JPH06237520A - ビーム電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ビーム発生器用電極を有する負荷を、過電流
から高速で保護して、直流高電圧を上記負荷に供給する
ことができるようにしたビーム電源装置を提供すること
にする。 【構成】 交流電源に接続されたしゃ断器の負荷側と、
出力端に整流回路を介して負荷を接続した電源トランス
との間に、サイリスタスイッチを設け、このサイリスタ
スイッチのゲートに、上記負荷の端子間に挿入した分圧
器から接続されてゲート信号を送出する位相制御回路を
接続し、負荷回路に挿入した分流器から接続されて、過
電流発生時、上記負荷の側路を閉成すると共に、位相制
御回路にゲート阻止信号を送出する過電流検出回路を設
けて構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ビーム発生器用の電極
を有する負荷に直流高電圧を供給するビーム電源装置に
係り、特に負荷を過電流保護するようにしたビーム電源
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、直流高電圧（例えば２０ｋＶ）
が印加されるビーム発生器用の電極を有する負荷（以下
単に負荷という）にあっては、その電極間で放電破壊が
生じたとき、負荷に立上がりが急峻な過電流が発生し、
負荷の電極を損傷せしめるという問題がある。

【０００３】このため、従来より、交流電源にしゃ断器
を介して電源トランスを接続し、この電源トランスの出
力端に、整流器を介して一端を接地した負荷を接続し、
この負荷回路の接地側に挿設した分流器を介して過電流
を検出し、この検出信号により上記しゃ断器をトリップ
させて交流電流から保護するようにしていた。

【０００４】また、負荷に側路を設けて、過電流検出
時、上記側路を閉成して負荷を電源側から切離すと共
に、側路の閉成後、しゃ断器をトリップさせて、負荷を
過電流から保護するようにしたものも提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
方式にあって過電流を検出してから上記しゃ断器をトリ
ップさせるまでに時間（例えば１００ｍｓ程度）がかか
り、負荷を過電流から十分保護することができず、また
後者の方式にあっても、側路を閉成してからしゃ断器が
トリップするまで、上述同様時間（例えば、１００ｍｓ
程度）がかかり、その間電流トランス及び整流回路に過
電流が流れ、装置・素子の損傷・劣化を招き信頼性を低
下させるという問題を有していた。

【０００６】本発明は、上述した点にかんがみてなされ
たもので、その目的とするところは、立上りが急峻な過
電流が発生しても高速で負荷を保護して、直流高電圧を
上記負荷に供給することができるようにしたビーム電源
装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、交流電源に接続されたしゃ断器の負荷側と出
力端に整流回路を介して接続した電源トランスの入力端
との間に、一対のサイリスタを逆並列に接続したサイリ
スタスイッチを介設し、このサイリスタスイッチのゲー
トに負荷の端子間に挿入した分圧器から接続されて、上
記サイリスタスイッチにゲート信号を送出する位相制御
回路を接続し、過電流発生時、負荷回路に挿設した分流
器から接続された過電流検出回路から上記負荷を側路す
る信号と上記位相制御回路にゲート阻止信号とを送出す
るよう構成した。

【０００８】

【作用】定常運転時には、上記サイリスタスイッチを分
圧器の出力信号により位相制御して定電圧化を図った直
流高電圧を負荷に供給する。

【０００９】そして、負荷の電極間に放電破壊が生じ立
上りが急峻な過電流が発生すると、これを分流器を介し
て検出した過電流検出回路の出力信号により、負荷の側
路を瞬時的に閉成させて上記過電流を側路に転流せしめ
ると共に、位相制御回路にゲート阻止信号を送出してサ
イリスタスイッチをオフさせ、負荷及び電源側を過電流
から高速で保護する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図によって説明す
る。図１において、１は交流電源、４は上記交流電源１
に、しゃ断器２と一対のサイリスタを逆並列に接続して
なるサイリスタスイッチ３とを介して、接続された電源
トランスで、出力端には、ダイオード等をブリッジ接続
して形成した整流回路５を接続し、この整流回路５の出
力端から直流高電圧（例えば２０ｋＶ）を送出するよう
になっている。６は上記整流回路５の出力端子間に挿入
した平滑用コンデンサである。８はビーム発生器用電源
を有する負荷で、上記コンデンサ６の端子間に転流回路
７を介して接続されて、平滑した直流高電圧をうけるよ
うになっている。

【００１１】そして、上記転流回路７は、負荷回路の高
圧側ＬH に限流抵抗Ｒ1 と抑制抵抗Ｒ2 とを直列に挿入
し、この抵抗Ｒ1 とＲ2 の接続点にアノードＡを接続し
たイグナイトロンＱ1 のカソードＫを負荷回路の接地側
ＬE に接続して、負荷８の側路を形成するようになって
いる。

【００１２】また、上記転流回路７の抵抗Ｒ1 とＲ2
は、負荷８の放電破壊によって立上りの急峻な過電流が
発生してからイグナイトロンＱ1 が点弧するまでの期
間、負荷８に流れる電流のピークを抑え（即ち、コンデ
ンサ６の放電電流が急峻となるのを抑制し）、かつ、定
常時の電圧降下があまり大きくならない（例えば、電源
電圧の５〜２０％）ように、Ｒ1 ＋Ｒ2 の抵抗値が選定
されており、しかも上記抵抗Ｒ1 は過電流発生からサイ
リスタスイッチ３がオフするまでの期間、該抵抗Ｒ1 と
直流高電圧ＶD で定まる電流Ｉ2 （ＶD ／Ｒ1 ）が電流
側からイグナイトロンＱ1 を通して流れることになるの
で、この電流Ｉ2 が電源側とイグナイトロンＱ1 の電流
耐量以下となるように限流せしめ、抵抗Ｒ2 はイグナイ
トロンＱ1 が点弧してもアノード・カソード間に残る電
圧（例えば、１００Ｖ）によって負荷８に該抵抗Ｒ2 を
通じて流入する電流を抑制せしめるようになっている。

【００１３】９は、平滑用コンデンサ６の接地側端子と
イグナイトロンＱ1 のカソードＫとの間に挿設されて、
流れる電流を電圧で出力するようにした抵抗からなる分
流器１０の出力端から接続された過電流検出回路で、過
電流を検出したとき、上記イグナイトロンＱ1 を瞬時的
（例えば５μｓ）に点弧させて負荷８の側路を閉成し、
この側路に過電流を転流せしめて、負荷８に過電流が流
入するのを阻止すると共に、後述の位相制御回路１１に
ゲート阻止信号を送出するようになっている。

【００１４】この過電流検出回路９は、上記分流器１０
の出力端から接続されて過電流を検出する検出器ＤＣ
と、これの検出信号により、ゲート信号と上記サイリス
タスイッチ３のゲート阻止信号とを同時に出力するゲー
トドライブ回路ＧＤと、これのゲート信号をうけたと
き、上記イグナイトロンＱ1 のイグナイタＩG にトリガ
パルスを送出するようにしたパルス回路ＰＣとからなっ
ている。

【００１５】そして、上記検出器ＤＣは、図２で示すよ
うに、演算増幅器によりヒステリシス幅を有して形成さ
れたコンパレータＣＰ1 を備え、上記分流器１０の出力
電圧Ｖ10を、あらかじめ設定された過電流検出の基準電
圧Ｖｒｅｆ1 と比較し、Ｖ10＞Ｖｒｅｆ1 の関係になっ
たとき、コンパレータＣＰ1 の出力端から“Ｈ”レベル
の出力信号を検出信号として送出するようになってい
る。

【００１６】また、ゲートドライブ回路ＧＤは、上記コ
ンパレータＣＰ1 の出力端に、発光ダイオードと受光ト
ランジスタからなるホトカプラＰＨ1 の上記発光ダイオ
ードを接続し、受光トランジスタに、ワンショットのパ
ルス信号を送出するパルス発生器ＭＢ1 を接続し、この
パルス発生器ＭＢ1 の出力端に、入力を増幅して出力す
る増幅器Ａ1 を介してゲートトランスＴ1 の入力端を接
続すると共に、フリップフロップ回路ＦＦ1 の入力端Ｓ
を接続して、上記ワンショットのパルス信号により、ゲ
ートトランスＴ1 の出力端からゲートドライブ信号を送
出すると共に、上記フリップフロップ回路ＦＦ1 をセッ
トしてその出力端Ｑから“Ｈ”レベルの出力信号をゲー
ト阻止信号として送出するようになっている。そして、
上記ゲート阻止信号は、フリップフロップ回路ＦＦ1 の
入力端Ｒにビーム電源装置に装備された図示しない故障
復帰ボタンの動作信号をリセット信号としてうけるまで
保持されるようになっている。

【００１７】さらに、パルス発生回路ＰＣは、交流電源
Ｅ1 に接続されたトランスＴ2 の出力端に直列に接続し
たダイオードＤ1 とコンデンサＣ1 を介してパルストラ
ンスＴ3 の入力端を接続すると共に、上記ダイオードＤ
1 のカソードとコンデンサＣ1 との接続点にアノードを
接続したサイリスタＴｈ1 のカソードを、パルストラン
スＴ3 入力端に接続し、上記サイリスタＴｈ1 のゲート
に、上記ゲートドライブ回路ＧＤのゲートトランスＴ1
の出力端を接続して、ゲート信号によりサイリスタＴｈ
1 を導通させて、コンデンサＣ1 に常時充電された電荷
をサイリスタＴｈ1 を介して放電し、その放電電流によ
りパルストランスＴ3 を励磁し、該トランスＴ3 の出力
端からトリガパルスを上記イグナイトロンＱ1 のイグナ
イタＩGに送出するようになっている。

【００１８】１１は、上記負荷８の端子間に挿入した分
圧器１２と、上記ゲートドライブ回路ＧＤのフリップフ
ロップ回路ＦＦ1 の出力端Ｑとから接続されて、上記サ
イリスタスイッチ３にゲート信号を送出するようにした
位相制御回路である。

【００１９】これは、上記分圧器１２から接続されて、
交流電源１と同期した位相制御信号を出力するサイリス
タ位相制御回路ＴＰＣと、入力端が上記ゲートドライブ
回路ＧＤのフリップフロップ回路ＦＦ1 の出力端Ｑに接
続されたノット回路Ｎ1 と、このノット回路Ｎ1 とサイ
リスタ位相制御回路ＴＰＣの両出力端が、アンド回路Ａ
ＮＤ1 を介して接続されて、入力信号を図示しないホト
カプラを介して絶縁してうけてこれを増幅した出力信号
をゲート信号として送出するようにしたゲート回路ＧＡ
とからなっている。

【００２０】そして、上記サイリスタ位相制御回路ＴＰ
Ｃは、図３に示すように、上記交流電源１にしゃ断器２
を介して接続されたトランスＴ4 と、このトランスＴ4
の交流出力のゼロ点を検出し、このゼロ点で交番する矩
形波信号を出力するゼロクロス検出器ＺＤと、これの矩
形波信号を波形成形して、上記交流電源１の電源周波数
と同期した三角波信号を出力する三角波発生器ＴＰと、
これの出力端に接続されて、レベル比較するコンパレー
タＣＰ2 と、このコンパレータＣＰ2 の入力端の他方
に、絶縁形の演算増幅器Ａ2 を介して入力させた上記分
圧器１２の出力電圧Ｖ12と、負荷８に供給する直流高電
圧（例えば２０ｋＶ）からあらかじめ設定した基準電圧
Ｖｒｅｆ2 との偏差（Ｖｅｒｆ2 −Ｖ12）をＰＩ動作す
る調節器ＰＩの出力端を接続して、レベル比較するコン
パレータＣＰ2 の出力端から、上記三角波信号が調節器
ＰＩの出力信号ＶPIより小さい期間“Ｈ”レベルとなる
パルス信号を上記サイリスタスイッチの位相制御信号と
して送出し、負荷８に供給する直流高電圧を定電圧制御
するようになっている。

【００２１】次に、その動作について説明する。しゃ断
器２の投入によって、交流電源１が位相制御回路１１の
サイリスタ位相制御回路ＴＰＣのトランスＴ4 に供給さ
れる。トランスＴ4 は交流電源１の電源周波数に同期し
た交流電圧をゼロクロス検出器ＺＤに出力する。ゼロク
ロス検出器ＺＤは、ゼロ点で交番する矩形波信号を三角
波発生器ＴＰに送出する。これをうけた三角波発生器Ｔ
Ｐは入力信号により波形整形した三角波信号をコンパレ
ータＣＰ2 に出力する。これをうけたコンパレータＣＰ
2 は、入力端の他方に調節器ＰＩから基準電圧Ｖｒｅｆ
2 と分圧器１２の出力電圧Ｖ12との偏差（Ｖｒｅｆ2 −
Ｖ12）をＰＩ動作した出力信号ＶPIをうけているので、
両入力をレベル比較し、上記三角波信号が上記ＶPIより
小さい期間“Ｈ”レベルとなるパルス信号を送出する。

【００２２】上記コンパレータＣＰ2 の出力をうけたア
ンド回路ＡＮＤ1 は、入力端の他方にノット回路Ｎ1 か
ら“Ｈ”レベルの出力信号をうけているので、上記コン
パレータＣＰ2 の出力信号が送出されることになり、ゲ
ート回路ＧＡを介してゲート信号がサイリスタスイッチ
３のゲートに送出され、該サイリスタスイッチ３がオン
する。

【００２３】上記サイリスタスイッチ３のオンにより、
交流電源１をうけたトランスＴ4 は出力し、その出力を
整流回路５によって全波整流し、これを平滑用コンデン
サ６により平滑した直流高電圧（例えば２０ｋＶ）がコ
ンデンサ６の端子間から負荷８に転流回路７を介して供
給され、負荷８は運転を開始する。

【００２４】この際、負荷８に流れる電流Ｉ3 は、定常
電流であり、分流器１０は、この定常電流に応じた電圧
を出力することになるが、検出器ＤＣの過電流検出レベ
ルに達しないので、ゲートドライブ回路ＧＤからゲート
信号は送出されずパルス回路ＰＣのトリガパルスも送出
されずイグナイトロンＱ1 は点弧しない。また、ゲート
ドライブ回路ＧＤのフリップフロップ回路ＦＦ1 の出力
端Ｑの出力信号も“Ｌ”レベルのままでゲート阻止信号
は送出されず、位相制御回路１１は、そのサイリスタ位
相制御回路ＴＰＣが分圧器１２からの出力電圧Ｖ12と基
準電圧Ｖｒｅｆ2 との偏差（Ｖｒｅｆ2 −Ｖ12）によ
り、ＰＩ動作した調節器ＰＩの出力信号ＶPIをうけたコ
ンパレータＣＰ2 からパルス信号が送出され、これによ
って、サイリスタスイッチ３は位相制御され、負荷８に
供給される直流高電圧ＶD の定電圧制御が行われてい
る。

【００２５】この定常運転中にあって、今、図４のｔ0
時点で負荷８の電極間に放電破壊が生じ、過電流が発生
したとすると、分流器１０はこの過電流に応じた電圧を
出力し、これをうけた検出回路９の検出器ＤＣのコンパ
レータＣＰ1 は、入力電圧Ｖ10が、基準電圧Ｖｒｅｆ1
より大きく（Ｖｒｅｆ1 ＜Ｖ10）なるので、過電流と検
出して出力する。これをうけたゲートドライブ回路ＧＤ
は、ホトカプラＰＨ1の発光ダイオードの発光出力によ
り受光トランジスタが導通し、パルス発生器ＭＢ1 がワ
ンショットのパルス信号を出力し、増幅器Ａ1 を介して
トランスＴ2 が励磁されてその出力端から出力電圧をパ
ルス回路ＰＣのサイリスタＴｈ1 のゲートにゲート信号
として送出し、サイリスタＴｈ1 がオンして、常時充電
のコンデンサＣ1 がその電荷を放電し、この放電電流に
よりパルストランスＴ3 が励磁されてその２次側からト
リガパルスを過電流検出回路９の出力としてイグナイト
ロンＱ1 のイグナイタＩG に送出し、上記イグナイトロ
ンＱ1 をｔ1 時点（図４）で点弧せしめて負荷８の側路
を閉成する。

【００２６】これにより、過電流発生時点（図４ｔ0 時
点）からイグナイトロンＱ1 が点弧するまで（図４ｔ1
時点）の期間、過電流は（５と６）→Ｒ1 →Ｒ2 →８→
１０→（５と６）の回路で流れることになるが、この期
間は瞬時的（例えば５μｓ）であり、過電流のピーク値
は抵抗Ｒ1 とＲ2 によって抑制されるので、負荷８の電
極を損傷することはない。

【００２７】そして、上記イグナイトロンＱ1 の点弧に
より、過電流は、（５と６）→Ｒ1→Ｑ1 →１０→（５
と６）の回路に流れる。即ち、過電流が負荷８の側路に
転流されることになる。この転流は、図４に示すよう
に、ｔ1 時点からｔ2 時点にかけて行われる。即ち、イ
グナイトロンＱ1 が点弧すると負荷８に流れる電流Ｉ3
は瞬時的（例えば２〜５μｓ）に減少してゼロとなり、
負荷８は立上りの急峻な過電流から瞬時的に保護され
る。また、イグナイトロンＱ1 には転流した電流Ｉ2 が
抵抗Ｒ1 によって限流されているので、イグナイトロン
Ｑ1 は電流破壊を生ずることなく、導通状態を保持し、
負荷８の側路は閉成されている。

【００２８】一方、上記過電流検出回路９の検出器ＤＣ
が過電流を検出したとき、ゲートドライブ回路ＧＤのフ
リップフロップ回路ＦＦ1 は、上記パルス発生器ＭＢ1
のワンショットのパルス信号によりセットされ、その出
力端Ｑから“Ｈ”レベルの出力信号をノット回路Ｎ1 に
送出されるので、該ノット回路Ｎ1 の出力信号は“Ｌ”
レベルに反転し、これによりアンド回路ＡＮＤ1 の出力
信号も“Ｌ”レベルとなって、ゲート回路ＧＡから出力
するゲート信号の送出を阻止する（図４ｔ1 時点）。

【００２９】このゲート信号の送出阻止により、サイリ
スタスイッチ３は、アノード・カソード間に逆電圧が印
加され電流がゼロとなる時点（図４ｔ3 時点）でオフす
る。この過電流が発生した時点（図４ｔ0 時点）からサ
イリスタスイッチ３がオフする時点（図４ｔ3 時点）ま
での期間は、例えば５〜１０ｍｓ程度で行われて、しゃ
断器によるしゃ断（例えば１００ｍｓ）に比し、１／１
０以下の時間で電源側を保護することができる。

【００３０】そして、上記サイリスタスイッチ３のオフ
により交流電源１がオフされ、コンデンサ６が放電を完
了した時点で、イグナイトロンＱ1 に流れる電流Ｉ2 も
ゼロになり、イグナイトロンＱ1 が放電中止（不導通）
となって、負荷８の側路は開路され、過電流発生による
保護動作が終了する。

【００３１】次に運転を再開するときは、図示しない故
障復帰ボタンの動作により、ゲートドライブ回路ＧＤの
フリップフロップ回路ＦＦ1 の入力端Ｒにリセット信号
が入力し、該回路ＦＦ1 がリセットして、出力端Ｑの出
力信号を“Ｌ”レベル反転させてゲート阻止信号の送出
を停止する。これにより位相制御回路１１のノット回路
Ｎ1 の出力信号が“Ｈ”レベルに反転し、上述した運転
開始動作と同様に動作して運転を再開する。

【００３２】このように、過電流が発生すると、瞬時的
に負荷８の側路を閉成して、これに過電流を転流せしめ
ると同時にサイリスタスイッチ３のゲート信号の送出を
阻止して交流電源１をしゃ断するので、応答速度もきわ
めて短時間となり、立上りが急峻であっても、また緩慢
であっても同様の応答速度で負荷８を過電流から保護す
ることができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、負荷に過電流が流れた
とき、負荷の側路を瞬時的に閉成して、これに過電流を
転流せしめるようにしてあるので、電極を有する負荷を
瞬時的に保護することができる。しかも、電源のしゃ断
は、一対のサイリスタを逆並列に接続したサイリスタス
イッチのゲート信号を負荷の側路と同時に停止してオフ
するようにしてあるので、応答速度をきわめて短縮させ
ることができ、過電流の立上りが急峻であっても緩慢で
あっても過負荷耐量を増大させることなく、電源装置を
構成することができ、かつ装置を構成する各部材の過電
流による損傷及び劣化を大幅に軽減することができるの
で、電源装置の長寿命化、信頼性を一段と向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すブロック図。

【図２】図１の過電流検出回路を具体化して示すブロッ
ク図。

【図３】図１のサイリスタ位相制御回路を具体化して示
すブロック図。

【図４】図１の動作を説明するタイムチャート図。

【符号の説明】

１ 交流電源 ３ サイリスタスイッチ ５ 整流回路 ７ 転流回路 ８ 負荷 ９ 過電流検出回路 １０ 分流器 １１ 位相制御回路 １２ 分圧器 Ｑ1 イグナイトロン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源に、しゃ断器を介して電源トラ
   ンスを接続し、この電源トランスの出力端に、整流回路
   を介して、一端を接地したビーム発生器用の電極を有す
   る負荷を接続して、この負荷に直流高電圧を供給するよ
   うにしたものにおいて、上記しゃ断器と電源トランスの
   間に介挿された逆並列接続の一対のサイリスタからなる
   サイリスタスイッチと、このサイリスタスイッチのゲー
   トに、上記負荷の端子間に挿入した分圧器から接続され
   て位相制御したゲート信号を送出する位相制御回路と、
   上記の負荷の端子間にイグナイトロンを挿入した転流回
   路と、負荷回路に介挿した分流器から接続されて、過電
   流発生時、上記イグナイトロンにトリガパルスを送出す
   ると共に、上気位相制御回路にゲート阻止信号を送出す
   る過電流検出回路とを備えたことを特徴とするビーム電
   源装置。