(57)【要約】【課題】パルス磁界発生装置で外部電源からの受電電力を一定電力にする。【解決手段】磁気エネルギー蓄積コイルの電流を低速チョッパーで電圧源コンデンサの電圧を一定になるように制御し、その電圧源から高速チョッパーで磁界発生コイルのパルス電流を高精度に制御する磁気エネルギー蓄積手段を持つ高繰り返し磁界発生装置において、中間の電圧源コンデンサの電圧が一定になるように制御されるので、電圧源コンデンサに外部電源からの受電する変圧器とダイオード整流器などの受動回路からなる直流電源を並列接続するのみで受電電力の平準化が実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気エネルギーをエネルギー貯蔵源として駆動されるパルス磁界発生装置において、外部電源からの電力受電方法として、電流制御用チョッパーの電圧源コンデンサに、外部電源から変圧器とダイオード整流器からなる直流電源を並列に接続して運転に必要な電力を脈動すくなく補充することを特徴とするパルス磁界発生電源。
【請求項２】
磁気エネルギーをエネルギー貯蔵源として駆動されるパルス磁界発生装置において、磁界発生用コイルの電流制御用には高速オンオフのチョッパー回路で高精度で制御するが、磁気エネルギー蓄積コイルでは低速オンオフのチョッパー回路で電圧源コンデンサの電圧制御を行うことを特徴とするパルス磁界発生電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界発生電源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁界発生装置には磁気エネルギーが蓄積されており、パルス磁界発生電源は、パルス磁界の発生停止毎に磁気エネルギーの充電・放電が行われる。パルス磁界発生電源は磁界発生装置に電流が流れるに伴うジュール損と磁気エネルギーを併せて供給する必要がある。装置が大型になると，この磁気エネルギーも大きくなり、パルスレートが大きくなると，蓄積されたエネルギーを放電する際，そのエネルギーを蓄積しておき、再度運転する際に再利用することが理想的である。近年の大型の磁界発生装置はコイル電流密度が大きく取れかつ電気抵抗がゼロであることから超電導導体が採用されている。ジュール損に対して磁気エネルギーが大きくなり、磁気エネルギーを毎回捨てては電力料金の点から効率的ではない。また、回生することが可能な電源であっても、電力系統にエネルギーを返すには制約があるので困難である。それには、パルス磁界発生電源はエネルギー蓄積手段を持つことが理想的である。エネルギー蓄積手段には、キャパシター，フライホイール、磁気エネルギー蓄積（SMES：Superconductive Magnetic Energy Storage）コイルなどがある。
【０００３】
SMESコイルをエネルギー蓄積手段とするには図１に示す２つのチョッパー回路を電圧源コンデンサを挟んで電流・電圧変換する回路が提案されている。１の低速チョッパー回路を用いて電流を中間電圧源コンデンサに充電し，SMESの電流を決められた電圧源コンデンサの電圧に維持するようにオンオフ制御する。そのコンデンサの電圧を第2の高速チョッパー回路で磁界発生装置に電流を流すがその際，磁界発生装置の必要な精度の電流制御を行うことが要求されるので電圧源の電圧は一定であって欲しい。
このダブルのチョッパー回路では、運転により磁界発生装置のジュール損やチョッパー回路内部の損失で全システムのエネルギーが減少する。その減少するエネルギー分のみを外部電源（多くに場合商用電源）から供給する必要がある。外部電源からのエネルギーの補充方法に関して、一般的には、先の出願でも採用しているが、SMESコイルに直列に電圧源を挿入し、エネルギーを補充する方式がある。図１の低速チョッパー回路に直列に接続された補充電圧源が外部電源から損失分を補充する。
【０００４】
外部電源からの受電は、パルス運転に因らず一定電力を受電し電力ピークがないことが好ましいが、そのためには電流がパルス運転に応じて変化するなかで電圧を発生するので電力一定にするには高度な制御が必要である。電源容量は損失分のみであるから
【０００５】
特許文献の図５にあるように磁界コイルに直列に入れた外部電源の電力一定制御には電流センサ、電圧センサ、演算制御装置とともに可変電圧電流の直流電源が必要である。磁界発生装置の電流制御用の高速高精度チョッパー回路、SMESコイルの電流を電圧源コンデンサの必要電流にするための比較的低速なチョッパー回路、損失分を補充するため外部電源から直流電圧をSMESコイルに注入する回路の３種が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】「パルス電源装置」特許4382665号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、SMESコイルのエネルギー蓄積装置とするパルス磁界発生用電源は３種類の制御を同時に行う電源を必要とするがこれは複雑である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、SMESコイルのチョッパー回路の電圧制御能力によって、電圧源コンデンサの電圧を制御すれば、外部電源からの注入電力一定も併せて制御することが可能にするシステムである。外部電源からはダイオード整流器のみを並列に電圧源コンデンサに接続するのみで、受電電力一定制御を合理化できることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のパルス磁界発生電源は、SMESコイルと２種類のチョッパー回路のみの制御を行う電源で可能になり、電流×電圧＝電力の演算制御を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１はパルス磁界発生用電源の実施方法を示した説明図である。
【図２】図２は実施例のシミュレーション回路である。
【図３】図３は実施例のシミュレーション計算結果である。
【実施例】
【００１１】
SMESコイルは磁界発生コイルと同じインダクタンスLsmであると想定しているが運転に必要なエネルギーは十分に蓄えられていると想定している。
【００１２】
図１は、本発明装置の１実施例の回路図であって、１の高速チョッパーはS1ゲート制御でオンオフされ、２の低速チョッパーはS2ゲート制御でオンオフされる。３の電圧源コンデンサC１１は、高速チョッパーの電圧源として安定な電圧を維持するだけの容量が必要でここでは２５ｍFである。４のダイオード電源は外部電源から電圧源コンデンサに電流を送るが電流の大きさは電圧源コンデンサの電圧が変化しなければ一定である。
【００１３】
電圧センサは電圧源コンデンサの電圧を検出しており、S2ゲート制御の制御によってコンデンサの電圧を上昇させるときはオフ、下げるときはオンする。ここでは電圧指令に対してΔの電圧幅でオン、オフ指令を出力するヒステリシス制御を想定したが、それ以外の電圧制御方法で実施可能なので、電子、制御系の説明は省略する。
【００１４】
電流センサは磁界発生装置の電流を検出して、S1ゲート制御の制御によって電流を上昇させるときはオン、下げるときはオフする。ここでは電流指令に対して許容偏差の幅でオン、オフ指令を出力するヒステリシス制御を想定したが、それ以外の電流制御方法で実施可能なので、電子、制御系の説明は省略する。
【００１５】
外部電源からの入力は交流電力の単純な整流出力を電圧源コンデンサに並列に接続している。交流の流入電力は、交流側の変圧器も含む直列リアクタンスと、電圧源コンデンサの電圧によって決まるのでコンデンサの電圧が一定であれば、入力電力も一定になることが特徴である。電力の大きさは変圧器の２次電圧タップなど交流側の電圧を選択しておけばよい。
【００１６】
高エネルギー粒子加速器の高繰り返し運転時の磁界発生装置ではその磁気エネルギーが数MJ程度で核融合実験装置JT-60のトロイダル磁場コイルのように数GJほど大きくはないが数秒間隔で励磁、消磁を繰り返すので電力のピークは数MWにもなり、大きい。これはこのパルス磁界発生電源では、エネルギー蓄積手段としてSMESコイルを計画している。
【００１７】
図１の回路を適用する場合をシミュレーションで説明する。加速器では粒子の加速に伴って磁界強度を同期して上昇させる。粒子の速度が規定値に達すれば粒子を吐き出し、つぎの加速の準備のために磁界を元の値に消磁する。磁界コイルは同期しての電流上昇と次回の準備のために電流減少、これを繰り返す。
【００１８】
図２にシミュレーション回路の条件を示す。その１例としてシンクロトロン粒子加速器のMR(メインリング)磁界発生装置６台で構成されるがその１台の電力を概算してみる。インダクタンスL２＝１．６［H］で電気抵抗はR=０．７Ωである。電流最大値は１．６ｋAである。立ち上げ時間は簡単のために１秒を想定した場合、磁気エネルギーは２MJである。この電源のピーク電圧は磁界電流立ち上げ終了の直前で電圧はVmax=R×I＋LｄI/ｄｔ、であるから、Vmax=１１２０＋１．６×１６００＝３６８０V＝３．６ｋVである。このときの電力はPmax=３．６ｋV×１．６ｋA=５．７６MWである。この電力を系統電力系から直接受電するのは無理がある。
そこでSMESコイルをエネルギー蓄積装置としたことで電力ピークは平準化されるとさらに繰り返しスピードを速くすることができる。
【００１９】
図３に実施例のシミュレーション計算結果を示す。磁界発生コイル電流は直性的に上昇する電流参照値Vrfに従って電流制御用チョッパー回路で追従、上昇させる。電圧源コンデンサは、低速チョッパーの制御のより６ｋVに保たれる。よって外部電力は一定である。
上段のグラフはIcoil:磁界発生コイルの電流、I（Lsm）:超電導コイルの電流、Vrf:コイル電流目標値をしめしている。
中段のグラフはVc:電圧源コンデンサの電圧（６ｋVに制御されている）、Vcoil:コイル印加電圧（激しく上下している）
下段のグラフはW1:外部電源からの電力（１MW以下の一定値）、W3:高速チョッパーからの出力電力、最大値は７．５MW、マイナスは７MW程度になる。
【００２０】
パルス磁界発生装置の代表である加速器において、数MWのプラス、マイナスの電力変動が磁気エネルギー蓄積装置を併設し、そのチョッパー電源の電圧源コンデンサへ、給電することで一定電力の受電で連続運転することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
パルス運転される磁界発生装置において、外部電源から一定の電力を受電するために高度な電力一定制御を行わずにダイオード整流器と変圧器のタップ切り換えで実現でき、フリッカ、高調波、力率の変化の問題なくパルス運転の高速繰り返しが可能になる。本方式によれば、医療用粒子加速器などのパルス磁界応用装置の運転電力ピークと電力料金を削減し、電力環境への擾乱を無くすることができる。
【符号の説明】
【００２２】
１  高速チョッパー
２  低速チョッパー
３  電圧源コンデンサC
４  ダイオード電源
５  ゲート制御装置
【図１】
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【図３】
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【図２】
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