JPH1118443A - 電磁石電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インバータ動作に伴い電流出力極性と逆の極
性の直流電圧が上昇するため、過電圧防止回路が必要と
なり、また熱としてエネルギーを放出するために電力損
出が発生する。 【解決手段】 電磁石電源装置において、インバータを
中性点電位固定型のインバータ回路とし、このインバー
タを電流の向きに応じて、正方向の場合は第１の素子と
第３の素子をＰＷＭ制御し、第２の素子はＯＮ、第４の
素子はＯＦＦに固定動作する。また、負方向の場合は第
２の素子と第４の素子をＰＷＭ制御し、第１の素子はＯ
ＦＦ、第３の素子はＯＮに固定動作とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速器用コイル電
源、超電導コイル電源、強磁場コイル電源等の電磁石電
源に係り、特に、低リップル・時間的高安定度・温度的
高安定度の要求される電磁石電源装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の加速器のビーム軌道制御における
補正用電磁石の電源装置について図７を用いて説明す
る。図７において、交流電源１からの電圧を所定の電圧
に変換するトランス２と、トランス２からの電圧を直流
電圧に変換する整流回路３と、直流電圧を基に任意の直
流電圧を発生するハーフブリッジ方式のインバータ回路
４と、インバー夕回路４からの出力を平滑化するための
Ｌ−Ｃフィルタ回路５と、負荷への通電電流を制御回路
にフィードバックするための電流検出器６と、電流基準
Ｉｒｅｆと電流フィードバックＩｆｂｋを比較演算する
主電流制御器７と、三角波キャリア発生器８と、主電流
制御器７の出力と三角波キャリア発生器８との出力を比
較し、ＰＷＭ波形を作るＰＷＭ制御回路９と、ＰＷＭ制
御回路９からの信号にて前記インバータ回路４の各素子
をドライブするドライブ回路１０と、直流が過電圧にな
ることを防止する過電圧防止回路１１ａ，１１ｂと、補
正用電磁石１２とから構成されている。

【０００３】このように構成された電源装置は、整流回
路３にて作られる正側と負側の直流電源を基にインバー
タ４を駆動し、そのインバータ４の出力をフィルタ５で
平滑した後に負荷の補正用電磁石１２に電力を供給す
る。また、インバータの動作は、電流検出器６の出力が
Ｉｒｅｆに追従するように制御される。尚、インバータ
動作に伴い、正側に電流を流している時には、インバー
タを構成する素子ａがＯＦＦした際に素子ｂと並列に接
続されているダイオードがＯＮとなることにより、電流
が整流回路の負側のコンデンサに流れ、電荷として蓄え
られる。この動作により、直流電圧が上昇しすぎた場合
は、過電圧防止回路１１ｂが動作し、熱としてエネルギ
ーを放出し過電圧にならないように動作する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の装置で
は、インバータ動作に伴い必ず電流出力極性と逆の極性
の直流電圧が上昇するため、前述したように過電圧防止
回路が必要となり、熱としてエネルギーを放出するため
に電力損出が発生する。また、熱として放出するために
抵抗などを使用するが、容量の大きい物が必要となる。
以上のことから、スイッチング方式による、小型・軽量
・高効率の利点が出しにくいものになっていた。更に、
システム全体として考えた場合に、電力損失が大きいこ
とからその冷却設備が必要となり、システム効率の向上
の妨げとなっていた。

【０００５】また、電流制御については、フィルタ回路
５と負荷側のリアクトル値の関係から応答を高く設定す
る事が出来ず、低速の応答としていた。このため、交流
電源の変動に対して、十分な抑制効果が得られず、出力
電流の変動となり、ビームの安定性が取りにくい状況で
あった。

【０００６】本発明は、上述の問題を解決しようとして
なされたもので、その目的とするところは、インバータ
動作による整流回路電圧の上昇の防止と、過電圧抑制回
路の削除、あるいは損失の低減。更に、電流制御の応答
性の改善による、出力電流変動の抑制と安定度の向上に
ある。また、多数台の補正電源を効率良く動作させるた
めの手段を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に係る電磁石電源装置では、イン
バータは中性点電位固定型のインバータ回路で、４個の
素子を直列接続し、第１の素子と第２の素子の間および
第３の素子と第４の素子の間に中性点と接続するダイオ
ードを設けた構成である。そして、このインバータは電
流の向きに応じて、正方向の場合は第１の素子と第３の
素子をＰＷＭ制御し、第２の素子はＯＮ、第４の素子は
ＯＦＦに固定動作する。また、負方向の場合は第２の素
子と第４の素子をＰＷＭ制御し、第１の素子はＯＦＦ、
第３の素子はＯＮに固定動作とする。例えば、正方向に
電流を通電する時には、第１の素子がＯＮの時は、第１
の素子→第２の素子→出力フィルターのリアクトル→電
磁石負荷のループにて増加方向に電流が流れる。また第
１の素子がＯＦＦの時は、第２の素子→出カフィルター
のリアクトル→電磁石負荷→第１素子と第２素子の接続
点と中性点との間のダイオードまでのループにて減少方
向に電流が流れる。このような動作により、出力電流は
主電流制御により基準に追従した状態に制御され、また
第１の素子がＯＦＦ時の電流は、第１素子と第２素子の
接続点と中性点との間のダイオードを通して還流し、直
流コンデンサの方へは流れなくなる。

【０００８】本発明の請求項２に係る電磁石電源装置で
は、主電流制御手段の制御結果の電圧信号を基準として
出力電圧を制御する電圧制御手段と、その電圧制御手段
の制御結果の電流信号を基準として出力電流を制御する
電流制御手段を有し、高速応答かつ出力電流精度を確保
する制御手段を備え、出力のフィルター回路と電磁石の
間に存在する固有周波数の振動を抑制する。

【０００９】本発明の請求項３に係る電磁石電源装置で
は、整流手段に電源位相と同期して力行・回生ができる
双方向コンバータを用いて、通常運転時には電流波形を
正弦波状に制御し、更に電源力率を１に制御する。ま
た、電磁石の電流を減少させる場合は、電磁石のエネル
キーを電源側に回生する。

【００１０】本発明の請求項４に係る電磁石電源装置で
は、整流手段に電源位相と同期して力行・回生ができる
双方向コンバータを用いて、そのコンバータ出力に複数
のインバータ部を接続することにより、並列に接続され
る複数のインバータ部は、整流手段を個別に持たないた
め小型・軽量化がはかられ、また電磁石の電流を減少さ
せる場合には、そのエネルギーの一部を電源側に回生す
ることが出来るため、トータルシステムとして運用効率
の高いシステムとすることができる。

【００１１】本発明の請求項５に係る電磁石電源装置で
は、第２の整流手段の出力に設けた高周波インバータに
より高周波に変換し、各インバータ単位に設けた高周波
トランスと整流手段により各インバータを絶縁する。こ
のため、各インバータを任意に並列または直列の状態に
することができ、単純にビルドアップ方式にてシステム
を構築することが可能となる。また、各インバータが絶
縁されているため、非絶縁方式の場合のように、主回路
の接続方法によっては発生する迷走電流の発生を防止で
きる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。本発明の第１の実施の形態
について図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本発
明の第１の実施の形態の構成図で、交流電源１と、交流
電源を変圧する中間タップを持つトランス２と、トラン
ス２の中間タップを基準点（ＶＣＯＭ）とし、正負の直
流電源に変換する整流回路３と、正負の直流電源から任
意の電圧を発生する中性点電位固定型のインバー夕回路
４と、前記インバータ回路４の出力電圧を平滑するＬ−
Ｃフィルター回路５と、負荷側の電流をフィードバック
する電流検出器６ａと、Ｌ−Ｃフィルター回路５のコン
デンサを含めた電流をフィードバックする電流検出器６
ｂと、電流基準Ｉｒｅｆと電流フィードバックＩｆｂｋ
を比較演算する主電流制御器７と、主電流制御器７の電
圧信号を基準として出力電圧を制御するマイナー電圧制
御器７ａと、前記マイナー電圧制御器７ａの電流信号を
基準として出力電流を制御するマイナー電流制御器７ｂ
と、正側・負側を別々に駆動するための三角波をつくる
三角波キャリア発生回路８と、前記マイナー電流制御器
７ｂの信号と前記三角波キャリア発生回路８の信号によ
り、ＰＷＭ制御を行うＰＷＭ制御回路９Ａ，９ｂと、前
記ＰＷＭ制御回路９Ａ，９Ｂの信号によりインバータ素
子を駆動するドライブ回路１０ａ，１０ｂと補正用電磁
石１２とにより構成されている。

【００１３】次に、インバータ回路部分について図２を
用いて説明する。図２は、４個の素子を直列接続し、第
１の素子４ａと第２の素子４ｂの間および第３の素子４
ｃと第４の素子４ｄの間に中性点と接続するダイオード
４ｅ，４ｆを設けた構成である。

【００１４】このインバータは電流の向きに応じて、正
方向の場合は第１の素子４ａと第３の素子４ｃをＰＷＭ
制御し、第２の素子４ｂはＯＮ、第４の素子４ｄはＯＦ
Ｆに固定動作する。また、負方向の場合は第２の素子４
ｂと第４の素子４ｄをＰＷＭ制御し、第１の素子４ａは
ＯＦＦ、第３の素子４ｃはＯＮに固定動作とする。

【００１５】このインバータ回路を動作させるために、
ＰＷＭ発生回路は図３のように構成される。４個の素子
を駆動するために、正と負のオフセットを加えた三角波
のキャリアを用い、正のオフセットが加えられている三
角波のキャリア側は、正の電流を通電する場合に用いら
れ、負のオフセットが加えられている三角波のキャリア
側は負の電流を通電する場合に用いられる。

【００１６】正側の電流を通電する際には、素子４ａが
電流の制御を行うモードになり、素子４ａがＯＮ状態の
時に電流は増加し、素子４ａがＯＦＦの場合はダイオー
ド４ｅを通して還流電流が流れ、負荷の時定数に従って
減衰する。負側も同様の動作になる。尚、０電流近辺に
ついては、指令に対する直線性を確保するために、正側
と負側のキャリアをわずかに重ね、両方向のパルスを出
すことにより、０電流出力制御をしている。

【００１７】マイナー電圧制御とマイナー電流制御は、
電流の制御応答と出力電圧の不安定現象を防止するため
のものであり、出力にフィルター回路を持つために、出
力電流が基準に追従していれば出力電圧が振動状態であ
っても問題なく動作する状況になるが、この電圧振動
が、微弱な信号を測定している回路に影響を与えること
から、電圧の振動が発生しないように制御しているもの
である。

【００１８】よって、第１の実施の形態によれば、ハー
フブリッジを用いたインバータ回路のように、インバー
タ動作による出力電流極性と逆の極性の主回路コンデン
サ電圧が上昇することは無く、正負の全領域にて安定し
た出力を得ることが出来る。また、トランスを用いて系
統と絶縁していることから、出力電流検出に高精度のシ
ャントを使用して、主回路と制御回路を非絶縁にて構成
することが可能になり、装置全体のコストダウンをする
ことが可能になる。

【００１９】また、トランスにて絶縁されていることか
ら、共通ラインを直接接地とすることが可能になり、従
来スイッチング方式を採用した場合に発生していた、ス
イッチングノイズによる接地電位変動、負荷端でのコモ
ンモードからノ一マルモードに変わるために発生してい
た電流リップルの増加が避けられる。

【００２０】非常停止などの場合は、第２の素子と第３
の素子をＯＮとし、他の素子をＯＦＦとすることで強制
的に還流モードを作り、ゲートを遮断することによる、
電磁石エネルギーの直流コンデンサへの回生を防止し、
装置を破損することなく停止状態にすることが可能とな
る。

【００２１】次に、本発明の第２の実施の形態について
図４を参照して説明する。図４は本発明の第２の実施の
形態の構成図であり、ここでは、図１に示した第１の実
施の形態と異なる点のみ記している。

【００２２】第１の実施の形態に対し、整流回路部分
を、入力Ｌ−Ｃフィルタ−１３と、双方向コンバータ１
４と、入力電流検出器１５と、直流電圧を制御する電圧
制御器１６と、入力の電圧位相を検出し、その電圧位相
と同期した電流の位相基準を出力する正弦波基準発生器
１７と、前記電圧制御器１６からの電流基準と前記正弦
波発生器１７の位相基準をかけ算するかけ算器１８と、
かけ算器１８からの負荷に応じた正弦波電流基準に制御
する電流制御器１９と、三角波キャリア発生器２０と、
前記電流制御器１９からの出力と前記三角波キャリア発
生器２０からの出力にてＰＷＭ制御を行うＰＷＭ制御回
路２１と、前記ＰＷＭ制御回路２１の出力にて双方向コ
ンバータ１４を駆動するドライブ回路２２から構成され
ている。

【００２３】この双方向コンバータ回路１４は、直流電
圧基準Ｖｒｅｆに応じた一定の直流電圧を保つように動
作する。今、正側の出力をしている場合、コンバータは
正側の直流電圧を保つために力行動作となり、その入力
電流波形は入力電圧位相に同期した正弦波状の電流波形
となる。また、負側についても同様に正弦波状の電流波
形となり力率をほぼ１とした状態となる。このため、電
源に流出する電流高調波が大幅に減少し、更に皮相電力
がほとんど無い装置とすることができ、設備容量低減と
高調波対策の低減が同時に図られる。

【００２４】また、電磁石の電流を電磁石のＬ／Ｒ以上
の時定数で減少させる場合には、通常の整流回路では直
流電圧の上昇を招き、対応が出来ないが、回生機能を持
つことにより、電磁石の回生エネルギーを電源に回生す
ることにより、装置能力以内であれば任意レートで電流
を減少させることが出来る。また、緊急時の消磁動作が
迅速に行える。

【００２５】更に、直流電圧が一定に制御されることか
ら、系統電圧が変動が直流電圧に現れるにくく、出力電
流制御への外乱要因の軽減になり、安定した出力が確保
出来る。

【００２６】尚、図では例示しないが、正側と負側を別
々の双方向コンバータとすることも可能である。次に、
本発明の第３の実施の形態について図５を用いて説明す
る。

【００２７】図５は本発明の第３の実施の形態の構成図
であり、第２の実施の形態に示した、双方向コンバータ
部２３と、複数のインバータ部２４から構成することに
より、個別に双方向コンバータを持たせた場合に比べ、
コンバータの利用効率が高くなり、システム全体として
の効率化を図ることができる。

【００２８】また、双方向コンバータ部をインバータ部
と別にすることが出来、コンバータ部の発熱による温度
変化をインバータに外乱として与えることを軽減でき、
システムの信頼性向上につながる。

【００２９】次に、本発明の第４の実施の形態について
図６を用いて説明する。図６は本発明の第４の実施の形
態の構成図であり、共通の整流回路として、交流電源１
を入力とする整流回路２５と、整流回路２５に接続され
た高周波インバータ２６と、高周波インバータ２６の出
力電圧を検出する出力電圧検出トランス２７と、出力電
圧検出トランス２７からの信号を基に高周波インバータ
２６を制御する電圧制御回路２８とを設け、その出力に
第１の実施の形態に示した電磁石電源装置の交流入力部
を高周波対応に変更したインバータ個別ユニット２９を
複数接続している。

【００３０】このように構成することにより、各インバ
ータ個別ユニット２９の整流回路が小型化でき、システ
ム全体としての小型・軽量化が図れる。また、各インバ
ータが高周波トランスにより絶縁されることから、各イ
ンバータ個別ユニット同士を耐圧内であれば任意に直列
接続が可能であり、また各インバータユニットが電流制
御で動作していることから、並列制御についても可能と
なり、同一定格のインバータ個別ユニットを組み合わせ
ることにより、種々のシステムに柔軟に対応することが
出来る。また、インバータ個別ユニットの種類を減らす
ことができるため、故障が発生した場合に備える予備機
の種類を減らすことが可能となる。

【００３１】更に、各インバータ個別ユニットを分離で
きることから、測定器をつなぐことによって発生する測
定器を通した多点接地を防止することができ、不要な電
流による測定の誤差を防止することが可能となる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
出力電位を直流電源の共通ライン上で、ハーフブリッジ
では避けられなかった回生電力の処理用過電圧防止回賂
が不要になり、小型・軽量かつ損失の少ない電磁石電源
装置を提供することができる。また、システム全体の損
失が低減されることから、冷房設備を不要とすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の構成図。

【図２】本発明の第１の実施の形態のインバータ回路の
構成図。

【図３】本発明の第１の実施の形態のインバータ動作の
説明図。

【図４】本発明の第２の実施の形態の構成図。

【図５】本発明の第３の実施の形態の構成図。

【図６】本発明の第４の実施の形態の構成図。

【図７】従来の電磁石電源装置の構成図。

【符号の説明】

１・・・交流電源 ２・・・トラン
ス ３・・・整流回路 ４・・・インバ
ータ回路 ４ａ〜４ｃ・・・素子 ４ｅ，４ｆ・・
・ダイオード ５・・・フィルター回路 ６ａ・・・電流
検出器 ６ｂ・・・電流検出器 ７・・・主電流
制御器 ７ａ・・・マイナー電圧制御器 ７ｂ・・・マイ
ナー電流制御器 ８・・・三角波キャリア発生器 ９・・・ＰＷＭ
制御回路 １０・・・ドライブ回路 １１・・・過電
圧防止回路 １２・・・補正用電磁石 １３・・・Ｌ−
Ｃフイルタ １４・・・双方向コンバータ １５・・・入力
電流検出器 １６・・・電圧制御器 １７・・・正弦
波基準発生器 １８・・・かけ算器 １９・・・電流
制御器 ２０・・・三角波キャリア発生器 ２１・・・ＰＷ
Ｍ制御回路 ２２・・・ドライブ回路 ２３・・・双方
向コンバータ部 ２４・・・インバータ部 ２５・・・整流
回路 ２６・・・高周波インバータ ２７・・・出力
電圧検出卜ランス ２８・・・電圧制御回路 ２９・・・イン
バータ個別ユニット

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源と、 この交流電源の出力を変圧する中間タップを持つトラン
   スと、 このトランスの中間タップを基準点とし正負の直流電源
   に変換する整流手段と、 前記正負の直流電源から任意の電圧を発生する中性点電
   位固定型のインバータと、このインバータの出力電圧を
   平滑するフィルター手段と、負荷電流を検出する電流検
   出手段と、前記負荷電流を電流基準に追従させる主電流
   制御手段とからなるインバータ部と、 このインバータ部の出力側に接続される電磁石負荷と、
   を具備したことを特徴とする電磁石電源装置。
2. 【請求項２】 負荷電圧を検出する電圧検出手段と、前
   記フィルター手段のコンデンサを含めた電流を検出する
   第２の電流検出手段と、前記主電流制御手段の出力と前
   記電圧検出手段の出力とを基に出力電圧を制御する電圧
   制御手段と、この電圧制御手段の出力と前記第２の電流
   検出手段の出力とを基に出力電流を制御する電流制御手
   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。
3. 【請求項３】 前記整流手段を入力電圧位相と同期して
   力行または回生が出来る双方向コンバータとしたことを
   特徴とする請求項１又は請求項２記載の電磁石電源装
   置。
4. 【請求項４】 前記整流手段の出力側に前記インバータ
   部を複数設けたことを特徴とする請求項３記載の電磁石
   電源装置。
5. 【請求項５】 前記交流電源と前記トランスとの間に第
   ２の整流手段と、高周波インバータとを設け、前記トラ
   ンスを高周波に対応したトランスとすることを特徴とす
   る請求項１記載又は請求項２記載の電磁石電源装置。