大 強 度 ຨ 子 加 速 器 リ ニ ア ッ ク 用 DTQ஢ 源 の ‫ ݗ‬調 波 対 策
堀利彦1)、伊藤崇、山崎正義、千代悦司、ସૌ川和男
日本原子力研究所 大強度ຨ子加速器施০開発センター〒319-1195 茨城県జ珂郡東海村白方2-4

概要
DTQ஢源の‫ݗ‬調波஢流抑制対策として¬² ＋同調¡}®方式の০‫ڐ‬を行ない、ࠟ作機でその低減効果を実測したところ第11次調波以上の全ての‫ݗ‬次調波で良好な結果を得たが、第5,7次調波に関しては‫ݗ‬調波஢流が逆に増大する³ となった。次にこの原因を調査するため、‫ݗ‬調波¡}®の回路ӕ析を行った
結果、¬² と同調¡}®間で並列共振が生じており、特に第7次調波ではこの共振஢流値と増加஢流値とが一致していることがわかった。そこで、並列共振周波数を偶数時の300Hz‫ؼ‬傍にʻ¡ʼする´¬§を‫ڐ‬算で求め、実機¡}®評価機でこの低減効果を実測したところ、第5,7次調波஢流は各々14％,18％程度低減することを実証した。

１．はじめに総数131台のDTQ஢源を実機で運用する当り、஢源から০備側に流出する‫ݗ‬調波஢流を஢気০備技術指針上限値（³³¬²値）以下に抑制する‫ݗ‬調波対策を継続的に検討している。³³¬²値での‫ݗ‬調波
஢流対象次数は第5,7,11,13,17,19,23,25次であり、それ以上の次数については第25次஢流に換算するよう明記されている。
第5,7次調波対策については、これを஢源単体で対応するためには大がかりな改造を伴うため、等価12´®方式を採用する (1)。これは位相が30度異なった多層化¬²をDTQ஢源上流側（実機では6.6kV/440V¬²）に০置し、これの運用値容量³¬²をとることで‫ݗ‬調波஢流を相殺する方式で5,7次と同相となる第17,19次調波も同時に低減される。次にSPICEの¥¯ ²結果より、第23,25次調波については¬² が有効であることが判明したため、残る第11,13次調波の低減が懸案となった。そこで、ある特定の‫ݗ‬調波成分を低減するためには、´¡³¡}®が簡便・有用とۗわれており、更にQ値が比Ԕ的‫ݗ‬くとり易いことから同調¡}®の採用を決定した。

ため²³²値には制約があり、最大஢圧³°¡´を5%程度まで‫׳‬容した3.2mHと決定した。

２−２．同調フィルタ
R-L-Cの直列回路から構成され、3相AC 供給¬²と஢源入力に並列に挿入される´¡³¡}®である。
DTQ஢源は等価的に定஢流源とみなすことができ、該当周波数で最も² ´ ³²が低下する回路、すなわち、直列共振回路で²すれば効率的に‫ݗ‬調波を低減することが可能である。具体的にはL-C 定数で決定される直列共振周波数:fs を対象次数の11,13次である550Hzもしくは650Hzに一致させるが、今回の০‫ڐ‬では11,13次の２つの‫ݗ‬調波を同時に低減することを狙いfs=600Hzと決定した。次に、¡}®定数を決定するための条件としては・³³¬²値以下に第11,13調波を低減するためには、¡}®有無による低減率を1/6以上とること
・商用周波数：50Hz時の² ´ ³²値は無効஢力に相当するため、この値を2kVar程度とすること。
である。図１には最終的に得られた回路定数：R=1
Ω,L=2.3mH,C=30μF 時の次数別‫ݗ‬調波஢流（周波数で表記）の²² ´ ³²値と¡}®有無による低減率の‫ڐ‬算結果を示す。第11調波で1/6、第13調波で1/7.5程度の低減効果が見込め、第23,25調波でも約1/2程度‫ݗ‬調波஢流が削減出来ると期待された。

２．‫ݗ‬調波フィルタ定数の検討

２−１．ラインチョーク
3相AC供給¬²とDTQ஢源入力に直列に挿入される
²³（Lc）で、¡}®側から上流側を見込んだ² ´
³²: ωLcを大きくとる必要がある。しかし、この値を大きくすると஢源入力஢圧の³°¡´に直結する
1E-mail: hori@linac.tokai.jaeri.go.jp

図１．同調¡}®の次数別特性曲線

３．ࠟ作機での‫ݗ‬調波抑制ࠟ験
上記の低減効果を評価するため、実機¨³®の‫ݗ‬調波¡}®ࠟ作機を製作し、DTQ஢源代表機で次数別の‫ݗ‬調波抑制効果を測定した。なお予算のற合上、等価12´®方式をも含めたࠟ験環境は準備出来なかったため、‫ڐ‬測結果と図１との整合性を評価することに重点を置いた。
ࠟ験の結果得られた次数別‫ݗ‬調波஢流値と³³¬²値との比Ԕを図１に示すが、以下の事柄が明らかになった。
1)第11,13次調波並びに第23,25次調波をも含む11次以上の全ての‫ݗ‬次調波で³³¬²値を下回る‫ڐ‬算値以上の低減効果があった。
2)第5,7次調波については‫ڐ‬算値と異なり、¡}®有無により約1.8倍も‫ݗ‬調波஢流が増大した。

図２．ࠟ作機¡}®での次数別‫ݗ‬調波
஢流値と³³¬²値との比Ԕ1)に関しては೪常に良好な結果であった。しかし、今回製作する‫ݗ‬調波¡}®はDTQ஢源と同数の131台と多いため、2)の‫ݗ‬調波஢流増大の問題は改善する必要があり、以下にその原因究明を行なった。

³の妥当性を確認するために行なったもので、´®
³¯ から模擬´®（10V P-P）を出力し、‫ݗ‬調波¡}®単体で‫ڐ‬測を行なった。図３より共振状態を表す² ´ ³²Ԓ：0の点は１）回路² ´ ³²が最小値の直列共振点２）回路² ´ ³²が最大値の並列共振点の2点あり、同調¡}®定数で決定される直列共振周波数(fs ：600Hz)に加えて、¬² の²³²値と同調¡}®定数で決定される並列共振周波数:fp (fs より必ず低い周波数)が存在し、その周波数はfp = 1 / 2π√(Lt+Lc)Cで決定されることがわかった。
次に、各周波数でどの程度‫ݗ‬調波஢流が増加減するのかを利得表示で示したものが図4で、¢³²での実測値と‫ڐ‬算 ³での‫ڐ‬算値を示す。図中縦ࡃの+（¡´¬）³²は‫ݗ‬調波¡}®が付加されることによって஢流が増加することを表しており、逆に−（¤）³²では低減されることを示している。図から
ࠟ作機¡}®の並列共振点は7次調波周波数:350Hzの‫ؼ‬傍であったこと、350Hz時の利得：+4.5dB は図２での増加஢流値(1.8A)と良く合致していること、などが判明した。しかし、第5次調波については³²
特性での数値：+2.6dBと図２³ (1.8A)とは大きく異なっている。この原因については、஢源内൉入力側²³²（¨²¨ ³³除去用と転流 ³抑制用）と¬² との間で共振஢流が生じているためと４．‫ݗ‬調波フィルタの回路ӕ析‫ݗ‬調波¡}®の回路² ´ ³²：Zと² ´ ³²Ԓ：
Iaは以下の式で記述される。
Z = Re + j Im
Re = ( AD+BE )/( D2+E2 )Im = ( BD - AE )/( D2+E2 )A = RtRc - (ωLt - 1/ωC )ωLc
B = RtωLt + (ωLt - 1/ωC )Rc
D = Rt + Rc
E =ω(Lt +Lc) - 1/ωC
Ia = tan− 1( Im/Re )ただし、ω ：‫ݗ‬調波஢流のԒ周波数
2πf
Rｔ：同調¡}®用の保‫܅‬抵抗値
1ΩRｃ：AC商用¬²の等価抵抗値
1Ω
L ｔ：同調¡}®®の²³²値
2.3mH
L ｃ：¬² の²³²値
3.2mH
C：同調¡}®²³²の´²値30μF
ここで、‫ݗ‬調波஢流の周波数:fを50Hz（基本波）から1250Hz（第25調波）まで変え、回路² ´ ³² vs² ´ ³²Ԓを‫ڐ‬算によって求めた結果と¢³²での実測値を図３に示す。¢³²での実測は‫ڐ‬算 

図３．‫ݗ‬調波¡}®単体での² ´ ³²vs² ´ ³²Ԓの実測値と‫ڐ‬算結果図６．‫ݗ‬調波¡}®の内൉実装図

６．評価機での‫ݗ‬調波抑制ࠟ験
図４．‫ݗ‬調波¡}®の³²特性考えており、DTQ஢源内൉の回路定数をも考慮したӕ析が必要である。
以上の結果より、第5,7次調波の஢流増大原因は理ӕできたが、ࠟ作機製作時には並列共振点の考察が不十分だったため、偶然にも第7波調波周波数：350Hzと並列共振周波数は‫ؼ‬接していた。しかしながら、・第11次以上の‫ݗ‬次調波஢流が³³¬²値以下
・DTQ஢源¬²஢圧の஢圧降下が5%程度
・無効஢力が2kVar程度などの制約値を満ੰした上で、並列共振周波数を偶数次の、例えば、第4,6,8次周波数：200,300,400Hz‫ؼ‬
傍にʻ¡ʼすることが出来れば、5,7次調波の増加
஢流値は大幅に改善できると考えられる。
以上の考え方に基づいてfp=300Hz,fs=500Hzの¡}®´¬§ を‫ڐ‬算し、この定数での‫ݗ‬調波低減効果を実機‫ݗ‬調波¡}®の評価機で検証することとした。

¡}®定数：Lc=3.5mH, Lt=3mH, C=30uF、並列共振周波数：fp=298Hz、直列共振周波数：fs=483Hz（実測値）の´¬§ でDTQ஢源に評価機用‫ݗ‬調波¡}®を付加した時に得られた次数別の‫ݗ‬調波஢流値（ো色表示）を図７に示す。ࠟ作機で得られた³ と比Ԕすると
1)第11次調波以上の‫ݗ‬次調波஢流は増大したが、³³¬²値以下の値であることを確認した。
2)第5,7次調波については各々14％、18％程度஢流値が低減された。などを実証した。しかし、今回は回路素子定数を5%以下の精度で製作したにもかかわらず、共振周波数が‫ڐ‬算で求めた数値と5%程度¡すること、実測値が‫ڐ‬算 ³での³²特性と若干異なること、など今後もࠟ験や検討を継続して行なう予定である。

５．実機‫ݗ‬調波フィルタの製作
実機‫ݗ‬調波¡}®は評価機を含め今年度に45台、来年度に50台製作される予定で、評価機での実測³ を基に最終的な¡}®定数を決定する。今回納入された実機評価用‫ݗ‬調波¡}®は上記の素子定数以外全て実機¡}®と同等の仕様を満ੰしているものであるが、その内൉実装図を図６に示す。‫ݗ‬調波¡}®は༄り合うDTQ஢源間に固定されるため横幅寸法が250mm 以下との制約を受けており、これを考慮した結果、¡}®寸法を230mm(W) 500mm(D) 250mm(H)に決定した。なお、この寸法を০‫ڐ‬するに当り、஢気容量10kVA¬の¡}®では可能な限り小型化を目指した。
²³と²³²には஢気工作物の֩定から、 ¨
型温度² が取り付けられており、素子温度が90℃以上で温度異常² °を出力し、¡}®前面´
®にLED表示すると共に、この信号で஢源出力を停止する。

図７．ࠟ作機／評価機¡}®の次数別‫ݗ‬調波஢流値

７．まとめ昨年度を含め2年間にわたりDTQ஢源の‫ݗ‬調波஢流対策の報告を行った。第5,7次調波஢流に関しては等価12´®方式を、第11次調波以上の‫ݗ‬次調波஢流に関しては¬² ＋同調¡}®方式での‫ݗ‬調波対策を提案し、今回の実測で第11次調波以上の‫ݗ‬次஢流については³³¬²値以下に抑制可能なことを実証した。なお等価12´®方式については、­஢源室１に750kVA容量の三巻き変圧器1台が০置されることが決定した。
今後は実機での運用値஢力容量³¬²を考慮した送஢系統の検討を行ない、全数のDTQ஢源が定格運転された時の‫ݗ‬調波流出量が০‫ڐ‬値どおり³³¬²値以下に抑制されていることを実証する予定である。

８．ࡤ辞‫ݗ‬調波¡}®定数の検討並びに製作に関してご協力頂いた東芝஢波特機株式会社の筬൉亮二氏、寺村弘氏、山崎立己氏の方々に感ࡤいたします。

参考文献[1] T.Hori, et al.,”

大 強 度 ຨ 子 加 速 器 ­用 DTQ஢ 源thの ‫ ݗ‬調 波 抑 制 ”, Proceedings of the 27
Linear
Accelerator Meeting in Japan, Kyoto, Aug. 7-9,
2002,pp255-257