大強度陽子加速器リニアック用 DTQ 電源の高調波抑制
堀利彦 1,A）、伊藤崇 A)、千代悦司 A)、泉敬介 A)、山崎正義 A)、
渡辺和彦 A)、高崎栄一 B)、長谷川和男 A)、吉川博 A)
A)

日本原子力研究所 大強度陽子加速器施設開発センター〒319-1195B)茨城県那珂郡東海村白方白根 2-4

高エネルギー加速器研究機構〒305-0801

茨城県つくば市大穂 1-1

概要
大強度陽子加速器ﾘﾆｱｯｸ用の DTQ 電源を実機で円滑に運用するためには、入力 AC ﾗｲﾝに流出する高調波電流を技術指針上限値以下に抑制することが必須である。そこで、電源回路定数の解析を行なった結果、電源単体での抑制策では第 5,7 次高調波成分を上限値以下には抑制できないことが判明したため、多相化給電ﾄﾗﾝｽを含む電気設備系統の再検討を行なった。結果、2 台の給電ﾄﾗﾝｽの運用時電力容量をﾊﾞﾗﾝｽさせる送電系統を構築することにより効率的、安価に第 5,7 次高調波電流を抑制できる検討結果が得られた。

形状を有するため、各々の負荷ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ値は異なっている。図１に電源の負荷ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ値別の出力電流値（実機での設計値）を示すが、負荷ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ値は1:1 構成時が 30~48μH、1:2 構成時が 48〜105μH となっており、これに加えて出力電流値も 530〜850Ａまで離散的に分布している。これらの異なった仕様に対応できるよう電源は 2 機種準備され、1:1 構成時のものが A ﾀｲﾌﾟ(IDX 製)、1:2 構成時のものが B ﾀｲﾌﾟ(NICHICON 製)である。次に、代表的な出力電流、電圧波形として B ﾀｲﾌﾟ電源を電流：760A、負荷ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ値：54μH、ﾊﾟﾙｽ繰り返し：50pps で動作した時に900
A-type P/S
B-type P/S
A and B P/S

850

１．はじめに大強度陽子加速器ﾘﾆｱｯｸの 324MHz ｱﾙﾊﾞﾚ型加速空洞(DTL)のﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞ(DT)用収束電磁石には最大出力電流：1000A、最小ﾊﾟﾙｽﾌﾗｯﾄﾄｯﾌﾟ幅：2ms の定電流ﾊﾟﾙｽ電源が使用される。この電源は既に全数製作され所定の出力性能を確保しているが、この電源を実機で円滑に運用するためには、入力 AC ﾗｲﾝに流出する高調波電流を技術指針上限値以下に抑制することが必須である。今回、この電源から発生する高調波電流の測定並びに、高調波抑制のための検討と解析を行ない、第 5,7 次高調波成分に関しては多相化ﾄﾗﾝｽ方式と電力ﾊﾞﾗﾝｽを考慮した電力送電方式を採用することで目標値以下に高調波電流を抑制することが可能な検討結果を得た。本稿ではこれらの検討時に得られた解析結果と系統構成などの報告を行なう。

80075070065060055050020406080100120

Load Inductance( uH )図１．DTQ 電源の負荷ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ別設計電流値

２．DTQ
電磁石用パルス電源
２．
DTL ﾀﾝｸは 3 台設置されるが、ﾄﾞﾘﾌﾄﾁｭｰﾌﾞ用 Q 磁石(DTQ)は DTL1 に 77 台、DTL2 に 44 台、DTL3 に28 台、全数：149 台で構成される。設計当初は DTQと電源との構成比は全て 1:1 であったが、建屋ｽﾍﾟｰｽやｺｽﾄの関係でﾋﾞｰﾑｺﾐｯｼｮﾆﾝｸﾞ時には 94 台で運用する予定である。なを将来の拡張性を考慮し、DTQ 電源室の電気容量や分電盤仕様は電源が 124 台使用された場合でも運用できるよう設計した。次に、94 台の電源と DTQ 負荷との構成比の内訳は 1:1 が 39 台、1:2が 55 台であるが、DTQ 磁石が異なった 6 ﾀｲﾌﾟの断面
図２．代表的な DTQ 電源の出力電流、電圧波形得られた波形を図２示す。ﾊﾟﾙｽ立上り時間は 5~8msまで 1ms ｽﾃｯﾌﾟ毎に変化できること、並びにﾌﾗｯﾄﾄｯﾌﾟの安定度、再現性及びﾘｯﾌﾟﾙが 0.1%以下の時間領域が2ms 以上などの出力性能を有している。

３．高調波電流と高調波抑制対策技術指針
図３に代表的な AC440V ﾗｲﾝ電流、電圧波形としてB ﾀｲﾌﾟ電源を 1000A 出力で動作した時に得られた U相波形を示す。なを、測定器には 3 相結線の各相電圧、電流と高調波測定が同時に可能な「Power QualityAnalyzer」を使用した。図３の電流波形を次数別高調波電流値と技術指針の上限値とで比較したものを図４に示す。技術指針とは高調波対策基準の一つで「契約電力 1kW 当りの高調波流出電流上限値」を示しているが、今回の 440V 系ﾗｲﾝに対しては直接制約する値の明記はないため、上限値は契約電力を電源の皮相電力：9kVA と読み替え、6.6kV ﾗｲﾝの次数別高調波流出電流上限値から換算して求めた。この図から 5次高調波で 1/7、7 次高調波以上の次数別高調波で 1/5程度まで現状の流出電流を抑制しなければならない。

上式の Z input を大きくするためには、負荷ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝ
ｽと直列となるｒもしくは R を大きくするか、C を小さくする 2 通りしかない。ここで、C を小さくすることは現実的では無いため、電源外部に追加でき電力損失にもならない L を大きくする方式が最良である。そこで、AC ﾗｲﾝに直列にﾘｱｸﾀﾝｽ（ﾗｲﾝﾁｮｰｸ）を挿入し、この数値を変化し次数別の高調波抑制効果を解析したが、第 5,7 次高調波に対してはほとんど効果が無く、それ以上の次数の高調波についてのみ効果のあることが判明した。

3.5
14.6%

Pulse Repetition Rate : 50pps
Output Current : 1000A

図５．解析に使用した電源等価回路

32.5

４.２多相化給電ﾄﾗﾝｽでの抑制

U Phase Current(A)Guide-Line Value(A)
2

1.5
25%
21.1%
126.7%

22.8%
26.7% 24.4%

0.528.6%

057111317192325Harmonic Order

図４．代表的な高調波電流値と技術指針上限値

４．高調波抑制対策

４.１電源単体での抑制
電源の高調波成分は電源入力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽに大きく依存し、これを抑制するためには入力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽを十分に大きくする必要がある。図５に解析に使用した電源の等価回路を示すが、入力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽは次式で求められる。
Z input = Re + j Im
ただし、Re = r + R / (ωCR)2
Im = ωL − 1/ωC
r = R1 + R2 + R3
L = L4,
C = C1

以上の考察より、第 5,7 次高調波電流に関しては電源単体での抑制は困難なため、送電系統を含む電力系統の見直しを行なったところ、電源電力供給側の6600/440V ﾄﾗﾝｽの多相化に着目した。この方式は 60度の位相差をもつ 3 相給電ﾄﾗﾝｽを DTQ 電源の上流側に設置し、440V ﾗｲﾝで発生している高調波を 6600V側で合成し、第 5,7 次成分を打ち消すものである。ただし、第 5,7 次高調波成分を理想的にｷｬﾝｾﾙするためには、2 台の給電ﾄﾗﾝｽの電力容量（総数の DTQ 電源が運用値で稼動されている時の）を可能な限り等しくするような送電系統を構築することが非常に重要であり今回、これらを考慮した分電盤台数や個別分電盤の電気容量などを含む電気設備送電系統の検討を行なった。

５．実機 DTQ 電源室の送電系統構成
図６に検討を行なった結果得られた DTQ 電源室と設備送電系統を含む電力系統図を示す。DTQ 電源室には加速器ﾄﾝﾈﾙの DTL 空洞 1,2,3 がﾋﾞｰﾑ進行方向（図中の左から右へ）に順次設置されるに対応して、1分電盤当り基本台数：24 台の電源を 6 ｸﾞﾙｰﾌﾟ化し配置する。先述したが、分電盤台数や分電盤容量は DTQ電源を 124 台使用する場合に最適化したものである
ため、当初の 94 台使用時には#2 分電盤を異なった多相化ﾄﾗﾝｽから供給することで 2 台の運用時ﾄﾗﾝｽ容量ﾊﾞﾗﾝｽ比を向上した。図６系統構成での 2 台の多相ﾄﾗ

ﾝｽ電力容量のｱﾝﾊﾞﾗﾝｽ比は 1.4%、U,V,W 各相のｱﾝﾊﾞﾗﾝｽ比は 2.3%、5%、2.8%と求められ、この程度のｱﾝﾊﾞﾗﾝｽ比であれば第 5,7 次高調波成分を技術指針上限値以下に抑制することが可能であるとの結果が得られた。

６．まとめと今後実機で採用される 2 機種の DTQ 電源の入力 AC ﾗｲﾝに流出する高調波電流を測定したところ、高調波抑制対策技術指針の上限値を大幅に上回る高調波電流が観測された。これを安価で効率良く抑制するために、第 5、7 次高調波成分を 6600V ﾗｲﾝでｷｬﾝｾﾙする多相化ﾄﾗﾝｽ方式と 2 台の多相化ﾄﾗﾝｽの運用時電力量をほぼ等しくする系統を構成することで、技術指針上限値を満足する結果を得た。しかし、第 11、13 次の高調波成分に関してはﾗｲﾝﾌｨﾙﾀなどを挿入する新たな抑制策を講じなければならず、今後も継続して検討を行う予定である。

参考文献
K. Yoshino et al., The 324MHz-DTL Focusing Magnets for
the KEK/JAERI Joint Project , Proceedings of The 25th Linear
Accelerator Meeting in Japan( 2000 ), pp273-275

Output Current : 1000A

1000

20Current
500V oltage

1000-10-500-20-1000

01020304050Tim e( m s )607080

図３．代表的な AC440V ライン電圧、電流波形（B タイプ電源、パルス繰返し：50pps）

図６．DTQ 電源室を含む多相化トランス方式での電気設備給電系統図