JP2005073384A

JP2005073384A - 低リプル電源装置

Info

Publication number: JP2005073384A
Application number: JP2003299893A
Authority: JP
Inventors: Manabu Souda; 学左右田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】交流系統電圧の１Ｈｚ〜電源周波数ｆ_０の範囲の周波数の変動により発生するリプル電圧を減衰することができ、これによって負荷コイル電流の低リプル化を実現することのできる低リプル電源装置を提供する。
【解決手段】交流系統電圧を所望の交流電圧に変圧する変圧器２と、変圧器２によって変圧された交流を制御整流する制御整流装置３と、制御整流装置３によって整流された脈流を平滑して負荷コイル５に供給するフィルタ４と、負荷コイル４の電流を検出する電流検出手段７と、制御整流装置３の直流出力経路に並列に接続され、少なくとも制御整流装置３で整流された脈流の波高値よりも大きな直流電圧を供給する補助電源２１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速器用コイル電源、超電導用コイル電源、強磁場発生用コイル電源など大強度の磁場を発生するための電源装置に係り、特に、超低リプルな磁場を発生させるのに好適な低リプル電源装置に関する。

近年、加速器用コイル、強磁場発生用コイル、各種物理実験装置などの大強度の磁場を発生させるための電源装置においては、大容量の電源が必要であることはもちろん、超低リプルの電源が必要となる。これらの電源のリプル含有率は、例えば、１×１０^−４以下に抑えることを要求されるのが一般的である。このような要求を満足する電源として、出力電圧範囲が数十Ｖ以下の場合には、制御整流装置の出力に電流制御用トランジスタを直列接続した電源が使用される。このような電源はトランジスタドロッパ方式電源と呼ばれ、小容量の電源においてはリプル含有率が非常に低い優れた性能を有している。

しかし、電圧が１００Ｖを越え、容量が数百ＫＷ以上となると、トランジスタで発生する損失が増大して実用的ではなくなる。このため、大容量の低リプル電源装置としては、図７に示すように制御整流装置の出力に直列にフィルタ回路を接続した方式が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。

図７において、交流系統母線１に接続された制御整流装置用変圧器２により系統電圧を所望の電圧に変換し、制御整流装置３にて交流電圧を直流電圧に変換する。制御整流装置３の出力は、高次調波のリプルを除去するためのフィルタ回路４を介して、負荷コイル５に供給される。

また、制御整流装置３を制御するために、制御整流装置３の出力電圧を検出する直流電圧検出器６と、負荷電流を検出する直流電流検出器７と、制御整流装置３の点弧角の基準を検出するための計測用変圧器８とが設けられている。ここで、定電流制御回路（ＡＣＲ）１０が電流基準信号９と直流電流検出器７で検出された負荷電流との差を入力とし、電流を一定に制御する電圧信号を出力して定電圧制御回路（ＡＶＲ）１１に加える。定電圧制御回路１１は直流電圧検出器６で検出された電圧信号と定電流制御回路１０の出力との差を入力とし、マイナーループにより電圧を制御する位相信号を位相制御回路（ＰＨＣ）１２に加える。位相制御回路１２は定電圧制御回路１１と計測用変圧器８の出力電圧から、制御整流装置３の点弧相と、点弧タイミングを決定するパルスを発生する。パルスアンプ（ＰＡ）１３は位相制御回路１２から出力されるパルスを増幅して制御整流装置３を構成する、例えば、サイリスタのゲートに加える。なお、本明細書では定電流制御回路１０と定電圧制御回路１１を併せて制御整流装置用出力決定手段１４と呼ぶこととする。

図７において、例えば、制御整流装置３が３相全波整流回路であれば、制御整流装置３の直流出力側には電源基本周波数ｆ_０の６倍の周波数（６ｆ_０）成分の高調波リプル電圧が最も多く含まれ、その他は制御整流装置３の点弧角のばらつきによる電源基本周波数ｆ_０と同一のリプル電圧及び３相交流の相間電圧の不平衡による電源基本周波数の２倍の周波数（２ｆ_０）のリプル電圧等が発生する。

これらのリプル電圧のうち電源基本周波数以上のリプルは、制御整流器３の出力についているフィルタ回路により減衰させることができる。また、系統電圧の非常にゆっくりした電圧変動に対しては、制御整流装置３の定電流制御回路１０及び定電圧制御回路１１によって補償することができる。
特開２００２−２７２１１３号公報

上述した従来の低リプル電源装置において、例えば、系統電圧が１Ｈｚ〜電源周波数ｆ_０の範囲の周波数で変動したことによって発生するリプル電圧に対して、このリプル電圧を制御整流装置３で補正するための応答特性を持たせると、外来ノイズなどの影響により負荷コイル５の電流を安定させることが困難となる。このため、制御整流装置３の応答特性は１Ｈｚ以下とするのが一般的であった。

一方、フィルタ回路４は電源周波数ｆ_０以上のリプルに対して減衰特性を示すため、系統電源電圧の１Ｈｚ〜電源周波数ｆ_０の範囲の周波数の変動によって発生するリプル電圧を減衰させることができない。このため、系統電源電圧の１Ｈｚ〜電源周波数ｆ_０の範囲の周波数の変動により負荷コイル５の電流にリプル電流が重畳するという問題が生じていた。また、系統電源電圧の１Ｈｚ〜電源周波数ｆ_０の範囲の周波数の変動は、不規則で突発的に発生することが多く、フィードフォワード制御や学習制御といった対策が講じ難いという問題もあった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、交流系統電圧の１Ｈｚ〜電源周波数ｆ_０の範囲の周波数の変動により発生するリプル電圧を減衰することができ、これによって負荷コイル電流の低リプル化を実現することのできる低リプル電源装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、
交流系統電圧を所望の交流電圧に変圧する変圧器と、
変圧器によって変圧された交流を制御整流する制御整流装置と、
制御整流装置によって整流された脈流を平滑して負荷コイルに供給するフィルタと、
制御整流装置の直流出力経路に並列に接続され、少なくとも制御整流装置で整流された脈流の波高値よりも大きな直流電圧を供給する補助電源と、
を備えた低リプル電源装置である。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の低リプル電源装置において、
補助電源は、
交流系統電圧を所望の交流電圧に変圧する第２の変圧器と、
第２の変圧器によって変圧された交流を整流する整流器と、
整流器によって整流された脈流を平滑し、その両端を直流電圧の出力端として制御整流装置の出力端に並列接続されたコンデンサと、
コンデンサと制御整流装置の接続経路に設けられ、抵抗値を変えて出力電流を制御するトランジスタドロッパ方式電源と、
を備えている。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の低リプル電源装置において、
補助電源は、
交流系統電圧を所望の交流電圧に変圧する第２の変圧器と、
第２の変圧器によって変圧された交流を整流する整流器と、
整流器によって整流された脈流を平滑し、その両端を直流電圧の出力端として制御整流装置の出力端に並列されるコンデンサと、
コンデンサと制御整流装置の接続経路に設けられ、オン、オフの時間幅を変えて出力電流を制御するチョッパ方式電源と、
を備えている。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の低リプル電源装置において、
制御整流装置は、その出力を一定に保持する制御整流装置用出力決定手段を備え、
補助電源は、負荷コイルに流れる電流を検出し、その検出値と電流基準値との差分をゼロにするための補助電源用出力決定手段を備えたものである。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の低リプル電源装置において、
負荷コイルに供給する定格電流をＩ_０とし、リプルにより定格電流Ｉ_０より増加した電流分の最大値をΔＩ_ｍａｘとすると、制御整流装置出力決定手段はＩ_０−ΔＩ_ｍａｘで表される電流値以下の一定電流を出力するものである。

請求項６に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の低リプル電源装置において、
補助電源は、
系統電圧の変動を検出する電圧変動検出手段と、
電圧変動検出手段で検出された電圧変動に基づいて、系統電圧の変動と逆位相で、変動幅に比例した大きさの電流を、補助電源に出力させる補助電源用出力決定手段を備えたものである。

本発明によれば、交流系統電圧の１Ｈｚ〜電源周波数ｆ_０の範囲の周波数の変動により発生するリプル電圧を減衰することができ、これによって負荷コイル電流の低リプル化を実現することのできる低リプル電源装置が提供される。

以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る低リプル電源装置の第１の実施形態の構成を示すブロック回路図である。図中、従来装置を示す図７と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態では、少なくとも制御整流装置３で整流された脈流の波高値よりも大きな直流電圧を供給する補助電源２１を制御整流装置３の直流出力経路に並列に接続した点が図７と構成を異にし、これ以外は図７と同一に構成されている。

上記のように構成された第１の実施形態の動作について、特に、図７と構成を異にする点を中心にして以下に説明する。先ず、制御整流装置３の出力経路に接続されたフィルタ回路４によって、電源周波数ｆ_０以上のリプル電圧が除去され、系統電圧の非常にゆっくりした電圧変動に対しては、制御整流装置３の定電流制御回路１０及び定電圧制御回路１１によって補償され、系統電圧の１Ｈｚ〜電源周波数ｆ_０の範囲の周波数のリプル分は、制御整流装置３の出力経路に並列に接続された補助電源２１によって補償される。この結果、全周波数領域に亘ってリプル電圧を減衰することができ、これによって、負荷コイル電流の低リプル化を実現することができる。

この場合、負荷コイル５に供給される電流のうち、主たる部分の電流は制御整流器３から供給され、補助電源２１からは系統電圧の１Ｈｚ〜電源電圧周波数ｆ_０の範囲の周波数の変動による負荷コイル電流のリプル分を補償するように出力される。従って、補助電源２１は負荷コイル５の電流リプル分程度の電流を供給する容量があればよく、高速性、対ノイズ性は、負荷コイル電流の主たる部分の電流を供給する制御整流装置３に比して格段に優れた性能を待たせることができる。

また、負荷コイル電流の主たる部分の電流は、制御整流装置３から供給され、補助電源２１からは負荷コイル電流のリプル分を補償する電流しか供給されないため、装置全体の電力損失は、例えば、直列補償のトランジスタドロッパ方式の電源と比較して大幅に低く抑えらる。

図２は図１に示した補助電源２１の具体的な構成例を示す回路図である。ここに示した補助電源２１Ａは、１次巻線が交流系統母線１に接続され、２次巻線から、前述した制御整流装置３の出力電圧の波高値よりも僅かに大きい振幅を持った電圧を出力する補助電源用変圧器２２を備えている。この補助電源用変圧器２２の２次巻線には６個の整流素子が３相ブリッジ接続された整流器２３の交流端が接続されている。この整流器２３の直流端には平滑コンデンサ２５が並列接続され、さらに、直流経路にその抵抗値を変えて出力電流を制御する、制御回路を省略したトランジスタドロッパ方式電源２４が直列に接続されている。

次に、図２に示した補助電源２１Ａの動作について説明する。補助電源用変圧器２２は交流系統母線１から高圧の電圧を入力して、制御整流装置３の出力電圧の波高値よりも僅かに大きい振幅を持った電圧を出力する。この電圧は整流器２３により全波整流され、さらに、平滑コンデンサ２５で平滑された後、トランジスタドロッパ方式電源２４により、負荷コイル５のリプル分を補償するような電流制御が行われる。これによって、負荷コイル電流の低リプル化を実現することができる。

この場合、トランジスタドロッパ方式電源２４には、スイッチング動作を伴うことのない連続通電動作をさせるため、補助電源２１Ａの出力に不要な高周波リプルが含まれないという利点があり、負荷コイル電流の低リプル化を容易に実現することができる。また、制御整流装置３の出力経路にトランジスタドロッパ方式電源２４を直列に接続する場合と比較して、補助電源は負荷コイル電流のリプル分を補償する電流を流すのみで、主たる電流は制御整流装置３から出力することから、電力損失を大幅に低減することができる。

図３は図１に示した補助電源２１のもう１つの具体的な構成例を示す回路図である。ここに示した補助電源２１Ｂは図２に示したトランジスタドロッパ方式電源２４の代わりに、オン、オフの時間幅を変えて出力電流を制御するチョッパ方式電源２６を用いた点が図２と構成を異にし、これ以外は図２と同一に構成されている。ここで、チョッパ方式電源２６は、例えば、ＩＧＢＴでなるスイッチング素子Ｓ１及びＳ２の直列接続回路と、これらのスイッチング素子Ｓ１及びＳ２にそれぞれ逆並列接続されたダイオードＤ１及びＤ２と、スイッチング素子Ｓ１及びＳ２の相互接続点に一端が接続されたリアクトルＬとで構成され、このうち、スイッチング素子Ｓ１及びＳ２の直列接続回路が平滑コンデンサ２５に並列接続され、リアクトルＬの他端が正の出力端となり、スイッチング素子Ｓ２のエミッタ側が負の出力端になっている。

次に、図３に示した補助電源２１Ｂの動作について、特に、図２と構成を異にするチョッパ方式電源２６を中心にして説明する。ここでは、図示を省略した制御回路により、チョッパの出力電流を負荷コイル電流のリプル分を補償するように制御する。具体的にはスイッチング素子Ｓ１をオン、オフするデューティサイクルを制御して供給電流を、スイッチング素子Ｓ２をオン、オフするデューティサイクルを制御して回生電流をそれぞれ制御することによって負荷コイル電流のリプル分を補償する。これによって、図２に示した補助電源２１Ｂと同様に、負荷コイル電流の低リプル化を実現することができる。一般にチョッパ方式電源は、トランジスタドロッパ方式電源に比較して損失が小さいという特徴がある。このため、補助電源での発生損失を低減しつつ、負荷コイル電流の低リプル化を実現することができる。

また、チョッパ方式では、一般的にスイッチング動作に伴って高周波リプルが出力電流に含まれるためチョッパ回路の各位相をずらして多重化した、多相多重チョッパを用い、リプル分を高周波にすることによって、容易にフィルタ回路により高周波リプルを低減することができる。

図４は本発明に係る低リプル電源装置の第２の実施形態として、図１に示した制御整流装置３の制御部と、図２又は図３に示した補助電源２１Ａ又は補助電源２１Ｂの制御部の構成を示すブロック図である。図１に示した第１の実施形態においては制御整流装置３を制御するために、基準電流と直流電流検出器７による検出電流との差をゼロにする制御整流装置用出力決定手段１４を含むように制御部を構成したが、この実施形態では制御整流装置３の出力を常に一定に保持する指令値を出力する制御整流装置用出力決定手段１４Ａを含むように制御部を構成し、負荷コイル５に流れる電流を電流基準値に一致させる機能を補助電源２１Ａ又は補助電源２１Ｂに持たせるように構成したものである。

この場合、制御整流装置３を制御するための制御部は、計測用変圧器８と、常に一定の点弧相と、点弧タイミングを決定するパルスを発生する制御整流装置用出力決定手段１４Ａと、位相制御回路１２と、パルスアンプ１３とで構成され、補助電源２１Ａ又は補助電源２１Ｂの制御部は、電流基準信号９と直流電流検出器７によるコイル負荷電流検出値との偏差分を、例えば、比例、積分演算により補助電源駆動信号を生成する定電流制御回路３１を含む補助電源用出力決定手段３２で構成されている。

この構成によれば、負荷コイル電流の主たる電流を出力する制御整流装置３の出力決定手段１４Ａの出力は一定値とし、補助電源の出力決定手段の出力は、負荷コイル５の電流検出値と電流基準信号９との差分をゼロに制御するように出力する。この時、電流基準信号は負荷コイル電流の定格電流（目標値）に相当する値とすることによって、補助電源からの補正電流により、実際の負荷コイル電流を定格電流（目標値）に等しくすることができる。

このような制御方式を適用することの利点は、制御整流装置の出力は一定値であるため、制御整流装置と補助電源間の相互干渉をなくすことができ、安定に動作させることができることにある。このとき、補助電源のリプル補償帯域を直流レベルまで広げることにより、系統電圧の非常にゆっくりとした変動に対しても、負荷コイル電流に定常偏差を発生させることなく低リプル化が実現できる。

図５は図４に示した第２の実施形態において、負荷コイル５の電流、制御整流装置３の出力電流、補助電源２１Ａ又は２１Ｂの出力電流の関係を示す波形図である。図に示すように負荷コイル５に供給する定格電流をＩ_０とし、リプルにより定格電流Ｉ_０より増加した電流分の最大値をΔＩ_ｍａｘとすると、制御整流装置３の出力電流は、（Ｉ_０−ΔＩ_ｍａｘ）以下とすることにより、補助電源は、常に正の電流を一方向にのみ出力することになり、制御の応答性、線形性の点からリプル電流の補正が容易になる。

図６は本発明に係る低リプル電源装置の第３の実施形態として、図１に示した制御整流装置３の制御部と、図２又は図３に示した補助電源２１Ａ又は補助電源２１Ｂの制御部の構成を示すブロック図である。図中、図１に示した第１の実施形態と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は、交流系統母線１の電圧の変動を検出する電圧変動検出手段４１と、補助電源２１Ａ又は補助電源２１Ｂに、系統電圧の変動と逆位相で、変動幅に比例した大きさの電流を出力させる補助電源用出力決定手段４２を付加した点が図１とはその制御部の構成を異にしている。

上記のように構成された第３の実施形態の動作について、特に、図１と構成を異にする部分を中心にして以下に説明する。負荷コイル５の電流にリプル電流を生じさせる要因は、系統電源電圧が１〜電源周波数ｆ０の範囲の周波数で変動することが大きな要因である。このため、系統電源電圧の変動分を電圧変動検出手段４１を用いて検出し、補助電源の出力を電圧変動と逆位相で、変動幅に比例して出力する補助電源用出力決定手段４２を用いることにより、リプル電流の要因をフィードフォワード的に直接制御する。これによって、負荷コイル電流のリプルを減衰することができる。

本発明に係る低リプル電源装置の第１の実施形態の構成を示すブロック回路図。図１に示した第１の実施形態を構成する補助電源の具体的な構成例を示す回路図。図１に示した第１の実施形態を構成する補助電源の他の具体的な構成例を示す回路図。本発明に係る低リプル電源装置の第２の実施形態として、図１に示した制御整流装置の制御部と、図２又は図３に示した補助電源の制御部の構成を示すブロック図。図４に示した第２の実施形態において、負荷コイルの電流、制御整流装置の出力電流、補助電源の出力電流の関係を示す波形図。本発明に係る低リプル電源装置の第３の実施形態として、図１に示した制御整流装置の制御部と、図２又は図３に示した補助電源の制御部の構成を示すブロック図。従来の低リプル電源装置の構成を示すブロック回路図。

符号の説明

１交流系統母線
２制御整流装置用変圧器
３制御整流装置
４フィルタ回路
５負荷コイル
６直流電圧検出器
７直流電流検出器
８計測用変圧器
１４，１４Ａ制御整流装置用出力決定手段
２１，２１Ａ，２１Ｂ補助電源
２２補助電源用変圧器
２３整流器
２４トランジスタドロッパ方式電源
２５平滑コンデンサ
２６チョッパ方式電源
３１定電流制御回路
３２補助電源用出力決定手段
４１電圧変動検出手段
４２補助電源用出力決定手段

Claims

交流系統電圧を所望の交流電圧に変圧する変圧器と、
前記変圧器によって変圧された交流を制御整流する制御整流装置と、
前記制御整流装置によって整流された脈流を平滑して負荷コイルに供給するフィルタと、
前記制御整流装置の直流出力経路に並列に接続され、少なくとも前記制御整流装置で整流された脈流の波高値よりも大きな直流電圧を供給する補助電源と、
を備えた低リプル電源装置。
前記補助電源は、
前記交流系統電圧を所望の交流電圧に変圧する第２の変圧器と、
前記第２の変圧器によって変圧された交流を整流する整流器と、
前記整流器によって整流された脈流を平滑し、その両端を直流電圧の出力端として前記制御整流装置の出力端に並列接続されたコンデンサと、
前記コンデンサと前記制御整流装置の接続経路に設けられ、抵抗値を変えて出力電流を制御するトランジスタドロッパ方式電源と、
を備えた請求項１に記載の低リプル電源装置。
前記補助電源は、
前記交流系統電圧を所望の交流電圧に変圧する第２の変圧器と、
前記第２の変圧器によって変圧された交流を整流する整流器と、
前記整流器によって整流された脈流を平滑し、その両端を直流電圧の出力端として前記制御整流装置の出力端に並列されるコンデンサと、
前記コンデンサと前記制御整流装置の接続経路に設けられ、オン、オフの時間幅を変えて出力電流を制御するチョッパ方式電源と、
を備えた請求項１に記載の低リプル電源装置。
前記制御整流装置は、その出力を一定に保持する制御整流装置用出力決定手段を備え、
前記補助電源は、前記負荷コイルに流れる電流を検出し、その検出値と電流基準値との差分をゼロにするための補助電源用出力決定手段を備えた、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の低リプル電源装置。
前記負荷コイルに供給する定格電流をＩ_０とし、リプルにより定格電流Ｉ_０より増加した電流分の最大値をΔＩ_ｍａｘとすると、前記制御整流装置出力決定手段はＩ_０−ΔＩ_ｍａｘで表される電流値以下の一定電流を出力する請求項４に記載の低リプル電源装置。
前記補助電源は、
前記系統電圧の変動を検出する電圧変動検出手段と、
前記電圧変動検出手段で検出された電圧変動に基づいて、前記系統電圧の変動と逆位相で、変動幅に比例した大きさの電流を、前記補助電源に出力させる補助電源用出力決定手段を備えた、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の低リプル電源装置。