JP4974215B2

JP4974215B2 - 電磁石電源装置

Info

Publication number: JP4974215B2
Application number: JP2006242537A
Authority: JP
Inventors: 誠安富
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-09-07
Also published as: JP2008067490A

Description

本発明は、交流電源からの交流を直流に変換して電磁石コイルに給電する電磁石電源装置に係り、特に改善された地絡電流検出手段を有する電磁石電源装置に関する。

例えば、医療・物理学研究に用いられる加速器用電磁石コイルを励磁するための電磁石電源装置は、高エネルギーで安定した陽子ビームを生成するために、非常に高い精度が要求される。このため電磁石電源装置は、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オーダ以下の高精度制御が求められ、電流検出器および電流の制御回路は高い安定性と高い精度が要求される。

ここで、負荷である電磁石コイルが内部絶縁劣化等によって地絡した場合、上記のように電流の高精度制御を実施しているため、電磁石電源装置の出力電流値は一定に保たれるが、地絡が発生すると想定した磁力と実際の磁力の間に誤差が発生し、ビームの制御に不具合が生ずるという問題がある。従って、このような地絡を確実に検出し、必要な保護動作を行うことが電磁石電源装置にとって重要な機能となる。

上記の地絡電流は、通常電磁石電源装置に付随して設けられた接地抵抗を介して循環するため、従来の方式においては、接地抵抗に流れる電流値を検出、監視することにより地絡を検出するようにしていた。また、より地絡検出の精度を高めるため、電磁石コイルとコイルケース間に直流電源によって直流電圧を加え、この電圧変化を検出することによって地絡検出を行う提案が為されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−１７０６５２号公報（第２−４頁、図１）

従来の接地抵抗による接地電流検出方法によれば、接地抵抗には常時機器と対地間の浮遊容量を介して交直変換器等が発生するリプル電流が流れているため、微小な地絡電流の検出が困難であった。また、加速器は設備規模が大きくさまざまな周辺機器と共に電磁石、および直流ブスが配置されているため目視による点検では地絡箇所を発見することも困難であった。

これに対して特許文献１に示された手法によれば、検出精度の向上は図れるものの、回路構成が複雑となる上、複数の電磁石電源と、複数の電磁石を直列に配置した構成では、地絡電流が複数のループに分散されるため、電磁石の地絡を確実に検出することが困難な場合もあった。

本発明は、上記のような課題を解決するために為されたものであり、その目的は、比較的簡単な回路構成で、地絡電流を精度良く検出することが可能な電磁石電源装置を提供することにある。

上記目的を達成するための手段の特徴を以下に記す。

本発明の第１の発明である電磁石電源装置は、交流電源から供給される交流を直流に変換する交直変換器及びこの交直変換器の直流出力を平滑する受動フィルタとから成り、その出力を負荷となる電磁石コイルＮ（Ｎは２以上の整数）台と交互に直列接続して直流を供給する電磁石電源ユニットＮ台と、前記各々の電磁石電源ユニットの出力を短絡するＮ台のバイパススイッチと、前記Ｎ台電磁石電源ユニットのうち、何れか１台の電磁石電源ユニットの直流出力の正側に設けられた第１の電流検出器と、前記Ｎ台の電磁石電源ユニットのうち、当該１台の電磁石電源ユニットの直流出力の負側に設けられた第２の電流検出器と、前記第１または第２の電流検出器で検出される電流が所定の値になるように前記Ｎ台の電磁石電源ユニットの各々の交直変換器の出力を制御する電流制御手段とを具備し、
前記１台の電磁石電源ユニットの交直変換器を運転して、他の（Ｎ−１）台の交直変換器を停止し、当該１台の電磁石電源ユニットの出力のバイパススイッチを開放して、他の（Ｎ−１）台のバイパススイッチを短絡したとき、前記第１の電流検出器で検出される電流と前記第２の電流検出器で検出される電流の差電流によって、前記Ｎ台の電磁石コイルのうち何れかの電磁石コイルの地絡を検出するようにしたことを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である電磁石電源装置は、交流電源から供給される交流を直流に変換する交直変換器及びこの交直変換器の直流出力を平滑する受動フィルタとから成り、その出力を負荷となる電磁石コイルＮ（Ｎは２以上の整数）台と交互に直列接続して直流を供給する電磁石電源ユニットＮ台と、前記Ｎ台の電磁石電源ユニットの各々の直流出力の正側に設けられた第１の電流検出器と、前記Ｎ台の電磁石電源ユニットの各々の直流出力の負側に設けられた第２の電流検出器と、前記第１または第２の電流検出器で検出される電流が所定の値になるように前記Ｎ台の電磁石電源ユニットの各々の交直変換器の出力を制御する電流制御手段とを具備し、前記Ｎ台のうちの１台の電磁石電源ユニットの出力側の前記第１の電流検出器で検出される電流と、当該１台の電磁石電源ユニットと、地絡検出対象となる１台の電磁石コイルを介して隣り合う電磁石電源ユニットの出力側の前記第２の電流検出器で検出される電流との差電流によって、当該１台の電磁石コイルの地絡を検出するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、比較的簡単な回路構成で、地絡電流を精度良く検出することが可能な電磁石電源装置を提供することができる。

以下，図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は，本発明の実施例１に係る電磁石電源装置の回路構成図である。

図１において、交流電源１から与えられる交流電圧を変圧器２によって降圧して交直変換器３に供給する。交直変換器３によって得られた直流は、受動フィルタ４によって平滑され、接地抵抗５を介して電磁石コイル８に給電される。交直変換器３は、複数個の自己消弧形素子、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）によって構成され、ＩＧＢＴを詳細は後述する制御回路２０からの信号によってオン／オフ制御することにより電磁石コイル８へ直流電流を供給する。交直変換器３の変換方式例としては、電流型コンバータや電圧型コンバータ＋チョッパ等が挙げられる。また、受動フィルタ４は，交直変換器３の出力に含まれる電流リプルを低減するために用いられる。通常は、リアクトル、コンデンサ及び抵抗による２次のローパスフィルタで構成される。

ここで変圧器２、交直変換器３、受動フィルタ４及び接地抵抗５は電磁石電源ユニット１０を形成している。

電磁石電源ユニット１０の正側直流出力には地絡検出用の電流検出器６が、また負側直流出力には制御用の電流検出器７が接続されており、その各々の出力は制御回路２０に与えられる。以下制御回路２０の内部構成について説明する。

電流基準発生器２１は電磁石コイル８を励磁するための直流電流基準Ｉｄ^＊を生成する。そして、減算器２２によってこの直流電流基準Ｉｄ^＊から制御用の電流検出器７で検出された直流電流値Ｉｄを減算し、その出力である直流電流偏差ΔＩ（ΔＩ＝Ｉｄ^＊−Ｉｄ）を電流制御器２３に与える。電流制御器２３は直流電流偏差ΔＩに応じた直流電流の制御量を出力し、この直流電流の制御量に合わせてゲート制御器２４を介して，交直変換器３内のＩＧＢＴにオン／オフ制御信号が与えられる。このようにして直流電流偏差ΔＩがゼロとなるように直流電流値Ｉｄが制御される。

電流検出器６の出力は減算器２５に与えられ、この減算器２５によって電流検出器６の出力から電流検出器７の出力を減算し、その差分を電流検出回路２６に与える。

以上の構成において、電流検出器６と電流検出器７の検出電流値は通常同一値となる。電磁石電源装置は高精度に出力電流を制御し、その電磁石電流リプルは１０^-4〜１０^-6オーダ以下であるため直流母線と対地間あるいは、電磁石コイルと対地間の浮遊容量を介して流れ出す電流は極めて少ない。電磁石コイル部分で微少な地絡電流が発生したとき、電流検出器６と電流検出器７の検出電流値の差分が地絡電流に比例して増加する。電流検出器６で検出した電流をＩｍとし、電磁石コイル部分の地絡電流をＩｇとすれば、電流検出器７で検出される電流はＩｄ＝Ｉｍ−Ｉｇとなる。

従って、電流検出器６と電流検出器７の検出電流値の差分がＩｇとなり、この値が設定値以上になることを検出する電流検出回路２６により電磁石コイル内部で発生した微少な地絡を検出することが可能となる。

図２は本発明の実施例２に係る電磁石電源装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る電磁石電源装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、電磁石電源ユニット及び電磁石コイルを、電磁石電源ユニット１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎ、電磁石コイル８ａ、８ｂ、・・・、８ｎと夫々ｎセット設け、これらの出力を直列接続する構成とした点、電磁石電源ユニット１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎの夫々の出力を短絡することができるバイパススイッチ９ａ、９ｂ、・・・、９ｎを夫々設けた点、地絡検出用の電流検出器６ｎ及び制御用の電流検出器７ｎを電磁石電源ユニット１０ｎの正側及び負側の出力に夫々設けるように構成した点である。尚、ここでｎは２以上の整数である。

上記構成において、バイパススイッチ９ｎのみを開放し、他の（ｎ−１）台のバイパススイッチ９ａ、９ｂ、・・・は短絡する。そして電磁石電源ユニット１０ｎのみを運転し、他の（ｎ−１）台の電磁石電源ユニット１０ａ、１０ｂ、・・・は停止する。

この運転状態において、実施例１の場合と同様、電流検出器６ｎと電流検出器７ｎの検出電流値は通常同一値となる。そして電磁石コイル８ａ、８ｂ、・・・、８ｎのいずれかの電磁石コイル部分で微少な地絡電流が発生したとき、電流検出器６ｎと電流検出器７ｎの検出電流値の差分が地絡電流に比例して増加する。電流検出器６ｎで検出した電流をＩｍとし、例えば電磁石コイル８ｂにおける地絡電流をＩｇとすれば、電流検出器７ｎで検出される電流はＩｄ＝Ｉｍ−Ｉｇとなる。

以上のように電磁石電源ユニット及び電磁石コイルをセットとして複数組設け、これらを直列接続した構成において、地絡電流検出を行うセット以外のセットの電磁石電源ユニットを停止させ、且つバイパススイッチを短絡するようにすれば、何れかのセットの電磁石コイル内部で発生した微少な地絡を検出することが可能な電磁石電源装置を提供することができる。

尚、図２において、電磁石電源ユニット１０ｎの出力のみに電流検出器６ｎ及び電流検出器７ｎを設ける構成としているが、他のセットの電磁石電源ユニットの出力にもこれらの電流検出器が設けられていても良い。同様に、図２においては電磁石電源ユニット１０ｎの出力電流のみを制御するようにし、ゲート制御器２４の出力を全ての電磁石電源ユニットに供給するようにしているが、各々のセットで個別に制御を行うように構成しても良い。

以下、本発明の実施例３に係る電磁石電源装置を図３及び図４を参照して説明する。

図３は本発明の実施例３に係る電磁石電源装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図２の実施例２に係る電磁石電源装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例２と異なる点は、地絡検出用の電流検出器６ａ、６ｂ、・・・、６ｎ及び７ａ、７ｂ、・・・、７ｎを電磁石電源ユニット１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎの正側及び負側の出力に夫々設けるようにし、これらの出力を電流選択比較回路２７に与え、電流選択比較回路２７の出力を電流検出回路２６に与えるように構成した点である。

上記構成において、全てのバイパススイッチ９ａ、９ｂ、・・・、９ｎを開放し、全ての電磁石電源ユニット１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎを運転する。

ここで電流選択比較回路２７の動作について図４を参照して説明する。図４に示すように、電磁石コイル８ａの地絡検出を行うには、電磁石コイル８ａ用の電磁石電源ユニット１０ａの正側出力電流を検出する電流検出器６ａの電流検出値（１）と電磁石電源ユニット１０ｎの負側出力電流を検出する電流検出器７ｎの検出値（２＊ｎ）の差電流を選択して地絡電流検出を行う。

同様に、電磁石コイル８ｂの地絡検出を行うには、電磁石コイル８ｂ用の電磁石電源ユニット１０ｂの正側出力電流を検出する電流検出器６ｂの電流検出値（３）と電磁石電源ユニット１０ａの負側出力電流を検出する電流検出器７ａの検出値（２）の差電流を選択して地絡電流検出を行い、電磁石コイル８ｎの地絡検出を行うには、電磁石コイル８ｎ用の電磁石電源ユニット１０ｎの正側出力電流を検出する電流検出器６ｎの電流検出値（２＊ｎ−１）と電磁石電源ユニット１０ｍの負側出力電流を検出する電流検出器７ｍの検出値（２＊ｎ−２）の差電流を選択して地絡電流検出を行う。ただしここでｍ＝ｎ−１である。

以上説明したように、ｎ台の電磁石電源ユニットを運転した状態で、運転している電磁石電源ユニットの正側出力の直流電流と、地絡検出対象となる１台の電磁石コイルを介して隣り合う電磁石電源ユニットの負側出力の直流電流の差分を検出するようにすれば、任意の電磁石コイルの地絡電流を検出することができる。

本実施例によれば、地絡が発生した電磁石コイル（または、電磁石コイルのグループ）を特定することが可能となる。従って、例えば実施例２に示した手法によっていずれかの電磁石コイルの地絡を検出したあと、本実施例の手法によって地絡が発生した電磁石コイルを特定するなどの応用が可能となる。また、実施例２に示した手法を用いず、本実施例の手法のみによって電磁石コイルの地絡を検出するときは、バイパススイッチ９ａ、９ｂ、・・・、９ｎを設ける必要はない。

尚、以上の説明においては、電流選択比較回路２７によって検出電流を切り換えて地絡電流を検出する構成としたが、個々の電磁石電源ユニットまたは電磁石コイルに対応して比較回路と電流検出回路を設ける構成としても良い。

以上の実施例１乃至３の説明において、電磁石電源ユニットの構成要素即ち変圧器、交直変換器、受動フィルタ等は、１台に限定されることなく、複数台あっても良いしまた複数台を組み合わせたものであっても良い。また、電磁石電源ユニットは、リプル電流を抑制するためのリプル補償器を備えているものであっても良い。

同様に、電磁石コイルの台数についても、図示の１台が複数台の電磁石コイルの組合せから構成されていても良いことは明らかである。

本発明の実施例１に係る電磁石電源装置の回路構成図。本発明の実施例２に係る電磁石電源装置の回路構成図。本発明の実施例３に係る電磁石電源装置の回路構成図。電流選択比較回路の動作説明図。

符号の説明

１交流電源
２変圧器
３交直変換器
４受動フィルタ
５接地抵抗
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、・・・、６ｎ電流検出器
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、・・・、７ｎ電流検出器
８、８ａ、８ｂ、８ｃ、・・・、８ｎ電磁石コイル
９ａ、９ｂ、・・・、９ｎバイパススイッチ
１０、１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎ電磁石電源ユニット

２０制御回路
２１電流基準発生器
２２減算器
２３電流制御器
２４ゲート制御器
２５減算器
２６電流検出回路
２７電流選択比較回路

Claims

交流電源から供給される交流を直流に変換する交直変換器及びこの交直変換器の直流出力を平滑する受動フィルタとから成り、その出力を負荷となる電磁石コイルＮ（Ｎは２以上の整数）台と交互に直列接続して直流を供給する電磁石電源ユニットＮ台と、
前記各々の電磁石電源ユニットの出力を短絡するＮ台のバイパススイッチと、
前記Ｎ台電磁石電源ユニットのうち、何れか１台の電磁石電源ユニットの直流出力の正側に設けられた第１の電流検出器と、
前記Ｎ台の電磁石電源ユニットのうち、当該１台の電磁石電源ユニットの直流出力の負側に設けられた第２の電流検出器と、
前記第１または第２の電流検出器で検出される電流が所定の値になるように前記Ｎ台の電磁石電源ユニットの各々の交直変換器の出力を制御する電流制御手段と
を具備し、
前記１台の電磁石電源ユニットの交直変換器を運転して、他の（Ｎ−１）台の交直変換器を停止し、
当該１台の電磁石電源ユニットの出力のバイパススイッチを開放して、他の（Ｎ−１）台のバイパススイッチを短絡したとき、
前記第１の電流検出器で検出される電流と前記第２の電流検出器で検出される電流の差電流によって、前記Ｎ台の電磁石コイルのうち何れかの電磁石コイルの地絡を検出するようにしたことを特徴とする電磁石電源装置。
交流電源から供給される交流を直流に変換する交直変換器及びこの交直変換器の直流出力を平滑する受動フィルタとから成り、その出力を負荷となる電磁石コイルＮ（Ｎは２以上の整数）台と交互に直列接続して直流を供給する電磁石電源ユニットＮ台と、
前記Ｎ台の電磁石電源ユニットの各々の直流出力の正側に設けられた第１の電流検出器と、
前記Ｎ台の電磁石電源ユニットの各々の直流出力の負側に設けられた第２の電流検出器と、
前記第１または第２の電流検出器で検出される電流が所定の値になるように前記Ｎ台の電磁石電源ユニットの各々の交直変換器の出力を制御する電流制御手段と
を具備し、
前記Ｎ台のうちの１台の電磁石電源ユニットの出力側の前記第１の電流検出器で検出される電流と、
当該１台の電磁石電源ユニットと、地絡検出対象となる１台の電磁石コイルを介して隣り合う電磁石電源ユニットの出力側の前記第２の電流検出器で検出される電流との差電流によって、
当該１台の電磁石コイルの地絡を検出するようにしたことを特徴とする電磁石電源装置。
前記Ｎ台の電磁石電源ユニットの各々の直流出力の正側に設けられた第１の電流検出器で検出されるＮ個の電流値と、
前記Ｎ台の電磁石電源ユニットの各々の直流出力の負側に設けられた第２の電流検出器で検出されるＮ個の電流値とを入力とする電流選択比較手段を備え、
前記電流選択比較手段は、
前記Ｎ台のうち１台の電磁石コイルに流入する前記第１の電流検出器で検出される電流値と、当該１台の電磁石コイルから流出する前記第２の電流検出器で検出される電流値との差電流を
Ｎ台分次々と切替えて各々の電磁石コイルの地絡を検出するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電磁石電源装置。