電源装置

【課題】並列補償器の補償量を一定にする制御量を与えることで、運転条件によらず安定した電流リプル低減ができる電源装置を得る。
【解決手段】前記交直変換器３の直流出力に含まれる電流リプルを低減する受動フィルタ５と、受動フィルタ５の出力電流の電流リプルをさらに低減するインピーダンス素子及びスイッチ素子を含む並列補償器６と、並列補償器６のスイッチ素子に印加される直流電圧の指令値に対して、並列補償器６に印加される直流電圧及び前記並列補償器の補償電流の大きさが大きいときはゲインを小さくし、並列補償器６に印加される直流電圧及び前記並列補償器の補償電流の大きさが小さいときはゲインを大きくする制御器を備えた電源装置。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば加速器用電磁石に使用される電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療・物理学研究に用いられる加速器用電磁石電源を例に挙げて説明する。加速器用電磁石電源は、高エネルギーの陽子ビームを生成するために、電磁石コイルを高精度で励磁する必要がある。このため、電源は、定格直流電流Ｉｏに対し、電流リプルΔＩｒの正規化値（ΔＩｒ／Ｉｏ）は１０^-4〜１０^-6オーダ以下の低減が求められる。
【０００３】
このような電流リプルを低減する電源装置の一例としては、並列補償器を設ける方法があり（特許文献１参照）、以下これについて図８を参照して説明する。
【０００４】
交流電源１は、変圧器２を介して直流電流出力を可能とする交直変換器３に接続され、この交直変換器３により交直変換器３が直流電力に変換され、この変換された直流電力が負荷例えば電磁石１０に供給されるようになっている。電磁石１０は、インダクタンス１０ａと抵抗１０ｂからなっている。
【０００５】
交直変換器３と電磁石１０の間には、直流リアクトル４を直列に介して受動フィルタ５及び並列補償器６がそれぞれ並列に接続されている。
【０００６】
この場合、変圧器２は、交直変換器３に対して所望の変圧比と位相条件を与える。交直変換器３は、自己消弧形素子、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）により構成され、ＩＧＢＴをオン／オフ制御することで、電磁石１０へ直流電流を供給できる。交直変換器３としては、電流型コンバータや電圧型コンバータとチョッパとの組み合わせのいずれであってもよい。
【０００７】
直流リアクトル４は、交直変換器３の出力電流を平滑するためのものであり、一般に直流リアクトル４とコンデンサ、抵抗を組合せて２次のローパスフィルタとして利用され、主に高次成分の電流リプルを低減する。
【０００８】
また、受動フィルタ５は、抵抗５ａとコンデンサ５ｂからなり、電磁石１０へ流れる電流リプルを低減するためのものである。
【０００９】
並列補償器６は、抵抗６ａと例えばＩＧＢＴからなり、後述するゲート制御器２４により制御されるスイッチ素子６ｂとで構成したものである。
【００１０】
電磁石１０に流れる電流Ｉｄは、電流検出器２０により検出される。電流基準発生器２１は、電流指令値Ｉｄ^* を出力する。減算器１１は、電流指令値Ｉｄ^*と電流検出器２０により検出された電磁石１０の電流Ｉｄを入力して電流偏差ΔＩを求める。
【００１１】
電流リプル検出器２２は、例えばＢＰＦ（帯域通過フィルタ）を用い、減算器１１からの電流偏差ΔＩから、所望の周波数成分の電流リプル成分を取り出す。電流リプル検出器２２により検出した電流リプルは、例えば比例ゲインからなる電流制御器２３を介してゲート制御器２４に入力され、ゲート制御器２４の内部おいて並列補償器６の操作量を決める。この操作量からゲート制御器２４にて並列補償器６のスイッチ素子６ｂをオン／オフすることで、並列補償器６に流れる電流を制御する。
【００１２】
電磁石１０は、一般に数十ｍＨ〜数Ｈの大きいインダクタンス値をもっているので、前述のスイッチ素子６ａをオン／オフして得られるインピーダンス値と電磁石１０とのインピーダンス比で分流する。直流電流に含まれる電流リプルを並列補償器６側に多く流すことにより、電磁石１０に流れる電流リプルを低減できる。並列補償器６は、主にローパスフィルタで低減できない低次成分の電流リプルを低減するのに適用される。
【特許文献１】特開２００３−１８８４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上述べた従来の電源装置では、並列補償器６で電流リプルを低減する場合には、電流リプルを検出して電磁石１０をバイパスする電流を制御する回路、すなわち並列補償器６が必要である。
【００１４】
上述した電源装置では、並列補償器６は抵抗６ａとスイッチ素子６ｂで構成されることから、並列補償器６に印加される直流電圧Ｖｄに電磁石１０をバイパスする電流、すなわち、補償量Ｉｃ（＝Ｖｄ／Ｚ）のゲインが依存する。インピーダンスが可変できる範囲の最小値は、使用するインピーダンス機器で一意に決まるため、印加される直流電圧値の高低により補償量に増減が生じる。このため、直流電圧値が高い場合にゲート制御器２４を調整すると、直流電圧値が低くなると補償不足になる場合がある。
【００１５】
一方、直流電圧値が低い場合にゲート制御器２４を調整すると、直流電圧値が高くなると過補償になりノイズの影響を受けやすくなる場合がある。
【００１６】
本発明の目的は、並列補償器の補償量を一定にする制御量を与えることで、運転条件によらず安定した電流リプル低減ができる電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を負荷に供給する交直変換器と、前記交直変換器の直流出力に含まれる電流リプルを低減する受動フィルタと、前記受動フィルタの出力電流の電流リプルをさらに低減する可変インピーダンス素子からなる並列補償器と、前記並列補償器に印加される直流電圧の推測値に応じてゲインを可変する制御器とを備えて構成したことを特徴とする電源装置である。
【００１８】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を負荷に供給する交直変換器と、前記交直変換器の直流出力に含まれる電流リプルを低減する受動フィルタと、前記受動フィルタの出力電流の電流リプルをさらに低減する可変インピーダンス素子からなる並列補償器と、前記並列補償器に印加される直流電圧の検出値に応じてゲインを可変する制御器とを備えて構成したことを特徴とする電源装置である。
【００１９】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を負荷に供給する交直変換器と、前記交直変換器の直流出力に含まれる電流リプルを低減する受動フィルタと、前記受動フィルタの出力電流の電流リプルをさらに低減する可変インピーダンス素子からなる並列補償器と、前記並列補償器に印加される直流電圧に応じてゲインを可変すると共に、前記並列補償器に印加される直流電圧が負のとき前記ゲインを固定値とする制御器とを備えて構成したことを特徴とする電源装置である。
【００２０】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を負荷に供給する交直変換器と、前記交直変換器の直流出力に含まれる電流リプルを低減する受動フィルタと、前記受動フィルタの出力電流の電流リプルをさらに低減する可変インピーダンス素子からなる並列補償器と、前記並列補償器に印加される直流電圧を正と負に区分し、負の場合は絶対値に対してゲインを可変する制御器とを備えて構成したことを特徴とする電源装置である。
【００２１】
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、請求項４記載の電源装置において、前記並列補償器に印加される直流電圧が正の場合と負の場合で重み付けを変えてゲインを可変する制御器を備えて構成したことを特徴とする電源装置である。
【００２２】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を負荷に供給する交直変換器と、前記交直変換器の直流出力に含まれる電流リプルを低減する受動フィルタと、前記受動フィルタの出力電流の電流リプルをさらに低減する可変インピーダンス素子からなる並列補償器と、前記並列補償器に印加される直流電圧を直流電流指令と比例ゲインの換算値に置き換えてゲインを可変する制御器とを備えて構成したことを特徴とする電源装置である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、直流電圧に依存せずに安定に電流リプルの低減を可能とする電源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る電源装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
まず、図１を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。図８と同一要素については同一符号を付し、その説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００２６】
前述した従来の電源装置に、電圧演算器２７と、定数発生器２５と、減算器１２と、乗算器２６を追加し、これにより並列補償器６に印加される直流電圧の指令値に対してゲインを可変できるように構成したものであり、このことについて以下に説明する。
【００２７】
電圧演算器２７は、電流基準発生器２１より得られる電流指令値Ｉｄ^*を入力し、負荷例えば電磁石１０のインピーダンス(Ｒ＋ｓＬ)に基づき直流電圧Ｖｄ^*を演算する。具体的には、電磁石１０の抵抗ＲとインダクタンスＬは、予め測定等により求めることは可能で、これらはいずれも定数であり、これらからインピーダンスを求める。そして、この求めたインピーダンスと電流指令値Ｉｄ^* の積により直流電圧Ｖｄ^*を求める。このようにして求めた直流電圧Ｖｄ^*は、並列補償器６に印加される直流電圧の予測値に相当する。なお、図１の電圧演算器２７に記載されている、ｓ、はラプラス演算子を示している。
【００２８】
定数発生器２５は定数を出力する。減算器１２は、定数発生器２５からの定数と、電圧演算器２７からの直流電圧Ｖｄ^*を入力して両者の減算を行い、これにより直流電圧の高低の反転値を得る。
【００２９】
乗算器２６は、減算器１２からの反転値と、電流制御器２３からの操作量を入力して両者を乗算することで、直流電圧に応じた可変の制御量を得ることができる。
【００３０】
従って、直流電圧が高く並列補償器６の補償電流が増える場合は、電流制御器２３からの操作量に対してゲインを小さくできる。一方、直流電圧が低く並列補償器６の補償電流が減る場合は、電流制御器２３からの操作量に対してゲインを大きくできるので、直流電圧の高低に関わらず、並列補償器６に安定した補償電流量を確保して電流リプルを低減する電源装置を提供することが可能となる。
【００３１】
次に、図２を用いて本発明の第２の実施形態を説明する。
【００３２】
本実施形態は、並列補償器６に印加される直流電圧の検出値に対してゲインを可変する制御手段を備えて構成したものである。
【００３３】
具体的には、図１の実施形態の電圧演算器２７により直流電圧Ｖｄ^*を演算せずに、この代わりに、受動フィルタ５の出力、すなわち、並列補償器６の入力電圧を電圧検出器２８で検出し、この直流電圧検出値を減算器１２の一方に入力するようにしたものである。
【００３４】
このように電圧検出器２８の検出値(実測値)に基づき電流制御器２３からのゲイン可変できるので、電磁石１０の温度ドリフトやコイル飽和による負荷定数の変化があっても正確に並列補償器に安定した補償電流量を確保して電流リプルを低減する電源装置を提供することが可能となる。
【００３５】
さらに、図３及び図４を用いて本発明の第３の実施形態を説明する。
【００３６】
本実施形態は、並列補償器６に印加される直流電圧が負になると固定値を与えて制御する制御手段を備えて構成したものである。
【００３７】
具体的には、図１の実施形態に新たにリミット回路２９を追加したものである。具体的には、電圧演算器２７と減算器１２の間に、リミット回路２９を設け、電圧演算器２７からの直流電圧Ｖｄ^*に基づく電磁石１０に印加される直流電圧波形が負となったとき制限を加えるものである。
【００３８】
電磁石１０に印加される直流電圧Ｖｄ、電磁石１０に流れる直流電流Ｉｄ、電磁石１０のインピーダンス、すなわち、インダクタンス１０ａ（Ｌで表現）と抵抗１０ｂ（Ｒで表現）には（１）式の関係がある。
【００３９】
Ｖｄ＝Ｌ×（dId/dt）＋Ｒ×Id …（１）
直流電流Ｉｄの減衰（-dId/dt）時、インダクタンスＬ分が大きい、乃至は、抵抗Ｒ分が小さいと、直流電圧が「負」となる場合がある。図４（ａ）は直流電流基準(電磁石１０に対して与える電流基準)と、図４（ｂ）は直流電圧の波形(電磁石１０に対して印加される電圧波形)を示している。図４（ｂ）に示す電圧が負電圧となった場合は、図４（ｃ）に示すようにリミット回路２９が動作し、電圧演算器２７からの直流電圧Ｖｄ^*に制限を加え、直流電圧の波形を「零」以上に設定する。
【００４０】
従って、図４（ｄ）に示すように電流制御器２３からの可変ゲインの操作出力は、立下り期間は定数発生器２５から得た定数を超える値をとらないので、直流電圧の高低に関わらず、並列補償器６に安定した補償電流量を確保して電流リプルを低減する電源装置を提供することが可能となる。
【００４１】
さらに、図５を用いて本発明の第４の実施形態を説明する。
【００４２】
本実施形態は、並列補償器６に印加される直流電圧を正と負に区分し、負の場合は絶対値に対してゲインを可変する制御手段を備えて構成したものである。
【００４３】
具体的には、図１の実施形態に、電磁石１０に抵抗６ｃと、スイッチ素子６ｄを追加すると共に、これの追加に伴いゲート制御器２４ａを追加し、さらにリミット回路２９、２９ａ、絶対値回路３０、減算器１３、乗算器２６ａを追加したものである。
【００４４】
具体的には、電圧演算器２７の出力端子と減算器１２の一方の入力端子間に、リミット回路２９を設け、電圧演算器２７からの直流電圧Ｖｄ^*に基づく電磁石１０に印加される直流電圧波形が負となったとき制限を加えるものである。また、ゲート制御器２４ａの入力側に乗算器２６ａを設け、乗算器２６ａの一方の入力端子に電流制御器２３の出力を入力し、乗算器２６ａの他方の入力端子に、減算器１３の出力を接続する。電圧演算器２７とリミット回路２９の接続点と、減算器１３の一方の入力端子の間に、リミット回路２９ａと絶対値回路３０の直列回路を接続する。減算器１３の他方の入力端子と定数発生器２５の出力端子を接続したものである。リミット回路２９ａは、リミット回路２９と同様な動作を行うものである。
【００４５】
このように第１の実施形態の、直流電圧Ｖｄ^*出力後段に、直流電圧の「正」「負」を区分するリミット回路２９、２９ａと「負」側には、絶対値回路３０を設ける。併せて、並列補償器６は、抵抗器６ａとスイッチ素子６ｂの構成で直流電圧が「正」で補償できる補償器と抵抗器６ｃとスイッチ素子６ｄで直流電圧が「負」で補償できる補償器を組合わせる。スイッチ素子６ａとスイッチ素子６ｂ、通電方向が互い違いの構成となる。
【００４６】
直流電圧が「正」の場合は、リミット回路２９を介してから乗算器２６にて電流制御器２３の操作量のゲインを可変する。一方、直流電圧が「負」の場合は、リミット回路２９ａを介した後、直流電圧の大きさを得るため絶対値回路３０を通してから乗算器２６ａにて電流制御器２３の操作量のゲインを可変する。
【００４７】
従って、双方向の並列補償器６を用いた場合、直流電圧の高低、直流電圧の正負によらず、電流制御器２３の操作量のゲインを可変できるので、並列補償器６に安定した補償電流量を確保して電流リプルを低減する電源装置を提供することが可能となる。
【００４８】
また、図６を用いて本発明の第５の実施形態を説明する。
【００４９】
本実施形態は、並列補償器６に印加される直流電圧が正の場合と負の場合で重み付けを変えてゲインを可変する制御手段を備えて構成したものである。
【００５０】
具体的には、図５の実施形態に対して、並列補償器６の抵抗器６ａと抵抗器６ｃａの抵抗値が異なった（補償器の重み付けが異なった）場合、乗算器２６ａの前段に比例器３１を設けた構成である。
【００５１】
抵抗器６ａをＲ１、抵抗器６ｂをＲ２とした場合、比例器３１のゲインは抵抗比Ｒ２／Ｒ１で重み付けをして設定する。
【００５２】
従って、補償器の重み付けの相違を直流電圧に応じてゲインを可変する段階で重み付け調整するので、直流電圧の高低、直流電圧の正負、重み付けの相違によらず、並列補償器６に安定した補償電流量を確保して電流リプルを低減する電源装置を提供することが可能となる。
【００５３】
図７を用いて本発明の第６の実施形態を説明する。
【００５４】
本実施形態は、並列補償器６に印加される直流電圧を直流電流指令と比例ゲインの換算値に置き換えてゲインを可変する制御手段を備えて構成したものである。
【００５５】
具体的には、図１の実施形態に対して、電圧演算器２７の代わりに、電圧演算器２７ａを設けたものである。この場合の電圧演算器２７ａは、電磁石１０に存在するインダクタンス１０ａ（Ｌで表現）分を省略し、電磁石１０に存在する抵抗１０ｂ（Ｒで表現）分のみによる構成と扱うようにしたものである。つまり、電圧演算器２７では微分演算が含まれていたが、電圧演算器２７ａにおいては、微分演算がなくなるので、構成の簡素化や演算の高速化が図れる。
【００５６】
従って、簡素な構成や高速な制御で、直流電圧の高低によらず、並列補償器６に安定した補償電流量を確保して電流リプルを低減する電源装置を提供することが可能となる。
【００５７】
本発明は、以上述べた実施形態に限定されず種々変形して実施できる。すなわち、前述の説明において、並列補償器６をスイッチ素子６ｂ、６ｄと抵抗６ａ、６ｃ、６ｃａで構成する例にとって説明したが、可変インピーダンスを構成するものであればなんでもよい。具体的には、トランジスタ等の半導体スイッチ素子の能動領域(線形領域)での動作特性を利用した構成、複数の半導体スイッチ素子を並列接続したもの、複数の半導体スイッチ素子を並列接続すると共に各半導体スイッチ素子に抵抗を直列に接続したものであってもよく、また直流電圧に依存する並列補償器であってもよい。さらに、並列補償器は単独でなく、多直列や多並列して組合せても同様な効果が得られる。
【００５８】
前述の実施形態では、電圧推測値を求めるために電圧演算器２７、２７ａの入力側に、電流基準発生器２１からの電流指令値(電流基準)Ｉｄ^*を入力した例について説明したが、この代わりに予め与えられる指令値、いわゆる本当の意味の指令値であってもよい。
【００５９】
さらに、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、変形例を含めた異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施形態の電源装置を示す図。
【図２】本発明の第２の実施形態の電源装置を示す図。
【図３】本発明の第３の実施形態の電源装置を示す図。
【図４】本発明の第３の実施形態の作用効果を説明するための図。
【図５】本発明の第４の実施形態の電源装置を示す図。
【図６】本発明の第５の実施形態の電源装置を示す図。
【図７】本発明の第６の実施形態の電源装置を示す図。
【図８】従来の電源装置を示す図。
【符号の説明】
【００６１】
１…交流電源、２…変圧器、３…交直変換器、４…直流リアクトル、５…受動フィルタ
、５ａ…抵抗、５ｂ…コンデンサ、６…並列補償器、６ａ…抵抗、６ｂ…スイッチ素子
、６ａ…スイッチ素子、６ｃ…抵抗、６ｄ…スイッチ素子、６ａ…抵抗器、６ｃａ…抵抗器、６ｂ…抵抗器、１０…電磁石、１０ａ…インダクタンス、１０ｂ…抵抗、１１…減算器、１２…減算器、１３…減算器、２０…電流検出器、２１…電流基準発生器、２２…電流リプル検出器、２３…電流制御器、２４…ゲート制御器、２４ａ…ゲート制御器、２５…定数発生器、２６…乗算器、２６ａ…乗算器、２７…電圧演算器、２７ａ…電圧演算器、２８…電圧検出器、２９…リミット回路、２９ａ…リミット回路、３０…絶対値回路、３１…比例器。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を負荷に供給する交直変換器と、
前記交直変換器の直流出力に含まれる電流リプルを低減する受動フィルタと、
前記受動フィルタの出力電流の電流リプルをさらに低減する可変インピーダンス素子からなる並列補償器と、
前記並列補償器に印加される直流電圧の推測値に応じてゲインを可変する制御器と、
を備えて構成したことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を負荷に供給する交直変換器と、
前記交直変換器の直流出力に含まれる電流リプルを低減する受動フィルタと、
前記受動フィルタの出力電流の電流リプルをさらに低減する可変インピーダンス素子からなる並列補償器と、
前記並列補償器に印加される直流電圧の検出値に応じてゲインを可変する制御器と、
を備えて構成したことを特徴とする電源装置。
【請求項３】
交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を負荷に供給する交直変換器と、
前記交直変換器の直流出力に含まれる電流リプルを低減する受動フィルタと、
前記受動フィルタの出力電流の電流リプルをさらに低減する可変インピーダンス素子からなる並列補償器と、
前記並列補償器に印加される直流電圧に応じてゲインを可変すると共に、前記並列補償器に印加される直流電圧が負のとき前記ゲインを固定値とする制御器と、
を備えて構成したことを特徴とする電源装置。
【請求項４】
交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を負荷に供給する交直変換器と、
前記交直変換器の直流出力に含まれる電流リプルを低減する受動フィルタと、
前記受動フィルタの出力電流の電流リプルをさらに低減する可変インピーダンス素子からなる並列補償器と、
前記並列補償器に印加される直流電圧を正と負に区分し、負の場合は絶対値に対してゲインを可変する制御器と、
を備えて構成したことを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項４記載の電源装置において、前記並列補償器に印加される直流電圧が正の場合と負の場合で重み付けを変えてゲインを可変する制御器を備えて構成したことを特徴とする電源装置。
【請求項６】
交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を負荷に供給する交直変換器と、
前記交直変換器の直流出力に含まれる電流リプルを低減する受動フィルタと、
前記受動フィルタの出力電流の電流リプルをさらに低減する可変インピーダンス素子からなる並列補償器と、
前記並列補償器に印加される直流電圧を直流電流指令と比例ゲインの換算値に置き換えてゲインを可変する制御器と、
を備えて構成したことを特徴とする電源装置。

【図１】