JPH0548481B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は10テスラ以上の強磁場を発生させるビ
ツタコイル用電源のように大電流（10kA以上）
で低リプル高安定を必要とする低リプル電源装置
の制御方法に関するものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

超電導素材等新素材の研究、半導体類の強磁場
内での特性の研究等、近年高安定低リプルの強磁
場（10テスラ以上）に対する要求が増大してい
る。このような磁場を発生させる方法としては、
超電導コイルを使用する方式と、ビツタコイルと
呼ばれる水冷のコイルを使用する方式、及びこの
２つのコイルで磁場を強め合うハイブリツドコイ
ル方式が使用されている。ビツタコイル用電源の
場合、直流電流は10kA〜数10kAと非常に大きな
電流か必要となる、このため、単機では5kA〜10
数kAの低リプル電源を複合台並列に接続し、全
体として数10kAの低リプル電源装置を構成する
場合が多い。

第２図に従来使用されている低リプル電源装置
の構成図を示す。第２図において、１は交流母
線、２−１，２−２は交流しや断器、３は同期信
号検出用の計器用変圧器（PT）、４−１，４−２
は整流器用変圧器、５−１，５−２は交流電圧を
直流電圧に変換する制御整流器、６−１，６−２
は主に高次調波のリブルを除去するパツシブフイ
ルタ、７−１，７−２はV₂調波程度から高域ま
でリプルを除去するアクテイブフイルタ、８は負
荷である。制御整流器５−１、パツシブフイルタ
６−１、アクテイブフイルタ７−１で構成されて
いる回路を第１の低リプル電源、制御整流器５−
２、パツシブフイルタ６−２、アクテイブフイル
タ７−２で構成される回路を第２の低リプル電源
と呼ぶ。９−１，９−２はそれぞれ第１の低リプ
ル電源、第２の低リプル電源を流れる直流電流を
検出する直流電流検出器である。１０−１，１０
−２は各電源の電流基準５１−１，５１−２と直
流電流検出器９−１，９−２の出力値５２−１，
５２−２との差を求める減算回路、１１−１，１
１−２は減算回路１０−１，１０−２の出力を入
力し、この差が零となるよう制御整流器５−１，
５−２を制御する定電流制御回路、１２−１，１
２−２は計器用変圧器３の交電圧位相と定電流制
御回路１１−１，１１−２の出力値により制御整
流器５−１，５−２の点弧相と点弧タイミングを
決定する位相制御回路、１３−１，１３−２はパ
ルスアンプ回路である。

第２図において、制御整流器５−１，５−２が
３相全波整流器であるとすると、制御整流器５−
１，５−２の直流出力側には交流母線１の交流基
本波₀の６倍の高調波リプル電圧（6₀）成分が
最も大きく含まれる。その他のリプル電圧として
は制御整流器５−１，５−２の点弧角のバラツキ
があると基本波と同一のリプル電圧成分が発生
し、交流電圧の３相間に不平衡があると２倍調波
のリプル電圧成分が発生する。これらのリプル電
圧のうち６倍の高調波リプル電圧はリアクトルと
コンデンサ及び抵抗で構成されるパツシブフイル
タ６−１，６−２により50dB程度減衰させ残り
は基本波のリプル電圧を含めてアクテイブフイル
タ７−１，７−２によつて目的値まで減衰させ
る。アクテイブフイルタ７−１，７−２としては
リアクトルトランス方式が一般的に使用されてい
る。

第３図にアクテイブフイルタ部分のブロツク図
を示す。２１はリアクトルトランス、２２はパワ
ーアンプでトランジスタにより構成する。２３は
リプル電圧ΔVを検出するΔV検出回路、２４は
パワーアンプ制御回路である。２５はリアクトル
トランスの１次電波（主回路電流）の急変等によ
りリアクトルトランスの２次側にパワーアンプ２
２のトランジスタの過電圧保護レベル以上の電圧
が発生したことを検出する過電圧検出回路、２６
は過電圧検出回路２５の出力によりリアクトルト
ランスの２次側を短絡しパワーアンプ２２内のト
ランジスタを過電圧から保護する短絡スイツチで
ある。

アクテイブフイルタは直流出力電圧の電圧リプ
ル分ΔVをΔV検出回路２３にて検出し、この値
の逆電圧をパワーアンプ制御回路２４にて合成し
パワーアンプ２２のトランジスタのベース電流を
制御し、リアクトルトランスの１次側（主回路
側）にΔVと逆方向の電圧を発生させてリプル電
圧を相殺しリプル電流を小さくすることができ
る。第３図はΔV検出回路２３がパツシブフイル
タ側にあり、フイードフオワード制御方式として
いる。ΔV検出回路２３で負荷側にし、フイード
バツク制御方式にすることもできる。またリプル
減衰率を大きくする必要がある場合はアクテイブ
フイルタを２段、３段と直列に接続する場合もあ
る。

リアクトルトランス方式のアクテイブフイルタ
の場合、リプル電圧ΔVの波高値と共にリプル電
圧の周波数によりその性能が決定される。すなわ
ち、たとえばリプル電圧の値が小さくとも低周波
であると、電圧時間積が大きくなり、パワーアン
プ２２及びリアクトルトランス２１が飽和する。
逆に低周波領域まで十分性能を出そうとすると実
用に供しないほど大きなフイルタとなつてしま
う。

第２図に示したような低リプル電源装置におい
ては制御整流器が長時間の安定度の数Hz以下のリ
プルの制御、パツシブフイルタが基本波の６倍以
上の高調波リプルの減衰、アクテイブフイルタが
10Hzから基本波の数倍までの非論理調波リプルの
減衰とそれぞれ周波数領域を分担して高性能の低
リプル電源を構成している。又、並列接続された
それぞれの低リプル電源はまつたく独立に制御さ
れている。

第２図に示したような低リプル電源装置を用い
てビツタコイルのような1mH程度の負荷に通電
する場合、交流側の低次（１Hz〜数Hz）の電圧変
動が0.2％以下程度の通常の交流系統であれば電
流定格に対し１×10^-4程度のリプル及び安定度で
電流を制御することができる。ところが、交流系
統アーク炉等外乱を発生するものが近くにあり、
交流電圧が１Hz〜数Hzで0.3％〜２％程度変動す
ると交流電圧変動により直流電流が変動するとい
う不具合があつた。第２図に示すような低リプル
電源装置においては数Hzのリプルを減衰させるた
めには制御整器５−１，５−２の制御を高速にし
なければならない。

通常、定電流制御回路１１−１，１１−２には
比例積分方式が使用されるが、高速化するために
は比例ゲインを大きくする必要がある。ところ
で、低リプル電源を並列接続した場合、第１の低
リプル電源と第２の低リプル電源間で循環電流が
流れる。

第４図に循環電流の流れる経路を示す。第４図
において第２図と同一部分は同一符号を付して説
明を省略する。５３は第１の低リプル電源より負
荷に供給される電流、５４は第２の低リプル電源
より負荷に供給される電流、５５が循環電流であ
る。循環電流の値と周波数は各低リプル電源より
負荷と並列接続された他方の低リプル電源のイン
ピーダンスにより決まる。

通常、アクテイブフイルタの出力端では十分小
さいリプル電圧しかないため、循環電流はほとん
ど流れない。ところが、整流器用変圧器４−１，
４−２は交流母線１への高調波出力を小さくする
ため、位相を30゜ずらし、12相とするのが一般的
であるため、負荷電流を上昇、又、下降させると
きのわずかな点弧相のずれにより、50Hz前後の循
環電流が流れ始める。直流電流検出器９−１，９
−２は循環電流を含んで電流制御を行なつている
ため、定電流制御回路１１−１，１１−２の比例
項により一時的に増幅され、大きな循環電流が流
れアクテイブフイルタ７−１，７−２では制御で
きず、第３図で示したアクテイブフイルタ内の過
電圧検出回路２５が動作し、短絡スイツチ２６が
動作してシステム停止となるという不具合があつ
た。

すなわち、並列接続した低リプル電源装置にお
いて交流電圧が大く変動する場合、直流電流は交
流電圧変動により大く変動するという不具合があ
つた。また、定電流制御の応を高速にしようとす
る循環電流によりアクテイブフイルタの過電圧保
護が動作するという不具合があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は前記不具合を解消し、数Hz以下
の大きな交流電圧変動があつても、高安定、低リ
プル（１×10^-4）の直流電流を供給することがで
きる低リプル電源装置の制御方法を供給すること
である。

〔発明の概要〕

本発明は前述目的を達成するために、並列接続
した複数の低リプル電源の電流をすべて加算し、
循環電流分を相殺した電流をフイードバツク電流
値とし定電流制御回路を１つとし低リプル電源内
の制御整流器をすべて同一の制御量で高速に制御
するようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図を参照して説
明する。説明の都合上２台の低リプル電源を並列
接続した場合について述べるが、多数台でも同様
である。第１図において、第２図と同一の部分
は、同一符号として説明を省略する。１４は直流
電流検出器９−１，９−２の出力値を加算する加
算回路、１０は負荷電流の電流基準５６と加算回
路１４の出力５７との差を求める減算回路、１１
は減算回路１６の出力が零となるよう制御整流器
５−１，５−２の点弧角を決定する定電流制御回
路である。

第１図により本発明の作用について説明する。
直流電流検出器９−１，９−２より循環電流分を
含んで第１の低リプル電源、第２の低リプル電源
が流れる電流５２−１，５２−２が得られる。こ
の電流を加算回路１４にて加算すると、循環電流
分は位相が180゜ずれているので相殺され、真に負
荷８に流れている電流が検出される。負荷電流基
準５６は第１の低リプル電源と第２の低リプル電
源の出力値を加算した低リプル電源装置全体とし
て負荷に流すべき基準である。定電流制御回路１
１では負荷電流基準５６と加算回路１４の出力値
５７とが等しくなるように比例積分により制御整
流器５−１，５−２の点弧角を決定する。このよ
うに制御すると第１の低リプル電源と第２の低リ
プル電源間の循環電流は負荷と各電源の主回路定
数によつて決定され、制御整流器５−１，５−２
により増幅されることはまつたくない。また、制
御整流器５−１，５−２はまつたく等しい点弧角
により運転され、相互干渉がなくなり非論理高周
波も小さくなる。

本発明の低リプル電源の制御方法によれば、定
電流制御回路は１台の大容量の電源と同一に考え
て設計することができる。また循環電流を増幅し
てアクテイブフイルタの過電圧保護が動作するこ
ともないので、自動制御論理による安定限界近く
まで比例ゲインを大きくすることができる。従つ
て定電流制御回路により直流電流を高速にでき、
交流電圧が数Hz以下で１％程度変動しても負荷電
流を定格値の１×10^-4以下のリプル及び安定度に
て制御することが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の低リプル電源装置
の制御方法によると、定電流制御回路を１つに
し、フイードバツク電流値より循環電流分を無く
し制御整流器を高速に制御することにより数Hz以
下で大きく交流電圧が変動しても高安定低リプル
（１×10^-4）で直流電流を制御することができる。

また本発明によれば、負荷電流を直接検出する
大容量の高精度高安定、低リプルの電流検出器は
必要なく、単に加算回路を１つ追加するだけで非
常に大きな効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図は従来例のブロツク図、第３図はアクテイ
ブフイルタの詳細図、第４図は循環電流の経路を
説明する図である。 １……交流母線、２−１，２−２……交流しや
断器、３……計器用変圧器、４−１，４−２……
整流器用変圧器、５−１，５−２……制御整流
器、６−１，６−２……パツシブフイルタ、７−
１，７−２……アクテイブフイルタ、８……負
荷、９−１，９−２……直流電流検出器、１０…
…減算回路、１１，１１−１，１１−２……定電
流制御回路、１２−１，１２−２……位相制御回
路、１３−１，１３−２……パルスアンプ回路、
１４……加算回路、２１……リアクトルトラン
ス、２２……パワーアンプ、２３……ΔV検出回
路、２４……パワーアンプ制御回路、２５……過
電圧検出回路、２６……短絡スイツチ、５１−
１，５２−２……各低リプル電源の電流基準、５
２−１，５２−２……各電流検出器の出力値、５
３……第１の低リプル電源より負荷に供給する電
流、５４……第２の低リプル電源より負荷に給す
る電流、５５……循環電流、５６……負荷電流基
準、５７……加算回路の出力値。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 制御整流器とパツシブフイルタとトランスリ
   アクトル方式のアクテイブフイルタと直流電流検
   出器とから成る低リプル電源を複数台並列に接続
   して運転する低リプル電源装置において、定電流
   制御回路を低リプル電源装置を共通に１つ設け、
   低リツプル電源の各々の直流電流検出器から得ら
   れる直流電源を加算した値をフイードバツク電流
   値とし各々の低リプル電源の制御整流器を前記共
   通の定電流制御回路で制御することを特徴とする
   低リプル電源装置の制御方法。