JPS6322153B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、誘導性負荷にパルス電流を供給す
る電源に関するもので、例えば電子あるいは陽子
などを高エネルギーに加速するための加速器にお
けるパルス電磁石用の電源の改良に関するもので
ある。

素粒子物理学の分野では、近年その重要な研究
手段として、電子あるいは陽子などを高エネルギ
ーに加速するための加速器が用いられるようにな
つた。この一つとして、電子ライナツクからのパ
ルス状のビームをリング内に入射し、それから加
速されたビームを連続的に取出す方法があるが、
この場合リング内に入射されたビームを入射点で
再び収束させる必要がある。この目的で、リング
上に設けられるのがパルス四極電磁石であり、こ
の電磁石を励磁するために、高安定度のパルス電
流を発生させるパルス電流発生装置が必要であ
る。

このような誘導性負荷に対するパルス電流の発
生装置としては、第１図に示すものが一般的であ
る。

第１図において、１は、交流電源、２は交流を
直流に変換する制御整流器、３は、コンデンサ、
４は、サイリスタ、５は、誘導性負荷でこのばあ
い電磁石である。６は、コンデンサ３を充電する
ための抵抗器、７は、制御整流器２の出力電圧を
調整してパルス電流の大きさを調整するための電
流基準回路である。

第１図に基づいて、従来の装置の説明をする。

第１図において、制御整流器２は、例えば３相
のサイリスタブリツジから成り、３相交流電源１
から入力される交流電圧を、直流電圧E_pに変換す
る。直流電圧E_pの大きさは、電流基準回路７の出
力により、制御整流器２を構成するサイリスタの
位相角制御によつて決定される。このようにして
発生した電圧により、コンデンサ３は、充電用抵
抗器６を通して、電圧E_pまで充電される。コンデ
ンサ３の電圧E_cがE_pに充電された状態で、サイリ
スタ４を点弧すると、電磁石５には、パルス状の
電流が流れる。この電流I_pの大きさは、コンデン
サの容量をＣ、電磁石５のリアクタンスをL_pとす
ると、I_p＝E_p／√_p……(1)式で表わすことが
できる。また、そのパルス巾Ｔは、Ｔ＝π√・
Ｃ……(1)式で表わすことができる。但し、この場
合、電磁石の抵抗分は非常に小さい。

なお、サイリスタ４の電流は、コンデンサ３と
電磁石５によるCLの共振によるので、電流零点
で自然消弧する。

従つて、サイリスタ４を周期的に点弧させるこ
とにより、連続的なパルス電流を得ることができ
る。

ところで、上述のような加速器の電源は、例え
ば、１×10^-3以上と言うような高安定度が要求さ
れるが、上記従来の方法では、制御整流器の応答
時間（一般的には数百Hz以下）に制約があるの
で、電流安定度の基本となるコンデンサ３の電圧
を高精度に制御することが難しい。

また、コンデンサ３の充電電流を抵抗器６によ
り制限しているため、損失が増大し、装置の効率
が低下する。

この発明は、上記のような従来のものの欠点を
除去するために、直流電源とコンデンサの間に、
消弧能力を有する高速のスイツチ回路を設け、コ
ンデンサ３の充電電圧を高精度に制御し、かつ、
充電電流制限用としてリアクトルを用いることに
より、損失の少ないパルス電流発生装置を提供す
ることを目的とする。

以下、この発明の一実施例について説明する。

第２図において、１は交流電源、３０は直流電
源としての整流器、３はコンデンサ、４はコンデ
ンサ３に蓄勢されたエネルギーを電磁石５へ放出
させるための放電用サイリスタ、８は、消弧手段
を有するスイツチ回路であり、８は、充電電流を
制限するための電流制限用リアクトル１４、フラ
イホイールダイオード１５、コンデンサ３を充電
するための充電用サイリスタ１６、及び上記充電
用サイリスタ１６を瞬時に非導通状態にさせるた
めの転流用スイツチ回路１７とにより構成され
る。９は充電用サイリスタ４の導通により反転し
たコンデンサ３の電圧を元にもどすための反転用
サイリスタ、１０は同じく反転用リアクトル、１
１は、上記４，９，１６のサイリスタをそれぞれ
の動作順序に従つて付勢するための制御回路、１
２はコンデンサ３の電圧がパルス電流基準回路１
３の出力信号に相当する値になつたとき転流用ス
イツチ回路１７を付勢し充電用サイリスタ１６を
非導通状態にするように動作するコンデンサ電圧
検出手段である。

第３図は、この発明の上記転流用スイツチ回路
の一実施例である。

第３図において、１８は充電用サイリスタ１６
の電流を瞬時に移して１６を非導通状態にさせる
ための転流用サイリスタ、１９は転流用サイリス
タをOFFさせるための転流用ダイオード、２０
は同じく転流用リアクトル、２１は同じく転流用
コンデンサ、２２は転流用コンデンサ２１とコン
デンサ３との間の蓄勢エネルギーのやり取りを防
止するためのブロツク用ダイオードである。

第４図は、本発明の一実施例の動作を説明する
波形図であり、本発明によるパルス電流発生装置
の定常動作時の１サイクルについて示したもので
ある。第２図ないし第４図に基づいて本発明の一
実施例の作用、動作の説明を行なう。

動作は第１モードから第４モードまであり、説
明上第３モードから説明する。時刻t₀以前に、コ
ンデンサ３はすでに所望の電圧まで充電されてい
るものとする。

第４図ａに示すように、時刻t₀において放電用
サイリスタ４が点弧されると、コンデンサ３に蓄
勢されたエネルギーは、電磁石５へ放出される。
従つて、電磁石５へ供給される電流は、第４図ｆ
で示すように、コンデンサ３と等価的にリアクト
ルである電磁石との共振による正弦波状の電流と
なる。この電流の大きさI_p及び時間巾Ｔは、前記
(1)及び(2)式に示す式で表わすことができる。上記
電磁石５へ供給される電流の極性が反転しようと
する時刻t₁において、第４図ｆに示す電磁石５す
なわち放電用サイリスタ４の電流が零になるの
で、４は自然消弧する。この時、コンデンサ３の
電圧は第４図ｅに示すように、時刻t₀とは逆の極
性（負極性）に反転するので、放電用サイリスタ
４を完全にOFFするに必要な逆バイアスが得ら
れる。

次の第４モードでは時刻t₂で、第４図ｂに示す
ように、反転用サイリスタ９を点弧すると、コン
デンサ３と反転用リアクトル１０とで共振回路が
形成されるので、コンデンサ３の電圧は第４図ｅ
に示すように元の極性へ反転する。この時のコン
デンサ３の電圧は、電磁石５及び反転回路などの
損失により、前より△E_cだけ低い値である。この
時、反転用サイリスタ９に流れる電流は、第４図
ｇのような正弦波状の波形であり、上記放電用サ
イリスタ４と同じように、電流の零点、すなわ
ち、第４図ｇにおける時刻t₃で自然消弧する。

次の第１モードでは時刻t₄で充電用サイリスタ
１６が点弧される（第４図ｃ）。時刻t₄以前は、
１６及び転流用スイツチ回路１７は導通していな
いので、電流制限用リアクトル１４の電流は、フ
ライホイールダイオード１５に流れ続けている
（第４図ｊ）。充電用サイリスタ１６が導通する
と、コンデンサ３は、整流器３０、電流制限用リ
アクトル１４、充電用サイリスタ１６を通して充
電が開始される（第４図ｉ）。コンデンサ３の電
圧は、電圧検出手段１２に入力され、１２のもう
一つの入力信号であるパルス電流基準回路１３か
らの信号と比較される。パルス電流の大きさが、
コンデンサ３の電圧E_cに比例することは、前記(1)
式に示した。時刻t₅で、コンデンサ３の電圧が、
パルス電流基準回路１３からの信号に対応した値
に達すると電圧検出手段１２から転流用スイツチ
回路１７へ信号が出力される（第４図ｄ）。

次の第２モードでは時刻t₅で電圧検出手段１２
から出力される信号は、転流用サイリスタ１８に
供給される。従つて、１８は瞬時に導通し、整流
器３０→電流制限用リアクトル１４→転流用リア
クトル１８→ブロツク用ダイオード２２→３０と
閉ループができるので、充電用サイリスタ１６に
流れていた電流は瞬時に（通常数μs以下）、転流
用サイリスタ１８へ移る。従つて、コンデンサ３
の電圧は、パルス電流基準回路１３に対して高精
度に制御することができる。

転流用サイリスタ１８の導通期間は、充電用サ
イリスタ１６が完全にOFFするに必要な数十μs
でよい。１８の消弧は次のようにして行なわれ
る。時刻t₅以前に、転流用コンデンサ２１は、整
流器３０→電流制限用リアクトル２０→２１→ブ
ロツク用ダイオード２２→３０のループで、すで
に充電されている。時刻t₅で転流用サイリスタ１
８が点弧されると、転流コンデンサ２１に充電さ
れていた電圧は、転流リアクトル２０→転流用サ
イリスタ１８を通して反転する。従つて、転流用
サイリスタ１８の電流は、充電用サイリスタ１６
に流れていた電流I_pと、上記転流リアクトル２０
と転流コンデンサ２１の共振電流の和である（第
４図ｈの時刻t₆−t₇間）。従つて、転流用コンデ
ンサ２１の電圧は、再び元の極性へ反転し、次の
サイクルの動作まで、待期する。また、時刻t₆
で、転流用サイリスタ１８がOFFすると電流制
限用リアクトル１４の電流はフライホイールダイ
オード１５に転流するので、１４の端子間に発生
するサージを防止でき、装置の破壊を防ぐことが
できる。

以上のような方法で、コンデンサ３の充電電圧
が制御されるので、整流器３０は、従来の制御整
流器のような特殊なものを用いる必要はない。ま
た、充電時の電流制限用としてリアクトル１４を
用いているので充電時の電力損失を低減できる。

時刻t₈で、第３モードにもどり再び放電用サイ
リスタ４が点弧されると、コンデンサ３から電磁
石５へパルス電流が供給され、以下上述の時刻t₀
〜t₇までの動作を繰返して、電磁石５への連続的
にパルス電流を供給することができる。

転流用スイツチ回路１７は、上述の実施例の他
に、トランジスタ、ゲートターンオフサイリス
タ、静電誘導形サイリスタなど自己消弧能力を有
する半導体スイツチでもよい。

なお、第４図ｅの時刻t₃では、コンデンサ３の
電圧は、もとの極性にもどり、その大きさは、時
刻t₀における充電時に比べて20％〜30％低い値で
あるが、反転用サイリスタ９、反転用リアクトル
１０がない場合、コンデンサ３の電圧は、充電時
の90〜80％の電圧値で極性は逆になる。従つて、
時刻t₄以降、コンデンサ３を充電する場合、充電
電流を一定とするならば、上記の前者すなわち本
発明においては、充電時間が、後者の従来のもの
に比べて1/6〜1/9に短縮できる。従つて、パルス
電流の繰返し周波数を上げることができる。

ブロツク用ダイオード２２は、充電用サイリス
タ１６の点弧によりコンデンサ３と、転流用リア
クトル２０及びコンデンサ２１との間に共振回路
が生じるのを防止し、コンデンサ３の電圧を安定
にすることを目的としている。

上記の実施例では直流電源として交流電源と整
流器とからなる電源で説明したが、バツテリーそ
の他の直流電源を用いてもよい。

以上のように、この発明によれば、直流電源と
コンデンサ３の間に転流用スイツチ回路を設けて
制御することにより、コンデンサの充電電圧値を
高精度に制御できるので、要求される高安定度の
パルス電流を得ることができる。

また、コンデンサの両端に極性反転回路を設
け、誘導性負荷へパルス電流を供給した後、コン
デンサの電圧を元にもどすことによつて、充電時
間が大幅に短縮できるので、装置の繰返し周波数
を上げることができる。

さらに充電電流の制限用としてリアクトルを用
いているため、充電時の電力損失を低減できるの
で、装置の効率を上げる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のパルス電流発生装置を示す図
第２図は、この発明の一実施例によるパルス電流
発生装置を示す図。第３図はこの転流用スイツチ
回路の一実施例を示す図。第４図は、この発明の
一実施例の動作を説明する図である。 第２図、第３図において、１は交流電源、３０
は整流器、３はコンデンサ、４は放電用サイリス
タ、５は電磁石、８はスイツチ回路、９は反転用
サイリスタ、１０は反転用リアクトル、１１は制
御回路、１２は電圧検出手段、１３はパルス電流
検出手段、１４は電流制限用リアクトル、１５は
フライホイールダイオード、１６は充電用サイリ
スタ、１７は転流用スイツチ回路、１８は転流用
サイリスタ、１９は転流用ダイオード、２０は転
流用リアクトル、２１は転流用コンデンサ、２２
はブロツク用ダイオードである。なお、図中同一
符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直流電源、この直流電源の少なくとも一方の
   出力端に接続される電流制限用リアクトル、この
   リアクトルに逆並列に接続されるフライホイール
   ダイオード、上記直流電源に対し上記電流制限用
   リアクトル通して直列に接続される消孤手段を有
   する転流用スイツチ回路、この転流用スイツチ回
   路の少なくとも一端に接続される充電用サイリス
   タ、上記直流電源から上記充電用サイリスタを通
   して充電されるコンデンサ、反転用サイリスタと
   反転用リアクトルとの直列回路からなり、上記コ
   ンデンサの両端に接続される上記コンデンサ電圧
   の極性反転回路、上記コンデンサ電圧を検出しこ
   の検出電圧に応動して上記転流用スイツチ回路を
   付勢する電圧検出手段、上記コンデンサの少なく
   とも一端に接続され上記コンデンサに蓄勢された
   エネルギーを誘導性負荷へ放出するための放電用
   サイリスタ、上記スイツチ回路、放電用サイリス
   タ、反転用サイリスタをそれぞれの動作順序に従
   つて付勢するための制御回路を備え、第１モード
   では上記充電用サイリスタを導通させて上記コン
   デンサを充電し、第２モードでは上記コンデンサ
   が所望の値まで充電されたことを検出する上記電
   圧検出手段に応動して、転流用スイツチ回路を導
   通させることにより充電用サイリスタを非導通状
   態とし、第３のモードでは、放電用サイリスタを
   導通させることにより、上記誘導性負荷へ、上記
   コンデンサのエネルギーを放出し、第４のモード
   では、上記第３のモードで反転した上記コンデン
   サの電圧の極性を極性反転回路を導通して元に反
   転させて、上記各モードを順次繰返し上記電磁石
   にパルス状の電流を供給するようにしたパルス電
   流発生装置。 ２ 転流用スイツチ回路は、転流用サイリスタ
   と、上記転流用サイリスタに逆並列に接続される
   転流用ダイオードと、上記転流用サイリスタに並
   列に接続される転流リアクトルと転流コンデンサ
   ーとの直列回路と、上記転流用サイリスタに直列
   に接続されるブロツク用ダイオードから成ること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のパルス
   電流発生装置。