JP4394381B2 - 電磁石電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交直変換をおこなう電源装置に係り、特に、電磁石から成る負荷に対して直流電流のリプル低減を可能とした電磁石電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、医療・物理学研究に用いられる加速器用電磁石電源装置では、高エネルギーの陽子ビームを生成するために、電磁石コイルを高精度で励磁する必要がある。このため、電源の仕様は、定格直流電流Ｉｏに対し、電流リプルΔＩｒの正規化値（ΔＩｒ／Ｉｏ）は１０^-4〜１０^-6オーダ以下の高精度制御が求められる。
【０００３】
かかる電磁石電源装置の従来例として特許文献１が知られており、図５を参照して、従来の電磁石電源装置について説明する。
【０００４】
図５において、電磁石電源装置は、交流電源１に接続される変圧器２、交直変換器３、直流リアクトル４、受動フィルタ５及び電流補償器６からなる。交流電源１に変圧器２を介して交直変換器３が接続される。変圧器２は、交直変換器３に対して所望の変圧比と位相条件を与える。交直変換器３は、交流電源１から直流電源に変換し、直流電流出力を可能とする。交直変換器３は、自己消弧形素子、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）により構成され、ＩＧＢＴをオン／オフ制御することで、電磁石７へ直流電流を供給できる。変換方式例としては、電流型コンバータや電圧型コンバータ＋チョッパが挙げられる。
【０００５】
直流リアクトル４は、交直変換器３の出力電流を平滑するために用いられる。また、受動フィルタ５は、電磁石１０へ流れる電流リプルを低減するために用いられる。一般に、直流リアクトル４とコンデンサ、抵抗を組合せて２次のローパスフィルタとして利用される。電流補償器６は、抵抗６ａと前述の自己消弧形素子、例えば、ＩＧＢＴの如きスイッチ素子６ｂを用いて可変インピーダンス要素を実現した例である。電流補償器６においては、可変インピーダンスを操作し、電磁石１０とのインピーダンス比で分流することにより、直流電流に含まれる電流リプル分や偏差分を低減する。電磁石１０は、一般に数十ｍＨ〜数Ｈの大きいインダクタンス値をもっている。
【０００６】
次に、電磁石電源装置の構成と併せて動作を、図５及び図６を参照して説明する。電流基準発生回路２１は、電磁石１０を励磁する直流電流基準Ｉｄ^*を生成する。この直流電流基準Ｉｄ^*と直流電流検出器２０により得られた直流電流値Ｉｄとの差をとることで、直流電流偏差ΔＩ（ΔＩ＝Ｉｄ^*一Ｉｄ）が求められる。この直流電流偏差ΔＩから、電流制御器２２は、直流電流の制御量を得る。直流電流の制御量に合わせ、ゲート制御器２３及び２４を介して、交直変換器３や電流補償器６のスイッチ素子６ｂにオン／オフ制御信号が与えられる。
【０００７】
この場合、電流補償器６に用いられるゲート制御器２４は、交直変換器３で不足する制御能力を補うため、ゲート制御器２３より高速な制御器を用いる。
【０００８】
図５は、電流補償器６は正方向の印加電圧に対してスイッチ素子６ｂは順方向に制御できる例を示した。図６はパターン運転例を示す。運転は、４パターン（▲１▼ビーム入射、▲２▼加速、▲３▼出射、▲４▼減速）からなる。
【０００９】
一般に、従来は減速時の高精度性能は求められないが、近年はビームエネルギーの大容量化が進み、またビーム入射の高速化が求められている。このような構成及び運転パターンでは、減速時には負方向の印加電圧となるので、上述した分流に供する電流補償器６の他に、スイッチ素子６ｂを逆向きにした別の電流補償器が必要となることがある。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００３−７０２４１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べたように、電磁石電流リプル１０^-4〜１０^-6オーダ以下の高精度制御が求められる電磁石電源においては、リプル低減や追従性のため受動フィルタ５や別の電流補償器の設置が必要となることがあるばかりか、電流補償器にあるスイッチ素子の電流遮断時に起因する電圧上昇が、高周波成分の高調波として直流電流に重畳し、これが直流電流リプルの増加の要因となる場合がある。
【００１２】
本発明の目的は、ビームエネルギーの大容量化やビーム入射の高速化に要請し得、電流補償器用の別のフィルタを必要としないで、直流電流リプルが低減された直流電流を電磁石に供給することが可能な電磁石電源装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る電磁石電源装置では、交流電源から変圧器を介して得られた交流を直流に変換する交直変換器と、前記交直変換器から出力された直流電流を平滑する直流リアクトルと、負荷である電磁石に供給される前記平滑された直流電流に重畳されるリプル電流を低減する受動フィルタと、前記交直変換器と前記受動フィルタとの間に接続される、スイッチ素子を含む可変インピーダンス要素からなる電流補償器と、前記交直変換器と前記受動フィルタとの間に接続される、前記電流補償器のスイッチ素子の通電方向を反転したスイッチ素子を含む別の電流補償器とを具備している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電磁石電源装置の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の電磁石電源装置の構成例を示す回路であり、図５と同一要素については同一符号を付し、その説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００１７】
本実施形態は、抵抗６ａとスイッチ素子６ｂを用いて可変インピーダンス要素とした電流補償器６を、受動フィルタ５の前段（交直変換器側）に接続した構成である。
【００１８】
この構成において、交流電源１に変圧器２を介して接続された交直変換器３の出力電流は、直流リアクトル４により平滑される。
【００１９】
電流基準発生回路２１からの直流電流基準Ｉｄ^*と直流電流検出器２０により得られた直流電流値Ｉｄとの差をとることで、直流電流偏差ΔＩが求められ、この直流電流偏差ΔＩから、電流制御器２２は、直流電流の制御量を得る。直流電流の制御量に合わせ、ゲート制御器２３及び２４を介して、交直変換器３や電流補償器６のスイッチ素子６ｂにオン／オフ制御信号が与えられる。
【００２０】
電流補償器６においては、スイッチ素子６ｂのオン／オフ制御により設定されたインピーダンス比の下で電磁石１０とで直流電流が分流され、該直流電流に含まれる電流リプル分や偏差分は低減される。
【００２１】
ここに、電流補償器６内のスイッチ素子６ｂが流遮断時におけるピーク電圧に起因する高調波成分は電磁石１０に供給される直流電流に重畳するが、この高調波成分は、受動フィルタ５により、交直変換器３により発生する高調波成分と共に低減できるので、電流補償器６のため別のフィルタを必要としないで、直流電流リプルを低減することが可能となる。
【００２２】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態の電磁石電源装置の構成例を示す回路であり、図１、図５と同一要素については同一符号を付し、その説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００２３】
実施形態の電磁石電源装置は、図１において、２台の交直変換器を直列で構成したものである。
【００２４】
図２において、変圧器２′は２台の交直変換器３，３′に対して、変圧比と位相条件を与えるものであり、例えば、３巻きの１２相変圧器である。２台の交直変換器３、３′の中点を母線として対称に直流リアクトル４′、電流補償器６′、受動フィルタ５′を配置して構成する。各々の機器は、図１で説明した作用と同じ効果が得られる。
【００２５】
以上のように本実施形態では、複数台の交直変換器に対して直流リアクトル、電流補償器、受動フィルタを交直変換器の中点を母線として対称に構成することで、機器によるばらつきが少なく電流リプルを低減することがでる。併せて、第１の実施形態と同様に電流補償器用の別のフィルタを必要としないで、直流電流リプルを低減することが可能となる利点もある。
【００２６】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態の電磁石電源装置の構成例を示す回路であり、図１、図５と同一要素については同一符号を付し、その説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００２７】
図３は、図１において、電流補償器７を受動フィルタ５の前段（交直変換器側）に接続した電磁石電源装置の構成例を示す。
【００２８】
図３において、電流補償器７は、スイッチ素子６ｂと同様にＩＧＢＴの如きスイッチ素子７ｂと抵抗器７ａとで構成され、電流補償器６におけるスイッチ素子６ｂの向きを反転したものである。この電流補償器７は、電磁石１０に印加される電圧が、運転パターン減速時に負方向となった場合の電流補償をおこなう。
【００２９】
電流補償器６と同様に、電流補償器７のスイッチ素子７ｂの流遮断時のピーク電圧に起因する高調波成分を受動フィルタ５で低減する。
【００３０】
以上のように本実施形態では、受動フィルタ５により、交直変換器３により発生する高調波成分のみでなく、電流補償器６及び電磁石１０に印加される電圧が運転パターン減速時に負方向となった場合の電流補償を行う電流補償器７より発生する高調波成分も低減できるので、電流補償器用の別のフィルタを必要としないで、直流電流リプルを低減することが可能となる電磁石電源装置が提供できる。
【００３１】
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態の電磁石電源装置の構成例を示す回路であり、図２、図３乃至は図５と同一要素については同一符号を付し、その説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００３２】
図４は、図２において、電流補償器７，７′を、２台の交直変換器３，３′の中点を母線として対称に各々電流補償器６，６′に並列接続して構成した電磁石電源装置の構成例を示す。
【００３３】
図４において、電流補償器７，７′が対称に構成されているので、機器によるばらつきが少なく電流リプルを低減する。また、電流補償器６，６′と同様に、電流補償器７，７′のスイッチ素子７ｂ，７ｂ′が流遮断時のピーク電圧に起因する高調波成分を受動フィルタ５，５′で低減することができる。
【００３４】
以上のように本実施形態では、複数台の交直変換器に対して、直流リアクトル、双方向の電流補償器、受動フィルタを交直変換器の中点を母線として対称に構成することで、機器によるばらつきを抑制し、併せて、電流補償器用の別のフィルタを必要としないで、直流電流リプルを低減することが可能となる電磁石電源装置が提供できる。
【００３５】
（他の実施形態）
前述説明において、電磁石の台数は、図示に限定することなく、図示の１台が複数台の電磁石の組合せから構成されても同様な効果を得ることができる。
【００３６】
また前述説明において、交直変換器や電流補償器の台数は、図示に限定することなく構成上の対称性（偶数）を確保することで、多段化（多直列化）しても同様な効果を得ることができる。
【００３７】
さらに前述説明において、電流補償器６と電流補償器７の位置を入換えて構成した場合も同様な効果を得ることができる。
【００３８】
なお、本願発明は、上記各実施形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。さらに、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【００３９】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれは、ビームエネルギーの大容量化やビーム入射の高速化に要請し得、電流補償器用の別のフィルタを必要としないで、直流電流リプルが低減された直流電流を電磁石に供給することが可能な電磁石電源装置を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電磁石電源装置の第１の実施形態を示す回路図。
【図２】本発明による電磁石電源装置の第２の実施形態を示す回路図。
【図３】本発明による電磁石電源装置の第３の実施形態を示す回路図。
【図４】本発明による電磁石電源装置の第４の実施形態を示す回路図。
【図５】従来の電磁石電源装置の構成例を示す回路図。
【図６】従来の電磁石電源装置の運転例を示す説明図。
【符号の説明】
１…交流電源、２，２′…変圧器、３，３′…交直変換器、４，４′…直流リアクトル、５，５′…受動フィルタ、６，６′…電流補償器、６ａ，６ａ′…抵抗器、６ｂ，６ｂ′…スイッチ素子、７，７′…電流補償器、７ａ，７ａ′…抵抗器、７ｂ，７ｂ′…スイッチ素子、１０…電磁石、２０…電流検出器、２１…電流基準発生器、２２…電流制御器、２３…ゲート制御器、２４…ゲート制御器。

Claims (2)

1. 交流電源から変圧器を介して得られた交流を直流に変換する交直変換器と、
   前記交直変換器から出力された直流電流を平滑する直流リアクトルと、
   負荷である電磁石に供給される前記平滑された直流電流に重畳されるリプル電流を低減する受動フィルタと、
   前記交直変換器と前記受動フィルタとの間に接続される、スイッチ素子を含む可変インピーダンス要素からなる電流補償器と、
   前記交直変換器と前記受動フィルタとの間に接続される、前記電流補償器のスイッチ素子の通電方向を反転したスイッチ素子を含む別の電流補償器と
   を具備することを特徴とする電磁石電源装置。
2. 前記電磁石に流れる直流電流を検出する手段と、
   前記直流電流の電流基準値を与える手段と、
   前記直流電流検出値と電流基準値の偏差から操作量を制御する手段と、
   前記操作量に基づき前記交直変換器に対するゲート信号を制御する手段と、
   前記操作量に基づき前記電流補償器のスイッチ素子に対するゲート信号を制御する手段と
   を具備したことを特徴とする請求項１記載の電磁石電源装置。

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