JP2012257455A - 超電導マグネット用の励磁電源 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電源1と、パワーユニット3と、超電導マグネット2の異常を誤検出した場合にパワーユニット3の出力の両端を短絡させる接点4aを閉じて保護状態とする保護回路16と、ループA内の電流値を検出する第1シャント抵抗5とを備える励磁電源101である。励磁電源101は、保護回路16により保護リレー4を動作させて接点4aが閉じられた際、第1シャント抵抗5および第2シャント抵抗8の検出値を用いてパワーユニット3の出力電流値と超電導コイル2Lを流れる電流値とを一致させたのち接点4aを開いて保護状態から復帰させる復帰回路31を備えている。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の第1実施形態に係る励磁電源101を示す構成図である。
励磁電源101は、超電導コイル2Lを具備してなる超電導マグネット2を励磁するための電源であり、超電導コイル2Lに接続される。超電導コイル2Lは、超電導線材が巻回されてなるものである。
電源1は、交流電源に接続された変圧器(不図示)や、変圧器の交流電力を整流し平滑した直流電流を超電導コイル2Lに供給するトランジスタ回路(不図示)などにより構成される。なお、電源1では、市販のスイッチングレギュレータなどを用いてもよい。
電流検出器(第1電流検出器)としては、シャント抵抗ではなく、電流により発生する磁場をホール素子により検出する非接触型の電流検出器を用いてもよい(後述の第2シャント抵抗8についても同様)。第1シャント抵抗5は、超電導コイル2Lと保護リレー4の接点4aとを含むループA内の電流値を検出できる位置(さらには、接点4aが開いた状態においてパワーユニット3の出力電流値を検出できるループA内の位置)に設けられている。
電源1には、パワーユニット3が接続されている。パワーユニット3は、増幅器であるトランジスタ7(通常、複数のトランジスタ)と、保護状態(接点4aが閉じた状態)でもパワーユニット3の出力電流値を検出可能な第2シャント抵抗8(第2電流検出器)と、パワーユニット3の出力電流値を制御する電流制御回路9(電流制御手段)と、電流制御回路9に電流値を指令する電流指令回路10(電流指令手段)と、電流指令回路10にスイープレートを指示するスイープレート設定器33と、電流指令回路10と連携し保護状態から復帰させる復帰回路31(復帰手段)と、復帰回路31に復帰(復帰制御開始)を指示するための復帰ボタン32とを備えている。なお、スイープレート設定器33、復帰回路31、および復帰ボタン32を、パワーユニット3の構成品とみなす必要は必ずしもなく、すなわち、パワーユニット3とは別の構成品とみなしてもよい。
トランジスタ7には、一般的なバイポーラトランジスタを用いているが、電界効果トランジスタ(FET)や、IGBTや、MOSFETなどの各パワー素子を用いてもよい(後述のトランジスタ17についても同様)。
復帰回路31は、電流制御回路9と連携して、保護回路16により接点4aが閉じられた際(復帰制御時において)、第1シャント抵抗5および第2シャント抵抗8の検出値を用いてパワーユニット3の出力電流値と超電導コイル2Lを流れる電流値とを一致させたのち接点4aを開いて保護状態(パワーユニット3の出力の両端が短絡している状態)から復帰させる(短絡していない状態にする)ように回路構成されている(回路が組まれている)。すなわち、復帰回路31は、保護回路16により接点4aが閉じられた後、復帰ボタン32が押され、パワーユニット3の出力電流値と超電導コイル2Lを流れる電流値とが一致すると、保護リレー4に対してその接点4aを開くように信号を出す。
電流指令回路10は、通常時、図示しない操作スイッチにより例えば電流を増加させる励磁時はスイープレート設定器33で定めた増加量に従い指令電流を徐々に増加させるなど、電流制御回路9に対して電流値を指令する(出力する)ように構成されている。電流制御回路9は、電流指令回路10から出力された電流指令値と第2シャント抵抗8の検出値とに基づき、パワーユニット3の出力電流値を制御するように構成されている。ここで、通常時とは、接点4aが開いている状態(短絡していない状態)のことをいう。
保護リレー4は接点4aを具備してなる。接点4aは、パワーユニット3の出力の両端を短絡させる位置に組み込まれる。換言すれば、超電導コイル2Lの両端を短絡させる位置に組み込まれる。保護リレー4の接点4aはA接点で構成されてもよいし、B接点で構成されてもよい。保護リレー4の接点4aをA接点で構成した場合、電気信号ONで接点4aが閉じ、電気信号OFFで接点4aが開くように構成される。保護リレー4の接点4aをB接点で構成した場合、電気信号OFFで接点4aが閉じ、電気信号ONで接点4aが開くように構成される。すなわち、B接点とは、リレー(保護リレー4)に電源を供給しないときはばねの復元力により閉じた状態となり、リレー(保護リレー4)に電源を供給しているときは電磁力により開いた状態となる電気接点のことをいう。
次に、保護状態からの復帰制御について説明する。図2は、保護状態からの復帰時の動作を示すフロー図である。
図3は、本発明の第2実施形態に係る励磁電源201を示す構成図である。第1実施形態との相違は、第1シャント抵抗(第1電流検出器)の位置である。本実施形態では、第1シャント抵抗5を、超電導コイル2Lに対して並列に位置させている。このように、第1シャント抵抗5は、保護リレー4の接点4aが閉じたときに超電導コイル2Lに流れる電流IAを検出できる位置に設けられていればよい。換言すれば、第1シャント抵抗5は、接点4aに対して直列な位置であって、かつ、接点4aが閉じた状態におけるパワーユニット3の出力のループBと超電導コイル2L側のループAとの共通部分に設けられている。
図4は、本発明の第3実施形態に係る励磁電源301を示す構成図である。本実施形態と、第1実施形態との大きな相違点は、本実施形態の励磁電源301が、2つの(複数の)パワーユニットを具備してなることである。なお、励磁電源に3つ以上のパワーユニットを具備させてもよい。
第1シャント抵抗5は、励磁電源301全体の出力電流値を検出する電流検出器である。また保護状態において超電導コイル2Lと保護リレー4の接点4aとを含むループA内の出力電流値(2つのパワーユニット13・23の全体出力電流値)を検出できる位置に設けられている。
電源1には、2つのパワーユニット13・23が接続されている。第1パワーユニット13は、増幅器であるトランジスタ17(通常、複数のトランジスタ)と、パワーユニット13の出力電流値を検出する第2シャント抵抗18(第2電流検出器)と、パワーユニット13の出力電流値を制御する電流制御回路19(電流制御手段)とを備えている。
メイン制御回路12は、励磁電源301全体の出力電流値を設定および制御するためのものであり、当該メイン制御回路12の設定機能部分にはデジタル-アナログ変換回路(DAC)を備えている。励磁電源301が維持すべき出力電流値を設定することで、マイコン回路からDACを経由してアナログ化された出力電流値を指令値としてメイン制御回路12内の制御部分に出力する。
分配器14は、メイン制御回路12から出力された電流指令値を各パワーユニット(13、23)に分配するように構成されている。なお、第1パワーユニット13および第2パワーユニット23の電流容量が等しい場合、メイン制御回路12から出力された電流指令値を均等に分配するように分配器14は構成される。第1パワーユニット13および第2パワーユニット23の電流容量比が2:3の場合、メイン制御回路12から出力された電流指令値を2:3に分配するように分配器14は構成される。
ここで、各パワーユニット13・23に設けられた電流制御回路19・29は、第2シャント抵抗18・28の検出値(電流値)が、分配器14から分配して出力された電流指令値と等しくなるように各パワーユニット13・23の出力電流値を制御するように構成されている。
スイッチ30は、メイン制御回路12からの信号および復帰回路131からの信号のうちのいずれかを切り替えて分配器14へ入れるためのスイッチである。スイッチ30は、復帰回路131により作動される。
次に、励磁電源301の通常状態(保護状態でない)の動作について説明する。
さて、超電導コイル2Lに通電中に保護回路16がクエンチを検出すると、その信号が保護回路16を経由してメイン制御回路12に入り電流指令をゼロにする。これにより、パワー素子17・27から出力されるIB1・IB2はゼロになる。保護回路16は同時に接点4aを閉じる。それまで超電導コイル2Lに流れていたIAの電流は接点4aに流れる。ここで、超電導コイル2Lが本当にクエンチしている場合は、IAは急激に減衰していく。一方、このクエンチ検知が誤検知の場合は、IAはほとんど減衰せず減衰には長時間を要する。
図5は、本発明の第4実施形態に係る励磁電源401を示す構成図である。本実施形態の励磁電源401は、第3実施形態に係る励磁電源301の変形例である。図5に示すように、励磁電源401は、電源1、第1パワーユニット13、第2パワーユニット23、第1シャント抵抗5(第1電流検出器)、メイン制御回路12(メイン制御手段)、分配器14(指令値分配手段)、スイープレート設定器33、保護回路16(保護手段)、復帰ボタン32、および復帰回路231を備えている。
図6は、本発明の第5実施形態に係る励磁電源501を示す構成図である。本実施形態の励磁電源501は、第1実施形態の励磁電源101で用いていた第1シャント抵抗5を省略し、代わりに記憶回路50をパワーユニット43に組み込んでいる。記憶回路50は、復帰回路31により接点4aが閉じられた際、その時点またはその直前のパワーユニット43の出力電流値を記憶する記憶手段である。なお、図6に示した例では、シャント抵抗8(電流検出器)の検出値を記憶回路50が記憶する構成とされているが、電流制御回路9への電流指令値を記憶回路50が記憶する構成とされてもよい。記憶手段にはいろいろあり、バッテリバックアップしたRAMのほか、不揮発のメモリなどがある。なお、通常はデジタル化するためADC(アナログーデジタル変換器)などを経由して記憶手段に記憶する。
(第6実施形態)
図7は、本発明の第6実施形態に係る励磁電源601を示す構成図である。本実施形態の励磁電源601は、第5実施形態に係る励磁電源501の変形例である。本実施形態では、さらに、タイマー51および補正回路52をパワーユニット53に組み込んでいる
上記した全ての実施形態において、瞬低検出後の処理は下記のようになる。例えばマイクロコンピューター(図示せず)が瞬低を検出すると電流の指令をゼロにするにするとともに接点4aを閉じるように回路構成されている。接点4aが閉じられると超電導マグネット2はこの接点経由で電流を巡回され、超電導コイル2Lには電流が流れ続ける。超電導マグネット2内の抵抗はゼロ、他に励磁電源と超電導マグネット2とを繋ぐリード線、接点の接触抵抗、シャント5など僅かな抵抗があるが、超電導マグネット2に貯まったエネルギーを消費する比率はわずかであり、少々の時間では流れる電流は減少しない。例えば5分の異常常態があっても1%程度しか減衰しない。
2:超電導マグネット
2L:超電導コイル
3:パワーユニット
4:保護リレー
4a:接点
5:第1シャント抵抗(第1電流検出器)
7:トランジスタ(増幅器)
8:第2シャント抵抗(第2電流検出器)
9:電流制御回路(電流制御手段)
16:保護回路(保護手段)
100:内部異常信号
101:励磁電源
Claims (3)
- 超電導コイルを具備してなる超電導マグネットを励磁する励磁電源であって、
電源と、
前記電源に接続されたパワーユニットと、
前記電源、前記パワーユニット、または前記超電導マグネットの異常を誤検出した場合に、前記パワーユニットの出力の両端を短絡させる接点を閉じて保護状態とする保護手段と、
前記超電導コイルと前記接点とを含むループ内に設けられ、当該ループ内の電流値を検出する第1電流検出器と、
を備え、
前記パワーユニットは、
増幅器と、
当該パワーユニットの出力電流値を検出する第2電流検出器と、
前記出力電流値を制御する電流制御手段と、
を有し、
前記保護手段により前記接点が閉じられた際、少なくとも前記第1電流検出器の検出値を用いて、所定のスイープレートで前記出力電流値を上げていき、当該出力電流値と前記超電導コイルを流れる電流値とを一致させたのち当該接点を開いて保護状態から復帰させる復帰手段を備えていることを特徴とする、超電導マグネット用の励磁電源。 - 請求項1に記載の超電導マグネット用の励磁電源において、
前記復帰手段は、復帰ボタンが押されると、前記第1電流検出器の検出値を目標値として読み込み、前記第2電流検出器の検出値を現在値として、所定のスイープレートで両検出値を一致させたのち前記接点を開くように構成されていることを特徴とする、超電導マグネット用の励磁電源。 - 超電導コイルを具備してなる超電導マグネットを励磁する励磁電源であって、
電源と、
前記電源に接続されたパワーユニットと、
前記電源、前記パワーユニット、または前記超電導マグネットの異常を誤検出した場合に、前記パワーユニットの出力の両端を短絡させる接点を閉じて保護状態とする保護手段と、
前記保護手段により前記接点が閉じられた際、その時点またはその直前の前記パワーユニットの出力電流値を記憶する記憶手段と、
を備え、
前記パワーユニットは、
増幅器と、
当該パワーユニットの出力電流値を検出する電流検出器と、
前記出力電流値を制御する電流制御手段と、
を有し、
前記保護手段により前記接点が閉じられた際、前記電流検出器の検出値および前記記憶手段の記憶値を用いて、所定のスイープレートで前記出力電流値を上げていき、当該出力電流値と前記超電導コイルを流れる電流値とを一致させたのち当該接点を開いて保護状態から復帰させる復帰手段を備えていることを特徴とする、超電導マグネット用の励磁電源。
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