JP2013172582A - Power conversion system and superconducting magnet device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超伝導コイルにおいて、クエンチ発生時にその超伝導コイルを保護する技術に関する。 The present invention relates to a technique for protecting a superconducting coil when a quench occurs.
シンクロトロン加速器は、ビーム(粒子)を周回運動させながら加速する役割を果たしている。そして、その加速器は、ビームを一定の軌道で周回運動させるために、多数の電磁石により構成され、ビームを集光、偏向して軌道を確保している。その際、電磁石は、電力変換システムによって予め決められた周期で励磁され、ビームを偏向させるために大きな電力が供給される。この電磁石用にしばしば超伝導コイルが用いられる。 The synchrotron accelerator plays a role of accelerating the beam (particles) while rotating around. The accelerator is composed of a number of electromagnets in order to make the beam circulate in a fixed orbit, and collects and deflects the beam to ensure the orbit. At that time, the electromagnet is excited at a predetermined cycle by the power conversion system, and a large amount of power is supplied to deflect the beam. Superconducting coils are often used for this electromagnet.
超伝導コイルでは、超伝導が常伝導に切り替わるクエンチという現象が問題となる。クエンチが発生した場合、超伝導状態時に流れていた電流に対して抵抗成分が増大し、大量の熱が発生する。そして、その熱によってさらにクエンチの範囲(常伝導の範囲)が拡大し、ますます大量の熱が発生する。そのため、超伝導コイルにクエンチが発生した場合には、電流を速やかに減少させ、超伝導コイルを過電圧と過熱から保護する必要がある。 In superconducting coils, the phenomenon of quenching, where superconductivity switches to normal conduction, becomes a problem. When quenching occurs, the resistance component increases with respect to the current flowing in the superconducting state, and a large amount of heat is generated. And the range of quenching (normal range) is further expanded by the heat, and more and more heat is generated. Therefore, when quenching occurs in the superconducting coil, it is necessary to quickly reduce the current and protect the superconducting coil from overvoltage and overheating.
下記に示す特許文献1には、超伝導コイルのクエンチを検出するためのクエンチ検出装置が開示されている。 Patent Document 1 shown below discloses a quench detection device for detecting quenching of a superconducting coil.
超伝導コイルにおいてクエンチが発生した場合、クエンチ検出装置によって検出し、電流を速やかに遮断することが必要である。しかし、電流を遮断すると、超伝導コイルは電流を流し続けようとするため、そのエネルギを消費させることによって、超伝導コイルを保護しなければならないという問題がある。
そこで、本発明では、超伝導コイルにおいてクエンチが発生した場合、超伝導コイルに蓄積されたエネルギを急速に回収しその超伝導コイルを保護する技術を提供することを課題とする。
When a quench occurs in the superconducting coil, it is necessary to detect it with a quench detection device and quickly cut off the current. However, when the current is cut off, the superconducting coil tries to keep the current flowing, so that there is a problem that the superconducting coil must be protected by consuming the energy.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique for rapidly recovering energy accumulated in a superconducting coil and protecting the superconducting coil when quenching occurs in the superconducting coil.
前記課題を解決するために、本発明の電力変換システムは、一端を交流系統に接続し交流から直流への変換および直流から交流への変換を実行可能な交流直流変換部と、前記交流直流変換部の他端に並列接続される直流コンデンサと、2象限チョッパ部と、を備え、前記2象限チョッパ部を介してエネルギを授受する超伝導コイルのクエンチをクエンチ検出部が検出した場合、前記2象限チョッパ部を停止し、前記交流直流変換部によって前記超伝導コイルの電圧が所定値を超えないように制御し、前記超伝導コイルのエネルギを前記交流系統に回生する。 In order to solve the above problems, the power conversion system of the present invention includes an AC / DC conversion unit that is connected to an AC system at one end and can perform conversion from AC to DC and conversion from DC to AC, and the AC / DC conversion. When a quench detection unit detects quenching of a superconducting coil that includes a DC capacitor connected in parallel to the other end of the unit and a two-quadrant chopper unit and transfers energy via the two-quadrant chopper unit, The quadrant chopper unit is stopped, and the AC / DC converter unit controls the voltage of the superconducting coil so as not to exceed a predetermined value, and the energy of the superconducting coil is regenerated in the AC system.
本発明によれば、超伝導コイルにおいてクエンチが発生した場合、超伝導コイルに蓄積されたエネルギを急速に回収しその超伝導コイルを保護することができる。 According to the present invention, when a quench occurs in a superconducting coil, the energy stored in the superconducting coil can be quickly recovered and the superconducting coil can be protected.
次に、本発明を実施するための形態(以降、「本実施形態」と称す。)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。 Next, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
超伝導コイルを備えたシンクロトロンの構成例について、図1を用いて説明する。
イオン源31で発生させたビームは、線形加速器32で加速され、入射装置33を介して円形軌道に取り込まれる。円形軌道では、ビームは、偏向電磁石34で偏向されて周回運動をするようになり、高周波加速空洞35で加速され、四極電磁石36で絞り込まれて、出射装置37から取り出される。なお、入射装置33、偏向電磁石34、出射装置37等の主要部分は図2,3に示す超伝導コイル200であり、電気的にはインダクタンス成分を持った負荷となる。
A configuration example of a synchrotron including a superconducting coil will be described with reference to FIG.
The beam generated by the
(第1実施形態)
ここで、第1実施形態として、超伝導コイルと、この超伝導コイルを励磁する電力変換システムの構成例について、図2を用いて説明する。
電力変換システム100は、少なくとも、自励式交流直流変換部110、直流コンデンサ14、2象限チョッパ部120、フィルタ130、および制御部160を備える。
(First embodiment)
Here, as a first embodiment, a configuration example of a superconducting coil and a power conversion system that excites the superconducting coil will be described with reference to FIG.
The
電力変換システム100は、交流電源300から出力される交流電力を交流リアクトル140を介して自励式交流直流変換部110の一端に入力し、直流電力に変換して自励式交流直流変換部110の他端から出力する。自励式交流直流変換部110の他端(直流出力側)には、直流コンデンサ14および2象限チョッパ部120が並列接続される。2象限チョッパ部120は、電流量を制御し、フィルタ130を介して超伝導コイル200を励磁する。なお、2象限チョッパ部120の詳細については後記する。
The
自励式交流直流変換部110は、一端を交流電源300に接続し交流から直流への変換および直流から交流への変換を実行可能な機能を有する。自励式交流直流変換部110は、例えば、6アーム構成のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子で構成することができる。各IGBT素子11a〜11fがそれぞれのアームを構成している。また、各IGBT素子11a〜11fの制御電極であるゲートには、交流直流変換部用制御部16aからPWM(pulse width modulation)変調したゲート駆動信号が入力される。各IGBT素子11a〜11fは、ゲート駆動信号に基づいてスイッチングされ、交流電力を直流電力または直流電力を交流電力に変換する機能を有する。なお、図2に示すIGBT素子には、逆並列にダイオード素子が接続されているが、本明細書では、逆並列ダイオード素子を接続したものをIGBT素子と称す。
The self-excited AC /
直流コンデンサ14は、自励式交流直流変換部110の他端から出力される直流電力を平滑化したり、超伝導コイル200の放出したエネルギを蓄積したりする機能を有する。
The DC capacitor 14 has a function of smoothing the DC power output from the other end of the self-excited AC /
2象限チョッパ部120は、2つのIGBT素子と2つのダイオード素子とで構成した場合で説明する。一相目は、IGBT素子12aとダイオード素子12bとを直列に接続し、IGBT素子12aとダイオード素子12bとの間に出力を設ける。二相目は、ダイオード素子12cとIGBT素子12dとを直列に接続し、ダイオード素子12cとIGBT素子12dとの間に出力を設ける。各IGBT素子12a,12dの制御電極であるゲートには、2象限チョッパ用制御部16bからPWM変調したゲート駆動信号が入力される。2象限チョッパ部120は、各IGBT素子12a,12dはゲート駆動信号に基づいてスイッチングすることにより、電流量を制御して超伝導コイル200を励磁する機能を有する。
The two-
フィルタ130は、リアクトル13a,13bおよびコンデンサ13cとで構成され、2象限チョッパ部120の出力側と超伝導コイル200との間に接続され、2象限チョッパ部120が発生する特定の周波数成分が超伝導コイル200に印加されるのを抑制する機能を有する。
交流リアクトル140は、高調波電流を抑制する機能を有する。
交流電流検出部150は、交流電源側の電流値を測定する。
電圧検出部151は、直流コンデンサ14の電圧値を測定する。
直流電流検出部152は、超伝導コイル200に流れる電流値を測定する。
The
The alternating
The
The direct
制御部160は、交流直流変換部用制御部16a、2象限チョッパ用制御部16bを有する。交流直流変換部用制御部16aは、交流電流検出部150の測定値や電圧検出部151の測定値を取得して、取得した測定値に基づいて、交流を直流に変換したり、直流を交流に変換して交流電源300に回生したりする制御機能を有する。2象限チョッパ用制御部16bは、直流電流検出部152の測定値およびクエンチ検出部16cの出力信号に基づいて、2象限チョッパ部120の各IGBT素子12a,12dのスイッチングを制御する機能を有する。
The
超伝導コイル200は、電力変換システム100によって励磁される。
また、クエンチ検出部16cは、超伝導コイル200におけるクエンチの発生を検出し、クエンチを検出した場合には検出したことを示す検出信号を出力する機能を有する。
Moreover, the
次に、超伝導コイル200においてクエンチが発生した場合、超伝導コイル200を保護する動作について、以下に説明する。
超伝導コイル200にクエンチが発生した場合、クエンチによって発生する抵抗成分Rと電流iの2乗との積で表されるエネルギが熱として発生する。そのため、電流iを、できるだけ急速に下げる必要がある。しかし、電流iを変化させると、超伝導コイル200の両端の電圧は、そのインダクタンスLを用いて表すと、L×di/dtとなる。そこで、電力変換システム100は、超伝導コイル200が破損しない程度にできるだけ高い電圧を維持して、電流iを変化させるように制御を実行する。
Next, when quenching occurs in the
When quenching occurs in
まず、超伝導コイル200においてクエンチが発生した場合、クエンチ検出部16cから2象限チョッパ用制御部16bへ検出信号が送信される。2象限チョッパ用制御部16bは、検出信号を受信して、各IGBT素子12a,12dのスイッチングをオフの状態で停止する。超伝導コイル200に流れていた電流iは、2象限チョッパ部120のダイオード素子12b,12cを通過して、直流コンデンサ14へ流れ込み、直流コンデンサ14の電圧は上昇する。交流直流変換部用制御部16aは、電圧検出部151を介して、所定の周期で直流コンデンサ14の電圧測定値を取得しており、その電圧測定値が予め設定された所定電圧から変動した場合、自励式交流直流変換部110の各IGBT素子11a〜11fをスイッチングさせ、直流電力を交流電力に変換する。すなわち、電力変換システム100は、超伝導コイル200のエネルギを交流電源300側に回生することができる。
First, when a quench occurs in the
以上説明したように、第1実施形態における電力変換システム100は、超伝導コイル200にクエンチが発生した場合、超伝導コイル200の電圧をできるだけ高く維持して、超伝導コイル200に蓄積されたエネルギを自励式交流直流変換部110によって交流電源300側へ回生することによって急速に回収し、その超伝導コイル200を保護することができる。なお、第1実施形態のように電力を回生することは、保護抵抗で単にエネルギを消費する場合に比べて、エネルギの有効利用が図られるというメリットがある。また、第1実施形態は、保護抵抗で発生する熱を処理するための大規模な冷却装置を設ける必要がなく、設備コストの点からも効果がある。
As described above, in the
(第2実施形態)
第2実施形態における電力変換システム100の構成例について、図3を用いて説明する。第2実施形態が第1実施形態と異なる点は、直流コンデンサ14と並列に超伝導コイル200から放出されたエネルギを吸収する電力吸収部170と、電力吸収部170で吸収するエネルギ量を制御する電力吸収部用制御部16dとを設けたことである。なお、第1実施形態と同じ箇所には同じ符号を付し、説明を省略する。また、電力変換システム100は、超伝導コイル200が破損しない程度にできるだけ高い電圧を維持して、電流iを変化させるように制御を実行する。
(Second Embodiment)
The structural example of the
図3に示すように、電力吸収部170は、自励式交流直流変換部110の他端に、直流コンデンサ14と並列に接続される。なお、電力吸収部170は、IGBT素子17aと抵抗素子17bとを直列に接続して構成される。
As shown in FIG. 3, the
交流直流変換部用制御部16aは、第1実施形態の場合と同様に、電圧検出部151を介して、所定の周期で直流コンデンサ14の電圧測定値を取得する。交流直流変換部用制御部16aは、自励式交流直流変換部110が過負荷状態になり、交流電源300に電力を回生できない場合、直流コンデンサ14の電圧測定値を電圧値信号として電力吸収部用制御部16dに送信する。電力吸収部用制御部16dは、電圧測定値を取得して、直流コンデンサ14の電圧が予め設定された所定電圧から変動した場合、電力吸収部170のIGBT素子17aをスイッチングさせることによって、等価的に電力吸収部170の抵抗成分を変化させて、直流コンデンサ14の電圧を所定値にできるだけ維持する制御、または直流コンデンサ14の電圧が所定値を超えないようにする制御を実行する。つまり、抵抗素子17bの値は、IGBT素子17aを流れる電流が大きくなり過ぎないようにするように、設定される。
The controller for AC /
(第3実施形態)
次に、第3実施形態における電力変換システム100の構成例について、図3を用いて説明する。なお、電力変換システム100は、超伝導コイル200が破損しない程度にできるだけ高い電圧を維持して、電流iを変化させるように制御を実行する。
(Third embodiment)
Next, the structural example of the
第3実施形態では、交流直流変換部用制御部16aは、第2実施形態で説明した動作に加えて、所定の周期で交流電流検出部150の測定値を取得している。交流直流変換部用制御部16aは、交流電流検出部150の測定値に基づいて、交流電源110で異常が発生したことを検出する。そして、交流直流変換部用制御部16aは、電圧検出部151によって測定された直流コンデンサ14の電圧測定値を電圧値信号として電力吸収部用制御部16dに送信する。電力吸収部用制御部16dは、電圧測定値を取得して、直流コンデンサ14の電圧が予め設定された所定電圧から変動した場合、電力吸収部170のIGBT素子17aをスイッチングさせることによって、等価的に電力吸収部170の抵抗成分を変化させて、直流コンデンサ14の電圧を所定値にできるだけ維持する制御、または直流コンデンサ14の電圧が所定値を超えないようにする制御を実行する。
In the third embodiment, the AC / DC
以上説明したように、第2,第3実施形態における電力変換システム100は、超伝導コイル200にクエンチが発生した場合、電力吸収部170の抵抗成分を変化させて、直流コンデンサ14の電圧を所定値に維持して超伝導コイル200の電圧を高く維持する。そして、電力変換システム100は、超伝導コイル200に蓄積されたエネルギを電力吸収部170に吸収することによって、その超伝導コイル200を保護することができる。
As described above, the
本実施形態では、自励式交流直流変換部110の場合で説明したが、他励式であっても構わない。また、図2,3に示す自励式交流直流変換部110の回路構成は、6アーム構成に限らなくともよい。また、自励式交流直流変換部110の回路は、IGBT素子以外の半導体スイッチング素子を用いても構わない。
In the present embodiment, the self-excited AC /
また、本実施形態では、クエンチ検出部16cが超伝導コイル200におけるクエンチの発生を検出した場合について記載したが、クエンチ検出部16cがクエンチの発生を予知した場合を含んでもよい。
Moreover, although the case where the quench
11a〜11f,12a,12d,17a IGBT素子
12b,12c ダイオード素子
13a,13b フィルタ用リアクトル
13c フィルタ用コンデンサ
14 直流コンデンサ
16a 交流直流変換部用制御部
16b 2象限チョッパ用制御部
16c クエンチ検出部
16d 電力吸収部用制御部
17b 抵抗素子
100 電力変換システム
110 自励式交流直流変換部(交流直流変換部)
120 2象限チョッパ部
130 フィルタ
140 交流リアクトル
150 交流電流検出部
151 電圧検出部
152 直流電流検出部
170 電力吸収部
200 超伝導コイル
300 交流電源
11a to 11f, 12a, 12d,
120 2
Claims (7)
前記2象限チョッパ部を介してエネルギを授受する超伝導コイルのクエンチをクエンチ検出部が検出した場合、前記2象限チョッパ部を停止し、前記交流直流変換部によって前記超伝導コイルの電圧が所定値を超えないように制御し、前記超伝導コイルのエネルギを前記交流系統に回生する
ことを特徴とする電力変換システム。 An AC / DC converter that is capable of performing conversion from AC to DC and conversion from DC to AC by connecting one end to an AC system, a DC capacitor connected in parallel to the other end of the AC / DC converter, and a two-quadrant chopper A power conversion system comprising:
When the quench detection unit detects quenching of the superconducting coil that transfers energy through the two-quadrant chopper unit, the two-quadrant chopper unit is stopped, and the voltage of the superconducting coil is set to a predetermined value by the AC / DC conversion unit. The power conversion system is characterized in that the superconducting coil energy is regenerated in the AC system so as not to exceed.
前記電力吸収部で吸収する前記超伝導コイルのエネルギ量を制御することによって前記超伝導コイルの電圧が所定値を超えないようにする
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換システム。 Further connecting a power absorption unit that absorbs energy of the superconducting coil to the other end of the AC / DC conversion unit,
2. The power conversion system according to claim 1, wherein a voltage of the superconducting coil does not exceed a predetermined value by controlling an energy amount of the superconducting coil absorbed by the power absorbing unit.
ことを特徴とする請求項2ないし請求項4のいずれか一項に記載の電力変換システム。 The power conversion system according to any one of claims 2 to 4, wherein the power absorption unit is configured by connecting a switch and a resistance element in series.
ことを特徴する請求項1に記載の電力変換システム。 The power conversion system according to claim 1, wherein the superconducting coil is used as an accelerator for accelerating particles.
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CN109193953A (en) * | 2018-10-26 | 2019-01-11 | 广东电网有限责任公司 | A kind of modularization super conductive magnetic storage energy structure and control method |
DE112014003821B4 (en) | 2013-08-22 | 2021-09-16 | Denso Corporation | Motor-driven compressor |
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