JPH02226703A - 電磁石コイル電源装置 - Google Patents

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〕 この発明は、電子、或いは隔子などを高エネルギーに加
速するＳ　ＯＲ（Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ　０ｒｂｉｔ
ａｌＲａｄｉａｔｉｏｎ）用の電磁石コイル電源装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は、例えば、日立評論、　Ｖｏｌ、６０．　Ｎｏ
、１０（１９７Ｂ−１０）に示された従来の電磁石コイ
ル電源装置の構成を示すブロック図であり、図において
、１は交流電源、２は交流を直流に、或いは直流を交流
に変換する電力変換器、３は直流リアクトル３ａおよび
その抵抗分３ｂとコンデンサ３ｃとから成るフィルタ、
４は抵抗４ａとインダクタンス４ｂとで表わされる電磁
石コイルである。

５は前記電磁石コイル４に流れる電流を検出する電磁石
コイル電流検出手段としての直流電流センサで、例えば
直流変流器のようなものである。

そして、この直流電流センサ５は電磁石コイル４と直列
に接続されている。６は電磁石コイル４の電圧を検出す
る電磁石コイル電圧検出手段としての直流電圧センサで
、例えば分圧器のようなものである。７は交流電源ｌの
電圧の大きさを検出する交流電圧検出手段としての交流
電圧センサで、例えば計器用変圧器のようなものである
。８は電力変換器２を制御し電磁石コイル電流ｉ、の大
きさを定めるための電流基準設定器、９は電流誤差検出
器、１０は電流コントローラ、１１は電圧基準設定器、
１２は電圧誤差検出器、１３は電圧コントローラ、１４
は交流電圧センサ７から出力される交流電源ｌの電圧の
周期に同期して電力変換器２の制御角を定めるための点
弧位相回路であり、この点弧位相回路１４、上記電流基
準設定器８、電流誤差検出器９、電流コントローラ１０
、電圧基準設定器１１、電圧誤差検出器１２、電圧コン
トローラ１３とで制御回路２０を構成している。

次に第３図の動作を第４図のタイムチャートを参照して
以下に説明する。まず、定常状態において時刻ｔ・は電
磁石コイル電流ｉ、の前サイクルの完了、すなわち次の
新しいサイクルの始まりであり、この新しいサイクルは
時刻ｔ、でｌサイクルを完了する。そして次の新しいサ
イクルに入る。

例えばＳＯＲにおいて要求され名電磁石コイル電流ｉ、
は、第４図（ａ）に示すように、演算増幅器、或いはマ
イクロプロセッサなどを用いて構成される電流基準設定
器８の出力ｌ１．、に相似な周期Ｔなる三角波（或いは
台形波）であり、時刻Ｌ＋より立ち上がり、時刻ｔ、で
Ｉ　、ａｘに達し、また時刻ｔ、でＩ□ヨであった電磁
石コイル電流ｉ、は時刻ｔ、でＯに立ち下がる。

従って、電磁石コイル４の両端ｐ−ｎに印加すべき電圧
Ｖ、は、電磁石コイル電流ｌ、の立ち上げ時（１，−１
ｔの期間）には、 Ｖ、−Ｌ＠（ｄ　ｉ＠／ｄ　ｔ）＋Ｒ，１，−・−・・
・　（１）但し、Ｌａｉ電磁石コイル４のインダクタン
ス４ｂＲｍｉ電磁石コイル４の抵抗４ａ とｎを１準電位とした正極性であり、上記電力変換器２
のサイリスタの制御角αは、９０°以下で運転される。

また、電磁石コイル電圧Ｖ、の立ち下げ時（ｔｘ−１，
の期間）に必要な電圧は、 ｖ−−Ｌ−（ｄ　ｉ　−／　ｄ　ｔ　）　＋　Ｒａ　ｉ
　ａ　”・”・（２）となるので、上記サイリスタの制
御角αを９０″以上遅らすように運転する。

なお、第４図俤）は、電磁石コイル電圧Ｖ、の波形、同
図（Ｃ）は電流誤差ε五の波形を示している。

このように、電流基準設定器８の出力（＝設定値）指令
値に従って電力変換器２は時刻り、以降も周期的にサイ
リスタの制御角αを制御して、電磁石コイル４に三角波
を供給する。

なお、フィルタ３の直流リアクトル３ａ及びコンデンサ
３Ｃは、電力変換器２を制御することにより発生する直
流電圧のリップル（電源周波数の整数倍のリップル）を
平滑し、電磁石コイル４ヘリツプルの少ない電流を流す
ようにしている。

ところで、上述のようなＳＯＲの電磁石コイル４の電源
は、電磁石コイル電流ｔａの基準設定値ｉｒ＊ｔに対し
て、高精度で追従する電流制御が要求される。

例えば、三角波電流の立ち上がり、または立ち下がり時
に要求される電磁石コイル電流ｉ、′の値はその最大値
に対して数〜１００％の範囲で、三角波の電流設定基準
値Ｉ　Ｐａｔの追随精度εが要求される。その時の電磁
石コイル電流１．の具体的な追随精度は例えば、電流基
準設定器８の電流設定基準値ｉ１．．の±１０４のオー
ダーで行われる。

但し、前記追随精度εは次のように定義される。

ε−（１２，ｔ−ｔａ）／ｌ、、ｔ　　・・・・・・　
（３）そのためには、電力変換器２の制御応答を高速化
する必要がある。そこで電力変換器２は構成相数を１２
相、あるいは２４相、・・・・・・と増やして電源周波
数の１サイクル中でのサイリスクスイッチングトータル
回数を増大させるようにしている。

しかし、この場合には経済的、または実装技術的に制約
があり、−船釣には２４相程度が良く用いられている。

また、その電力変換器２の制御系は、第３図に示すよう
に、直流電圧センサ６→電圧誤差検出器１２→電圧コン
トローラ１３→点弧位相回路１４→電力変換器２→フィ
ルタ３で構成される電圧マイナーループと、この電圧マ
イナーループ→電磁石コイル４→直流電流センサ５→電
流誤差検出器９→電流コントローラ１０で構成される電
流メジャーループで構成されている。

従って、従来の電磁石コイル電源装置は、電流メジャー
ループより略１ケタ速い応答速度を持つ電圧マイナール
ープを制御系として有しているので、電流基準設定器８
から出力される電流基準値１ｒｓｆと予め測定しておい
た電磁石コイル４の特性（Ｌ、、Ｒ，）とから該電磁石
コイル４の電圧基準値ｖ１．．を電圧基準設定器１１で
計算し、電圧誤差検出器１２を経て電圧コントローラ１
３に制御偏差ε９を与えて電磁石コイル電流ｉ、を高精
度で電流基準値１　ｒａｆに追随するようにしている。

次に第３図に示した制御回路２０内の電流コントローラ
１０および電圧コントローラ１３の動作について以下に
説明する。

まず、第３図に示した電磁石コイル電源装置の伝達関数
を図で表現すると、第５図のブロック線図で表わすこと
ができる。また、前記第５図において、電圧マイナール
ープは破線の部分であり、この部分を書き直すと第６図
のように簡略して表わせ、また電流メジャーループは第
７図のように表わすことができる。

ただし、Ｇ　ｖｍｃ　ｊ！　（ｓ）は電圧マイナールー
プ伝達関数である。

上記の第６図および第７図は、それぞれ次のようなパラ
メータで演算が行われる。すなわち、（ａ）　　第６図
の場合 制御対象　ｉ　（１４，２及び３）−Ｃｇ（ｓ）・Ｇｐ
（ｓ）・Ｇｆ（ｓ）フィードバックゲイン；（６）→Ｋ
　ｖ　（ｓ）コントローラ（補償回路）　：　（１３）
　→Ｇ　ｖｃ　（ｓ）制御量ｉＶａ 目標イ直；Ｖ、、。、十Δｖｒ＊を 制御偏差　；　ε。

（ロ）第７図の場合 制御対象　；　　（Ｇｖｍｃｊ！（ｓ）及び４）→Ｇｖ
ｍｃ１（ｓ）　・Ｇｓ（ｓ） フィードバックゲイン；（５）→Ｋ　ｃ　（ｓ）コント
ローラ（補償回路）；（１０）→Ｇｃｃ（ｓ）制御量；
ｉ 目標値ｉ１ｒ＊ｒ 制御偏差　；　ε。

から成るフィードバック制御である。

このフィードバック制御では、制御量の値をフィードバ
ックすることによって目標値と比較し、その差の制御偏
差をできるだけ速（小さくするようにコントローラ（補
償回路）が設計される。すなわち、コントローラは、制
御対象の特性の欠陥を補うある種の補償回路であり、比
例、積分、微分などの要素を単独、或いは適当に組み合
わせて構成される。

従って、 電流コントローラ１０の出力 ΔＶ　ｒａｆ−Ｇｃｃ（ｓ）・ε直　　・・・・・・・
・・　（４）電圧コントローラ１３の出力 θ、、ｔ−Ｇｃｖ（ｓ）・ｇ、　　・・・””　　（５
）となる。

例えば、コントローラが比例要素の場合には、Ｇｃｃ（
ｓ）　＝　ＫｃｃＳＧｃｖ（ｓ）　＝　Ｋｃν　となる
。

但し、Ｋｃｃ及びＫＣＶ；定数 次に電圧基準設定器１１は、下記の（６）、　（７）式
で示すように電圧基準値ｖｖａｔを出力する。

（＾）電流の立ち上げ時（第４図１．−１．の期間）Ｖ
ｒ＊ｅ−Ｌｍ（ｄ　ｉ　ｒａｆ／ｄＬ）　＋Ｒａ・ｌ　
ｒａｔ　＋・・・・・（６）（Ｂ）電流の立ち下げ時（
第４図ｇ−ｔ、の期間）Ｖ　ｒａｔ−−Ｌｍ（ｄ　ｉ　
ｖａｔ　／ｄｔ）　＋　Ｒｍ・ｉ　ｒａｔ・・・（７）
（Ｃ）電圧誤差検出器１２は、下記（８）式で示すよう
に単なる加算・減算を行う。

電圧誤差検出器１２の出力 εｖｍ　ｙ　ｒｓｆ＋ΔＶ　ｒａｗ　　Ｖ　ａｈ”　　
”’　”’　（８）但し、■、″　；　直流電圧センサ
６の出力（Ｄ）電力変換器２の直流出力 Ｅｄ＝Ｋｓ３Ｃｏｓα　　　　畳・費−◆・・・働　（
９）Ｅｄ−に、・θ７．．　　　　　・・・・・・・・
・　ＱΦ但し、Ｋｓ、Ｋｇ：定数 θ１．ｔ　；電圧コントローラ１３の出力α；電力変換
器２のサイリスタの 制御角 上記（９）、　０ω式より、 α−ａｒｃ　Ｃｏｓ　（（Ｋｇ／Ｋｓ）　・θ−ｔ）　
−”（１１）となる、従って、点弧位相回路１４におい
ては、電圧コントローラ１３の出力θｒａｔに応じて、
上記（１１）式で示すように電力変換器２のサイリスタ
の制御角αが演算される。

そして、下記第８図に示すように、上記サイリスタの制
御角αは、交流電圧センサ７で検出される交流型Ｒ１の
波形に同期してαの位相差をもつ点弧パルスとして点弧
位相回路１４から出力される。

また１、直流電圧センサ６は一般的に第９図のように分
圧器と絶縁増幅器とを組合わせて直流回路のｐ−ｎ間の
電圧を単に検出するようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の１磁石コイル電源装置は以上のように構成されて
いるので、三角波の立ち上がり初期の数％付近の電流領
域においては電力変換器２の遅延特性により電力基準設
定値の指令に充分追従した電磁石コイル電流ｉ、が得ら
れず、ＳＯＲへのビーム入射が不可能となる等の課題が
あった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、制御回路に電磁石コイル４の電圧基準演算手段
を備え、電磁石コイル電流ｉ、のｌサイクル毎に該電圧
基準値Ｖ１．．を自己学習的チューニングにより補正す
るようにする。そして三角波の立ち上がり初期および立
ち下がり末期において電磁石コイル電流ｉ、の追随が電
流基準設定値に対して高精度に行われる電磁石コイル電
源装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る電磁石コイル電源装置は、１サイクル前
の電流基準設定器の出力と電磁石コイル電流検出手段の
出力との誤差を時系列毎に格納しておくメモリを設け、
このメモリの内容を毎サイクル時系列毎に累積格納手段
に累積すると共に、前記電流基準設定器の出力と累積格
納手段の出力との加算を電流基準加算器によって実行し
、前記電流基準加算器の出力と電磁石コイルのインダク
タンスＬ、及び抵抗Ｒ，とより電磁石コイルの電圧基準
値を毎サイクル演算し、かつ修正する電圧基準演算手段
を制御回路に具備し、自己学習的チューニングにより電
磁石コイル電流を電流基準設定価に合わせるようにした
ものである。

〔作　用〕

この発明における電磁石コイル電源装置は、毎回、前サ
イクルの電流基準設定器の出力と電磁石コイル電流との
誤差をメモリに格納し、該誤差に基づき電磁石コイル電
圧を予め修正演算する自己学習的チューニングを電圧基
準演算手段により実行し、ＳＯＲの電磁石コイルに供給
される電流の立石上げ初期、および立ち下げ末期の電流
基準設定値に対しても高精度に追随する電磁石コイル電
流が得られ、ＳＯＲへのビーム入射を可能とする。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する０図中
、第３図と同一の部分は同一の符号をもって図示した第
１図において、１５は電圧基準演算手段であり、電流基
準設定器８の出力１ｒａｆと直流電流センサ５の出力と
の差を時系列毎に格納するメモリ１５ａと、このメモリ
１５．ａの内容を時系列毎に毎サイクル累積して格納す
る累積格納手段１５ｂと、電流基準加算器１５ｃ、及び
電磁石コイル４の電圧基準演算器１５ｄとから構成され
る。

これらの制御回路２１は、演算増幅器のようなハードウ
ェア（Ｈ／Ｗ）で、あるいはマイクロプロセッサによる
ソフトウェア（Ｓ／Ｗ）で構築されている。

次に動作について説明する。ここでは第３図に示した従
来の電磁石コイル電源装置の相違点についてのみ第１図
及び第２図を参照して説明する。

まず、電流基準設定器８の出力ｉ　ｒａｔに高精度で追
随した出力電流（すなわち電磁石コイル電流ｔａ）を得
るために次のような制御を行う。

すなわち、この発明に係る電磁石コイル電源装置は、電
圧基準演算手段１５のメモリ１５ａにより各サイクル毎
に電流誤差検出器９の出力εｉを下記（１３）式、及び
第２図（ａ）、　Ｃｂ）に示すように時系列（ｔ＝１．
２．３．・・・ｉ）毎に格納する。更に、このメモリ１
５ａの格納内容は累積格納手段１５ｂにより下記（１２
）式、及び第２図（Ｃ）に示す時系列毎に毎サイクル累
積格納される。

ｔ　ｒａｔ”　　（ｔ）　　−Σ　と五（Ｄ＜５−ｎ但
し、 ε１（ｔ）　＋１１−１１　＝　ｉ　ｒａｆ（ｔ）。−
１１１ａ（ｔ）　＋１１−１１・・・・・・　（１３） 但し、 ｉ　ｒａｒ（ｔ）　１ｍ−１１；電流基準設定器８の出
力ｌ　ａ（ｔ）　＋ｌｌ−１１；直流電流°センサ５の
出力ｎ−２；２サイクル前を表わす添え字 ｎ　　ｌ　　；１サイクル前を表わす添え字Ｌ　−１，
２，３，・・・・・・ｌ Ｅ　；１サイクル中のサンプリング数 （メモリの最大使用数） Ｋ　；該電源装置の運転サイクル数 そして、電流基準設定器８の出力１ｒｍｔと前記累積格
納手段１５ｂの出力　ｉ　ｒｅばは、電流基準加算器１
５ｃにより下記（１４）式のように加算される。

ｉｓ”　（ｔ）＝　ｉｒ＊ｔ（ｔ）十ｔｒａｒ”（ｔ）
　’・・・・・（１４）次に、電圧基準演算器１５ｄに
おいては、電流基準加算器１５ｃの出力１１′と電磁石
コイル４のインダクタンス４ｂの値し、及び抵抗４ａの
値Ｒ，とより電磁石電圧の大きさの推定演算を実行し、
次のようにして電圧基準値ｖ１１を設定する。

すなわち、電圧基準値Ｖ　ｒｅｆを従来の（６）、　（
７）式に対して次の（１５）、　（１６）式のように修
正する。

電流の立ち上げ時に電磁石コイル４の両端に印加する電
圧Ｖ、の基準値Ｖｒａｆは、 Ｖ　ｒａｔ＝ＬＬ、（ｄ　ｉ　ａ”／　ｄ　ｔ　）　＋
　Ｒｅ　ｉ　ｍ”　”・・・（１５）また、電流の立ち
下げに必要な電圧Ｖ、の基準値Ｖ　ｒａｔは電圧基準演
算器１５ｄにより出力され（１６）式で表わされる。

Ｖｒｍｔ＝　　Ｌｍ（ｄ　Ｉｓ”／　ｄ　ｔ）＋Ｒ＠ｉ
ｍ”　”’（１６）但し、■、とＶｒｓｆの間には、 ｖ、＝Ｋ・ｖｒ＠、　　　　　　・・・・・・・・・・
・・（１７）Ｋ；定数 の関係がある。

上記（１２）〜（１７）式で表わされる演算或いは処理
は、電磁石コイル電源装置が動作する毎サイクル毎に行
われる。

以上のような電磁石コイルの電圧基準値Ｖｒａｆの補正
を繰り返し行う自己学習的チューニングにより、前記（
１３）式で求めた電流誤差検出器９の出力（電流誤差ε
ｉ　（ｔ）　（−１）　）の１個のデータは、各々ｍ回
後にほぼ一定値に収束する。

すなわち、最初、電流誤差εｒ　（ｔ）　ｔａ−ｔ）が
正であれば、次のサイクルでは電流基準値がεｒ　（ｔ
）　ｔｏ−ｚ＋だけ大きくなるように補正され−るので
電磁石コイル電流ｉ、も前回の演算結果より少し増大し
、その結果次のサイクルにおいては電流誤差ε１（ｔＬ
ａ−ｎは前回よりも少なくなる。更に、次のサイクルで
も同様の演算処理が行われるので、ついにはεゑ（１）
　　≦ε、五いζＯとなる。

また、最初、電流誤差ε１（１）が、負の場合には、逆
に、電流基準値がｅｉ（ｔ）だけ小さくなるように補正
されるので電磁石コイル電流ｉ、も前回より少し減少し
、ついにはεｉ　（ｔ）　≦ε１１．．ｌζ０となる。

従って、ｍ回後には電磁石コイル電流ｉ、は電流設定基
準値ｔ　ｒａｔにほぼ等しくなる。

以上のように電磁石コイル４の電圧基準値Ｖｒｍｔを自
己学習的チューニングにより補正することにより、電流
基準１　ｒａｔに対するメジャーな電流制御ループより
も速い電圧制御ループの電圧基準値（−電磁石の電圧ｖ
、）を正確に定めることができる。

従って、上記電力変換器２のトータルスイッヂング回数
（−相数）を増やさずに、電流基準１１．。

に対して高精度に追従する電磁石コイル電流ｉ。

を得ることができる。

なお、上記例では交流電源１と電力変換器２について説
明したが、直流電源とチッッパの構成でもよく、上記実
施例と同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕 以上のように、この発明によれば、電磁石コイル電圧を
前サイクルの電流誤差を基準にして自己学習的なチュー
ニングにより演算・設定するようにしたので、電力変換
器の構成相数を増やさずに、５ＯＲｉｌ磁石コイルに供
給する電流の立ち上げ初期および立ち下がり末期に、電
流設定値に対して高精度に追随する電磁石のコイル電流
が得られ、高速、高信頼度をもってＳＯＲへのビーム入
射を行うことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による電磁石コイル電源装
置の構成を示すブロック図、第２図は第１図の電圧基準
演算手段の動作説明図、第３図は従来の電磁石コイル電
源装置の構成を示すブロック図、第４図は第３図の電磁
石電源装置の動作説明図、第５図は電磁石コイル電源装
置の伝達関数を示すブロック線図、第６図は電圧マイナ
ーループのブロック線図、第７図は電流メジャーループ
のブロック線図、第８図はサイリスタ制御の波形図、第
９図は直流電圧センサの概要図である。 図において、ｌは交流電源、２は電力変換器、３はフィ
ルタ、４は電磁石コイル、５は直流電流センサ、６は直
流電圧センサ、８は電流基準設定器、９は電流誤差検出
器、１０は電流コントローラ、１２は電圧誤差検出器、
１３は電圧コントローラ、１５は電圧基準演算手段、１
５ａはメモリ、１５ｂは累積格納手段、１５ｃは電流基
準加算器、１５ｄは電圧基準演算器、２１は制御回路で
ある。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 特許出願人　　三菱電機株式会社 −ＮＭぐｎψ ロ ■ 派 ■ 鍼 第 図 第 図 第 図 （２）別紙の通り第３図を補正する。 ７．添付書類の目録 補正後の第３図を記載した書面 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　電力変換器を交流電源に接続し、その電力変換器の直
   流出力側にフィルタを介して電磁石コイルを接続すると
   共に、該交流電源の電圧の大きさを交流電圧検出手段に
   よって検出し、前記電磁石コイルの電圧および電流を電
   磁石コイル電圧検出手段および電磁石コイル電流検出手
   段によって検出し、前記電力変換器の点弧角を制御回路
   によって制御する電磁石コイル電源装置において、前記
   制御回路の構成として前記電磁石コイル電流の大きさを
   定める電流基準設定器と、前記電流基準設定器と電磁石
   コイル電流検出手段との出力差を検出する電流誤差検出
   器と、前記電流誤差検出器の出力を受け前記電流基準設
   定器から出力される電流基準値に等しくなるように電磁
   石コイル電流を制御する電流コントローラと、前記電流
   基準設定器および電流誤差検出器の出力が入力され電磁
   石コイル電圧の大きさの基準値を決める電圧基準演算手
   段と、前記電流コントローラの出力と電圧基準演算手段
   の出力との和に対する電磁石コイル電圧検出手段の出力
   差を検出する電圧誤差検出器と、前記電圧誤差検出器の
   出力が入力され前記電磁石コイル電圧の大きさを前記電
   圧基準演算手段から出力される電圧基準値に等しくなる
   ように調整する電圧コントローラとを備え、かつ、前記
   電流基準演算手段の構成として前記電流誤差検出器の１
   サイクル前の出力と前記電磁石コイル電流検出手段の出
   力との差を格納するメモリと、前記メモリの内容を時系
   列的に累積して格納する累積格納手段と、前記累積格納
   手段の出力と前記電流基準設定器の出力とを加算する電
   流基準加算器と、前記電流基準加算器の出力と前記電磁
   石コイルとのインピーダンスに基づいて電圧基準を毎サ
   イクル演算し、かつ修正する電圧基準演算器とを備えた
   ことを特徴とする電磁石コイル電源装置。