JPH0126261B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、サイクロトロン、シンクロトロン等
の加速器に使用されるコイルに流れる電流を供給
する電力変換装置のバイパスペア制御方式に関す
るものである。

サイクロトロン、シンクロトロン等の加速器用
コイルとか、トカマク型核融合炉用コイル等に電
力を供給する場合、一般に負荷のインダクタンス
が大きいので、電流立ち下げ、立ち下げ期間と、
電流一定期間とでは、必要な直流電圧が大きく異
なる。このため、加速器用コイル等で使用される
電力変換装置は、単位電力変換器をカスケードに
接続した構成とし、電圧の不要期間では、適宜単
位電力変換器をバイパスペアに投入し、力率改善
と直流電圧リツプルの低減を計るのが一般的であ
る。

第１図に、直列12相電力変換装置２台をカスケ
ード接続して構成した、加速器用コイル電源のブ
ロツク図を示す。

第１図において、１は交流母線、２−１，２−
２は変換器用変圧器、３−１，〜３−４は、単位
電力変換器を示す。単位電力変換器３−１と３−
２、３−３と３−４は、それぞれ、交流電圧位相
が30゜ずれており、単位電力変換器３−１と３−
２（３−３と３−４）とで直列12相の電力変換装
置を構成している。４は負荷コイル、５は直流電
流検出器を示す。６は交流電圧位相を検出するた
めに交流電圧波形を検出する計器用変圧器、７
は、電流基準信号５１と直流電流検出器５から得
られる電流との差を算出する減算回路、８は、減
算回路７の出力△Ｉが零になるように電力変換装
置を制御する電流制御回路、９は計器用変圧器７
の出力と、電流制御回路８の出力とを入力し、点
弧相と点弧タイミングを決定する位相制御回路、
１０はバイパスペア（BPP）指令信号５２を受
けて対象となる単位電力変換器をバイパスペアに
投入するバイパスペア制御回路、１１は各相への
点弧パルス信号をパルス増幅するパルスアンプ回
路を示す。バイパスペアとは、交流側の１つの相
に接続された一対の制御整流素子を同時に点弧す
る動作モードである。

第２図に単位電力変換器内のブロツク図を示
す。図中１２−１〜１２−６が単位電力変換器を
構成する制御整流素子であり、それぞれ、Ｕ相、
Ｚ相、Ｖ相、Ｘ相、Ｗ相、Ｙ相とよんでいる。一
対の制御整流素子とは、Ｕ相とＸ相、Ｖ相とＹ
相、Ｗ相とＺ相の各対を意味する。

第３図に加速器用コイルの一般的な負荷電流パ
ターンを示す。第３図において、５３が、陽子ま
たは電子の入射期間、５４が加速期間、５５が取
り出し期間、５６が減速期間である。一般に各期
間は１〜２秒であり、同一パターンで10数時間運
転をくり返す。このような負荷パターンにおい
て、加速器では負荷が大きなインダクタンスであ
るため、入射期間５３、取り出し期間５５では、
抵抗ドロツプ分の小さな電圧しか必要なく、加速
期間５４、減速期間５６では、LdI／dtの大きな
電圧が必要となる（Ｌはインダクタンス値、Ｉは
電流値）。このため、第１図のような電源構成の
とき、入射期間５３、取り出し期間５５では、単
位電力変換器３−３，３−４をバイパスペアと
し、単位電力変換器３−１，３−２だけで電流制
御し、加速期間５４、減速期間５６に入つた直
後、単位電力変換器３−３，３−４をバイパスペ
アより解除する方式が一般的に使用されている。

ところで従来のバイパスペア制御方式では、バ
イパスペア指令が来ると、最後に点弧した相を確
認し、次に点弧パルスを出力する相への点弧パル
スをカツトし、その次の相へ点弧パルスを出力
し、バイパスペアに投入する方式が一般的であ
る。すなわち、通常運転中は、Ｕ→Ｚ→Ｖ→Ｘ→
Ｗ→Ｙ相の順に各相に点弧パルスを出力するが、
Ｕ相、Ｚ相通電時にバイパスペア指令が来ると、
Ｖ相への点弧パルスをカツトし、Ｘ相に点弧パル
スを出力し、Ｕ相、Ｘ相点弧によるバイパスペア
を形成する。

第４図に、Ｚ相、Ｖ相通電時にバイパスペア指
令が来てＷ相、Ｚ相がバイパスペアとなつた場合
の相電圧波形を示した。このような従来のバイパ
スペア制御方式では、どのペアがバイパスペアに
入るかは、バイパスペア指令のタイミングにより
決定されるため、バイパスペアとなる相を特定で
きない。単位電力変換器内の各制御整流素子は通
常運転中は、120゜通電であるが、バイパスペアと
なると、第４図でも明らかなように360゜通電とな
る。

このため、従来のバイパスペア制御方式では、
バイパスペアに投入する単位電力変換器の制御整
流素子の電流定格を通常の３倍にしなければなら
ないという不具合があつた。

本発明の目的は、上記不具合を解消し、通常運
転と同一の制御整流素子の電流定格において、第
３図に示すような、くり返し負荷パターンを制御
することができる電力変換装置のバイパスペア制
御方式を提供するものである。

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。

第５図に本発明の一実施例を示す。主回路構成
は第１図と同様であるから省略する。第５図にお
いて、第１図と同一の機能のものは同一符号を付
して説明を省略する。１３はバイパスペア投入指
令５２の立ち上がりでカウントアツプされる３進
カウンタ、１４は３進カウンタ１３の出力をコー
ド変換するコード変換回路であり、３進カウンタ
の出力が“０”のとき信号５９が“１”に、３進
カウンタの出力が“１”のとき信号６０が“１”
に、３進カウンタの出力が２のとき信号６１が
“１”となるよう構成されている。１５はバイパ
スペア指令信号５２を受けてパルスを出力するパ
スル発生回路、１６は、反転回路、１７−１〜１
７−６は、バイパスペア指令信号５２により位相
制御回路９から出力される通常の点弧パルスをカ
ツトするインヒビツト回路、１８−１〜１８−３
は、パルス発生回路１５の出力と、コード変換回
路１４の出力との論理積演算を行ない、バイパス
ペアに投入すべき相にパルスを出力するアンド回
路、１９−１〜１９−６は、通常運転時の点弧パ
ルスと、バイパスペア投入用パルスの論理和をと
るオア回路である。第６図にコード変換回路１４
の内部ブロツク図を示す。第５図と同一機能のも
のは同一符号とした。１６−１，１６−２は反転
回路、１８−４〜１８−６はアンド回路である。
３進カウンタ１３の出力信号５７，５８が共に
“０”のときは信号５９が“１”、信号５７が
“１”信号５８が“０”のときは信号６０が
“１”、信号５７が“０”、信号５８が“１”のと
きは信号６１が“１”となる。

以下、第５図、第６図により本発明の作用を説
明する。第５図において、３進カウンタの出力が
“２”(10)の状態のときはバイパスペア指令信号５
２が“１”となると、反転回路１６、インヒビツ
ト回路１７−１〜１７−６により、位相制御回路
９より出力されていた通常の点弧パルスは出力を
カツトされる。同時に３進カウンタ１３の出力は
“０”（00）の状態になり、コード変換回路１４の
出力のうち信号５９が“１”となる。またバイパ
スペア指令信号５２を受けて、パルス発生回路１
５よりパルスが発生される。パルス発生回路１５
の出力と、コード変換回路１４の出力を受けて、
アンド回路１８−１よりバイパスペア投入用パル
スがＵ相とＸ相に出力され、オア回路１９−１，
１９−４とパルスアンプ回路１１を介して単位電
力変換器に出力される。次にバイパスペア投入指
令が“０”となると、パルス発生回路１５からの
出力が零になり、バイパスペア投入用パルス信号
はなくなり、反転回路１６の出力が“１”となる
ので、インヒビツト回路１７−１〜１７−６を介
して通常の点弧パルスが出力される。

次に再びバイパスペア指令信号が“１”となる
と、３進カウンタ１３の出力が“１”（01）とな
るので、コード変換回路の出力のうち、信号６０
が“１”となり、アンド回路１８−２よりＶ相Ｙ
相にバイパスペア投入用パルスが出力される。同
様に、次にバイパスペア指令信号が来ると、３進
カウンタ１３の出力が“２”(10)となり、コード変
換回路の出力のうち信号６１が“１”となり、Ｗ
相、Ｚ相にバイパスペア投入用パルスを出力す
る。第７図に３進カウンタ１３の出力と、コード
変換回路１の出力の関係を示している。第７図の
表から明らかなように、３進カウンタの出力によ
り、コード変換回路１４の出力信号５９，６０，
６１が、順次“１”になり、バイパスペアに投入
すべき相を、UX相、VY相、WZ相の順に制御し
ている。

以上説明した発明の作用を第８図にタイムチヤ
ートにより示した。６２が負荷電流パターン、５
２がバイパスペア指令信号、５９，６０，６１は
コード変換回路１４の出力信号である。３信カウ
ンタの出力は10進表示により示した。

負荷電流がほぼ一定の期間では、第１図に示し
た単位電力変換器３−３，３−４がバイパスペア
に投入され、電流が大きく変化する期間でバイパ
スペアより解除される。コード変換回路の３つの
出力により、どの相をバイパスペアに入れるかが
制御されており、信号５９が“１”のとき、Ｕ
相、Ｘ相信号６０が“１”のときＶ相、Ｙ相信号
６１が“１”のときＷ相、Ｚ相をバイパスペアに
投入する。

すなわち、バイパスペアに投入される相が順次
制御されているので、同一相が続けてバイパスペ
アに投入されることにより発生する相間の電流分
担のアンバランスが発生しない。加速器用コイル
の負荷電流パターンは、通常、１パターン数秒で
長時間くり返されるので、バイパスペアに投入す
る相を順次制御することにより、単位電力変換器
の電流定格は、通常運転時、すなわちほぼ120゜通
電の電流定格で十分であり、バイパスペア運転
（360゜通電）が連続する場合のほぼ1/3の定格とな
る。

前記説明においてはＵ相、Ｘ相、Ｖ相、Ｙ相、
Ｗ相、Ｚ相の順に制御したが、どのような順番で
あつても、順次制御すれば同様の効果を得ること
ができる。

第９図に本発明の他の実施例を示す。第９図に
おいて、第１図、第５図と同一機能のブロツクは
同一符号とし説明を省略する。２０は、位相制御
回路９より点弧パルスを受けて、最終に点弧パル
スを出力した相を検出する点弧状態検出回路、２
１−１〜２１−４はアンド回路、２２はオア回路
である。点弧状態検出回路２０の出力信号６３は
Ｗ相またはＺ相に点弧パルスが発生し、次のパル
スが発生するまでの期間“１”を出力する。同様
に信号６４はＵ相またはＸ相に点弧パルスが発生
し、次のパルスが発生するまでの期間“１”を出
力する。信号６５はＶ相またはＹ相に点弧パルス
が発生し、次のパルスが発生するまでの間“１”
を出力している。バイパスペア制御回路１０は、
従来一般に使用されている回路であり、前述した
ごとく、バイパスペア指令信号を受けると、通常
次に点弧パルスを与える相のパルスをカツトし、
その次の点弧順序の相に点弧パルスを与える。点
弧パルスを与える順序はＵ相、Ｚ相、Ｖ相、Ｘ
相、Ｗ相、Ｙ相であるからＵ相、Ｘ相をバイパス
ペアに投入するのはＷ相が点弧した直後にバイパ
スペア指令信号を受けて、Ｙ相をカツトとＵ相を
点弧する場合か、Ｚ相が点弧した直後にバイパス
ペア指令信号を受けてＸ相を点弧する場合であ
る。同様に、Ｖ相、Ｙ相をバイパスペアに投入す
るのは、Ｕ相またはＸ相が点弧した直後、Ｗ相、
Ｚ相をバイパスペアに投入するのはＶ相またはＹ
相が点弧した直後にバイパスペア指令信号を受け
た場合である。信号５９，６０，６１は第５図に
て説明したのと同じ信号であり、信号５９が
“１”のときＵ相、Ｘ相、信号６０が“１”のと
きＶ相、Ｙ相、信号６１が“１”のときＷ相、Ｚ
相をバイパスペアに投入する。このため、信号５
９が“１”の場合は信号６３と論理積を取り、ア
ンド回路２１−１の出力信号が“１”になつてい
るとき、バイパスペア指令信号５２を受け付け
て、アンド回路２１−４よりバイパスペア制御回
路１０に入力することにより、Ｕ相、Ｘ相がバイ
パスペアとなる。同様に信号６０と信号６４の論
理積を取るアンド回路２１−２が“１”のときに
バイパスペア指令信号を受け付けると、Ｖ相、Ｙ
相が信号６１と信号６５の論理積を取るアンド回
路２１−３が“１”のとき、バイパスペア指令信
号を受け付けると、Ｗ相、Ｙ相がバイパスペアと
なるのでバイパスペア投入相を３進カウンタ１３
により順次制御することができる。点弧状態検出
回路２０はフリツプフロツプ回路により簡単に構
成することができ、本実施例では従来のバイパス
ペア制御回路に簡単な論理回路を付加するのみ
で、本発明の効果を得ることができる。

以上説明したように本発明によれば、加速器用
コイル電源に要求されるような、くり返しパター
ンの負荷電流を制御する電力変換装置において、
特定の単位電力変換器が、くり返しバイパスペア
に投入解除される場合においても、バイパスペア
に投入される単位電力変換器の電流定格を、通常
運転である120゜通電と同程度の電流定格で構成す
ることのできる電力変換装置のバイパスペア制御
方式を供給することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な加速器用コイル電源のブロツ
ク図、第２図は単位電力変換器の構成図、第３図
は負荷電流パターン図、第４図はＷ相、Ｚ相がバ
イパスペアになつた場合の相電圧波形図、第５図
は本発明の一実施例を示す制御ブロツク図、第６
図はコード変換回路のブロツク図、第７図はコー
ド変換回路の機能を示す図、第８図は本発明の作
用を説明するためのタイムチヤート、第９図は本
発明の他の実施例の制御ブロツク図である。 １……交流母線、２−１，２−２……変換器用
変圧器、３−１〜３−４……単位電力変換器、４
……負荷、５……直流電流検出器、６……計器用
変圧器、７……減算回路、８……電流制御回路、
９……位相制御回路、１０……バイパスペア制御
回路、１１……パルスアンプ回路、１２−１〜１
２−６……制御整流素子、１３……３進カウン
タ、１４……コード変換回路、１５……パルス発
生回路、１６，１６−１，１６−２……反転回
路、１７−１〜１７−６……インヒビツト回路、
１８−１〜１８−６……アンド回路、１９−１〜
１９−６……オア回路、２０……点弧状態検出回
路、２１−１〜２１−４……アンド回路、２２…
…オア回路、５１……電流基準、５２……バイパ
スペア指令信号、５３……入射期間、５４……加
速期間、５５……取り出し期間、５６……減速期
間、５７……３進カウンタ下位ビツト、５８……
３進カウンタ上位ビツト、５９……Ｕ相、Ｘ相バ
イパスペア投入順序信号、６０……Ｖ相、Ｙ相バ
イパスペア投入順序信号、６１……Ｗ相、Ｚ相バ
イパスペア投入順序信号、６２……負荷電流パタ
ーン、６３……Ｗ相又はＺ相が最終点弧相期間信
号、６４……Ｕ相又はＸ相が最終点弧相期間信
号、６５……Ｖ相又はＹ相が最終点弧相期間信
号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも２つ以上の単位電力変換器をカス
   ケードに接続し、負荷にくり返しパターン電流を
   供給し、電流がほぼ一定の期間では所定の単位電
   力変換器をバイパスペアに投入するようにした電
   力変換装置において、くり返し負荷パターンに応
   じてバイパスペアに投入する前記所定の単位電力
   変換器の相を順次制御することを特徴とする電力
   変換装置のバイパスペア制御方式。