【手続補正書】
【提出日】令和2年11月10日(2020.11.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フライホイールにより回転する誘導電動機の端子に進相コンデンサを接続して、自己励磁現象による交流電力を発生させる誘導発電機となし、交流出力から整流器を介して直流出力を得る直流パルス電源装置。
【請求項２】
誘導発電機の交流出力を、変圧器のタップの切り替えによって出力直流電圧電流を制御する請求項１に記載の直流パルス電源装置。
【請求項３】
フライホイールと結合して回転する誘導機の風損を低減するために、密閉容器に納めて、ヘリウムと空気との大気圧の混合ガスで満たして運転する請求項１に記載の直流パルス電源装置。
【請求項４】
パルス電力とエネルギーを増加させるために、フライホイール付き誘導電動機を複数台、電気的に並列接続する請求項１に記載の直流パルス電源装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】直流パルス電源装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス的直流電流を発生する直流パルス電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気閉じ込め核融合実験装置では、プラズマを閉じ込めるために強い磁界が必要である。
磁界は、銅線を多数回巻いた磁界コイルに電流を流すことで得られるが、強い磁界を得るためには、大電流を流す必要がある。磁界コイルには磁気エネルギーが蓄積されるため、電源はそのエネルギーを供給するものであった。また、電流による電線の温度上昇からの制限で、通電は短時間である。短時間のパルス大電流直流と励磁のための高電圧の電源が必要である。そのため磁界装置を駆動するにはエネルギーを蓄積した高電圧の直流パルス電源装置が必要である。
【０００３】
従来、このようなパルス大電流電源はコンデンサを多数直列並列にして大きなコンデンサ・バンクとし、電界のエネルギーとしてエネルギーを蓄積して、そのエネルギーをコイルに放電をすることでパルス大電流を得ていた。このような急速な放電を行なうコンデンサはその放電回数に寿命があって、回数が数万回から数千回の放電回数で、また、コンデンサが内部短絡を起こして破壊されるとき、コンデンサ・バンクの全エネルギーが故障コンデンサに集中して放電するため、エネルギーがマイクロ秒で爆発的に放出され、短時間で大電流が流れて、その電磁力と熱で破壊される。また、一般に静電エネルギーはその蓄積エネルギー密度が低く、エネルギー量が数ＭＪを超えるものは大規模になって困難である。近年の進歩したフィルムコンデンサは、残り寿命が静電容量の変化で予測できるが、充放電回数に限りがあるのは同じである。また、コンデンサの充電には高圧電源を必要とし、充電されている間、耐電圧上の問題が生じて、放電破壊する短絡・地絡事故が起こる可能性の時間が長く、待機時に人間の感電事故の可能性も大きくなる。
【０００４】
その他、パルス状の大電流を得るには電力用遮断器などの合成試験法として、短時間の交流大電流が必要で、試験方法として、従来から同期発電機を短絡させて短時間発生させる方法である短絡発電機法があった。所謂、短絡試験場であるが、同期発電機を回転させ交流電圧を発生させておき、出力開閉器を介して短絡電流を発生させる。ここでは発電機自身の回転モーメントに蓄積されたエネルギーと界磁のダンパー巻線が界磁磁束を維持する時間の短時間、数１０ｍＳから数１００ｍＳの間、大きな電流を取り出すことができるが、同期発電機を使う短絡発電機法は励磁の制御、投入位相の制御などで電流値が変わるなど制御装置などが大掛かりになるので、簡単なコンデンサ・バンク式直流パルス電源の代替えにはならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３５１７９号公報
【特許文献２】特開２０００−３５８３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、ここで想定する磁界コイルは、トカマク型核融合実験装置のトロイダル磁界コイルであるが、インダクタンス４４ｍＨ，直流抵抗０．１４Ω、電流は２．２６ｋＡである。その電力は数百ｋＷ程度で、通電時間は約０．５秒で、必要とする電力エネルギーは４００ｋＪである。これをコンデンサ・バンクに求めると設置面積は相当大きくなる。例えば、３．５ｋＶ−４６００ｕＦ−２８ｋＪのコンデンサは、大きさ約５００×３００×９５０ｍｍで、これを充電した電圧の７０％、エネルギーの半分を放出するとして２８台のコンデンサ約８００ｋＪが必要である。
【０００７】
ここでフライホイールに注目したい。フライホイールの回転モーメントに蓄えられているエネルギーは大きく、図４のタテ軸の汎用５５ｋＷ誘導電動機に軸直結の鋼鉄製のフライホイールでも定格１５００ｒｐｍのスピードで回転すると２２０ｋＪのエネルギー蓄積装置となる。
従来の短絡試験場の短絡発電機が同期発電機である。同期発電機の短絡試験の例のように、電圧を維持する時間がダンパー巻線の時定数Ｔｄ’’であって、磁界電流維持の時定数は短時間であって、１００ｍＳ以下で界磁磁束が減衰する、すなわち短いパルス運転でしか、大電力を得られない。
【０００８】
誘導電動機は、進相電流を供給すれば自己励磁現象で誘導発電機になることは知られている。特許文献１ではフライホイールを結合した誘導電動機を使って停電時のバックアップを行っている。この特許文献１では、誘導機は同期速度付近で空転しており、回転数の低下に応じて、バックアップ電力の周波数が低下する。そこは問題で、電圧が維持されれば短時間の停電、瞬低には問題ないとしているが、周波数の低下対策には大きなフライホイールを用意する必要がある。
【０００９】
本発明は、磁界発生装置の電源として、短寿命の、高電圧で、短絡事故の危険のあるコンデンサ・バンクに代わって、安全で長寿命な直流パルス大電力を小型な装置で提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、フライホイールをつけた誘導電動機を高速回転させてコンデンサによる進相電流で自己励磁させ、併せて出力電圧を制御し、その交流電力をダイオード整流器などで直流に変換して直流パルス電源装置とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の直流パルス電源装置は、フライホイールの回転でエネルギーを蓄積するので感電の心配が無く、長寿命、小形で、汎用の誘導電動機が使えるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】フライホイール付き誘導機を用いた直流パルス電源装置の回路を示した説明図である。（実施例１）
【図２】フライホイール付き誘導機を２台並列接続し、通電時、直流電圧を変化するタップ付き変圧器を用いた直流パルス電源装置の回路を示した説明図である。（実施例２）
【図３】５５ｋＷのフライホイール付き誘導電動機による自励現象の実験結果である。直流電流（Ａ）と電圧出力（Ｖ）の波形、さらに直流電力出力波形（ｋＷ）。（１）は全体波形である。（２）はその時間方向の拡大波形を示したものである。
【図４】２２０ｋＪ−１５００ｒｐｍのフライホイール付き５５ｋＷ誘導電動機の外観を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係るフライホイール誘導機による直流パルス電源装置は、核融合実験装置の磁界発生装置をパルス駆動する従来のコンデンサ・バンクをエネルギー源とした電源の代わりとなるものである。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の実施例１の回路図であって、参照符号３で示すのは誘導電動機１の駆動用のインバータであり、インバータ３は配電系などからの直流電力を得て、誘導電動機１を始動から最高速度まで駆動し、そこで待機する。パルス出力の後、フライホイール２を再加速するに、数分から１０分程度を想定しているので、配電系からの受電電力はわずかの増分である。インバータ３のモーター制御は回転スピード制御、定電力制御、出力電圧制御をする制御装置（不図示）で行うが、加速終了後、インバータ３を電圧維持のために進相電力を供給するSVC（Static Var Compensator）動作をさせるのが好ましいが、簡単には、加速終了時、図示はしていないがインバータ３の出力を交流開閉器７で３相とも遮断してから発電することでも可能である。同様に図示はしていないが回転スピード、電圧・電流などシステム全体を制御監視する制御装置が必要である。
【００１５】
フライホイール２は、ここでは鋼鉄製のフライホイールを大気圧中で回転させるが、空転損は多少大きくても、実験装置の電源は運転時間が短いので問題ない。特許文献２によれば、大気圧ヘリウム中で空転損は３分の１になるので、運転時間が長時間に及ぶ場合は、この技術を採用するべきである。高速で回転するフライホイール２は高真空容器９の中で運転されるが、真空を維持する真空ポンプ（不図示）の電力が必要で、ヘリウム大気圧中で発電機の同期速度付近で回転する鋼鉄製フライホイールの運転電力は少ない。（請求項３）
図１の参照符号１で示すのは汎用の誘導電動機で、本発明では、発電機を高価な同期発電機ではなく１ｋＷから１０００ｋＷ程度まで一般に市販されている「かご型誘導電動機」を発電機として採用する。誘導電動機１は進相コンデンサ４を並列に接続すれば自励現象で誘導発電機になる。誘導発電機としての効率は同容量の同期発電機より２％程度良いと言う報告もある。
【００１６】
進相コンデンサ４の容量は発電出力や周波数によって決定することが必要で、固定の進相コンデンサであって、多少大きすぎても誘導機の励磁の飽和現象で安定するので、繰り返し同じ条件で実験運転をするトカマク型核融合実験装置のトロイダル磁界コイルの電源としては十分である。
【００１７】
誘導電動機１で発電した交流電力は、ダイオード整流器５で直流に変換して負荷６である磁界コイルに給電する。ダイオード整流器５は０．５秒程度の短時間通電であるので冷却装置が不要なのでコンパクトなものになる。
【実施例２】
【００１８】
実施例２は、さらに本発明の発展例であるが、図２に示すように、ダイオード整流器５の前に交流電圧を変える変圧器８があって、負荷に合わせて電圧を変えるなどして、そのタップチェンジを高速切り替え開閉器７で行っているので、通電中直流出力電圧の制御も可能になる。トロイダル磁界コイルは時定数が０．５秒近くあるので、この程度の数１０ｍＳの制御でコイル電流の一定制御、フラットトップが十分可能である。
【００１９】
また誘導機はすべり周波数に比例して出力分担されるので、並列運転が可能で、図２では、誘導機１とフライホイール２が２台の並列接続を示しているが、電気的に複数台を並列接続するのみで、電力、エネルギーともに容量を増すことができる。さらに、図２ではフライホイール２と誘導機１の風損を低減し、冷却し、かつ電気的耐圧もある特許文献２に記載のフライホイール用のガス、即ち、ヘリウムに空気を混合した大気圧のガスに封じるための密閉容器９も図示している。
【００２０】
図３は、図４に示す２２０ｋＪ、１５００ｒｐｍのフライホイールを軸直結のタテ軸型の誘導電動機５５ｋＷによるパルス直流電力出力の実証実験の結果である。実験では無負荷時、進相コンデンサで自己励磁することで、直流電圧を出力することが可能であって、それを開閉器のオンでダイオード整流器を介して直流出力を発生して、時定数０．５秒程度で減衰する直流電流が出せることを示している。これは誘導電動機が定格の２倍以上の過渡的出力を出せることを示している。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
産業上では、磁界発生装置以外にパルス的直流大電流が多く使われている。例えば、放電加工機やスポット溶接では、パルス電流源にコンデンサの放電を使っている。また短時間のパルス動作を繰り返すインバータが、エネルギー源として電圧源コンデンサを使う場合、コンデンサの充放電は発熱があって寿命が短く、放電回数に制限が生じる。特に問題なのはコンデンサの寿命がしばしば、火災や爆発的事象で終わることである。ここにも本発明のフライホイール誘導機をエネルギー源にすれば、定格トルクの範囲内では繰り返し回数に制限は無いし、エネルギーをフライホイールで蓄積しているので、発電しなければ、感電事故や放電破壊事故は無いので安全である。
【符号の説明】
【００２２】
１   誘導機（かご型誘導電動機）
２   フライホイール
３   インバータ
４   進相コンデンサ
５   ダイオード整流器
６   磁界コイル
７   開閉器、または高速切替器
８   変圧器、またはタップ付き変圧器
９   密閉容器