JP2007189846A - 大電流発生方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】制御回路7は、並列接続用スイッチ5-1,…,5-N+1および6-1,…,6-Nをオフした状態で直列接続用スイッチ4-1,…,4-Nおよび励磁スイッチ3をオンする。次に、励磁電流が予め与えた値Ioになると、励磁スイッチ3をオフすると共に並列接続用スイッチ5-1,…,5-N+1および6-1,…,6-Nを全てオンする。次に、直列接続用スイッチ4-1,…,4-Nをオフする。
【効果】エネルギー分配による損失が無くなる。負荷の抵抗値はかなりの自由度をもって選ぶことが出来る。原理的に出力電流値に上限がなくなる。
【選択図】図1
Description
この大電流発生装置500において、電流取出しスイッチ54は開いた状態で励磁スイッチ53を閉じると、電源1から励磁電流Ipが供給されて誘導性エネルギー蓄積用コイル2が励磁され誘導性エネルギーが蓄積される。
図13に示すように、誘導性エネルギー蓄積用コイル2に誘導性エネルギーが蓄積された段階で電流取出しスイッチ54を閉じると共に励磁スイッチ53を開くと、誘導性エネルギー蓄積用コイル2に蓄積された誘導性エネルギーが出力トランス55を介して負荷Rに供給される。
電気学会・大電流エネルギー応用技術調査専門委員会編「大電流エネルギー工学」、オーム社、pp.107-108. J.Kaugerts, et.al. "Magnet and Superconductor Development for a High Power SMES Based Power ModuIator" Paper presented at the 16th lntern. Conference on Magnet Technology, Sep 26-Oct 2, 1999, USA.
(1)誘導性エネルギー蓄積用コイル2と出力トランス55の一次側コイルが直列に接続されている。このため、誘導性エネルギー蓄積用コイル2に蓄積した誘導性エネルギーは両コイルに分配され、一部しか負荷Rに取り出せない。すなわち、エネルギー分配による損失がある。
(2)出力トランス55を昇圧トラスとすると、負荷Rに取り出せる電流Isが一次側に流れる電流より小さくなる。
(3)出力トランス55を降圧トランスとすると、負荷Rに取り出せる電流Isを一次側に流れる電流より大きく出来るが、負荷Rの抵抗値が一次側から見ると「一次側巻数p/二次側巻数s」の2乗倍になり、「一次側に流れる電流×負荷Rの抵抗値×(「p/s」の2乗)」という高電圧が一次側に発生することになる。このため、励磁スイッチ53は耐電圧の大きい高性能なものを使わなければならない。あるいは、出力電流値を大きくすればするほど負荷Rの抵抗値をゼロにしていかなければならない。
そこで、この発明の目的は、エネルギー分配による損失が無く、原理的に出力電流値に上限のない大電流発生方法および装置を提供することにある。
上記第1の観点による大電流発生方法では、誘導性エネルギー蓄積用コイルを誘導性エネルギー蓄積用と電流出力用とに兼用しているため、エネルギー分配による損失が無い。また、従来の出力トランスのように一次側・二次側といった区別が無く、負荷の抵抗値が一次側から見ると「一次側巻数/二次側巻数」の2乗倍になるといったことも無いため、負荷の抵抗値はかなりの自由度をもって選ぶことが出来る。さらに、誘導性エネルギー蓄積用コイルの個数をNとすると、誘導性エネルギー蓄積時の励磁電流値IoのN倍の電流を負荷へ供給でき、原理的に出力電流値に上限がなくなる。
上記第2の観点による大電流発生装置では、前記第1の観点による大電流発生方法を好適に実施できる。
上記第3の観点による大電流発生装置では、制御回路のスイッチシーケンスにより前記第1の観点による大電流発生方法を好適に実施できる。また、並列接続用スイッチの一部や直列接続用スイッチの一部だけをオン/オフすることにより、誘導性エネルギーを負荷へ供給する際の並列数を変えることができ、負荷電流を調節できる。
上記第4の観点による大電流発生装置では、最適のタイミングで制御回路のスイッチシーケンスを進めることができ、短時間で励磁し、励磁後短時間で出力でき、抵抗による損失を小さくすることが出来る。
この大電流発生装置100は、電源1と、N(>2)個の誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-Nと、誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-Nを直列接続するための直列接続用スイッチ4-1,…,4-Nと、直列接続用スイッチ4-1,…,4-Nにより直列接続した誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-Nに電源1を接続するための励磁スイッチ3と、誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-Nを負荷Rに並列接続するための並列接続用スイッチ5-1,…,5-N+1および6-1,…,6-Nと、直列接続用スイッチ4-1,…,4-Nや励磁スイッチ3や並列接続用スイッチ5-1,…,5-N+1および6-1,…,6-Nのオン/オフを制御する制御回路7とを具備している。
図4に、大電流発生装置100の誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-Nの数Nを3個にした場合の励磁電流(入力電流)と出力電流の実測値を示す。
電源1は、一定の電流(58.8mA)が流れる定電流電源を用いた。励磁スイッチ3は省略した(常時オンでよいため)。
直列接続用スイッチ4-1,…,4-N、並列接続用スイッチ5-1,…,5-N+1および6-1,…,6-Nは、機械的な電磁リレースイッチを用いて、トリガによりオン/オフさせた。なお、スイッチが機械的な電磁リレースイッチのため、トリガが入ってからリレーの接点が動き、オンもしくはオフになるまで、若干の時間遅れがある。
図4において、トリガから8.6msまでが誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-3に誘導性エネルギーを蓄積している時間である。この後、並列接続用スイッチ5-1,…,5-4および6-1,…,6-3がオンになる。その4.8ms後に直列接続用スイッチ4-1,…,4-3がオフになり、負荷Rに入力電流の2.98倍の175.0mAの出力電流が流れた。
(1)誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-Nを誘導性エネルギー蓄積用と電流出力用とに兼用しているため、エネルギー分配による損失が無い。
(2)従来の出力トランスのように一次側・二次側といった区別が無く、負荷Rの抵抗値が一次側から見ると「一次側巻数/二次側巻数」の2乗倍になるといったことも無いため、負荷Rの抵抗値はかなりの自由度をもって選ぶことが出来る。
(3)誘導性エネルギー蓄積時の励磁電流値IoのN倍の電流を負荷Rへ供給でき、原理的に出力電流値に上限がなくなる。
(4)各誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-Nに流れる電流は、磁束Φの保存により維持されているため、負荷Rの抵抗値に依存しないで電流値を決められる。
(5)誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-Nの各部の電位差は非常に小さく、高電圧部が無い。従って、誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-Nを冷却水等の液体の中に漬けて動作させることが可能になり、特に冷却水を液体窒素にすれば誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-Nを構成している金属材料の導電率を一桁上げることが出来るため、より大きな電流を発生させ得る。
(6)直列接続用スイッチ4-1,4-2,…にサイリスタを使った場合、負荷Rの抵抗が比較的小さいと、サイリスタの電流−電圧特性によりサイリスタにかかっている電圧が落ち、該電圧がサイリスタの最低維持電圧以下になるとサイリスタが自動的にオフ状態になり、同時に負荷電流Io×Nが得られる。負荷Rの抵抗が大きいと、負荷Rにかかる電圧によりサイリスタがオフにならないので、サイリスタの代わりに他の開放型半導体パワーデバイスで強制的にオフにすることも出来る。
(7)直列接続用スイッチ4-1,4-2,…にサイリスタを使った場合、負荷Rに電流を供給したあとで負荷抵抗が大きくなり負荷にかかる電圧が大きくなった場合、サイリスタの電流−電圧特性によりサイリスタが自動的にオン状態になり、電気エネルギーは再びコイル内に閉じ込められるため、負荷Rが開放になっても電気エネルギーを他に散逸するということは無い。
(8)直列接続用スイッチ4-1,4-2,…は負荷Rを接続してからオフにするため、開放スイッチとしての性能は特別なものは必要なく、一般的な半導体スイッチが使える。
直列接続用スイッチ4-1は、誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1の端子8-1と、一端が誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1の端子8-1に対向し他端が誘導性エネルギー蓄積用コイル2-2の端子9-2に固定された導体片11-1と、導体片11-1の一端を誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1の端子8-1に弾性力で押しつけるゴムのような絶縁性付勢部材12-1と、絶縁性付勢部材12-1の弾性力に抗して導体片11-1の一端を誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1の端子8-1から引き離す楔部材13-1とから構成される。
他の直列接続用スイッチ4-2,…も同様の構成である。
楔部材13-1,13-2,…を移動することにより、直列接続用スイッチ4-1,4-2,…をオン/オフできる。
(9)直列接続用スイッチ4-1,4-2,…を機械的スイッチにした場合、これを冷却水中で動作させると、開放と共に冷却水が接点間に流れ込み、電流の遮断効果が良くなる。
(10)直列接続用スイッチ4-1,4-2,…は負荷Rを接続してからオフにするため、開放スイッチとしての性能は特別なものは必要なく、一般的な機械的スイッチが使える。
並列接続用スイッチ5-1は、誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1の端子9-1と、一端が誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1の端子9-1に対向し他端が誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1の端子9-1の近傍に固定された導体片17-1と、導体片17-1の一端を誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1の端子9-1から弾性力で離す絶縁性付勢部材(図示省略)と、絶縁性付勢部材の弾性力に抗して導体片17-1の一端を誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1の端子9-1に当接させる楔部材14-1とから構成される。
他の並列接続用スイッチ5-2,…および6-1,6-2,…も同様の構成である。
楔部材14-1,14-2,…および19-1,19-2,…を移動することにより、並列接続用スイッチ5-1,5-2,…および6-1,6-2,…をオン/オフできる。
この場合、図8に示すように、制御回路7が、直列接続用スイッチ4-1,4-2,…の一部だけをオフする。
これにより、2個の誘導性エネルギー蓄積用コイルの直列回路がN/2個並列に負荷Rに接続されることになる。
この構成では、誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-Nをトロイダル状に配置し、各誘導性エネルギー蓄積用コイル2-1,…,2-x,…の端子15-1,16-1,…,15-x,16-x,…を円周状に並べている。
並列接続用スイッチ5-1は、端子15-1と、端子15-1に接触しうる円筒状導体10aからなる。
並列接続用スイッチ6-1は、端子16-1と、端子16-1に接触しうる円筒状導体10bからなる。
円筒状導体10aと円筒状導体10bとは、絶縁性円筒16を挟んで一体化されている。
他の並列接続用スイッチ5-2,6-2,…も同様の構成である。
円筒状導体10aと円筒状導体10bと絶縁性円筒16の一体物を移動することにより、並列接続用スイッチ5-1,5-2,…および6-1,6-2,…をオン/オフできる。
2,2-1,… 誘導性エネルギー蓄積用コイル
3 励磁スイッチ
4,4-1,… 直列接続用スイッチ
5,5-1,… 並列接続用スイッチ
6,6-1,… 並列接続用スイッチ
7 制御回路
100 大電流発生装置
Claims (4)
- 複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルを直列接続してから電源より誘導性エネルギーを前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルに蓄積し、前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルを並列接続してから前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルに蓄積された誘導性エネルギーを負荷へ供給することを特徴とする大電流発生方法。
- 電源と、複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルと、前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルを直列接続するための直列接続用スイッチと、前記直列接続用スイッチにより直列接続した前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルに前記電源を接続するための励磁スイッチと、前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルを負荷に並列接続するための並列接続用スイッチとを具備したことを特徴とする大電流発生装置。
- 請求項2に記載の大電流発生装置において、前記並列接続用スイッチをオフした状態で前記直列接続用スイッチおよび前記励磁スイッチをオンし、次に前記励磁スイッチをオフすると共に前記並列接続用スイッチの全部または一部をオンし、次に前記直列接続用スイッチの全部または一部をオフする制御回路を具備したことを特徴とする大電流発生装置。
- 請求項3に記載の大電流発生装置において、前記制御回路は、前記電源から前記複数個の誘導性エネルギー蓄積用コイルに供給される励磁電流が予め与えた値になったときに前記励磁スイッチをオフすると共に前記並列接続用スイッチの全部または一部をオンすることを特徴とする大電流発生装置。
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