(57)【要約】【課題】超伝導コイルにおいてクエンチが発生した場合、超伝導コイルに蓄積されたエネルギを急速に回収しその超伝導コイルを保護する。【解決手段】電力変換システム１００は、その一端を交流電源３００に接続し交流から直流への変換および直流から交流への変換を実行可能な自励式交流直流変換部１１０と、自励式交流直流変換部１１０の他端に接続される直流コンデンサ１４と、２象限チョッパ部１２０と、を備える。電力変換システム１００は、２象限チョッパ部１２０を介してエネルギを授受する超伝導コイル２００のクエンチをクエンチ検出部１６ｃが検出した場合、２象限チョッパ部１２０を停止し、交流直流変換部１１０によって超伝導コイル２００の電圧が所定値を超えないように制御し、超伝導コイル２００のエネルギを交流電源３００に回生する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端を交流系統に接続し交流から直流への変換および直流から交流への変換を実行可能な交流直流変換部と、前記交流直流変換部の他端に並列接続される直流コンデンサと、２象限チョッパ部と、を備える電力変換システムであって、
前記２象限チョッパ部を介してエネルギを授受する超伝導コイルのクエンチをクエンチ検出部が検出した場合、前記２象限チョッパ部を停止し、前記交流直流変換部によって前記超伝導コイルの電圧が所定値を超えないように制御し、前記超伝導コイルのエネルギを前記交流系統に回生する
ことを特徴とする電力変換システム。
【請求項２】
前記超伝導コイルのエネルギを吸収する電力吸収部を前記交流直流変換部の他端にさらに接続し、
前記電力吸収部で吸収する前記超伝導コイルのエネルギ量を制御することによって前記超伝導コイルの電圧が所定値を超えないようにする
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
【請求項３】
前記交流直流変換部が過負荷によって動作を停止した場合、前記電力吸収部によって、前記超伝導コイルのエネルギを吸収することを特徴とする請求項２に記載の電力変換システム。
【請求項４】
前記交流系統の異常によって前記交流直流変換部の動作が停止した場合、前記電力吸収部によって、前記超伝導コイルのエネルギを吸収することを特徴とする請求項２に記載の電力変換システム。
【請求項５】
前記電力吸収部は、スイッチと抵抗素子とを直列に接続して構成される
ことを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の電力変換システム。
【請求項６】
前記超伝導コイルは、粒子を加速する加速器として用いられる
ことを特徴する請求項１に記載の電力変換システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の電力変換システムにより作動されることを特徴とする超伝導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導コイルにおいて、クエンチ発生時にその超伝導コイルを保護する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
シンクロトロン加速器は、ビーム（粒子）を周回運動させながら加速する役割を果たしている。そして、その加速器は、ビームを一定の軌道で周回運動させるために、多数の電磁石により構成され、ビームを集光、偏向して軌道を確保している。その際、電磁石は、電力変換システムによって予め決められた周期で励磁され、ビームを偏向させるために大きな電力が供給される。この電磁石用にしばしば超伝導コイルが用いられる。
【０００３】
超伝導コイルでは、超伝導が常伝導に切り替わるクエンチという現象が問題となる。クエンチが発生した場合、超伝導状態時に流れていた電流に対して抵抗成分が増大し、大量の熱が発生する。そして、その熱によってさらにクエンチの範囲（常伝導の範囲）が拡大し、ますます大量の熱が発生する。そのため、超伝導コイルにクエンチが発生した場合には、電流を速やかに減少させ、超伝導コイルを過電圧と過熱から保護する必要がある。
【０００４】
下記に示す特許文献１には、超伝導コイルのクエンチを検出するためのクエンチ検出装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１１８４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超伝導コイルにおいてクエンチが発生した場合、クエンチ検出装置によって検出し、電流を速やかに遮断することが必要である。しかし、電流を遮断すると、超伝導コイルは電流を流し続けようとするため、そのエネルギを消費させることによって、超伝導コイルを保護しなければならないという問題がある。
そこで、本発明では、超伝導コイルにおいてクエンチが発生した場合、超伝導コイルに蓄積されたエネルギを急速に回収しその超伝導コイルを保護する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明の電力変換システムは、一端を交流系統に接続し交流から直流への変換および直流から交流への変換を実行可能な交流直流変換部と、前記交流直流変換部の他端に並列接続される直流コンデンサと、２象限チョッパ部と、を備え、前記２象限チョッパ部を介してエネルギを授受する超伝導コイルのクエンチをクエンチ検出部が検出した場合、前記２象限チョッパ部を停止し、前記交流直流変換部によって前記超伝導コイルの電圧が所定値を超えないように制御し、前記超伝導コイルのエネルギを前記交流系統に回生する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、超伝導コイルにおいてクエンチが発生した場合、超伝導コイルに蓄積されたエネルギを急速に回収しその超伝導コイルを保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】シンクロトロンの構成例を示す図である。
【図２】第１実施形態における電力変換システムの構成例を示す図である。
【図３】第２，第３実施形態における電力変換システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明を実施するための形態（以降、「本実施形態」と称す。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
超伝導コイルを備えたシンクロトロンの構成例について、図１を用いて説明する。
イオン源３１で発生させたビームは、線形加速器３２で加速され、入射装置３３を介して円形軌道に取り込まれる。円形軌道では、ビームは、偏向電磁石３４で偏向されて周回運動をするようになり、高周波加速空洞３５で加速され、四極電磁石３６で絞り込まれて、出射装置３７から取り出される。なお、入射装置３３、偏向電磁石３４、出射装置３７等の主要部分は図２，３に示す超伝導コイル２００であり、電気的にはインダクタンス成分を持った負荷となる。
【００１２】
（第１実施形態）
ここで、第１実施形態として、超伝導コイルと、この超伝導コイルを励磁する電力変換システムの構成例について、図２を用いて説明する。
電力変換システム１００は、少なくとも、自励式交流直流変換部１１０、直流コンデンサ１４、２象限チョッパ部１２０、フィルタ１３０、および制御部１６０を備える。
【００１３】
電力変換システム１００は、交流電源３００から出力される交流電力を交流リアクトル１４０を介して自励式交流直流変換部１１０の一端に入力し、直流電力に変換して自励式交流直流変換部１１０の他端から出力する。自励式交流直流変換部１１０の他端（直流出力側）には、直流コンデンサ１４および２象限チョッパ部１２０が並列接続される。２象限チョッパ部１２０は、電流量を制御し、フィルタ１３０を介して超伝導コイル２００を励磁する。なお、２象限チョッパ部１２０の詳細については後記する。
【００１４】
自励式交流直流変換部１１０は、一端を交流電源３００に接続し交流から直流への変換および直流から交流への変換を実行可能な機能を有する。自励式交流直流変換部１１０は、例えば、６アーム構成のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子で構成することができる。各ＩＧＢＴ素子１１ａ〜１１ｆがそれぞれのアームを構成している。また、各ＩＧＢＴ素子１１ａ〜１１ｆの制御電極であるゲートには、交流直流変換部用制御部１６ａからＰＷＭ（pulse width modulation）変調したゲート駆動信号が入力される。各ＩＧＢＴ素子１１ａ〜１１ｆは、ゲート駆動信号に基づいてスイッチングされ、交流電力を直流電力または直流電力を交流電力に変換する機能を有する。なお、図２に示すＩＧＢＴ素子には、逆並列にダイオード素子が接続されているが、本明細書では、逆並列ダイオード素子を接続したものをＩＧＢＴ素子と称す。
【００１５】
直流コンデンサ１４は、自励式交流直流変換部１１０の他端から出力される直流電力を平滑化したり、超伝導コイル２００の放出したエネルギを蓄積したりする機能を有する。
【００１６】
２象限チョッパ部１２０は、２つのＩＧＢＴ素子と２つのダイオード素子とで構成した場合で説明する。一相目は、ＩＧＢＴ素子１２ａとダイオード素子１２ｂとを直列に接続し、ＩＧＢＴ素子１２ａとダイオード素子１２ｂとの間に出力を設ける。二相目は、ダイオード素子１２ｃとＩＧＢＴ素子１２ｄとを直列に接続し、ダイオード素子１２ｃとＩＧＢＴ素子１２ｄとの間に出力を設ける。各ＩＧＢＴ素子１２ａ，１２ｄの制御電極であるゲートには、２象限チョッパ用制御部１６ｂからＰＷＭ変調したゲート駆動信号が入力される。２象限チョッパ部１２０は、各ＩＧＢＴ素子１２ａ，１２ｄはゲート駆動信号に基づいてスイッチングすることにより、電流量を制御して超伝導コイル２００を励磁する機能を有する。
【００１７】
フィルタ１３０は、リアクトル１３ａ，１３ｂおよびコンデンサ１３ｃとで構成され、２象限チョッパ部１２０の出力側と超伝導コイル２００との間に接続され、２象限チョッパ部１２０が発生する特定の周波数成分が超伝導コイル２００に印加されるのを抑制する機能を有する。
交流リアクトル１４０は、高調波電流を抑制する機能を有する。
交流電流検出部１５０は、交流電源側の電流値を測定する。
電圧検出部１５１は、直流コンデンサ１４の電圧値を測定する。
直流電流検出部１５２は、超伝導コイル２００に流れる電流値を測定する。
【００１８】
制御部１６０は、交流直流変換部用制御部１６ａ、２象限チョッパ用制御部１６ｂを有する。交流直流変換部用制御部１６ａは、交流電流検出部１５０の測定値や電圧検出部１５１の測定値を取得して、取得した測定値に基づいて、交流を直流に変換したり、直流を交流に変換して交流電源３００に回生したりする制御機能を有する。２象限チョッパ用制御部１６ｂは、直流電流検出部１５２の測定値およびクエンチ検出部１６ｃの出力信号に基づいて、２象限チョッパ部１２０の各ＩＧＢＴ素子１２ａ，１２ｄのスイッチングを制御する機能を有する。
【００１９】
超伝導コイル２００は、電力変換システム１００によって励磁される。
また、クエンチ検出部１６ｃは、超伝導コイル２００におけるクエンチの発生を検出し、クエンチを検出した場合には検出したことを示す検出信号を出力する機能を有する。
【００２０】
次に、超伝導コイル２００においてクエンチが発生した場合、超伝導コイル２００を保護する動作について、以下に説明する。
超伝導コイル２００にクエンチが発生した場合、クエンチによって発生する抵抗成分Ｒと電流ｉの２乗との積で表されるエネルギが熱として発生する。そのため、電流ｉを、できるだけ急速に下げる必要がある。しかし、電流ｉを変化させると、超伝導コイル２００の両端の電圧は、そのインダクタンスＬを用いて表すと、Ｌ×ｄｉ／ｄｔとなる。そこで、電力変換システム１００は、超伝導コイル２００が破損しない程度にできるだけ高い電圧を維持して、電流ｉを変化させるように制御を実行する。
【００２１】
まず、超伝導コイル２００においてクエンチが発生した場合、クエンチ検出部１６ｃから２象限チョッパ用制御部１６ｂへ検出信号が送信される。２象限チョッパ用制御部１６ｂは、検出信号を受信して、各ＩＧＢＴ素子１２ａ，１２ｄのスイッチングをオフの状態で停止する。超伝導コイル２００に流れていた電流ｉは、２象限チョッパ部１２０のダイオード素子１２ｂ，１２ｃを通過して、直流コンデンサ１４へ流れ込み、直流コンデンサ１４の電圧は上昇する。交流直流変換部用制御部１６ａは、電圧検出部１５１を介して、所定の周期で直流コンデンサ１４の電圧測定値を取得しており、その電圧測定値が予め設定された所定電圧から変動した場合、自励式交流直流変換部１１０の各ＩＧＢＴ素子１１ａ〜１１ｆをスイッチングさせ、直流電力を交流電力に変換する。すなわち、電力変換システム１００は、超伝導コイル２００のエネルギを交流電源３００側に回生することができる。
【００２２】
以上説明したように、第１実施形態における電力変換システム１００は、超伝導コイル２００にクエンチが発生した場合、超伝導コイル２００の電圧をできるだけ高く維持して、超伝導コイル２００に蓄積されたエネルギを自励式交流直流変換部１１０によって交流電源３００側へ回生することによって急速に回収し、その超伝導コイル２００を保護することができる。なお、第１実施形態のように電力を回生することは、保護抵抗で単にエネルギを消費する場合に比べて、エネルギの有効利用が図られるというメリットがある。また、第１実施形態は、保護抵抗で発生する熱を処理するための大規模な冷却装置を設ける必要がなく、設備コストの点からも効果がある。
【００２３】
（第２実施形態）
第２実施形態における電力変換システム１００の構成例について、図３を用いて説明する。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、直流コンデンサ１４と並列に超伝導コイル２００から放出されたエネルギを吸収する電力吸収部１７０と、電力吸収部１７０で吸収するエネルギ量を制御する電力吸収部用制御部１６ｄとを設けたことである。なお、第１実施形態と同じ箇所には同じ符号を付し、説明を省略する。また、電力変換システム１００は、超伝導コイル２００が破損しない程度にできるだけ高い電圧を維持して、電流ｉを変化させるように制御を実行する。
【００２４】
図３に示すように、電力吸収部１７０は、自励式交流直流変換部１１０の他端に、直流コンデンサ１４と並列に接続される。なお、電力吸収部１７０は、ＩＧＢＴ素子１７ａと抵抗素子１７ｂとを直列に接続して構成される。
【００２５】
交流直流変換部用制御部１６ａは、第１実施形態の場合と同様に、電圧検出部１５１を介して、所定の周期で直流コンデンサ１４の電圧測定値を取得する。交流直流変換部用制御部１６ａは、自励式交流直流変換部１１０が過負荷状態になり、交流電源３００に電力を回生できない場合、直流コンデンサ１４の電圧測定値を電圧値信号として電力吸収部用制御部１６ｄに送信する。電力吸収部用制御部１６ｄは、電圧測定値を取得して、直流コンデンサ１４の電圧が予め設定された所定電圧から変動した場合、電力吸収部１７０のＩＧＢＴ素子１７ａをスイッチングさせることによって、等価的に電力吸収部１７０の抵抗成分を変化させて、直流コンデンサ１４の電圧を所定値にできるだけ維持する制御、または直流コンデンサ１４の電圧が所定値を超えないようにする制御を実行する。つまり、抵抗素子１７ｂの値は、ＩＧＢＴ素子１７ａを流れる電流が大きくなり過ぎないようにするように、設定される。
【００２６】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態における電力変換システム１００の構成例について、図３を用いて説明する。なお、電力変換システム１００は、超伝導コイル２００が破損しない程度にできるだけ高い電圧を維持して、電流ｉを変化させるように制御を実行する。
【００２７】
第３実施形態では、交流直流変換部用制御部１６ａは、第２実施形態で説明した動作に加えて、所定の周期で交流電流検出部１５０の測定値を取得している。交流直流変換部用制御部１６ａは、交流電流検出部１５０の測定値に基づいて、交流電源１１０で異常が発生したことを検出する。そして、交流直流変換部用制御部１６ａは、電圧検出部１５１によって測定された直流コンデンサ１４の電圧測定値を電圧値信号として電力吸収部用制御部１６ｄに送信する。電力吸収部用制御部１６ｄは、電圧測定値を取得して、直流コンデンサ１４の電圧が予め設定された所定電圧から変動した場合、電力吸収部１７０のＩＧＢＴ素子１７ａをスイッチングさせることによって、等価的に電力吸収部１７０の抵抗成分を変化させて、直流コンデンサ１４の電圧を所定値にできるだけ維持する制御、または直流コンデンサ１４の電圧が所定値を超えないようにする制御を実行する。
【００２８】
以上説明したように、第２，第３実施形態における電力変換システム１００は、超伝導コイル２００にクエンチが発生した場合、電力吸収部１７０の抵抗成分を変化させて、直流コンデンサ１４の電圧を所定値に維持して超伝導コイル２００の電圧を高く維持する。そして、電力変換システム１００は、超伝導コイル２００に蓄積されたエネルギを電力吸収部１７０に吸収することによって、その超伝導コイル２００を保護することができる。
【００２９】
本実施形態では、自励式交流直流変換部１１０の場合で説明したが、他励式であっても構わない。また、図２，３に示す自励式交流直流変換部１１０の回路構成は、６アーム構成に限らなくともよい。また、自励式交流直流変換部１１０の回路は、ＩＧＢＴ素子以外の半導体スイッチング素子を用いても構わない。
【００３０】
また、本実施形態では、クエンチ検出部１６ｃが超伝導コイル２００におけるクエンチの発生を検出した場合について記載したが、クエンチ検出部１６ｃがクエンチの発生を予知した場合を含んでもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１１ａ〜１１ｆ，１２ａ，１２ｄ，１７ａ  ＩＧＢＴ素子
１２ｂ，１２ｃ  ダイオード素子
１３ａ，１３ｂ  フィルタ用リアクトル
１３ｃ  フィルタ用コンデンサ
１４    直流コンデンサ
１６ａ  交流直流変換部用制御部
１６ｂ  ２象限チョッパ用制御部
１６ｃ  クエンチ検出部
１６ｄ  電力吸収部用制御部
１７ｂ  抵抗素子
１００  電力変換システム
１１０  自励式交流直流変換部（交流直流変換部）
１２０  ２象限チョッパ部
１３０  フィルタ
１４０  交流リアクトル
１５０  交流電流検出部
１５１  電圧検出部
１５２  直流電流検出部
１７０  電力吸収部
２００  超伝導コイル
３００  交流電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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