。ステップＳ２７Ｂが終了すると、制御論理部１５は、事故電流／共振電流を抵抗器１０１、１０２に転流し減流動作を行った後、ステップＳ２８で遮断器を開放し、ステップＳ２９で第二の電力変換装置１４をオフにして、実施例４における架線電流を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。

このように実施例４に示す半導体減流装置１０Ｃでは、キャパシタ１０５の初期充電時の抵抗値と、チョッピング動作時の抵抗値と、減流時の抵抗値を切り替えることができる。これにより、架線電圧急変時にも第二の電力変換装置１４の動作を継続することができ電気車１００の運転が継続可能である。

図１４は、実施例５における駆動装置５Ｓの回路図である。実施例５の駆動装置５Ｓの半導体減流装置１０Ｄは、実施例４の駆動装置４Ｓの半導体減流装置１０Ｃと比較して、充電抵抗として機能する抵抗器１０１と減流抵抗として機能する抵抗器１０２を、充電／減流用の抵抗器１０４に集約した点が異なる。

本実施例での電力変換装置６の動作を説明する。電力変換装置６を駆動するためのキャパシタ１０５の初期充電時には、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ９をオフ状態とし、遮断器１１を閉路とする。キャパシタ１０５の充電電流は架線１から遮断器１１と抵抗器１０４とフィルタリアクトル９を介して流れる。キャパシタ１０５の初期充電が完了するとスイッチング素子Ｑ７、Ｑ９をオン状態とする。

共振電流を抑制する際には、スイッチング素子Ｑ９をオン状態にしたままスイッチング素子Ｑ７をチョッピング動作させる。そしてチョッピング動作後、スイッチング素子Ｑ９をオフし、抵抗器１０４で減流後に遮断器１１で電流を遮断する。

このとき、チョッピング動作時は抵抗器１０４、１０３に電流が流れるため、これらの合成抵抗は抵抗器１０４、１０３の並列値となる。前述のように抵抗器１０３の抵抗値は１Ω以下であるため、第二の電力変換装置１４は電位変動により動作を阻害されない。

また事故電流を減流する場合には、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ９を共にオフ状態にする。このとき、抵抗器１０４に電流が流れ減流される。

本実施例のように、抵抗器１０１と抵抗器１０２とを抵抗器１０４に集約した場合でもスイッチング素子Ｑ７とスイッチング素子Ｑ９を切り替えることで、キャパシタ１０５の充電時の充電電流の抑制、事故電流および架線電圧急変時の共振電流の抑制、チョッピング動作時の第二の電力変換装置１４へ印加される電圧の抑制が可能である。また本実施例によれば、抵抗器１０１と抵抗器１０２とを抵抗器１０４へ集約することによって半導体減流装置１０Ｄの小型化を図ることができる。

なお実施例４では、抵抗器１０１では充電電流のピーク値を抑制するためその抵抗値を１０Ω前後とし、抵抗器１０２はサージ電圧を抑制するためその抵抗値を数Ωとしていた。本実施例では、抵抗器１０４の抵抗値を、抵抗器１０１と同様に１０Ω前後とした場合にはサージ電圧によりスイッチング素子Ｑ７を破壊してしまうため、数Ωとする。

また、抵抗器１０４の抵抗値を数Ωとした場合には、充電電流のピーク値は、実施例４のように抵抗器１０１を充電抵抗として用いた場合よりも高くなる。充電電流のピーク値が高くなった場合、車両の編成長によってはフィルタコンデンサ（キャパシタ１０５）の初期充電電流により変電所の遮断器をトリップさせないようにする必要がある。このため、充電電流のピーク値が変電所の遮断器をトリップさせないよう、同一編成内の各車両がフィルタコンデンサを同じタイミングで充電するのではなく、車両ごとに充電タイミングをずらす等の措置が必要となる。

なお実施例５の駆動装置５Ｓの処理フローは、実施例４と同様であり、架線電圧を用いる場合は図１２と同様であり、架線電流を用いる場合は図１３と同様である。

図１５は、実施例６における駆動装置６Ｓの回路図である。実施例６の駆動装置６Ｓは、実施例５の駆動装置５Ｓと比較して、フィルタリアクトル９の二次巻線の電圧を検出する手段を有している点が異なる。

実施例１〜５に記載のフィルタリアクトル９の地絡事故やインバータの短絡事故を検出する方法は、一定のサンプリング周期にて架線電圧の変動や架線電流の変動を検出するため、事故を検出するまでにサンプリング周期の数倍の時間がかかる。実施例１〜５にかかる主回路構成では、フィルタリアクトルのインダクタンスを低減しているために、地絡事故や短絡事故が発生した際、事故電流の傾きが急峻である。このため、事故電流を検知するまでの時間が長い場合、事故電流を検知した時には既に大きな電流となっていることから事故電流を抑制できず、変電所をトリップさせてしまう可能性がある。

そこで、本実施例では、図１５に例示するように、駆動装置６Ｓは、フィルタリアクトル９の二次巻線の電圧を検出する電圧検出手段１６を設けている。このように電圧検出手段１６を設けることで、フィルタリアクトル９の地絡事故および電力変換装置６の短絡事故による事故電流を共に高速に検出することができる。例えば、フィルタリアクトル９と電力変換装置６の間に電流検出手段を接続すると、電力変換装置６の短絡事故による事故電流は検出できるが、フィルタリアクトル９の地絡による事故電流は検出できない。

このようにすることで、本実施例では、架線電流Ｉｓの変化率ｄＩｓ／ｄｔや架線電圧Ｅｓの変化率ｄＥｓ／ｄｔといった差分処理に基づく検知と比較して、差分処理を行わずに事故を検知するため、短絡事故や地絡事故を高速に検知し、事故電流や共振電流を抑制することが可能である。

＜実施例６の駆動装置の処理＞
図１６は、実施例６におけるフィルタリアクトルの二次巻線の電圧を用いた場合の駆動装置６Ｓの処理例を示すフローチャートである。

図１６に示すように、先ず、ステップＳ３１では、制御論理部１５は、電圧検出手段１６でフィルタリアクトル９の二次電圧値（以下、ＶＡＦＬと称す）を検出する。続いて、ステップＳ３２では、制御論理部１５は、ステップＳ３１で検出したＶＡＦＬが例えば２００Ｖより大であるかを判定する。制御論理部１５は、ＶＡＦＬが２００Ｖより大である場合（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、ステップＳ３３に処理を移す。一方、制御論理部１５は、ＶＡＦＬが２００Ｖ以下である場合（ステップＳ３２：Ｎｏ）、ステップＳ３１に処理を戻す。

ステップＳ３３では、制御論理部１５は、スイッチング素子Ｑ７にチョッピング動作を行わせる。続いて、ステップＳ３４では、制御論理部１５は、ＶＡＦＬを検出する。続いて、ステップＳ３５では、制御論理部１５は、ステップＳ３４で検出したＶＡＦＬが例えば２００Ｖより大であるかを判定する。制御論理部１５は、ＶＡＦＬが２００Ｖより大である場合（ステップＳ３５：Ｙｅｓ）、ステップＳ３６に処理を移す。一方、制御論理部１５は、ＶＡＦＬが２００Ｖ以下である場合（ステップＳ３５：Ｎｏ）、ステップＳ３１に処理を戻す。

ステップＳ３６では、制御論理部１５は、スイッチング素子Ｑ７をオフにする。続いてステップＳ３７では、制御論理部１５は、スイッチング素子Ｑ９をオフにし、減流動作を行う。減流動作後のステップＳ３８で、制御論理部１５は、遮断器１１を開放し、共振電流／事故電流の遮断を行う。

続いて、ステップＳ３９では、制御論理部１５は、第二の電力変換装置１４をオフにする。ステップＳ３９が終了すると、制御論理部１５は、実施例６におけるフィルタリアクトルの二次巻線の電圧を用いた場合の駆動装置の処理を終了する。

なお、駆動装置６Ｓは、半導体減流装置１０Ｄに代えて、実施例１〜４における半導体減流装置１０、１０Ｂ、１０Ｃを備えても良い。半導体減流装置１０Ｄに代えて半導体減流装置１０、１０Ｂを備える場合の駆動装置６Ｓの処理フローは、図１６に示す処理フローからステップＳ３７が省略される。半導体減流装置１０Ｄに代えて半導体減流装置１０Ｃを備える場合の駆動装置６Ｓの処理フローは、図１６に示す処理フローと同様である。

次に、架線電流の急変時に、アクティブフィルタへのサージ電流流入を回避するためにアクティブフィルタの動作を停止させた後、速やかにアクティブフィルタを動作再開させる実施例７について、図１７および図１８を用いて説明する。

先ず、実施例７における鉄道車両（電気車）の駆動装置７Ｓの構成について説明する。図１７は、実施例７における鉄道車両（電気車）の駆動装置７Ｓの構成の一例を示す図である。

図１７に示すように、駆動装置７Ｓは、実施例３の駆動装置３Ｓと比較して、第二の電力変換装置１４（ＡＦ：アクティブフィルタ）の出力端子を２次巻線５２から切り離す交流スイッチ５３（ＡＣＳＷ）が設けられている点が異なる。架線電流Ｉｓの過電流発生時に交流スイッチ５３をオフすることでサージの侵入経路を遮断する。

半導体減流装置１０Ｂは、通常運転時の電流通流動作時には、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）、スイッチング素子Ｑ８（ＳＨＢＴｒ２）を共にオン状態とし、スイッチング素子Ｑ７経由で架線電流を通流する。

また半導体減流装置１０Ｂは、事故電流が発生した場合には、スイッチング素子Ｑ７、スイッチング素子Ｑ８を共にオフ状態とすることで架線電流を抵抗器１０１に転流する。架線電流は抵抗器１０１を介して流れるようになるため、事故電流の増加は止まり、減少に転じる。遮断器１１の能力で十分に電流遮断可能なレベルまで架線電流が減衰した後に遮断器１１をオフすることで、架線電流が遮断される。

第二の電力変換装置１４は、図示しない電流センサを用いて架線電流に含まれる帰線電流ノイズを検出し、これを打ち消すために必要な出力を演算し、この演算結果に基づく出力を、交流スイッチ５３を介して、主回路のフィルタリアクトル９（ＦＬ１）に設けた２次巻線５２（ＦＬ２）へ供給するノイズ低減動作を行う。第二の電力変換装置１４の出力は、フィルタリアクトル９と２次巻線５２間の磁気結合を介して架線電流の通過経路に注入され、帰線電流ノイズを低減する。

架線電流の通過経路と第二の電力変換装置１４の出力端子は、フィルタリアクトル９と２次巻線５２間の磁気結合を介して結合されている。このため架線電流が急峻に変化すると、フィルタリアクトル９の通過電流が急峻に変化するため、第二の電力変換装置１４の出力端子にサージ電圧・電流が流れ込み、第二の電力変換装置１４の回路を破損する可能性がある。このため、第二の電力変換装置１４へのサージ侵入を低減する手段が必要である。

サージの抑制には、複数の手段が考えられる。第二の電力変換装置１４側で可能な対策は、次の手段が挙げられる。第一の手段は、第二の電力変換装置１４で使用する素子の定格を大きくして耐電圧や耐電流特性を増強することである。第二の手段は、図１７に示すように、第二の電力変換装置１４の出力端子を２次巻線５２から切り離す交流スイッチ５３（ＡＣＳＷ）を設け、過電流発生時に交流スイッチ５３をオフすることでサージの侵入経路を遮断する。

なお、交流スイッチ５３は、アクティブフィルタ減流抵抗５４（ＡＦＤＲｅ）が並列接続されることが望ましい。アクティブフィルタ減流抵抗５４を接続することにより、交流スイッチ５３がオフの状態で架線電流が急峻に変化した場合に、交流スイッチ５３の両端に印可される電圧を抑制することができ、交流スイッチ５３に必要な耐電圧仕様を軽減できる。

アクティブフィルタ減流抵抗５４の抵抗値が小さいほど交流スイッチ５３の両端に印可される電圧が低減されるが、第二の電力変換装置１４の出力端子に流入する電流値が大きくなり、交流スイッチ５３のＡＦ保護機能が低下する。このため、アクティブフィルタ減流抵抗５４の抵抗値は、第二の電力変換装置１４の過電流耐量と交流スイッチ５３の過電圧耐量の両方を加味して決定する必要がある。

鉄道車両用の駆動装置は、通常動作時においても１０００Ａオーダーの架線電流が流れる大電流のシステムであるため、架線電流Ｉｓの時間傾き（ｄＩｓ／ｄｔ）が大きい。このため、上述の第一の手段では、第二の電力変換装置１４の素子定格増大に伴う質量・コストの上昇が大きく、現実的ではない。

また上述の第二の手段では、交流スイッチ５３をオフしている期間中は、過電流から第二の電力変換装置１４を保護できるものの、第二の電力変換装置１４の本来の機能である帰線電流ノイズの低減が行えないという問題がある。帰線電流ノイズの強度を信号機器の妨害規定値以下に保つため、集電装置７から帰線までの電流経路が導通しているとき、つまり遮断器１１と、半導体減流装置１０Ｂを構成するスイッチング素子Ｑ７との両方がオンしているときには、基本的に第二の電力変換装置１４が動作している必要がある。やむを得ず第二の電力変換装置１４の動作を一時的に停止する場合には、信号機器に影響を与えない時素の時間内に、第二の電力変換装置１４の動作を再開する必要がある。

一方で主回路側のサージ抑制手段としては、半導体減流装置１０Ｂを構成するスイッチング素子の動作シーケンスにより、架線電流Ｉｓの時間傾き（ｄＩｓ／ｄｔ）を小さくすることができる。急峻な架線電流の変化を検知した場合に、スイッチング素子Ｑ８がオンの状態でスイッチング素子Ｑ７をオフし、架線電流を抵抗器１０２に転流することで、電流変化を抑制することができる。結果としてフィルタリアクトル９の電流変化が抑制されるため、第二の電力変換装置１４に流入する突入電圧・電流の強度も抑制される。

なお、スイッチング素子Ｑ７をチョッピング動作することで、抵抗器１０１、抵抗器１０２の並列合成抵抗と０Ωの中間の抵抗値を疑似的に作り出すことができる。架線電流の転流先の抵抗値を連続的に変化させることができ、スイッチング素子Ｑ７オン時の架線電流の変動を抑制できる。抵抗器１０２への架線電流転流後にスイッチング素子Ｑ７をオンすると、転流先の抵抗値が瞬間的に０Ωに変化するため、スイッチング素子Ｑ７オンの瞬間に電流が急変し、第二の電力変換装置１４へのサージ原因となるが、チョッピング動作の通流率を段階的に時間変化させることで転流先の抵抗値を連続的に変化させ、電流の急変が無くサージの抑制が可能である。

＜架線電流の急変時の制御＞
次に、実施例７における、架線電流の急変時に、第二の電力変換装置１４へのサージ電流流入を回避するために第二の電力変換装置１４の動作を停止させた後、速やかに第二の電力変換装置１４を動作再開させる処理について、図１８を用いて説明する。図１８は、実施例７における駆動装置７Ｓを構成する各機器の制御（駆動装置７Ｓのインバータ動作中の主回路入力電流（架線電流Ｉｓ）の急変発生時）を表すタイミングチャートの一例を示す図である。なお図示の横軸のｔは時刻を表わす。

図１８に示すように、定常的な力行動作中（ｔ１０〜ｔ１１）では架線電流Ｉｓ＞０であり、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）およびスイッチング素子Ｑ８（ＳＨＢＴｒ２）は共にオンである。ｔ１０〜ｔ１１において、第二の電力変換装置１４は、信号機器に影響を与えないように帰線電流ノイズを低減するために動作しており、交流スイッチ５３（ＡＣＳＷ）はオン、第二の電力変換装置１４の出力を示すＡＦ制御ゲインは１００％である。

ここで、架線電圧の急変等が発生（ｔ１１）すると、架線電流Ｉｓが大きな時間変化（ｄＩｓ／ｄｔ）で増加する（ｔ１１〜ｔ１２）。この架線電流Ｉｓが所定閾値を超える時間傾きで時間変化したことが検知されると（ｔ１２）、交流スイッチ５３（ＡＣＳＷ）がオフにされることで第二の電力変換装置１４への突入電流経路が遮断され、第二の電力変換装置１４のＡＦ制御ゲインが０％にされることで第二の電力変換装置１４は動作を停止し保護される。同時にスイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）がオフにされ、架線電流Ｉｓを抵抗器１０２に転流する。ここで、抵抗値の大小関係は抵抗器１０１＞抵抗器１０２であるため、転流される架線電流Ｉｓは抵抗器１０２を優先的に流れる。架線電流Ｉｓは、抵抗器１０２を介して流れるため、架線電流Ｉｓの時間傾きは所定範囲内へ収束してゆく。

第二の電力変換装置１４を動作させても第二の電力変換装置１４が破損しないレベルの範囲内まで架線電流Ｉｓの時間傾きが収束したことが検知されると（ｔ１３）、交流スイッチ５３（ＡＣＳＷ）がオンにされる。ｔ１３以降、第二の電力変換装置１４のＡＦ制御ゲインが０％から徐々に上げられ、１００％まで復帰する。

ｔ１３からさらに時間経過し、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）をチョッピング動作させても第二の電力変換装置１４が破損しないレベルの範囲内まで架線電流Ｉｓの時間傾きが収束すると（ｔ１４）、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）のチョッピング動作を行う（ｔ１４〜ｔ１５）。チョッピング動作開始後、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）の通流率は徐々に上昇され、１００％つまり定常的なオン状態まで復帰される。

スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）が定常オン状態に戻ると（ｔ１６）、駆動装置７Ｓは、ｔ１０と同一の状態に復帰したことになり、通常力行状態に復帰する。なお、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）が定常オン状態に戻るタイミングは、第二の電力変換装置１４のＡＦ出力ゲインが信号機器に影響を与えないように帰線電流ノイズを低減するために必要な値まで上昇したタイミングと同一であっても良い。

なお、図１８に示すシーケンスにおいて、架線電流Ｉｓの時間傾き（ｄＩｓ／ｄｔ）が所定閾値を超過したことが検知されると（ｔ１３）、直ちにチョッピング動作を行わず、抵抗器１０２への転流を先に行うのは、時間傾き（ｄＩｓ／ｄｔ）が所定範囲内へ収束する前にチョッピング動作を行うと、チョッピング周波数の大振幅電流振動が架線電流Ｉｓとして流れ、第二の電力変換装置１４を破損させる可能性があるためである。抵抗転流により架線電流Ｉｓの時間変化が十分に収束してからスイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）のチョッピング動作を行うことで、第二の電力変換装置１４を破損させることなく、滑らかにスイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）を定常オン状態に戻すことができる。

本実施例によれば、架線電流急変を検知した際に半導体減流装置１０Ｂ（ＳＨＢ）を動作状態とし第二の電力変換装置１４（ＡＦ）を停止状態としてから、第二の電力変換装置１４の動作再開までの時間を、信号機器が誤動作を起こさない時素以上とすることなく、架線電流変動による第二の電力変換装置１４へのサージ電流流入を抑制することができる。

実施例７では、交流スイッチ５３（ＡＣＳＷ）オンおよびＡＦ制御ゲインの立ち上げ開始後に、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）のチョッピング動作を開始するとしたが、これに限らず、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）のチョッピング動作を開始後に、交流スイッチ５３（ＡＣＳＷ）のオンおよびＡＦ制御ゲインの立ち上げ開始を行ってもよい。この場合を実施例８として、図１９を参照して説明する。

図１９は、実施例８における駆動装置７Ｓを構成する各機器の制御（駆動装置７Ｓのインバータ動作中の主回路入力電流（架線電流Ｉｓ）に急変発生時）を表すタイミングチャートの一例を示す図である。実施例８では、実施例７との相違点を主に説明し、実施例７との共通点については説明を省略または簡略する。なお、実施例８の駆動装置の構成は、実施例７の駆動装置７Ｓと同様である。

架線電流Ｉｓの急峻な時間傾き（ｄＩｓ／ｄｔ）が発生し（ｔ３１）、この架線電流Ｉｓの時間傾きが所定閾値を超過したことが検知されると（ｔ３２）、交流スイッチ５３（ＡＣＳＷ）がオフ、第二の電力変換装置１４のＡＦ制御ゲインが０％にされることで、第二の電力変換装置１４が保護される。同時にスイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）がオフにされ、架線電流Ｉｓを抵抗器１０２に転流する。

架線電流Ｉｓの時間傾きが、第二の電力変換装置１４の動作を再開できる所定範囲内に収束していないが、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）のチョッピング動作を行っても第二の電力変換装置１４に影響を与えないレベルの範囲内まで収束すると、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）のチョッピング動作を開始する（ｔ３３）。第二の電力変換装置１４の動作を再開しても第二の電力変換装置１４に損傷を与えないレベルの範囲内まで架線電流Ｉｓの時間傾きが収束すると（ｔ３４）、交流スイッチ５３（ＡＣＳＷ）をオンし、ＡＦ制御ゲインを１００％に向かって徐々に戻してゆく。ＡＦ制御ゲインが１００％まで上昇かつスイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）のチョッピング動作が終了し定常的なオン状態となった時点で（ｔ３５）、駆動装置７Ｓは、ｔ３０と同一の状態に復帰となる。

スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）のチョッピング動作は、半導体減流装置１０Ｂ（ＳＨＢ）の両端から見た抵抗値を、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）オフにより架線電流Ｉｓを転流した抵抗器の抵抗値と０Ωとの間で連続的に変化させる効果を持つ。そのため、チョッピング動作中は、半導体減流装置１０Ｂ（ＳＨＢ）の結線位置に等価的に抵抗が挿入されている形となる。スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）の通流率が高い領域では、半導体減流装置１０Ｂ（ＳＨＢ）の等価的な抵抗値が下がるが、信号機器の時素よりも短くなる周期となるようにチョッピングの周波数を設定することで、信号機器への妨害を防止することができる。以上から、本シーケンスの通り、第二の電力変換装置１４（ＡＦ）がオンになる前にスイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）のチョッピング動作を行っても問題無い。

実施例２、３、７、８における半導体減流装置の構成方法の変形例として、図２０に示す半導体減流装置１０Ｉの構成（第２の構成）が考えられる。図２０は、実施例９における鉄道車両（電気車）の駆動装置９Ｓの構成の一例を示す図である。

半導体減流装置１０Ｉは、図７、図８、図１７に記載の半導体減流装置１０Ｂの構成（第１の構成）との差異として、スイッチング素子Ｑ７（ＳＨＢＴｒ１）と並列に接続されているスイッチング素子Ｑ８（ＳＨＢＴｒ２）と２つの抵抗器の配置が異なる。第１の構成では、スイッチング素子Ｑ８（ＳＨＢＴｒ２）による抵抗器１０１、１０２の合成抵抗の切り替えが抵抗の並列接続により行われるのに対し、第２の構成では、直列接続された２つの抵抗器１０１ａ、１０２ａのうち１つの抵抗器１０１ａの両端を短絡することで抵抗値の切り替えを行う。

図２０の形態においても、実施例７〜８で示したタイミングチャート（図１８、図１９参照）の通り各要素を動作させることで、実施例７〜８で述べた同様の効果が得られる。

上記の実施例１〜９の駆動装置１Ｓ〜７Ｓ、９Ｓを電気車に適用することで、電気車における事故電流や共振電流を抑制することが可能となる。また、上記の実施例１〜９の駆動装置１Ｓ〜７Ｓ、９Ｓを自動車や建機などの車両や、エレベータ装置に適用した場合にも、同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやす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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換・統合・分散をすることが可能である。また実施例で示した各処理は、処理効率または実装効率に基づいて適宜分散または統合してもよい。

１Ｓ，２Ｓ，３Ｓ，４Ｓ，５Ｓ，６Ｓ，７Ｓ，９Ｓ：駆動装置、１：架線、２：レール、５：電動機、６：電力変換装置、７：集電装置、８：車両、９：フィルタリアクトル、１０，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｉ：半導体減流装置、１１：遮断器、１２：電流検出手段、１３：電圧検出手段、１４：第二の電力変換装置、１５：制御論理部、１６：電圧検出手段、５２：２次巻線、５３：交流スイッチ、５４：アクティブフィルタ減流抵抗、１００：電気車、１０１，１０１ａ，１０２，１０２ａ，１０３，１０４：抵抗器、１０５：キャパシタ

Claims (19)

1. 架線から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの前記架線側に接続されたリアクトルと、
   前記リアクトルの前記架線側に接続された半導体素子と、
   前記半導体素子に並列に接続された抵抗器と、
   前記半導体素子の前記架線側に接続され、前記直流電力を遮断する遮断器と、
   前記架線の架線電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記架線を流れる架線電流を検出する電流検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された前記架線電圧、または、前記電流検出手段により検出された前記架線電流に基づいて、前記半導体素子をスイッチング制御してチョッピング動作させる第一の制御と、前記半導体素子をオフ制御した後に前記遮断器を解放させて前記直流電力を遮断する第二の制御とを行う制御部と
   を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記電圧検出手段および前記電流検出手段は、前記遮断器の前記架線側に接続されている
   ことを特徴とする請求項１の電力変換装置。
3. 前記制御部は、
   前記電圧検出手段により検出された前記架線電圧の基準電圧に対する偏差に基づいて、前記第一の制御と前記第二の制御とを行う
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、
   前記電流検出手段により検出された前記架線電流もしくは該架線電流の変化率に基づいて、前記第一の制御と前記第二の制御とを行う
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
5. 前記半導体素子に対して並列に接続され、第二の半導体素子と第二の抵抗器とが直列に接続された回路をさらに有し、
   前記制御部は、
   前記第二の半導体素子をオン制御した状態で前記第一の制御および前記第二の制御を行う
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記リアクトルの二次側に接続されている第二の電力変換装置をさらに有し、
   前記第一の制御の際、前記第二の電力変換装置の動作を停止させる
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記リアクトルの二次側に接続されている第二の電力変換装置をさらに有し、
   前記第一の制御および前記第二の制御の際、前記半導体素子のチョッピング動作に応じて前記リアクトルの一次側に現れる電位変動を抑制することで、前記第二の電力変換装置の動作を継続させる
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記半導体素子に対して並列に接続され、第二の半導体素子と第二の抵抗器とが直列に接続された回路と、前記半導体素子に対して並列に接続され、第三の半導体素子と第三の抵抗器とが直列に接続された回路と、をさらに有し、
   前記制御部は、
   前記第二の半導体素子と前記第三の半導体素子をオン制御した状態で前記第一の制御を行い、
   前記第二の半導体素子をオン制御し、前記第三の半導体素子をオフ制御した状態で、前記第二の制御を行う
   ことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記第三の抵抗器の抵抗値が、前記抵抗器と前記第二の抵抗器の各抵抗値よりも小さい
   ことを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記半導体素子に対して並列に接続され、第二の半導体素子と第二の抵抗器とが直列に接続された回路をさらに有し、
    前記制御部は、
    前記第二の半導体素子をオン制御した状態で前記第一の制御を行い、前記第二の半導体素子をオフ制御した状態で前記第二の制御を行う
    ことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
11. 前記抵抗器の抵抗値は、前記インバータを駆動するためにキャパシタを初期充電する際の所定の充電抵抗値よりも小さく、
    前記第二の抵抗器の抵抗値は、前記抵抗器の抵抗値よりも小さい
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記リアクトルの二次側電圧検出手段をさらに有し、
    前記制御部は、
    前記二次側電圧検出手段により検出された電圧に基づいて、前記第一の制御と前記第二の制御を行う
    ことを特徴とする請求項７〜１１の何れか１項に記載の電力変換装置。
13. 前記半導体素子のスイッチング動作におけるスイッチング周波数は、前記直流電力を生成する商用電源の電源周波数の倍数の周波数である
    ことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の電力変換装置。
14. 前記リアクトルの二次側に接続されている第二の電力変換装置をさらに有し、
    前記インバータの動作中において前記架線電流が所定閾値を超える時間傾きで変化した場合に、
    前記半導体素子をオフ状態、かつ、前記第二の電力変換装置を停止状態にし、
    前記半導体素子がオフ状態、かつ、前記第二の電力変換装置の停止状態から、前記第二の電力変換装置の動作を開始後、前記半導体素子を定常的なオン状態にする
    ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電力変換装置。
15. 前記半導体素子がオフ状態、かつ、前記第二の電力変換装置の停止状態から、前記第二の電力変換装置の動作を開始後、前記半導体素子の通流率を段階的に時間変化させて増加させるチョッピング動作を行ったのちに前記半導体素子を定常的なオン状態にする
    ことを特徴とする請求項１４に記載の電力変換装置。
16. 前記半導体素子がオフ状態、かつ、前記電力変換装置の停止状態から、前記半導体素子の通流率を段階的に時間変化させて増加させるチョッピング動作を開始後、前記電力変換装置の動作を開始したのちに前記半導体素子を定常的なオン状態にする
    ことを特徴とする請求項１４または１５に記載の電力変換装置。
17. 前記第二の電力変換装置の動作を開始後、信号機器に影響を与えない程度に帰線電流ノイズを低減するために必要な値まで前記第二の電力変換装置の出力制御ゲインが上昇したタイミングで、前記半導体素子を定常的なオン状態にする
    ことを特徴とする請求項１４〜１６の何れか１項に記載の電力変換装置。
18. 前記半導体素子を通流率を段階的に時間変化させて増加させるチョッピング動作させても前記第二の電力変換装置が破損しない範囲に前記架線電流の時間傾きが収束したタイミングで、前記半導体素子のチョッピング動作を開始する
    ことを特徴とする請求項１４〜１７の何れか１項に記載の電力変換装置。
19. 電力変換装置における電流制御方法であって、
    前記電力変換装置は、
    架線から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
    前記インバータの前記架線側に接続されたリアクトルと、
    前記リアクトルの前記架線側に接続された半導体素子と、
    前記半導体素子に並列に接続された抵抗器と、
    前記半導体素子の前記架線側に接続され、前記直流電力を遮断する遮断器と、
    前記架線の架線電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記架線を流れる架線電流を検出する電流検出手段と、
    制御部と
    を有し、
    前記制御部が、
    前記電圧検出手段により検出された前記架線電圧、または、前記電流検出手段により検出された前記架線電流に基づいて、前記半導体素子をスイッチング制御してチョッピング動作させる第一の制御と、前記半導体素子をオフ制御した後に前記遮断器を解放させて前記直流電力を遮断する第二の制御とを行う
    ことを特徴とする電流制御方法。

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