JP5614813B2 - Power supply for electromagnet - Google Patents

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Description

本発明は、加速器等で使用される電磁石にパルス状の大電流を印加するための電磁石用電源装置に関する。   The present invention relates to an electromagnet power supply device for applying a pulsed large current to an electromagnet used in an accelerator or the like.

物理化学実験や医療等の分野で使用される加速器には、電磁石にパルス状の大電流を印加するための電磁石用電源装置が備えられている。従来の電磁石用電源装置としては、例えば、非特許文献1に記載のパワークローバ回路を採用したものが知られている。
図4(A)に示すように、このタイプの電磁石用電源装置100は、第1コンデンサ101および該第1コンデンサ101よりも静電容量値が大きい第2コンデンサ102を備え、第1スイッチ103および第2スイッチ104をON/OFFさせることにより電磁石105に第1コンデンサ101および/または第2コンデンサの放電電流(=電磁石電流I)が印加されるよう構成されている。
Accelerators used in fields such as physical chemistry experiments and medicine are equipped with an electromagnet power supply device for applying a pulsed large current to an electromagnet. As a conventional electromagnet power supply device, for example, a device using a power crowbar circuit described in Non-Patent Document 1 is known.
As shown in FIG. 4A, this type of electromagnet power supply apparatus 100 includes a first capacitor 101 and a second capacitor 102 having a capacitance value larger than that of the first capacitor 101. When the second switch 104 is turned ON / OFF, the discharge current (= electromagnet current I) of the first capacitor 101 and / or the second capacitor is applied to the electromagnet 105.

より詳しくは、この電磁石用電源装置100では、第1コンデンサ101が数千Vの高電圧で、第2コンデンサ102が数百Vの電圧でそれぞれ予め充電されている。
そして、図4(B)に示すように、時間tにおいて第1スイッチ103がONされると、第1コンデンサ101の放電電流が電磁石105に供給され、電磁石電流Iが頂部(例えば、数十kA)まで一気に立ち上がる。
その後、時間tにおいて第2スイッチ104がONされると、第2コンデンサ102の放電電流が電磁石105に供給され、電磁石電流Iの電流値が頂部付近で維持される。
More specifically, in the electromagnet power supply device 100, the first capacitor 101 is charged in advance with a high voltage of several thousand volts and the second capacitor 102 is charged with a voltage of several hundred volts in advance.
Then, as shown in FIG. 4B, when the first switch 103 is turned on at time t 0 , the discharge current of the first capacitor 101 is supplied to the electromagnet 105, and the electromagnet current I is at the top (for example, several tens of times). stand up to kA).
Thereafter, when the second switch 104 is turned ON at time t 1, the discharge current of the second capacitor 102 is supplied to the electromagnet 105, the current value of the electromagnet current I is maintained near the top.

図5に、電磁石用電源装置100とコンセプトがよく似た別の従来の電磁石用電源装置200を示す。
同図に示すように、電磁石用電源装置200は、第1充電電源203から出力される数千Vの電圧で予め充電された第1コンデンサ204の放電電流を電磁石203に供給することにより、電磁石電流Iを頂部まで立ち上げる第1電流源201と、第2充電電源210から出力される数百Vの電圧で予め充電された第2コンデンサ211の放電電流を電磁石203に供給することにより、頂部における電流値を維持する第2電流源202とを備えている。
FIG. 5 shows another conventional electromagnet power supply apparatus 200 whose concept is very similar to that of the electromagnet power supply apparatus 100.
As shown in the figure, the electromagnet power supply apparatus 200 supplies the electromagnet 203 with the discharge current of the first capacitor 204 that is precharged with a voltage of several thousand volts output from the first charging power supply 203. By supplying the electromagnet 203 with the discharge current of the first capacitor 201 that raises the current I to the top and the second capacitor 211 that is precharged with a voltage of several hundred volts output from the second charging power source 210. And a second current source 202 that maintains the current value at.

この電磁石用電源装置200では、電磁石電流Iを立ち上げる期間と電磁石電流Iを維持する期間とで、2つのスイッチング素子205、206の導通状態が切り替えられる。これらのスイッチング素子205、206の導通状態は、適当な駆動回路207を介して接続された制御部204によって切り替えられる。   In the electromagnet power supply device 200, the conduction state of the two switching elements 205 and 206 is switched between a period in which the electromagnet current I is raised and a period in which the electromagnet current I is maintained. The conduction states of these switching elements 205 and 206 are switched by the control unit 204 connected via an appropriate drive circuit 207.

田実、「コンデンサを用いたパルスパワー技術」、静電気学会誌、平成6年、第18巻、第4号、p.355−363Tami, “Pulse Power Technology Using Capacitors”, Journal of the Electrostatic Society, 1994, Vol. 18, No. 4, p. 355-363

ところで、加速器で使用される電磁石用電源装置は、一定期間の間、一定の電磁石電流を電磁石に供給し続けることが求められている。また、一般に、電磁石の銅損(インピーダンス)は、電流を通流させているうちに表皮効果、近接効果等により緩やかに低下する。したがって、電磁石用電源装置は、頂部における電流値を一定に保つために、電磁石の両端の電圧(以下、“電磁石電圧”という)を上記銅損の緩やかな低下に合せて低下させることが望ましい。   By the way, an electromagnet power supply device used in an accelerator is required to continue supplying a certain electromagnet current to the electromagnet for a certain period. In general, the copper loss (impedance) of an electromagnet gradually decreases due to the skin effect, proximity effect, etc. while current is passed. Therefore, in order to keep the current value at the top constant, the electromagnet power supply device desirably lowers the voltage across the electromagnet (hereinafter referred to as “electromagnet voltage”) in accordance with the gradual decrease in the copper loss.

つまり、図6(B)に示すように、電磁石用電源装置は、銅損が比較的大きい時間tの近傍においては電磁石電圧を高めにする一方、銅損が低下した時間tの近傍においては電磁石電圧を低めにすることで、頂部における電磁石電流Iの電流値を一定に保つのが理想的である。 That is, as shown in FIG. 6 (B), the power supply for the electromagnet, while the enhanced electromagnet voltage in the vicinity of the copper loss is relatively large time t 1, in the vicinity of the time copper loss is decreased t 2 Ideally, the current value of the electromagnet current I at the top is kept constant by lowering the electromagnet voltage.

しかしながら、従来の電磁石用電源装置200における電磁石電圧は、図7(A)に示すように、第2コンデンサ211の静電容量値および電磁石電流Iの電流値に依存する傾きで直線的に低下するので、理想とされる電圧波形と実際の電圧波形との差に応じた分だけ、頂部における電流値が変動してしまっていた(図7(B)参照)。   However, as shown in FIG. 7A, the electromagnet voltage in the conventional electromagnet power supply apparatus 200 decreases linearly with an inclination depending on the capacitance value of the second capacitor 211 and the current value of the electromagnet current I. Therefore, the current value at the top has changed by an amount corresponding to the difference between the ideal voltage waveform and the actual voltage waveform (see FIG. 7B).

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、電磁石に供給するパルス状電流の頂部における変動を抑制可能な電磁石用電源装置を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said situation, The place made into the subject is providing the power supply device for electromagnets which can suppress the fluctuation | variation in the peak part of the pulse-form electric current supplied to an electromagnet.

上記課題を解決するために、本発明に係る電磁石用電源装置は、電磁石にパルス状電流を印加する電磁石用電源装置であって、第1電圧で予め充電された第1コンデンサの第1放電電流を電磁石に供給することにより、パルス状電流を頂部まで立ち上げる第1電流源と、パルス状電流の立ち上げ後に、第2電圧で予め充電された第2コンデンサの第2放電電流を電磁石に供給し、さらにその後、第3電圧で予め充電された第3コンデンサの第3放電電流を第2放電電流とともに電磁石に供給することにより、パルス状電流を頂部において維持する第2電流源とを備えたことを特徴としている。   In order to solve the above problems, an electromagnet power supply device according to the present invention is an electromagnet power supply device that applies a pulsed current to an electromagnet, and is a first discharge current of a first capacitor that is pre-charged with a first voltage. Is supplied to the electromagnet to supply the electromagnet with the first current source that raises the pulsed current to the top and the second discharge current of the second capacitor that is precharged with the second voltage after the pulsed current rises. And a second current source for maintaining a pulsed current at the top by supplying a third discharge current of a third capacitor precharged with a third voltage to the electromagnet together with the second discharge current. It is characterized by that.

この構成では、パルス状電流を頂部において維持する期間が、第2放電電流だけを電磁石に供給する期間と、第2放電電流および第3放電電流を電磁石に供給する期間とに分かれている。
また、後者の期間は、第2コンデンサおよび第3コンデンサが利用されるので、第2コンデンサだけが利用される前者の期間よりも電磁石に電流を供給するコンデンサの総静電容量値が大きい。
したがって、この構成によれば、電磁石の電圧の傾きを前者の期間と後者の期間とで切り替えることができ、しかも後者の期間は前者の期間よりも傾きが小さくなるので、該電圧の変化を理想に近づけることができる。すなわち、この構成によれば、電磁石に供給するパルス状電流の頂部における変動を抑えることができる。
In this configuration, the period for maintaining the pulsed current at the top is divided into a period for supplying only the second discharge current to the electromagnet and a period for supplying the second discharge current and the third discharge current to the electromagnet.
Further, since the second capacitor and the third capacitor are used in the latter period, the total capacitance value of the capacitor that supplies current to the electromagnet is larger than the former period in which only the second capacitor is used.
Therefore, according to this configuration, the slope of the voltage of the electromagnet can be switched between the former period and the latter period, and the slope of the latter period is smaller than that of the former period. Can be approached. That is, according to this structure, the fluctuation | variation in the peak part of the pulse current supplied to an electromagnet can be suppressed.

上記電磁石用電源装置は、第3電圧が第2電圧よりも低く設定され、パルス状電流を頂部において維持する際、第2電流源は、第2コンデンサと、第3コンデンサおよび整流素子からなる直列回路とが電磁石に並列接続された状態とされることが好ましい。   In the electromagnet power supply device, when the third voltage is set lower than the second voltage and the pulsed current is maintained at the top, the second current source is a series composed of the second capacitor, the third capacitor, and the rectifying element. The circuit is preferably connected to the electromagnet in parallel.

この構成では、電磁石の電圧が第3電圧よりも高い間は、第2コンデンサの第2放電電流だけが電磁石に供給される。そして、放電により第2コンデンサの電圧が低下して第3電圧を下回ると、第3コンデンサの第3放電電流も電磁石に供給され始める。つまり、この構成によれば、上記2つの期間の切り替えを自動的に行うことができる。   In this configuration, only the second discharge current of the second capacitor is supplied to the electromagnet while the voltage of the electromagnet is higher than the third voltage. And if the voltage of a 2nd capacitor falls by discharge and falls below a 3rd voltage, the 3rd discharge current of a 3rd capacitor will also begin to be supplied to an electromagnet. That is, according to this configuration, the two periods can be automatically switched.

上記電磁石用電源装置は、例えば、第1電圧を出力する第1充電電源と、第2電圧を出力する第2充電電源と、第3電圧を出力する第3充電電源とを備えている。   The electromagnet power supply device includes, for example, a first charging power source that outputs a first voltage, a second charging power source that outputs a second voltage, and a third charging power source that outputs a third voltage.

上記電磁石用電源装置は、第1電圧を出力する第1充電電源と、第3電圧を出力する第3充電電源と、第4電圧を出力する第4充電電源とを備え、第2電圧は、第3電圧および第4電圧の和電圧であってもよい。   The electromagnet power supply device includes a first charging power source that outputs a first voltage, a third charging power source that outputs a third voltage, and a fourth charging power source that outputs a fourth voltage. It may be a sum voltage of the third voltage and the fourth voltage.

本発明によれば、電磁石に供給するパルス状電流の頂部における変動を抑制可能な電磁石用電源装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power supply device for electromagnets which can suppress the fluctuation | variation in the peak part of the pulse current supplied to an electromagnet can be provided.

本発明の第1実施形態に係る電磁石用電源装置の回路図である。It is a circuit diagram of the power supply device for electromagnets concerning a 1st embodiment of the present invention. 第1実施形態に係る電磁石用電源装置の波形図であって、(A)は電磁石電圧の全体波形図、(B)は(A)の拡大波形図、(C)は電磁石電流の全体波形図、(D)は(C)の拡大波形図である。It is a wave form diagram of the power supply device for electromagnets concerning a 1st embodiment, (A) is a whole wave form figure of electromagnet voltage, (B) is an enlarged wave form figure of (A), (C) is a whole wave form figure of electromagnet current. (D) is an enlarged waveform diagram of (C). 本発明の第2実施形態に係る電磁石用電源装置の回路図である。It is a circuit diagram of the power supply device for electromagnets concerning 2nd Embodiment of this invention. (A)は従来の電磁石用電源装置の回路図、(B)は電磁石電流の波形図である。(A) is a circuit diagram of a conventional electromagnet power supply device, and (B) is a waveform diagram of an electromagnet current. 従来の電磁石用電源装置の回路図である。It is a circuit diagram of the conventional electromagnet power supply device. 理想的な電磁石用電源装置の波形図であって、(A)は電磁石電圧の全体波形図、(B)は(A)の拡大波形図、(C)は電磁石電流の波形図である。It is a waveform diagram of an ideal electromagnet power supply device, where (A) is an overall waveform diagram of an electromagnet voltage, (B) is an enlarged waveform diagram of (A), and (C) is a waveform diagram of an electromagnet current. 従来の電磁石用電源装置の波形図であって、(A)は電磁石電圧の拡大波形図、(B)は電磁石電流の拡大波形図である。It is a wave form diagram of the conventional power supply apparatus for electromagnets, (A) is an enlarged waveform figure of an electromagnet voltage, (B) is an enlarged waveform figure of an electromagnet current.

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電磁石用電源装置の好ましい実施形態について説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of an electromagnet power supply device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

[第1実施形態]
図1に、本発明の第1実施形態に係る電磁石用電源装置1Aを示す。
電磁石用電源装置1Aは、電磁石5にパルス状の大電流である電磁石電流Iを印加するためのもので、同図に示すように、第1電流源2と、第2電流源3と、これらを制御する制御部6とを備えている。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows an electromagnet power supply device 1A according to a first embodiment of the present invention.
The electromagnet power supply device 1A is for applying an electromagnet current I which is a pulsed large current to the electromagnet 5, and as shown in the figure, the first current source 2, the second current source 3, and these And a control unit 6 for controlling.

第1電流源2は、第1電圧(例えば、数千V)を出力する第1充電電源20と、第1電圧で充電される第1コンデンサ21と、Hブリッジ接続された4つのスイッチング素子25、26、27、28を備えている。   The first current source 2 includes a first charging power source 20 that outputs a first voltage (for example, several thousand volts), a first capacitor 21 that is charged with the first voltage, and four switching elements 25 that are H-bridge connected. , 26, 27, 28.

第1電流源2のスイッチング素子25、26、27、28はブリッジ回路部を構成し、第1スイッチング素子25および第2スイッチング素子26の接続点が第1出力端、第3スイッチング素子27および第4スイッチング素子28の接続点が第2出力端となっている。第1コンデンサ21は、このブリッジ回路部に並列接続されている。   The switching elements 25, 26, 27, and 28 of the first current source 2 constitute a bridge circuit unit, and the connection point between the first switching element 25 and the second switching element 26 is the first output terminal, the third switching element 27, and the second switching element. A connection point of the four switching elements 28 is a second output terminal. The first capacitor 21 is connected in parallel to the bridge circuit unit.

第1電流源2の第1スイッチング素子25および第4スイッチング素子28は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体素子であり、第1スイッチング素子25および第4スイッチング素子28の制御端子であるゲートは適当な駆動回路29を介して制御部6に接続されている。   The first switching element 25 and the fourth switching element 28 of the first current source 2 are power semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and are control terminals of the first switching element 25 and the fourth switching element 28. The gate is connected to the control unit 6 through an appropriate drive circuit 29.

第2電流源3は、第2電圧(例えば、百数十V)を出力する第2充電電源30と、第2電圧で充電される第2コンデンサ31と、第2電圧よりも低い第3電圧(例えば、100V)を出力する第3充電電源32と、第3電圧で充電される第3コンデンサ33と、第3コンデンサ33に直列接続された整流素子34と、Hブリッジ接続された4つのスイッチング素子35、36、37、38を備えている。   The second current source 3 includes a second charging power source 30 that outputs a second voltage (for example, hundreds of tens of volts), a second capacitor 31 that is charged with the second voltage, and a third voltage that is lower than the second voltage. (E.g., 100 V), a third charging power source 32, a third capacitor 33 charged with a third voltage, a rectifying element 34 connected in series to the third capacitor 33, and four H-bridge connected switchings Elements 35, 36, 37 and 38 are provided.

第2電流源3のスイッチング素子35、36、37、38はブリッジ回路部を構成し、第1スイッチング素子35および第2スイッチング素子36の接続点が第3出力端、第3スイッチング素子37および第4スイッチング素子38の接続点が第4出力端となっている。第2コンデンサ31と、第3コンデンサ33および整流素子34の直列回路とは、このブリッジ回路部に並列接続されている。   The switching elements 35, 36, 37, and 38 of the second current source 3 constitute a bridge circuit unit, and the connection point between the first switching element 35 and the second switching element 36 is the third output terminal, the third switching element 37, and the second switching element 37. A connection point of the four switching elements 38 is a fourth output terminal. The second capacitor 31 and the series circuit of the third capacitor 33 and the rectifying element 34 are connected in parallel to this bridge circuit unit.

第2電流源3の第1スイッチング素子35および第4スイッチング素子38は、IGBT等のパワー半導体素子であり、第1スイッチング素子35および第4スイッチング素子38の制御端子であるゲートは適当な駆動回路39を介して制御部6に接続されている。   The first switching element 35 and the fourth switching element 38 of the second current source 3 are power semiconductor elements such as IGBTs, and the gates which are the control terminals of the first switching element 35 and the fourth switching element 38 are suitable drive circuits. 39 is connected to the control unit 6 via

第1電流源2の第1出力端および第2電流源3の第4出力端は、電磁石5に接続されている。また、第1電流源2の第2出力端および第2電流源3の第3出力端は、直接接続されている。   The first output terminal of the first current source 2 and the fourth output terminal of the second current source 3 are connected to the electromagnet 5. The second output terminal of the first current source 2 and the third output terminal of the second current source 3 are directly connected.

なお、図1では、第1電流源2の第1スイッチング素子25、第4スイッチング素子28、第2電流源3の第1スイッチング素子35、第4スイッチング素子38は、制御部6によって制御されるため、これらのスイッチング素子をON/OFFさせるためには、各々駆動回路29、39が必要となる。
一方、第1電流源2の第2スイッチング素子26、第3スイッチング素子27、第2電流源3の第2スイッチング素子36および第3スイッチング素子37は、ON(導通)/OFF(非導通)を切り替えることがなく、制御部6により制御する必要がないため、ダイオードのみでまかなうことができ、駆動回路は不要である。図1において、スイッチング素子26、27、36、37をダイオードで表現したのはこのためである。
In FIG. 1, the first switching element 25, the fourth switching element 28, the first switching element 35, and the fourth switching element 38 of the second current source 3 are controlled by the control unit 6. Therefore, in order to turn these switching elements on and off, drive circuits 29 and 39 are required, respectively.
On the other hand, the second switching element 26, the third switching element 27, and the second switching element 36 and the third switching element 37 of the second current source 3 are turned ON (conductive) / OFF (non-conductive). Since it is not switched and it is not necessary to control by the control part 6, it can cover only with a diode and a drive circuit is unnecessary. This is why the switching elements 26, 27, 36, and 37 are represented by diodes in FIG.

図2に示すように、電磁石用電源装置1Aの動作はI〜IVの4つのフェイズに分かれている。各フェイズにおいて、第1電流源2の第1スイッチング素子25および第4スイッチング素子28、並びに第2電流源3の第1スイッチング素子35および第4スイッチング素子38は、制御部6の制御下で、導通状態が下表のように切り替えられる。以下、各フェイズにおける電磁石用電源装置1Aの動作を順に説明する。

Figure 0005614813
As shown in FIG. 2, the operation of the electromagnet power supply device 1A is divided into four phases I to IV. In each phase, the first switching element 25 and the fourth switching element 28 of the first current source 2 and the first switching element 35 and the fourth switching element 38 of the second current source 3 are controlled by the control unit 6. The conduction state is switched as shown in the table below. Hereinafter, the operation of the electromagnet power supply device 1A in each phase will be described in order.
Figure 0005614813

(フェイズI)
フェイズIは準備フェイズであり、第1電流源2の第1スイッチング素子25、第1電流源2の第4スイッチング素子28、第2電流源3の第1スイッチング素子35、第2電流源3の第4スイッチング素子38をOFFにした状態で、第1コンデンサ21、第2コンデンサ31および第3コンデンサ33の充電が行われる。
より詳しくは、第1コンデンサ21は、第1充電電源20から出力される第1電圧によって両端の電圧が数千Vになるまで充電され、第2コンデンサ31は、第2充電電源30から出力される第2電圧によって両端の電圧が百数十Vになるまで充電され、さらに第3コンデンサ33は、第3充電電源32から出力される第3電圧によって両端の電圧が約100Vになるまで充電される。
(Phase I)
Phase I is a preparation phase in which the first switching element 25 of the first current source 2, the fourth switching element 28 of the first current source 2, the first switching element 35 of the second current source 3, and the second current source 3 The first capacitor 21, the second capacitor 31, and the third capacitor 33 are charged with the fourth switching element 38 turned off.
More specifically, the first capacitor 21 is charged by the first voltage output from the first charging power supply 20 until the voltage at both ends reaches several thousand volts, and the second capacitor 31 is output from the second charging power supply 30. The second voltage is charged until the voltage at both ends reaches several hundreds of volts, and the third capacitor 33 is charged by the third voltage output from the third charging power supply 32 until the voltage at both ends reaches approximately 100V. The

第3コンデンサ33には整流素子34が直列接続されている。このため、第2コンデンサ31が百数十Vまで充電されても、第3コンデンサ33が第3電圧の電圧値(約100V)を超えて充電されることはない。   A rectifying element 34 is connected to the third capacitor 33 in series. For this reason, even if the second capacitor 31 is charged to a few tens of volts, the third capacitor 33 does not exceed the voltage value of the third voltage (about 100 V).

第1電流源2のブリッジ回路部を構成する第1スイッチング素子25および第4スイッチング素子28はOFFである。また、前記の通り、第1電流源2の第2スイッチング素子26および第3スイッチング素子27もOFFである。
つまり、フェイズIでは、第1電流源2および電磁石5が電気的に切り離された状態となっており、第1電流源2から電磁石5に向けて電磁石電流Iが供給されることはない。同様に、第2電流源3および電磁石5も電気的に切り離された状態となっているので、第2電流源3から電磁石5に向けて電磁石電流Iが供給されることもない。
The first switching element 25 and the fourth switching element 28 constituting the bridge circuit unit of the first current source 2 are OFF. As described above, the second switching element 26 and the third switching element 27 of the first current source 2 are also OFF.
That is, in the phase I, the first current source 2 and the electromagnet 5 are electrically disconnected, and the electromagnet current I is not supplied from the first current source 2 to the electromagnet 5. Similarly, since the second current source 3 and the electromagnet 5 are also electrically disconnected, the electromagnet current I is not supplied from the second current source 3 toward the electromagnet 5.

(フェイズII)
フェイズIIは、電流立ち上げフェイズである。このフェイズでは、第1電流源2が第1コンデンサ21の第1放電電流を電磁石5に供給することにより、電磁石電流Iが頂部まで立ち上げられる。
(Phase II)
Phase II is a current rising phase. In this phase, the first current source 2 supplies the first discharge current of the first capacitor 21 to the electromagnet 5, whereby the electromagnet current I is raised to the top.

より詳しくは、このフェイズでは、第1電流源2の第1スイッチング素子25、第2電流源3の第1スイッチング素子35、第1電流源2の第4スイッチング素子28がOFFからONに切り換えられることで、第1電流源2の第1スイッチング素子25→第1電流源2の第1出力端→電磁石5→第2電流源3の第4出力端→第2電流源3の第3スイッチング素子37(ダイオード)→第2電流源3の第1スイッチング素子35→第2電流源3の第3出力端→第1電流源2の第2出力端→第1電流源2の第4スイッチング素子28の経路で第1コンデンサ21の第1放電電流が流れ、これにより、電磁石電圧が第1コンデンサ21の充電電圧(=第1電圧、数千V)まで上昇し、電磁石電流Iが数十kAまで上昇する。   More specifically, in this phase, the first switching element 25 of the first current source 2, the first switching element 35 of the second current source 3, and the fourth switching element 28 of the first current source 2 are switched from OFF to ON. Thus, the first switching element 25 of the first current source 2 → the first output terminal of the first current source 2 → the electromagnet 5 → the fourth output terminal of the second current source 3 → the third switching element of the second current source 3 37 (diode) → first switching element 35 of the second current source 3 → third output terminal of the second current source 3 → second output terminal of the first current source 2 → fourth switching element 28 of the first current source 2 The first discharge current of the first capacitor 21 flows through this path, whereby the electromagnet voltage rises to the charge voltage of the first capacitor 21 (= first voltage, several thousand volts), and the electromagnet current I reaches several tens of kA. To rise.

なお、このフェイズでは、第2電流源3の第1スイッチング素子35をOFFにし、第2電流源3の第4スイッチング素子38をONにしてもよい。この場合、第1コンデンサ21の第1放電電流は、・・・→第2電流源3の第4出力端→第2電流源3の第4スイッチング素子38→第2電流源3の第2スイッチング素子36(ダイオード)→第2電流源3の第3出力端→・・・の経路で流れる。   In this phase, the first switching element 35 of the second current source 3 may be turned off and the fourth switching element 38 of the second current source 3 may be turned on. In this case, the first discharge current of the first capacitor 21 is as follows: → the fourth output terminal of the second current source 3 → the fourth switching element 38 of the second current source 3 → the second switching of the second current source 3 The current flows through the path of the element 36 (diode) → the third output terminal of the second current source 3 →.

(フェイズIII)
フェイズIIIは、電流維持フェイズである。このフェイズでは、第2電流源3の第2コンデンサ31と、第3コンデンサ33および整流素子34からなる直列回路とが電磁石5に並列に接続され、第2電流源3が第2コンデンサ31の第2放電電流および第3コンデンサ33の第3放電電流を電磁石5に供給することにより、頂部における電磁石電流Iの電流値が一定に維持される。
(Phase III)
Phase III is a current maintenance phase. In this phase, the second capacitor 31 of the second current source 3 and a series circuit composed of the third capacitor 33 and the rectifying element 34 are connected in parallel to the electromagnet 5, and the second current source 3 is connected to the second capacitor 31 of the second capacitor 31. By supplying the two discharge currents and the third discharge current of the third capacitor 33 to the electromagnet 5, the current value of the electromagnet current I at the top is kept constant.

より詳しくは、フェイズIIからフェイズIIIに移行した当初は、第1電流源2の第1スイッチング素子25、第2電流源3の第1スイッチング素子35がON状態のまま、第1電流源2の第4スイッチング素子28がONからOFFに、第2電流源3の第4スイッチング素子38がOFFからONに切り換えられることで、第2電流源3の第1スイッチング素子35→第2電流源3の第3出力端→第1電流源2の第2出力端→第1電流源2の第3スイッチング素子27(ダイオード)→第1電流源2の第1スイッチング素子25→第1電流源2の第1出力端→電磁石5→第2電流源3の第4出力端→第2電流源3の第4スイッチング素子38の経路で第2コンデンサ31の第2放電電流が流れる。このとき、第2コンデンサ31の両端の電圧は、第2放電電流の放出とともに第2電圧(百数十V)から比較的急な勾配(以下「第1の傾き」という)で低下していく。したがって、図2(B)に示すように、電磁石電圧も同じ傾きで低下していく。   More specifically, at the beginning of the transition from Phase II to Phase III, the first switching element 25 of the first current source 2 and the first switching element 35 of the second current source 3 remain in the ON state. When the fourth switching element 28 is switched from ON to OFF and the fourth switching element 38 of the second current source 3 is switched from OFF to ON, the first switching element 35 of the second current source 3 → the second current source 3 The third output terminal → the second output terminal of the first current source 2 → the third switching element 27 (diode) of the first current source 2 → the first switching element 25 of the first current source 2 → the first of the first current source 2 The second discharge current of the second capacitor 31 flows through the path of 1 output terminal → electromagnet 5 → fourth output terminal of the second current source 3 → fourth switching element 38 of the second current source 3. At this time, the voltage across the second capacitor 31 decreases from the second voltage (hundreds of tens of volts) with a relatively steep slope (hereinafter referred to as “first slope”) as the second discharge current is released. . Therefore, as shown in FIG. 2B, the electromagnet voltage also decreases with the same slope.

第2コンデンサ31の両端の電圧が第3電圧を下回ると、整流素子34が導通状態となり、第2コンデンサ31の第2放電電流と同じ経路を通って第3コンデンサ33の第3放電電流も電磁石5に供給され始める。第2コンデンサ31の両端の電圧および第3コンデンサ33の両端の電圧は、第2および第3放電電流の放出とともに所定の第2の傾きで低下していく。
ここで、電磁石電流Iの供給に寄与するコンデンサの総静電容量値が増えているため、第2の傾き(傾きの絶対値)は第1の傾きよりも小さい。つまり、電磁石電圧の傾きは、図2(B)に示すように、フェイズIIIの途中で第1の傾きから比較的小さな第2の傾きに変化する。
When the voltage across the second capacitor 31 falls below the third voltage, the rectifying element 34 becomes conductive, and the third discharge current of the third capacitor 33 is also electromagnet through the same path as the second discharge current of the second capacitor 31. 5 begins to be fed. The voltage at both ends of the second capacitor 31 and the voltage at both ends of the third capacitor 33 decrease with a predetermined second slope as the second and third discharge currents are released.
Here, since the total capacitance value of the capacitor contributing to the supply of the electromagnet current I has increased, the second slope (the absolute value of the slope) is smaller than the first slope. That is, as shown in FIG. 2B, the gradient of the electromagnet voltage changes from the first gradient to a relatively small second gradient during Phase III.

第1の傾きは、第2コンデンサ31の静電容量値により調整することができる。具体的には、第2コンデンサ31の静電容量値を大きくすることで第1の傾きを小さくし、静電容量値を小さくすることで第1の傾きを大きくすることができる。   The first inclination can be adjusted by the capacitance value of the second capacitor 31. Specifically, the first inclination can be reduced by increasing the capacitance value of the second capacitor 31, and the first inclination can be increased by reducing the capacitance value.

第2の傾きは、第2コンデンサ31および第3コンデンサ33の静電容量値により調整することができる。具体的には、第2コンデンサ31および第3コンデンサ33の総静電容量値を大きくすることで第2の傾きを小さくし、総静電容量値を小さくすることで第2の傾きを大きくすることができる。
第1の傾きを変えずに、第2の傾きだけを調整したい場合は、第3コンデンサ33の静電容量値を調整すればよい。
The second inclination can be adjusted by the capacitance values of the second capacitor 31 and the third capacitor 33. Specifically, the second inclination is decreased by increasing the total capacitance value of the second capacitor 31 and the third capacitor 33, and the second inclination is increased by decreasing the total capacitance value. be able to.
If it is desired to adjust only the second inclination without changing the first inclination, the capacitance value of the third capacitor 33 may be adjusted.

また、傾きが切り替わるタイミングは、第2電圧および第3電圧の電圧差により調整することができる。具体的には、切り替えのタイミングを遅らせたい場合は、上記電圧差を大きくすればよい。反対に、早期に切り替えを行いたい場合は、上記電圧差を小さくすればよい。   In addition, the timing at which the inclination is switched can be adjusted by the voltage difference between the second voltage and the third voltage. Specifically, when it is desired to delay the switching timing, the voltage difference may be increased. On the other hand, if it is desired to switch at an early stage, the voltage difference may be reduced.

本実施形態に係る電磁石電源装置1Aでは、第3コンデンサ33の静電容量値を第2コンデンサ31の2倍に設定して第2の傾きを第1の傾きの約1/3にし、さらに第2電圧および第3電圧の電圧差を適当に調整することで、電磁石電圧波形を理想とする電磁石電圧波形に近似させている。   In the electromagnet power supply device 1A according to the present embodiment, the capacitance value of the third capacitor 33 is set to be twice that of the second capacitor 31, the second slope is set to about 3 of the first slope, and the first By appropriately adjusting the voltage difference between the two voltages and the third voltage, the electromagnet voltage waveform is approximated to an ideal electromagnet voltage waveform.

つまり、電磁石電源装置1Aによれば、電磁石電圧波形を理想とする電磁石電圧波形に近似させることができ、電磁石電流Iの頂部における変動を抑えることができる(図2(D)、図7(B)参照)。   That is, according to the electromagnet power supply device 1A, the electromagnet voltage waveform can be approximated to an ideal electromagnet voltage waveform, and fluctuations at the top of the electromagnet current I can be suppressed (FIGS. 2D and 7B). )reference).

(フェイズIV)
フェイズIVは、電流立ち下げフェイズである。このフェイズでは、第1電流源2の第1スイッチング素子25、第1電流源2の第4スイッチング素子28、第2電流源3の第1スイッチング素子35、第2電流源3の第4スイッチング素子38を表1の通りに設定することで、第1電流源2および第2電流源3による新たな電磁石電流Iの供給を停止するとともに、電磁石5に生じる逆起電圧(−数千V)による電流を第1コンデンサ21に回生させる。
(Phase IV)
Phase IV is a current falling phase. In this phase, the first switching element 25 of the first current source 2, the fourth switching element 28 of the first current source 2, the first switching element 35 of the second current source 3, and the fourth switching element of the second current source 3. By setting 38 as shown in Table 1, the supply of a new electromagnet current I by the first current source 2 and the second current source 3 is stopped, and the counter electromotive voltage (-several thousand volts) generated in the electromagnet 5 The current is regenerated in the first capacitor 21.

なお、このフェイズでは、第2電流源3の第4スイッチング素子38をONさせる代わりに、第2電流源3の第1スイッチング素子35をONさせてもよい。この場合も、逆起電圧による電流は、第1コンデンサ21に回生される。   In this phase, instead of turning on the fourth switching element 38 of the second current source 3, the first switching element 35 of the second current source 3 may be turned on. Also in this case, the current due to the back electromotive voltage is regenerated in the first capacitor 21.

[第2実施形態]
図3に、本発明の第2実施形態に係る電磁石用電源装置1Bを示す。電磁石用電源装置1Bは、第2電流源3ではなく、第2電流源4を備えている点において、第1実施形態に係る電磁石用電源装置1Aと異なっている。
[Second Embodiment]
FIG. 3 shows an electromagnet power supply device 1B according to a second embodiment of the present invention. The electromagnet power supply device 1B is different from the electromagnet power supply device 1A according to the first embodiment in that the electromagnet power supply device 1B includes the second current source 4 instead of the second current source 3.

第2電流源4は、第3電圧(例えば、100V)を出力する第3充電電源42と、第3電圧で充電される第3コンデンサ43と、第4電圧(例えば、数十V)を出力する第4充電電源40と、第3電圧および第4電圧の和電圧(例えば、百数十V)である第2電圧で充電される第2コンデンサ41と、第3コンデンサ43に直列接続された整流素子44と、Hブリッジ接続された4つのスイッチング素子45、46、47、48を備えている。ただし、第1実施形態と同様、第2電流源4の第2スイッチング素子46および第3スイッチング素子47は、ON(導通)/OFF(非導通)を切り替えることがなく、制御部6により制御する必要がないため、ダイオードでまかなうことができ、駆動回路は不要である。   The second current source 4 outputs a third charging power source 42 that outputs a third voltage (for example, 100 V), a third capacitor 43 that is charged with the third voltage, and a fourth voltage (for example, several tens of volts). A fourth charging power source 40, a second capacitor 41 charged with a second voltage that is the sum of the third voltage and the fourth voltage (for example, hundreds of volts), and a third capacitor 43 connected in series. A rectifying element 44 and four switching elements 45, 46, 47, and 48 connected in an H-bridge are provided. However, as in the first embodiment, the second switching element 46 and the third switching element 47 of the second current source 4 are controlled by the control unit 6 without switching ON (conducting) / OFF (non-conducting). Since it is not necessary, it can be covered with a diode, and a drive circuit is unnecessary.

本実施形態に係る電磁石用電源装置1Bでは、第2コンデンサ41が第3電圧および第4電圧の和電圧である第2電圧で充電されるので、フェイズIにおいて、第2コンデンサ41は第3コンデンサ43よりも高い電圧まで確実に充電される。
したがって、電磁石用電源装置1Bによれば、フェイズIIにおいて、第2コンデンサ41の放電と第3コンデンサ43の放電とが同時に開始されてしまうのを確実に防ぐことができる。
In the electromagnet power supply device 1B according to the present embodiment, since the second capacitor 41 is charged with the second voltage that is the sum of the third voltage and the fourth voltage, in Phase I, the second capacitor 41 is the third capacitor. It is reliably charged to a voltage higher than 43.
Therefore, according to the electromagnet power supply device 1B, it is possible to reliably prevent the discharge of the second capacitor 41 and the discharge of the third capacitor 43 from being started simultaneously in Phase II.

以上、本発明に係る電磁石用電源装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではない。   As mentioned above, although preferable embodiment of the power supply device for electromagnets which concerns on this invention was described, this invention is not limited to the said structure.

例えば、上記各実施形態では、異なる電圧で予め充電された2つのコンデンサ(第2コンデンサ、第3コンデンサ)の放電電流により電磁石電流の頂部における電流値を一定に維持したが、電磁石電圧波形を理想とする電磁石電圧波形により近似させるという観点から、コンデンサの数は3つ以上とし、電磁石電圧の傾きを2回以上、切り替えることがより好ましい。   For example, in each of the above embodiments, the current value at the top of the electromagnet current is maintained constant by the discharge currents of two capacitors (second capacitor and third capacitor) precharged with different voltages, but the electromagnet voltage waveform is ideal. More preferably, the number of capacitors is three or more, and the gradient of the electromagnet voltage is switched twice or more from the viewpoint of approximating by the electromagnet voltage waveform.

1A、1B 電磁石用電源装置
2 第1電流源
3 第2電流源(第1実施形態)
4 第2電流源(第2実施形態)
5 電磁石
6 制御部
20 第1充電電源
21 第1コンデンサ
30 第2充電電源
31 第2コンデンサ
32 第3充電電源
33 第3コンデンサ
34 整流素子
1A, 1B Electromagnet power supply device 2 First current source 3 Second current source (first embodiment)
4 Second current source (second embodiment)
5 Electromagnet 6 Control Unit 20 First Charging Power Supply 21 First Capacitor 30 Second Charging Power Supply 31 Second Capacitor 32 Third Charging Power Supply 33 Third Capacitor 34 Rectifier

Claims (4)

電磁石にパルス状電流を印加する電磁石用電源装置であって、
第1電圧で予め充電された第1コンデンサの第1放電電流を前記電磁石に供給することにより、前記パルス状電流を頂部まで立ち上げる第1電流源と、
前記パルス状電流の立ち上げ後に、第2電圧で予め充電された第2コンデンサの第2放電電流を前記電磁石に供給し、さらにその後、第3電圧で予め充電された第3コンデンサの第3放電電流を前記第2放電電流とともに前記電磁石に供給することにより、前記パルス状電流を前記頂部において維持する第2電流源と、
を備えたことを特徴とする電磁石用電源装置。
An electromagnet power supply device for applying a pulsed current to an electromagnet,
A first current source for raising the pulsed current to the top by supplying a first discharge current of a first capacitor precharged with a first voltage to the electromagnet;
After the rise of the pulse current, the second discharge current of the second capacitor precharged with the second voltage is supplied to the electromagnet, and then the third discharge of the third capacitor precharged with the third voltage. A second current source that maintains the pulsed current at the top by supplying current to the electromagnet along with the second discharge current;
An electromagnet power supply device comprising:
前記第3電圧が前記第2電圧よりも低く設定され、
前記パルス状電流を前記頂部において維持する際、前記第2電流源は、前記第2コンデンサと、前記第3コンデンサおよび整流素子からなる直列回路とが前記電磁石に並列接続された状態とされることを特徴とする請求項1に記載の電磁石用電源装置。
The third voltage is set lower than the second voltage;
When maintaining the pulsed current at the top, the second current source has a state in which the second capacitor and a series circuit composed of the third capacitor and a rectifying element are connected in parallel to the electromagnet. The power supply device for an electromagnet according to claim 1.
前記第1電圧を出力する第1充電電源と、
前記第2電圧を出力する第2充電電源と、
前記第3電圧を出力する第3充電電源と、
を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の電磁石用電源装置。
A first charging power supply for outputting the first voltage;
A second charging power source for outputting the second voltage;
A third charging power source for outputting the third voltage;
The power supply device for electromagnets according to claim 1 or 2 characterized by things.
前記第1電圧を出力する第1充電電源と、
前記第3電圧を出力する第3充電電源と、
第4電圧を出力する第4充電電源と、
を備え、
前記第2電圧は、前記第3電圧および前記第4電圧の和電圧であることを特徴とする請求項1または2に記載の電磁石用電源装置。
A first charging power supply for outputting the first voltage;
A third charging power source for outputting the third voltage;
A fourth charging power source for outputting a fourth voltage;
With
The electromagnet power supply device according to claim 1, wherein the second voltage is a sum voltage of the third voltage and the fourth voltage.
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