(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速応答が可能な第１の電源部と、該第１の電源部より応答速度が遅い第２の電源部とが、直列に接続されていて、該第１の電源部の出力電圧と第２の電源部の出力電圧の合計電圧で負荷の電磁石に流れる電流を制御する電源装置において、
該電源装置が、前記第１の電源部の出力電圧と第２の電源部の出力電圧とをそれぞれ制御する制御部を備え、
該制御部が、
負荷電流の検出信号と出力電流設定値との偏差を入力し、直列接続した出力電圧の電圧設定値を出力する電流制御装置と、
該直列接続した出力電圧の電圧設定値と直列接続した出力電圧の検出信号との偏差である第１の電圧偏差を入力し、該第１の電圧偏差をゼロにする第１の電源部の出力電圧制御信号を出力する第１の電圧制御装置と、
前記直列接続した出力電圧の電圧設定値と第２の電源部の出力電圧の検出信号との偏差である第２の電圧偏差を入力し、該第２の電圧偏差をゼロにする第２の電源部の出力電圧制御信号を出力する第２の電圧制御装置とを備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
高速応答が可能な第１の電源部と、該第１の電源部より応答速度が遅い第２の電源部とが、直列に接続されていて、該第１の電源部の出力電圧と第２の電源部の出力電圧の合計電圧で負荷の電磁石に流れる電流を制御する電源装置において、
該電源装置が、前記第１の電源部の出力電圧と第２の電源部の出力電圧とをそれぞれ制御する制御部を備え、
該制御部が、
負荷電流の検出信号と出力電流設定値との偏差を入力し、直列接続した出力電圧の電圧設定値を出力する電流制御装置と、
該直列接続した出力電圧の電圧設定値と直列接続した出力電圧の検出信号との偏差である第１の電圧偏差を入力し、該第１の電圧偏差をゼロにする第１の電源部の出力電圧制御信号を出力する第１の電圧制御装置と、
前記第１の電源部の出力電圧の検出信号を入力し、該第１の電源部の出力電圧の検出信号がゼロになるように第２の電源部の出力電圧制御信号を出力する第２の電圧制御装置とを備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２の何れかに記載の電源装置において、前記第１の電源部が、ＩＧＢＴ変換器であることを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項１あるいは請求項２の何れかに記載の電源装置において、前記第１の電源部が、ＭＯＳＦＥＴ変換器であることを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項３あるいは請求項４の何れかに記載の電源装置において、前記第１の電源部がＰＷＭ制御されていることを特徴とする電源装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電源装置において、前記第１の電源部が１０ｋＨｚより高い周波数でスイッチングされていることを特徴とする電源装置。
【請求項７】
請求項５に記載の電源装置において、前記第１の電源部が多重化されていることを特徴とする電源装置。
【請求項８】
請求項５に記載の電源装置において、前記負荷電流が素粒子加速器の電磁石に流れる電流であることを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源装置に係わり、特に加速器に適用するのに適した高速応答可能な高安定度電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、医療，放射光応用などの用途に素粒子加速器が多数建設されている。加速器では電磁石で発生した磁場で素粒子の軌道を制御するが、軌道を安定に保つため、その励磁電源には電流変動が０．０００１  以下である高安定度で低リプルの性能が要求される。さらにシンクロトロン加速器では電流をパターンに従って追従させるために高速応答も可能な電源でなければならない。
【０００３】
このような電源には日立評論Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．２，７８〜７９ページに示されているようなアクティブフィルタを用いた電源が用いられている。
【０００４】
しかしながらアクティブフィルタを用いた電源は、アクティブフィルタによってリアクトルトランスを介して動作するため、フィルタの過渡特性や、リアクトルトランスの周波数特性の影響を受け、出力応答に所要の周波数特性を持たせることが難しいという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、高速応答が可能で、高安定度で、簡単な電源装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低速応答の電源と、高速応答可能な電源とを直列に組み合わせ、高速応答可能な電源を用いた高速応答する定電圧制御装置と、低速で応答する電源を用いた定電圧制御装置とを備えている。高速応答する定電圧制御装置は、電源の出力電圧を高速に出力するようにしている。また、低速で応答する電源を用いた定電圧制御装置は、高速応答可能な電源の出力分担電圧を少なくするように制御している。電源の電流などの出力量は、高速応答する定電圧制御装置の電圧設定値を設定することにより制御している。
【０００７】
本発明では、低速応答の電源と、高速応答可能な電源とを直列に組み合わせており、高速応答可能な電源を用いて高速応答する制御装置で電源の出力電圧を高速に出力するようにしている。電源の電流などの出力量は、上記高速応答する制御装置の電圧設定値を設定することにより制御しているので、出力量を高速に制御することができる。また定電圧制御されているため、交流電源の電圧変動などの外乱があっても出力電圧を安定に保持でき、出力量の変動やリプルのない、高安定度な制御を行うことができる。また、低速で応答する電源を用いた定電圧制御装置で高速応答可能な電源の出力分担電圧を少なくするように制御しているので、高速応答可能な電源は、過渡的な急変分だけを負担すればよく、電源装置全体を簡単に安価に実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図１に示す。出力電流が片方向だけの場合である。高速応答可能な電源１と低速応答の電源２とを直列に接続して構成しており、制御装置３で負荷である電磁石４の電流を制御している。電磁石４以外の全体で電源装置となっている。
【０００９】
高速応答可能な電源１は、２象限変換装置となっている。すなわちＩＧＢＴ  （絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１２１，１２２、それに逆並列に接続されたダイオード１３１，１３２、対アームのダイオード１４１，１４２からなるＩＧＢＴ変換器１１，直流コンデンサ１５，直流電源１６から構成されている。リアクトル１７とコンデンサ１８は、ＩＧＢＴ変換器から発生する高周波成分を抑制するための高周波のフィルタであるが、省略される場合もある。
【００１０】
ＩＧＢＴは例えば１０ｋＨｚといった高周波でスイッチングするので出力電圧は１ｍｓ以下の高速で応答することができる。必要に応じてはさらにスイッチング周波数を高くしたり、多重化したり、あるいはＭＯＳＦＥＴなどのさらに高速なデバイスを用いて１０μｓ以下で応答させることも可能である。
【００１１】
直流電源１６の構成は直流電圧を一定にできればよく、通常はダイオードを用いた順変換装置でよい。ただし、変換器１１が負電圧を出力するときは負荷からエネルギーが回生されるので、その処理を考えておく必要がある。
【００１２】
低速応答の電源２はサイリスタ変換器２１と変換装置用変圧器２２から構成されている。変換器が１台であり三相ブリッジでは６パルスとなるが、複数台の変換器を用いて１２パルスや、２４パルスにする場合もある。変換器から発生する電圧リプルを低減するためにリアクトル２３，コンデンサ２４からなる直流フィルタを設置している。
【００１３】
制御装置３は、負荷電流を制御する定電流制御装置３１，高速応答可能な電源の電圧を制御する高速応答する定電圧制御装置３２，それに従って高速応答可能な電源の制御パルスを発生するＰＷＭ制御装置３４，低速応答の電源の電圧を制御する定電圧制御装置３３，低速応答の電源の制御パルスを制御する自動パルス移相器３５から構成されている。
【００１４】
制御装置３では、加算器３６１で電流の設定値Ｉｒと電流検出器６で検出された負荷電流Ｉｄとの差を求め、それに応じて定電流制御装置３１が動作し、電源の電圧設定値Ｖｒを出力する。
【００１５】
高速応答する定電圧制御装置３２は、加算器３６２でＶｒと電圧検出器５１で検出された電源全体の出力電圧Ｖｆとの差を求め、それに応じて動作し、高速応答可能な電源への制御量Ｍｆを出力する。ＰＷＭ制御装置は、Ｍｆに従ってＩＧＢＴ変換器１１が動作するための制御パルスを発生する。この結果、高速応答可能な電源が動作してＶｆすなわち電源全体の出力電圧がＶｒに等しくなるように高速に制御される。
【００１６】
一方、定電圧制御装置３３では、加算器３６２でＶｒと電圧検出器５２で検出されたサイリスタ変換器２１の出力電圧Ｖｓとの差を求め、それに応じて動作し、低速応答の電源の制御量Ｍｓを出力する。自動パルス移相器３５は、Ｍｓに従ってサイリスタ変換器２１の制御パルスを発生する。この結果、サイリスタ変換器が動作してその出力電圧ＶｓもＶｒに等しくなるように制御される。Ｖｓが  Ｖｒに等しくなれば、リアクトル２３での電圧降下分を無視すれば高速応答可能な電源の出力電圧分は０となる。
【００１７】
以上の結果、定電流制御装置では、出力した電圧設定値を高速応答可能な電源で高速に応答させて電磁石４に加わえることができるので、コイル電流を設定値に高速に追従させることが可能となる。続いて低速応答の電源が応答して出力電圧を負担するので、高速応答可能な電源は過渡的な急変分だけ負担すればよく、容量が小さなものでよい。電源全体の出力電圧は定電圧制御により高速に制御されているので、交流電源の電圧変動などによる外乱があってもほとんど変動せず、高安定度の電源を実現できる。
【００１８】
なお、定電圧制御装置３３ではサイリスタ変換器２１の出力電圧を制御した。これはフィルタでの遅れをなくしてなるべく速い応答を可能にするためである。別の実施例で示すように低速応答の電源の出力電圧を制御してもよい。
【００１９】
本発明の別の実施例を図２に示す。本実施例では、高速応答可能な電源１の出力電圧Ｖｆｃを電圧検出器５３で検出し、その電圧が０となるように低速応答の電源２を制御している。動作は図１の実施例と同様である。
【００２０】
本発明のまた別の実施例を図３に示す。本実施例は、電流の方向を正負両方向に可能とする例である。高速応答可能な電源１は、ＩＧＢＴ変換器１１２の４アームをすべてＩＧＢＴで構成し、４象限運転可能な変換装置としている。低速応答の電源２は２台のサイリスタ変換器２１１，２１２を逆並列に接続し、４象限運転可能な変換装置としている。動作は図１の実施例と同様である。ただし、サイリスタ変換器２１１，２１２の間を循環して流れる電流の図示していない制御装置が他に必要である。
【００２１】
本実施例は電流を０付近まで制御する必要がある場合にも有効である。高速応答可能な電源は小電流まで安定に運転できるので、場合によっては低速応答の電源だけ本実施例のようにすることも考えられる。
【００２２】
本発明のさらにまた別の実施例を図４に示す。本実施例では低速応答の電源をＧＴＯを用いたＧＴＯ変換器２１３で構成している。ＧＴＯ変換器を制御するため、制御装置でも自動パルス移相器に代わってＰＷＭ制御装置３４２を使用している。この場合、直流電源２９も一般にはＧＴＯ変換器を用いて構成する。そのようにすることにより大容量となる低速応答の電源の運転力率を１とすることができる。本実施例では低速応答の電源も直流コンデンサを間に介して電力を供給するようにしており、交流電源の電圧に変動があっても直流コンデンサの電圧変動は小さくなり、外乱の影響をより少なくすることができる。
【００２３】
また、図示していないエネルギー貯蔵装置からも直流電源を供給するようにすれば、パルスパターンに従って電源を運転しても交流系統から供給する電源の容量が大幅に変動しないようにすることもできる。このためパルスパターン運転に伴う交流電源の電圧変動を小さくでき、より高精度な制御が可能となる。
【００２４】
以上の実施例において、電流の設定値Ｉｒの変化率ｄｉ／ｄｔが例えば図５  （ａ）のような形であるようにした場合を考える。電磁石４のインダクタンスをＬ，抵抗をＲとすると電源の所要出力電圧はＬ・ｄｉ／ｄｔ＋Ｒ・Ｉｒであるので図５（ｂ）のようになる。このようにすると電源の出力電圧の変化率が連続的に変化する。そのため低速応答の電源でも容易に電圧を追従させることができ、高速応答可能な電源の容量を極めて小さくできる。
【００２５】
本発明による電源装置は、高速応答可能であり、かつ高安定度であるので加速器用電源に適用すると粒子を高速なパターンに従って安定に加速できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば高速応答可能な電源で出力制御するので高速応答が可能である。定電圧制御装置を有して高速に出力電圧を制御しているので、交流電源の電圧変動時などにも高速で応答し、出力の変動が極めて小さい高安定度な電源を実現できる。低速応答の電源で高速応答可能な電源の出力負担分を小さくするように制御するので、高速応答可能な電源の容量はわずかであり、簡単な構成で安価に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例。
【図２】本発明の他の実施例。
【図３】本発明の別の実施例。
【図４】本発明の別の実施例。
【図５】電流設定値Ｉｒの変化率の一例。
【符号の説明】
１…高速応答可能な電源、２…低速応答の電源、３…制御装置、４…電磁石、６…電流検出器、１１，１１２…ＩＧＢＴ変換器、１５，２８…直流コンデンサ、１６，２９…直流電源、１７，２３，２３１，２３２…リアクトル、１８，  ２４…コンデンサ、２１，２１１，２１２…サイリスタ変換器、２２，２２１，２２２…変換装置用変圧器、３１…定電流制御装置、３２…高速応答する定電圧制御装置、３３…定電圧制御装置、３４，３４２…ＰＷＭ制御装置、３５…自動パルス移相器、５１，５２，５３…電圧検出器、１２１，１２２…ＩＧＢＴ、  １３１，１３２，１４１，１４２，２６１，２６２，２７１，２７２…ダイオード、２１３…ＧＴＯ変換器、２５１，２５２…ＧＴＯ、３６１，３６２，３６３…加算器。
【図１】
0003550972.tif 000002
【図２】
0003550972.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003550972.tif 000005
【図５】
0003550972.tif 000006