JPH0322868A - 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、シンクロトロン等の加速器の高インダクタ
ンス電磁石に用いる電源装置に関し、特に三角波或いは
台形波電磁石電流の電力供給時におけるリプルを極小に
抑え、また，一供給サイクルを短縮することができる電
源装置に関する。

（従来の技術） シンクロトロン等の加速器の電磁石は、一般にインダク
タンスが大きく、これに使用する電源装置としては，従
来、第５図に示すものが知られている． 同図において１は交流電源であり、この交流電源１には
、サイリスタブリッジにより構成された三和の交流一直
流電力変換器（以下、「交／直電力変換器」という）２
と電圧平滑用のりアクトル３ａとからなる電源装置が接
続されている。そして、この電源装置には抵抗分４ａと
インダクタンス分４ｂとからなる電磁石４が接続されて
いる。

上記構成の電源装置の動作を簡単に説明する。

交／１！電力変換器２はその構成素子であるサイリスタ
の点弧角αの制御により、交流電ｇ１から入力される交
流電圧を正又は負の直流電圧に連続的に変換し，電力の
供給，回生を行うことができる。このときの理想的な電
磁石電流の波形及び交ｌ直電力変換器２の出力電圧の波
形を第６図に示す。

ところで，例えばシンクロトロンにおいて要求される電
磁石電流は、三角波或いは台形波（第６図では三角波）
である．従って、電磁石４の両端（Ｐ−Ｎ）に印加され
る電圧■．は、電磁石電流の立上げ時には， ｄｔ で表される．但し、ｉ．は電磁石電流であり、Ｌｍはイ
ンダクタンス分４ｂの値、Ｒｓｉｔ抵抗分４ａの値を示
している。この場合にはＶ一ま正極性（第５図中Ｎを基
準とする）となっており、交／直電力変換器２は順変換
動作を行って前記サイリスタの点弧角αは９０″以下で
運転される。

一方、電磁石電流の立下げ時には，電圧Ｖ，は、ｄｔ で表される。この場合には、Ｖ一は逆極性となり交／直
電力変換器２は逆変換動作を行うので、サイリスタの制
御角αを９０゜以上遅らすように運転される。

このように、交／直電力変換器２はサイリスタの点弧角
αを制御することにより、電磁石４に三角波電流による
電力の供給、或いは電力の回生を行うことができる。

なお，リアクトル３ａはサイリスタの点弧角制御の際に
発生する電圧リップルを平滑化し、電磁石４に対しリッ
プルの少ない電流を仇給するために設けられている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、従来の上記電源装置では以下の問題がある。

（１）シンクロトロン等の電源装１ｒｔでは、電磁石電
流の立上げ時及びフラットトップ運転中において，電磁
石電流の設定値に対して高精度の制御を行うことが必要
である。例えば、電磁石電流の立上げ時には、その最大
値の数％〜ｌＯＯ％の範囲内で電磁石電流設定値に対し
て±１０−３オーダの精度が要求される．この精度が低
下すると、例えば、シンクロトロンへの荷電粒子の入射
が不可能となる等の不都合が生ずる．一般に加速器の電
磁石電流の精度を決定する要因として、電源装置を構成
する交／直電力変換器の出力リップル電圧や交／直電力
変換器の制御回路の電流基準ｉｒｅｆ（図示せず）への
追従性があげられる．このうち出力リップル電圧につい
て以下に説明する． 例えば、第５図において、電源装置の出力側（リアクト
ル３ａの電磁石４側）には点弧角αに応じた電圧リップ
ルΔＶが直流電圧Ｖに重畳されて表れる． いま、電磁石４のインダクタンス分４ｂの値をＬ＋−、
抵抗分４ａの値をＲｌ１、およびリップル周波数をｆｒ
とすると，一般的には、 ２　ｘ　ｆ　ｒ−Ｌｍ＞　Ｒ− とすることができる。したがって、上記電圧リップルΔ
Ｖにより発生する電磁石電流のリップルΔｉＩＩＩは、 Δ　ｉ　ｌ１１’Ｆ　Δｖ／（２　π　ｆｒ−　Ｌ一）
で表される。

上式からわかるように、電゛圧リップルに対しては電磁
石４に印加されるΔＶの値を小さくすること及びリップ
ル周波数ｆｒを大きくすることにより、リップル電流を
小さくして高精度の電磁石電流を得ることができる。

そこで、従来から２電力変換器の相数を増やすことでリ
ップル周波数ｆｒを高くし、電磁石電流に発生するリッ
プル電流Δｉ一をある程度小さくすることも考えられて
いる．ところが、このような手段を講じても、なおΔｉ
−の値を精度上無視できる値とすることができない．そ
れゆえ、更にリップル電流Δｉ　ａを小さくして電流精
度上無視できるようにするためには、交／直電力変換器
２の出力側に電流平滑を目的とするフィルタ部を設ける
必要がある。

しかし、交／直電力変換器２の出力側に例えばフィルタ
コンデンサを設けた場合，電力変換器の逆変換動作に対
応ずる極性切換え盤若しくは上記交／直電力変換器２と
切り離して使用する別個の回生用電力変換器が必要とな
り、電源装置が大型化してそのコストが高くなるという
不都合がある．（２）更に、電磁石のインダクタンスが
より大きい場合においては、電磁石電流が完全に立ち下
がり，零となるまで次の供給サイクルに移行できないの
で、短サイクルでの加速器の運転ができないという不都
合がある． 本発明は上記各問題点を解決するためになされたもので
あって、小型かつ低価格であり、かつ，リップルのない
電磁石電流を供給できると共に、電磁石のインダクタン
スがより大きくても次の給電サイクルに速やかに移行す
ることができる加速器の電源装置を提供することを目的
とする．（課題を解決するための手段） 上記目的を達威するため，第１の発明は，出力側に電圧
平滑用リアクトルとコンデンサとを有するフィルタを有
し、交流一直流電力変換器により一給電サイクル中に順
・逆変換動作を行って加速器用電磁石に直流電力を供給
する電源装置であって、前記コンデンサに直列に接続さ
れ，かつ前記交流一直流電力変換器の順変換動作開始時
に前記コンデンサの充電を開始するべくオンし，前記交
流一直流電力変換器の逆変換時においてはオフ状態とな
る両極性スイッチと、前記電磁石に直列に接続され、前
記コンデンサが所定値まで充電された後に前記電磁石に
電力を供給するべくオンし、次の給電サイクル開始まで
にオフ状態となる片極性スイッチとを備えたことを特徴
とする。

なお、上記電源装置においては電磁石電流の次の給電サ
イクルの開始までに初期充電を完了することが必須であ
り、次の給電サイクルの開始までに出力電流を完全に零
まで低下させて立下げ期間が完了してから初期充電を行
うことが必要とされる．従って、例えば高インダクタン
スで放電時定数が大きい電磁石の場合には電磁石電流の
立下げ自体に時間を要するので，その後の初期充電期間
を十分に確保することが離し１くなり、シンクロトロン
等の加速器の電源には適用できない場合も生じうる．こ
のような場合、前記コンデンサの充電をより早く行う必
要がある． そこで、この高速充電を実現するべく，第２の発明では
、前記コンデンサに並列に接続され、前記交流一直流電
力変換器の逆変換動作中に前記コンデンサの初期充電を
開始し、前記交流一直流電力変換器の順変換開始時まで
に所定値まで前記コンデンサの充電を終了させる初期充
電用電源と，前記コンデンサに直列に接続され，前記交
流一直流電力変換器の順変換動作開始時にオンし、前記
交流一直流電力変換器の逆変換時においてはオフ状態と
なる両極性スイッチとを備えたことを特徴とする． （作用） 第１の発明においては、まず、電磁石電流を立ち上げる
以前に，初期充電用コンデンサに接続した両極性スイッ
チがオンとなる．このとき，交／直電力変換器はその出
力端子に正電圧が表れるように制御され、前記コンデン
サは電磁石の負荷特性に応じた所望の電圧値まで充電さ
れる．このときは、片極性スイッチはオフとしてあるの
で電磁石には電流は流れない． 次に、フィルタと電磁石との間に設けられた片極性スイ
ッチがオンし、電磁石電流の立上げが開始される。この
とき、電磁石には前記コンデンサの端子電圧及び電圧平
滑用リアクトルを介して出力される交／直電力変換器の
電圧（両電圧値は専しい）が印加される。そして、電磁
石電流はリップルなく直線的に立ち上がり，ｔ！！磁石
に供給される。

次いで、電磁石亀流が所定の最大値に達すると、電磁石
電流の立下げに移行する。このとき、前記両極性スイッ
チがオフし、前記コンデンサは電磁石及び交／直電力変
換器から切り離される。そして，交／直電力変換器はそ
の出力端子に負電圧が表れるように制御され、電磁石に
蓄積されたエネルギーは’ｉｔ！源側に回生される。

第２の発明においては、電磁石電流の立下げ中に初期充
電用電源によってコンデンサの充電が開始される。そし
て、コンデンサは電磁石の負荷特性に応じた所望の電圧
値まで充電される．次に、交／直電力変換器が動作し、
電磁石電流の立−ヒげが開始される。そして、電磁石に
は前記コンデンサの端子電圧及び電圧平滑用リアクトル
を介して出力される交／直電力変換器の正の電圧が印加
される。この電圧印加により電磁石電流はリップルなく
直線的に立ち上がって電磁石に供給される． 次いで、電磁石電流が所定の最大値に達すると，電磁石
電流の立下げに移行する．そして、前記両極性スイッチ
がオフし、前記コンデンサは電磁石及び交／直電力変換
器から切り離される．このとき、交／直変換器はその出
力端子に負の電圧が生じるように制御され、これと共に
電磁石に蓄積されたエネルギーは電源側に回生される，
この回生動作が行われている間に、初期充電用電源が前
記コンデンサの充電を開始し，次の給電サイクルにおけ
る電磁石電流の立上げに備える．以下、上記と同様の動
作が繰り返され，時定数が大きい高インダクタンス電磁
石への短サイクルでの直流電力の供給が行われる。

（実施例） 以下、図に沿って第１及び第２の発明の各実施例を説明
する．まず、第１図は第１の発明の一実施例を示す構成
図である。

同図における電源装置６は、交／直電力変換器２とその
出力側に設けられたフィルタ３と、片極性スイッチとし
ての起動用サイリスタスイッチ５とからなり，フィルタ
３はリアクトル３ａ、コンデンサ３ｂ、両極性スイッチ
３ｃ及び逆電圧印加防止用ダイオード３ｄにより構成さ
れている．そして、交／直変Ｍｉ２の入力側には交流電
源１が接続され，フィルタ３の出力側には起動用サイリ
スクスイッチ５を介して負荷である電磁石４が接続され
ている。

ノアクトル３ａとコンデンサ３ｂ間の両極性スイッチ３
ｃは、自己泪弧可能な逆阻止形のスイッチ、例えばＧＴ
Ｏサイリスタ、ＳＩサイリスタ等であり、同図ではＧＴ
Ｏサイリスタにて示してある。この両極性スイッチ３Ｃ
はコンデンサ３ｂへの初期充電を行い、電磁石電流の立
」二げ峙（順変換動作時）にオンして電磁石電流の立上
がりの電流精度を得るために放電を行うと共に、電流立
下げ時（逆変換動作時）にオフして前記コンデンサ３ｂ
を回路から切り離す働きを持つ． また、電源装置６と電磁石４間の起動用サイリスタスイ
ッチ５は、初期充電時にオフし，該コンデンサ３ｂに初
期充電する際の電磁石側への放電を阻止する機能を持っ
ている。

以下、上記電源装置の一給電サイクルの動作を第２図に
より説明する． 時刻ｈにおいて交／直電力変換器２が順変換動作を始め
ると同時に両極性スイッチ３Ｃがオンし、コンデンサ３
ｂが第１図の図示極性に初期充電される。このとき、起
動用サイリスタスイツチ５はオフしており、電磁石４に
は給電されていない．そして、時刻ｔ２のスタート信号
で起動用サイリスタスイッチ５がオンし、電磁石４に電
力が供給される。

ところで，電磁石４の端子間電圧は、電磁石４の抵抗分
４ａによる電圧降下を無視すると、？ｉ＠ Ｌ一・■ ｄｔ であり５インダクタンス分４ｂ（その値はＬｍ）は電磁
石電流１つの関数となっている。従って、交／直電力変
換器２は上記逆電圧に応じた電圧を電磁石４に印加しな
ければならない。ｉｉｉ磁石電流の立上げ時付近ではＬ
．は定数とすることができるため、」二記逆起電力は一
定値となり、交／直電力変換器２は該逆起電力に応じた
電流制御を行う。この後、インダクタンス分４ｂが飽和
してくると、Ｌ醜の値が小さくなり、上記逆起電力の値
は減少する。このときには，交／直電力変換器２は上記
逆起電力の減少に応じた制御を行う。

そして，電磁石４に流入する電流が時刻ｔ３においてほ
ぼ最大値にまで立ち上がり、その後，時刻ｔ４で両極性
スイッチ３Ｃをオフすると共に、交／直電力変換器２は
逆変換動作に移行するように制御される。

この後、電磁石４のコイルに蓄積されたエネルギーが電
源装置６を介して交流電源１側に回生され、再び、時刻
ｔｘ．＆こ対応する時刻ｔ１′に戻り、上記と同様の動
作が繰り返される． なお，コンデンサ３ｂには正極性の電圧のみが印加され
るため、コンデンサ３ｂとしては電解コンデンサのよう
な片極性のものを用いてよいが、第１図に示すように、
この場合にはコンデンサ３ｂの両端に保護用の逆電圧印
加防止用ダイオード３ｄを設けるとなお安全である。

次に、第３図は第２の発明の一実施例を示す構或図であ
る． 同図に示す電源装置８においては、第１の発明において
示したフィルタ３と電磁石４との間の起動用サイリノ、
タスイッチ５（第１図参照）は設けられていない．また
、コンデンサ３ｂには披列に初期充電用電源が設けられ
ている。本実施例では初期充電用電源は電力変換器７で
あり、その交流側は交流電源１に接続してある。なお、
他の構成は第１図と同一である． 以下、上記電ｇ装置８の一給電サイクルの動作を第４図
により説明する。

時刻ｔ１において、両極性スイッチ３Ｃがオフしており
、初期充電用の電力変換器７は初期充電を開始し，コン
デンサ３ｂが第３図の図示極性に初期充電される。

ところで、ｔｌｉ磁石のインダクタンスがより高いとき
には、例えば電磁石電流の波形が第２図において点線で
示す特性となる。この場合には，第１の発明では、両極
性スイッチ３ｃの同図に示すオンタイミングを同図の時
刻ｔｓ以降に遅らせる必要がある。第２の発明は、この
ような場合に電磁石電流がゼロとなる前に予めコンデン
サ３ｂの初期充電を行うものである。従って、初期充電
用の電力変換器７によるＪε電開始時点は、電磁石電流
がゼロとなる前であり、交／直電力変換器２は逆変換動
作を行っている． 時刻ｔ０の後，時刻ｔ２のスタート信号で交／直電力変
換器２が動作すると共に両極性スイッチ３Ｃがオンし、
電磁石４に電力が供給される。また、これと同時に初期
充電用の電力変換器７はオフ（シフト）状態に移行する
。

そして、第Ｌの発明と同様に、電磁石４に流入する電流
は時刻ｔａにおいてほぼ最大値にまで立ち上がる。この
後、時刻ｔ４で両極性スイッチ３Ｃがオフされ、交／直
電力変換器２は逆変換動作に移行する．これ以後、イン
ダクタンス分４ｂのエネルギーが電源側に回生される。

そして、この電流回生期間に次の給電サイクルでの立上
げに備えて初期充電用の電力変換器７を再び動作させ（
時刻ｔ１′）、コンデンサ３ｂを前回と同様の値まで初
期充電し、次のサイクルでの運転が開始されることにな
る．このような動作を繰り返すことにより，電源装置８
を短サイクルで運転することが可能になる。

（発明の効果） 第１の発明によれば、直流フィルタとして機能する初期
充電用のコンデンサに両極性スイッチを接続し，電磁石
電流の立下げ時に該スイッチをオフすることにしたので
，上記コンデンサに逆電圧が力１１わることなく交／直
電力変換器に電力の回生の役１］を負わせることが可能
となった。従って、コンデンサは片極性タイプの小形の
ものでよく、更に，別の回生用電力変換器を用いなくて
も済むため電源装置全体を小形化することができる。

また、従来では、コンデンサ電圧を常に完全に放電させ
ていたが、第１の発明では、該電圧をある一定レベルに
保持できるので、電磁石電流のサイクル期間を短縮して
高速の繰返し運転が可能となり、再現性、信頼性の高い
電源装ｉζｔを提供することができる． 更に、第２の発明によれば、フィルタコンデンサに初期
充電用の電源を別個に接続したので、コンデンサ電圧を
電流立下げ期間中（回生期間中）に必要な初期レベルま
で充電できることから、回生電圧を高くすることなくサ
イクル期間を短縮してより高速の繰返し運転が可能にな
る等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明の一実施例を示す電源装置の回路図
、第２図は第１図の実施例における各部の電圧・電流等
を示す波形図，第３図は第２の発明の一実施例を示す電
源装置の回路図、第４図は第３図の実施例における各部
の電圧・電流等を示す波形図、第５図は従来の電源装置
を示す回路図，第６図は第５図の交／直電力変換器の出
力電圧及び電磁石電流を示す波形図である。 ｌ・・・交流電源、２・・・交／直電力変換器、３・・
・フィルタ．３ａ・・・リアクトル、３ｂ・・・コンデ
ンサ、３ｃ・・・両極性スイッチ、３ｄ・・・逆電圧印
加防止用ダイオード、４・・・Ｘｆｉ磁石、４ａ・・・
抵抗分、４ｂ・・インダクタンス分、５・・・起動用サ
イリスクスイッチ、６，８・・・電源装置，７・・・初
期充電用の電力変換器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）出力側に電圧平滑用リアクトルとコンデンサとを
   有するフィルタを有し、交流−直流電力変換器により一
   給電サイクル中に順・逆変換動作を行って加速器用電磁
   石に直流電力を供給する電源装置であって、 前記コンデンサに直列に接続され、かつ前記交流−直流
   電力変換器の順変換動作開始時に前記コンデンサの充電
   を開始するべくオンし、前記交流−直流電力変換器の逆
   変換時においてはオフ状態となる両極性スイッチと、 前記電磁石に直列に接続され、前記コンデンサが所定値
   まで充電された後に前記電磁石に電力を供給するべくオ
   ンし、次の給電サイクル開始までにオフ状態となる片極
   性スイッチと、 を備えたことを特徴とする電源装置。
2. （２）出力側に電圧平滑用リアクトルとコンデンサとを
   有するフィルタを有し、交流−直流電力変換器により一
   給電サイクル中に順・逆変換動作を行って加速器用電磁
   石に直流電力を供給する電源装置であって、 前記コンデンサに並列に接続され、前記交流−直流電力
   変換器の逆変換動作中に前記コンデンサの初期充電を開
   始し、前記交流−直流電力変換器の順変換開始時までに
   所定値まで前記コンデンサの充電を終了させる初期充電
   用電源と、 前記コンデンサに直列に接続され、前記交流−直流電力
   変換器の順変換動作開始時にオンし、前記交流−直流電
   力変換器の逆変換時においてはオフ状態となる両極性ス
   イッチと、 を備えたことを特徴とする電源装置。