JPH0193099A - 荷電粒子加速用電源装置 - Google Patents

荷電粒子加速用電源装置

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JPH0193099A
JPH0193099A JP62248743A JP24874387A JPH0193099A JP H0193099 A JPH0193099 A JP H0193099A JP 62248743 A JP62248743 A JP 62248743A JP 24874387 A JP24874387 A JP 24874387A JP H0193099 A JPH0193099 A JP H0193099A
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JP
Japan
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power supply
semiconductor
voltage
charged particle
rectifier
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JP62248743A
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English (en)
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Hidehiro Nagamura
英博 長村
Mamoru Matsuoka
守 松岡
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Japan Atomic Energy Agency
Original Assignee
Japan Atomic Energy Research Institute
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、荷電粒千金加速する為の電源装置、特に、負
荷側での短絡事故時に交流側に設けられた半導体スイッ
チにより高速遮断するようにした電源装置に関する。
(従来の技術) 現在使用されて℃・る核融合実験装置には中性粒子入射
装置(Neutral Beam Injector、
  以下[NBIJという)、即ち水素原子等?イオン
化し、直流高電圧(100KV相当)の電圧にて加速し
てイオン原子を中性原子に変換した後、核融合実験装置
のプラズマに入射し加熱する装置が必要であるが、イオ
ン化された水素原子等の荷電粒子全加速するために加速
用′6源装置が用いられる。第1図は従来の加速用電源
装置の一例の構成を示している。同図において、端子T
がら供給される交流電圧は降圧変圧器1で降圧されてか
ら、サイリスタ素子全使用した他励式の半導体式交流電
力変換装置2に加えられる。この半導体式交流電力変換
装置2の出力は変圧器3を介して整流器4に印加され、
直流に変換される。整流器4から出力された高電圧の直
流電圧はゲート・ターンオフ・サイリスタ(GTO素子
)全使用した直流スイッチ5を介して、負荷であり荷電
粒子源であるイオン源6に印加される。イオン源6では
この高電圧によって水素原子等の荷電粒子が加速される
しかし、イオン源6では、しばしばこの高電圧により短
絡現象が生じる為、瞬時にこの短絡を検知して負荷電流
を遮断する必要があった。従来は、第5図に示す様に、
強制消弧機能を有する直流スイッチ5を設け、負荷6で
の短絡時に数十マイクロ秒以内で負荷電流を遮断する方
式を採用していた。
一方、半導体式交流電力変換装置2は、整流器4の出力
電圧を可変にする為のもので、負荷6で短絡事故が生じ
ても、この他励式の半導体式交流電力変換装置はオフし
ない。これは、半導体式交流電力変換装置2が他励式で
ある為に強制消弧機能がないうえ、その使用素子である
サイリスタの通電電流値が零になるまでには、即ち負荷
電流遮断までには最悪の場合、電源周期(例えば50H
zで20ミリ秒)の14の時間がかかるので、負荷6で
の短絡を検知して半導体式交流電力変換装置2をオフす
ることによって負荷6を保進することは不可能だからで
ある。
さらに、NBIの加速用電源装置は将来の方向として「
高電圧化」を要求されており、その目標電圧値はIMV
にも達する。
この様な高電圧の加速用電源装置全従来の技術に従って
実現しようとした場合、直流スイッチ5の高耐圧化を実
現する上で、例えは次のような種々の間覇点が生じる。
■ 直列接続するGT○素子の素子数の増加に起因する
問題 現在使用されている100KVの加速用電源装置におい
ては、耐圧2,5KVのG T O素子を約120側石
列にした直流スイッチ5勿採用しているが、電源電圧が
IMVもの高さに上昇すると、直列接続するG T O
素子の素子数は概算でも1200個にも達することにな
る。直列にする素子数が増加すると、直流スイッチ5全
オン−オフする際には、個々のGTO素子のオン及びオ
フ時の微小なタイミングのずれが生じるのが避られない
。このため、一部のGTO素子に過大な電圧が片寄って
印加され、GTO素子が破損するという事態が生じる。
換言すれば、現状では、この様な1200個にも及ぶ多
数の直列素子をオン−オンする技術は確立されておらず
、これが大きな技術的隘路となっているのである。
■ 半導体素子の開発傾向とのマツチングの問題現在の
半導体素子の開発傾向は、GTO素子も含めて、高耐圧
化且つ大電流化(数KA)の方向である。一方、NBI
の開発傾向は、高電圧化の方向では一致しているか、電
流に関しては小電流化の方向にあり、半導体素子の将来
方向とは喰い違ってきている。
したがって、こうした喰い違いを残したまま両者の開発
が進むなら、将来開発され5る高耐圧能力のGTO素子
を加速用電源装置の直流スイッチ5に使用し、GTO素
子の素子数を低減させたとしても、大電流用の高価なG
TO素子を使用することになり、技術的にも経済的にも
不合理である。一方、NBI用としての高耐圧−小電流
のGTO素子はその需要規模が小さいので、こうしたG
TO素子の開発が実現する見通しは低い。
この様な状況により、半導体素子の開発傾向にマツチし
た合理的な新しい加速用電源装置システムの開発が強(
要望されてい1こ。
(発明が解決しようとする問題点〕 本発明は以上に述べた従来技術の問題点に鑑み、交流側
で負荷電流をオン−オフすることにより、直列接続され
る半導体素子の数が低減され、また半導体素子の開発傾
向ともマツチした合理的な加速用電源装置全提供するこ
とを目的とするものである。
(問題点を解決するための手段) 上記の目的を達成するために、本発明においては、強制
消弧機能を持つ半導体式交流電力調整装量な変圧器の一
次側に設け、直流側の異常時に該半導体交流電力調整装
置を強制消弧させて負荷電流全遮断する。
(作用) 直流側の異常時に半導体式交流電力調整装置が強制消弧
され、負荷電流が高速で遮断される。
(実施例) 本発明による一実施例を、NBIに使用される加速用電
源装置を例にとって説明する。第1図はこうした加速用
電源装置の構成の概略図である。
同図において、参照数字1,3,4,6.で示された構
成要素は第5図におけるものと同様であるので、説明を
省略する。7は、強制消弧機能を有する半導体式交流電
力調整装置であり、GTO素子金構成要素としている。
第5図に示された従来の加速用電源装置と比較すると、
本発明においては直流スイッチ5が除去され、その代り
に、強制消弧機能を有する半導体式交流電力調整装置7
が設けられて、負荷6の短絡事故時における保護を、こ
の半導体式交流電力調整装置7の負荷電流の高速遮断に
より行うようにしている。
第5図における直流スイッチ5の負荷電流遮断速度は約
数十マイクロ秒であるが、直流スイッチ5と同様に、半
導体式交流電力調整装置7=20TO素子で構成するこ
とにより、GTO素子の遮断速度と同程度の遮断速度を
有する半導体式交流電力調整装置7を実現することがで
きる。
また、第5図における他励式の半導体式交流電力変換装
置2と同様に、半導体式交流電力調整装置7の半導体素
子の位相角制御により整流器4の出力電圧全調整するこ
とが可能であり、加速用電源装置全体としては、本発明
においても第5図の従来のものの機能と何ら変わりのな
い機能を奏することが可能である。
このように加速用電源装置を構成したので、GTO素子
の個数が低減され且つ半導体素子の開発傾向にマツチし
た加速用電源装置を得ることができる。これを以下に述
べる。
■ GTO素子の素子数の低減 NBIの加速用電源装置は将来の方向としてIMVとい
う高電圧化が要求されている。現状+7)耐圧2.5 
K V −600A(7)G T O素子=i使用して
半導体式交流電力調整装置7を実現する場合、直列接続
されるGTO素子の素子数Nは以下の式により概算され
る。
1.35cosα ”GTO ただし、 ■。To: GTOの定格電流 ■GTo二 〇TO素子の定格電圧 ■  = 整流器用変圧器の一次巻線定格電流■p1 
: 整流器用変圧器の一次巻線定格電圧■p2 : 整
流器用変圧器の二次巻線定格電圧E  : 整流器の定
格直流電圧 工  : 整流器の定格直流電流 K1  : 過電流倍数、  K2 :電電圧倍数α 
 : 位相制御角。
ここで工  −60OA、V、。−2,5KV。
TO に1 =2.5.に2=3.Oα=10’、Ed=IM
V。
工d−5Aとすると、 工p1−24OA、vp□−752に■、vp1−12
.8KV。
、−、N −15,4 以上の計算から、GTO素子は16個で足りることがわ
かる。一方、第5図における直流スイッチ5においてI
MVの高耐圧全実現する為には、約1200個とい5G
TO素子が必要である。即ち、本発明では約100分の
1の素子数で実現が可能であり、大幅にGTO素子の素
子数の低減を実現することが可能である。
■ 半導体素子の開発傾向とのマツチングNB工は「高
電圧−小電流化」を目指す傾向にあり、半導体素子の開
発傾向である「高耐圧−大電流化」とマツチしていない
のが現状であるが、本発明によれば、交流側に負荷電流
の遮断機能を持たせているので、整流器用変圧器3によ
り任童に電流変換を行うことができ、たとえ直流側電流
がどんなに小さくても、この電流変換により、GTO素
子の許容値の限度まで通電電流値全土げることが可能に
なる。
したがって、今後、「高耐圧−大電流」の半導体素子が
開発されれば、それは半導体式交流電力調整装置7の使
用素子数の低減に結びつ(ので、従来の加速用電源装置
で問題となっていた「大電流用の高価な素子を多数個直
列接続して小電流通電状態で使用する」という不合理が
解消される。
次に、本発明に係る加速用電源装置の若干の変形例を説
明する。
第2図は、コンデンサまたは非線型抵抗等を使用した過
電圧防止回路8,9.10’(j付加したもので、強制
消弧機能を有する半導体式交流電力調整装置7の負荷電
流遮断時に半導体素子に加わる過電圧を抑制する為のも
のである。
この過電圧防止回路の付加により、半導体式交流電力調
整装置7の素子数全低減させ、遮断性能の信頼性を高め
ることが可能となる。
このように過電圧防止回路8,9.io’i付加しても
、第1図の加速用電源装置の機能が損われることはない
第3図は、直流側に浮遊静電エネルギー吸収装置11を
付加したものである。浮遊静電エネルギー吸収装置11
はインダクタンスllaと抵抗11bの並列接続により
構成され、半導体式交流電力調整装置7の負荷電流遮断
後に整流器用変圧器3の2次巻線が有する浮遊静電容量
12の静電エネルギーを吸収すると共にイオン源6に流
入する電流工sヲ一定値以下に限流する機能を奏する。
この場合も、浮遊静電エネルギー吸収装置9の付加によ
って第1図の加速用π、源装置の機能が損われることは
ない。
第4図は、直流側に能動型リップルフィルタ13を付加
したものである。リップル仕様がきびしいイオン源6の
場合には、従来、直流スイッチ(第5図)の前段にコン
デンサ型の受動フィルタを挿入することが行われていた
。これに対し、本発明の場合には負荷電流遮断を交流側
で行う為、コンデンサ型の受動フィルタを挿入すること
ができない。これに代えて、インダクタンス型の受動フ
ィルタを挿入することも考えられたが、IMVという高
電圧ではそのリップル電圧も太き(、リンプルを数%以
内に抑える為には約数百Hものインダクタンスが必要と
なってしまうので、現実には、こうした大きなインダク
タンスの受動フィルタを挿入することは困難である。
しかし、直流側では直流電流値が数Aと小さく、そのリ
ップル分の容量は数百KVAと比較的小さいので、電流
交換(「高電圧−小電流」から「低電圧−大電流゛」へ
の変換)が行われた後に、リップル分容量を打ち消すた
めの能動型リップルフィルタ13を使用することは、き
わめて有効であり、第1図の加速用電源装置の機能を更
らに高めることができる。
なお、以上の過電圧防止回路、浮遊静電エネルギー吸収
装置、能動型リップルフィルタをそれぞれ単独で付加す
るばかりでなく、それらを組合せて付加してもよいこと
は明らかである。
(発明の効果) 以上、一つの実施例及びその変形例に基づいて本発明の
詳細な説明したところから明らかなように、本発明に係
る加速用電源装置は、変圧器の一次側に、強制消弧機能
を有する半導体式交流電力調整装置を設け、直流側の負
荷短絡等の異常時にこの半導体式交流電力調整装[−強
制消弧させることとしたので、直流側の異常時に負荷電
流を遮断するだめの装置を構成する半導体素子の個数全
大巾に低減することができるうえ、高耐圧−大電力化と
いう半導体素子の開発傾向ともマツチした加速用電源装
置を提供することができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る荷電粒子加速用電源装置の一実
施例を示す。第2図〜第4図は、本発明に係る荷電粒子
加速用電源装置の変形例を示すもので、第2図は過電圧
防止回路を、第3図は浮遊静電エネルギー吸収装置を、
第4図は能動型リップルフィルタを設けた例である。第
5図は、従来の荷電粒子加速用電源装置の概略図である
。 1・・・降圧変圧器   3・・・整流器用変圧器4・
・・整流器     6・・・イオン源7・・・強制消
弧機能を有する半導体式交流電力変換装置 8.9.10・・・過電圧防止回路 11・・・浮遊静電エネルギー吸収装置13・・・能動
型リップルフィルタ (外4名)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)強制消弧機能を持つ半導体式交流電力調整装置と
    、 該半導体式交流電力調整装置から出力される交流電圧が
    印加される変圧器と、 該変圧器によって変圧された交流電圧を整流して直流電
    圧を出力する整流器と、 を備え、該整流器から出力される直流電圧を荷電粒子源
    に印加するようになされた荷電粒子加速用電源装置にお
    いて、 直流側の異常時に前記半導体式交流電力調整装置を強制
    消弧させて負荷電流を遮断することを特徴とする荷電粒
    子加速用電源装置。
  2. (2)前記半導体式交流電力調整装置にゲート・ターン
    オフ・サイリスタを使用したことを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載の荷電粒子加速用電源装置。
  3. (3)コンデンサまたは非線型抵抗等を有する過電圧防
    止回路を設けて前記半導体式交流電力調整装置の半導体
    素子に加わる過電圧を抑制することを特徴とする特許請
    求の範囲第1項又は第2項記載の荷電粒子加速用電源装
    置。
  4. (4)前記整流器の出力側に且つ前記荷電粒子源と直列
    に、浮遊静電エネルギー吸収装置を接続したことを特徴
    とする特許請求の範囲第1〜3項のいずれか一つに記載
    の荷電粒子加速用電源装置。
  5. (5)前記整流器の出力側に且つ前記荷電粒子源と直列
    に、能動型リップルフィルタを接続したことを特徴とす
    る特許請求の範囲第1〜4項のいずれか一つに記載の荷
    電粒子加速用電源装置。
JP62248743A 1987-10-01 1987-10-01 荷電粒子加速用電源装置 Pending JPH0193099A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5478205A (en) * 1994-03-07 1995-12-26 Carrier Corporation Impeller for transverse fan

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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