Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

DEVELOPMENT OF MAGNET POWER SUPPLY FOR J-PARC 50-GEVSYNCHROTRON
F.SaitoA), E.IkawaB）, T.YoshinoB）,Y.MoriC), M.MutoC)A)
Toshiba Corporation,Industrial and Power Systems & Services
8 ,Shinsugita-cho,Isogo-ku, Yokohama, 235-8523,JapanB)
Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation (TMEIC),
1 ,Toshiba-cho,Fuchu-shi, Tokyo, 183-8511,JapanC)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK),
1-1,Oho,Tsukuba-shi, Ibaraki,305-0801,JapanAbstract
A new magnet power supply system for J-PARC 50GeV Synchrotron is proposed as solutions both in the powercapacity and in the precision at the same time. The developed 10MW class magnet power supply consists of theadvanced self-commutated current-source type converter (ACSC) using the new device IEGT rated at 4500V-2100A
and the “hybrid filter” including the variable impedance filter with the equivalent 16kHz switching.
With 1/16 scale-model system using a prototype bending magnet , the experimental results showed the current
ripple less than 1×10-6 and the tracking error less than ±0.5×10-4.

５０ＧｅＶシンクロトロン用電磁石電源の開発
１．まえがき２．電磁石電源の基本構成

現在、高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）と日本原子力研究所（ＪＡＥＲＩ）の共同による大強度陽子加速器プロジェクト（以降Ｊ−ＰＡＲＣと略す）が進められている。本プロジェクトにおける５０ＧｅＶ陽子シンクロトロンの主リングは、97台の偏向電磁石、216台の四極電磁石、72台の六極電磁石より構成され、総数20台の電磁石電源が用いられる。特に、偏向電磁石用途では10MW級の大容量電源を必要とし、かつ、最大3015Aの大電流で高精度のパターン励磁性能が要求される。
今回開発した電磁石電源は、これまで提案してきたスナバ回生方式による電流形自励式コンバータ[1]とハイブリッドフィルタ [2] を組み合わせた構成 を基に、近年開発された高耐圧･大電流の自己消弧型
素 子 で あ る Ｉ Ｅ Ｇ Ｔ (Injection Enhanced GateTransistor)を適用して装置の大容量化かつ高性能化を図ったものである。
本論文では、開発した電源の構成、および、本電源を用いた偏向電磁石実機システムの1/16モデルで検証試験をおこなったのでその結果を報告する。
612電磁石電源(10MW級)

偏向電磁石
16台
ﾓﾆﾀ用1/2台(上下分割)

52.1 基本諸元
偏向電磁石のシステム全体構成を図１に示す。電磁石97台（内1台はモニタ用）は、6台の電磁石電源でパターン励磁される。電磁石電源1台当りの基本諸元、及び、基本構成を各々表１と図２に示す。
電源は、コンバータとフィルタによる従来サイリスタ電源と同様な構成であるが、各々に自己ターンオフ素子を適用することで高性能化している。
表１：電源1台当りの基本諸元
最大直流出力7MW/12MW(増強時)最大直流電流最大直流電圧
電源構成
1)ｺﾝﾊﾞｰﾀ構成

3015A
4.5kV/5.5kV(増強時)
電流形ｺﾝﾊﾞｰﾀ＋ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞﾌｨﾙﾀ(1S-2P-6A)×2ﾌﾞﾘｯｼﾞ直列
IEGT 4500V-2100A
2S×8P
IGBT 3300V-400A (2in1)

2)ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ
ﾌｨﾙﾀ構成電流形ｺﾝﾊﾞｰﾀ 直流
IEGT
ﾘｱｸﾄﾙ
22kV-50Hz 12相変圧器
遮断器
THY

ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞﾌｨﾙﾀ
① ② 6003015Amax③ ±4.5kV
IGBTHz･･･
4×8P

5MVA
22kV/R1650V/1300V

高精度

3

図１：システム全体構成

Id検出 Id̲h検出

図２：電磁石電源の基本構成
114

偏向電磁石
1.664H-0.72Ω
(104mH-45mΩ)×16台

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

各々が45°の位相差をもち、2kHzでスイッチングするため、等価16kHzで動作する。補償電流が主電図３に示すＩＥＧＴは、高di/dt耐量をもつ電圧流の数％以下でよく、スイッチング素子は、高耐圧駆動型の素子であり、アノードリアクトルの省略やかつ定格電流が最小のＩＧＢＴ 3300V-400Aを選択ドライブ回路の小型化が図れる。さらに、今回適用して２直列で使用している。
する電流形自励式コンバータは、一方向通電である
本装置のフィルタ特性を図５に示す。200Hz程度
ためＩＥＧＴチップを全面に搭載したタイプを適用を境界としてローパス部と可変インピーダンス部とした。その素子定格は、4500V-2100Aである。
で減衰効果領域を分担している。可変インピーダン
図４に示すように、電流形自励式コンバータの１ス部は、制御ゲインを変更することで低周波領域のブリッジは、１つのアームがＩＥＧＴとダイオード特性変更が可能である。また、同調部は、電源構成ＤでスナバコンデンサCsを挟んで組んだ構成となる。 による12相成分(600Hz)に合わせて減衰帯域を選択
従来の交流側にコンデンサを持つ電流形コンバータ
している。
以上から、運転条件に合わせて常時フィルタ特性の方式と比較して、交流側の共振現象が回避可能でを可変できるので、高精度化が図れた。
あることと、素子の電流遮断に伴うエネルギーを回生可能である（損失が少ない）メリットをもつ。
直流回路の電圧伝達特性
以上から、電磁石電源要求に見合う大容量電源を40２ブリッジで簡素に構成でき、コンパクト化(W3000
制御ｹﾞｲﾝでﾛｰﾊﾟｽ減衰
20×D2200×H2800/1ﾌﾞﾘｯｼﾞ)が図れた。
特性変更可能効果領域
伝達比(dB)

2.2 電流形自励式コンバータの構成

InsideView

OutsideView
emitter

Multiple Chips

gate0-201-40-60

10100

可変ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ
減衰効果領域-801000200Hz

10000600Hz
減衰帯域周波数(Hz)IEGT Chips

図５：フィルタ特性
図３：ＩＥＧＴ素子の概観（外形φ125）３．制御装置の基本構成

3015Amax

制御装置の基本構成を図６に示す。汎用ＤＳＰ(Digital Signal Processor)を使用した全ディジタル制御とした。ただし、電流指令値と電磁石電流を高精度で検出して比較する最小限の部分はアナログ回路としている。アナログ回路は、ペルチェ素子を用いた小型恒温ユニットに収納することで、高精度・高安定度を確保している。
制御方式は、電流制御をメインに電流指令と電磁石定数から演算した電圧指令をフィードフォワードや可変ゲインとして適用して高精度性能を得ている。
以上により制御装置は、次のメリットをもつ。
・ 安定度向上 （理論的に温度ﾄﾞﾘﾌﾄ無し）
・ コンパクト化（主制御がDSP基板1枚に集約）
・ 汎用性向上 （定数変更が容易）
同一装置(ﾊｰﾄﾞ)で複数の負荷条件に対応可

IEGT
DCs

2.25kVmax

図４：１ブリッジ構成
2.3 ハイブリッドフィルタの構成
ハイブリッドフィルタは、図２で示したように、①ローパス部、②同調部、③可変インピーダンス部の３種類のフィルタを組合わせて構成される。
可変インピーダンス部は、抵抗とスイッチング素子の組合せで８多重化された構成となる｡

上位制御装置・電流指令値（20bit）
・ﾀｲﾐﾝｸﾞ装置制御装置（全ﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ制御）
※特記以外
ﾊﾟﾀｰﾝ
ﾒﾓﾘ

高精度電流検出Id̲h+-ﾌｨｰﾄﾞﾌｫﾜｰﾄﾞ
F(x)
ｹﾞｲﾝ

電磁石定数

電流指令
Idp++

高精度ｱﾅﾛｸﾞ回路(恒温ﾕﾆｯﾄ)

2186A(40GeV)
201A

電圧指令Vdp
R+ｓL+
K

電流検出
Id

1000
電流偏差
モニタ

3.64s

図６：制御装置の基本構成
115

ACR
電流制御

リプル
抽出

++
可変ｹﾞｲﾝK(x)ｺﾝﾊﾞｰﾀ制御(PWM9ﾊﾟﾙｽ)
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ
ﾌｨﾙﾀ制御Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

表３： 電流リプル評価 (40GeVﾌﾗｯﾄﾄｯﾌﾟ)
F(Hz)
電圧ﾘﾌﾟﾙ
電流ﾘﾌﾟﾙ(dBVr)
計算値(p-p)* 等価換算50-76.65
0.32E-6100-71.09
0.31E-6300-73.64
0.08E-6600-53.10
0.41E-6
1200-40.14
0.91E-6
1800-43.86
0.40E-6
ﾌﾟﾛｰﾌﾞ500:1，正規化3015A

４．電磁石組合わせ試験
4.1 試験条件
開発した電磁石電源は、５０ＧｅＶ陽子シンクロ
トロン実機プロトタイプの偏向電磁石1台と組合わせてパターン運転試験をおこなった。試験条件を表２に示す。最大電圧は定格の1/16となるが、最大電流は定格まで通電可能となる。
表２：試験条件
実機
5.5kV
3015A
1.664H
22kV

定格最大電圧定格最大電流負荷定数
交流入力電圧組合せ試験
340V
1/163015A
１104mH
1/16
3.3kV
1/6.7

試験風景を図７に示す。電磁石電源と変圧器は実機を使用した。電源は、左端のコンバータ盤から制御盤まで総長約13.2mの列盤となる。Ｊ−ＰＡＲＣ
では本列盤6台の構成で電磁石97台を励磁する｡
変圧器

偏向
電磁石

純水冷却装置

4.3 追従性評価
40GeV運転波形と追従波形を図９、図１０に示す。
仕様のベース〜トップ範囲内で、追従性は±0.5×10-４以下となった。また、50GeV運転波形を図１１に示す。電磁石の飽和を模擬した指令値に電流値が±0.8×10-４以下で追従する結果が得られた。
2186A(0.725pu)

電流指令値(0.2pu/div)

2186A

電流検出値
(0.25pu/div)

201A
201A
2s

VCB他

図９：40GeVパターン運転
2186A

電磁石電源
13.2m
図７：電磁石組合わせ試験風景
4.2 電流リプル評価
電流リプルは、直流電流一定運転ができる最大値40GeVフラットトップ（2186A）で測定した。評価は、電磁石電源の直流出力端電圧のＦＦＴ結果を試験条件から実機条件に等価換算し、最大電流3015Aで正規化した。
電圧リプルのＦＦＴ結果を図８に示す。ＦＦＴ結
果の周波数特性は、100Hz前後での平坦な減衰や600Hz同調による減衰の特徴が図５のフィルタ特性に合致した。また、表３に示す電流リプル評価は、各周波数で10-6以下となった。

電流ﾘﾌﾟﾙ1×10-6p-pの目安

電流検出値 201A
(0.25pu/div)

電流偏差(2×10-4/div)

2s

電圧検出値
(500V/div)
電流指令値(0.2pu/div)
電流検出値(0.25pu/div)±0.5×10-４
電流偏差(2×10-4/div)

図１０：40GeV運転追従性

3015A
3015A
(1pu)
電磁石
飽和考慮
±0.8×10-４

図１１：50GeV運転

５．あとがきＪ−ＰＡＲＣ ５０ＧｅＶシンクロトロン向けとして、大容量かつ高精度の電磁石電源を開発した。
電源は、高耐圧・大電流の素子ＩＥＧＴを適用した「電流形自励式コンバータ」と可変インピーダンス制御による「ハイブリッドフィルタ」から構成された10MW級の装置となる。偏向電磁石実機システムの1/16モデルで試験をおこなった結果、電流リプル10-6p-p、追従性±0.5×10-４を達成する見込みを得た。

参考文献

100Hz600Hz

図８：電圧リプルのＦＦＴ結果[1] E.Ikawa, et al., “Development on Advanced Currentsource-type Self-commutated Converter for Accelerator
Electromagnets”, the 13th S.A.S.T, Suita, Osaka, Japan,Oct. 2001
[2] E.Ikawa, et al, “Development on Hybrid Filter for HighPrecision Power Source to Accelerator Electromagnets”,
the 13th S.A.S.T, Suita, Osaka, Oct.2001

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