JP2009033014A - 超電導コイルの電源制御装置及び超電導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】インダクタンスが１Ｈ以上の大きな超電導コイルにクエンチ検出手段を用いた場合に、超電導コイルを励磁・減磁する際のクエンチの誤検出を防止する。
【解決手段】超電導コイル１３に電流を流す直流電源１２と、一定時間毎に設定した電流に対応する標準電圧を直流電源に与えて電源制御を行うプログラムＰを有した標準電圧発生器１１を備え、プログラムは、標準電圧を所定電圧へ昇圧する励磁期間を、標準電圧を時間に対して指数関数的に増加させる昇圧開始期間と、標準電圧を時間に対して直線的に増加させる昇圧中間期間と、標準電圧を時間に対して飽和特性を有するように緩やかに増加させる昇圧終了期間に区分し、標準電圧発生器はプログラムに応じて、これら区分した各期間毎に設定した標準電圧を一定時間毎に直流電源に与えていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、超電導コイルの電源制御装置および該電源制御装置を備えた超電導機器に関し、詳しくは、クエンチ検出器で検出されるノイズの除去・低減を図るものである。

従来、超電導マグネットを備えた超電導機器において、電源から超電導コイルに電流を流して超電導コイルを励磁しているが、このとき、超電導コイルの両端には、Ｌ・（ｄＩ／ｄｔ）の電圧が生じる。（Ｌは超電導コイルのインダクタンス、Ｉは超電導コイルに流れる電流、ｔは時間、ｄＩ／ｄｔは電流の時間変化率）
特に、１Ｈ（ヘンリー）以上の大きいインダクタンスＬを持つ超電導コイルの場合、超電導コイルに流す電流を急激に増加または減少させると、超電導コイルの両端に生じる電圧に一時的にパルス状の高電圧が発生する。

超電導機器には、通常、超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出手段を備えており、本出願人は特開２００６−３１９１３９号公報（特許文献１）において、この種のクエンチ検出手段を備えた超電導機器を提供している。
特許文献１で提供している超電導機器１は、図４に示すように、電源２と、電源２から電力供給される超電導コイル３と、超電導コイル３のクエンチの前駆現象を検出するクエンチ検出器４と、該クエンチ検出器４と接続してコイル電流を調節する電源制御回路５を備えている。
前記クエンチ検出器４は、超電導コイル３の中点を電圧タップでとり、超電導コイル３と並列に接続した可変抵抗６の電圧タップとでバランス信号をとる中性点方式を採用している。中性点方式では、超電導コイルのインダクタンス成分の電圧を消去して手以降成分の電圧を検出している。超電導コイル３にクエンチの前駆現象が生じて超電導コイル３の抵抗値が増加すると、超電導コイル３と可変抵抗６により構成されるブリッジ回路の平衡が崩れ、差電圧が生じる。この差電圧を検出することにより超電導コイル３のクエンチを検出している。

特開２００６−３１９１３９号公報

しかしながら、インダクタンスＬが１Ｈ（ヘンリー）以上と大きい超電導コイルを用いた場合、この超電導コイルに供給する電流を急激に増加または減少させると、前述したように超電導コイルの両端に大きなパルス状の電圧が生じる。これにより、前記ブリッジ回路の平衡が崩れて、図５に示すように差電圧に大きなパルス電圧Ｖ１〜Ｖ４が一時的に生じ、クエンチ検出器４がこのパルス電圧をクエンチの発生と誤認しやすく、この点で改善の余地がある。
なお、図５に示すパルス電圧はインダクタンスＬが３７Ｈの超電導コイルに電圧を印加したときのものであり、前記パルス電圧Ｖ１は超電導コイルに電源が電圧の印加を開始した励磁開始時に生じるパルス電圧、パルス電圧Ｖ２は、電源が印加する電圧を上昇させて所定電圧に達したときに該電圧の上昇を停止する際に生じるパルス電圧である。また、パルス電圧Ｖ３は、電源が所定電圧を超電導コイルに印加している状態から印加電圧を減少させる減磁開始時に生じるパルス電圧、パルス電圧Ｖ４は超電導コイルへの印加電圧をゼロとする減磁終了時に生じるパルス電圧である。このように、本発明者が行った試験により、超電導コイルへの電圧供給の開始時、変圧期間から電圧を一定に保持する期間（電圧保持期間）への移行時、電圧保持期間から変圧期間への移行時、電圧供給停止時に大きなパルス電圧が発生することが確認されている。

このようなパルス電圧を取り除くために、クエンチ検出器に連続ノイズカットフィルターを付設する場合もある。しかしながら、ノイズカットフィルターでは、前述したような超電導コイルへの励磁・減磁時に一時的に生じる大きなパルス電圧Ｖ１〜Ｖ４を除去することは困難であり、また、該ノイズカットフィルターによりクエンチ検出に必要な超電導コイルの抵抗成分の電圧が除去されてしまう場合がある。

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、インダクタンスが１Ｈ以上と大きい超電導コイルを励磁・減磁する際に、超電導コイルと接続したクエンチ検出手段のクエンチの誤検出を防止することを課題としている。

前記課題を解決するため、
超電導コイルに電流を流す直流電源と、
前記直流電源と接続し、一定時間毎に設定した標準電圧を前記直流電源に印加して前記超電導コイルへの電流制御を行うプログラムを有する標準電圧発生器を備え、
前記プログラムは、
前記標準電圧を所定電圧へ昇圧する励磁期間を、前記標準電圧を時間に対して指数関数的に増加させる昇圧開始期間と、前記標準電圧を時間に対して直線的に増加させる昇圧中間期間と、前記標準電圧を時間に対して飽和特性を有するように緩やかに増加させる昇圧終了期間に区分し、
前記標準電圧発生器は前記プログラムに応じて、これら区分した各期間毎に設定した標準電圧を前記一定時間毎に前記直流電源に与えていることを特徴とする超電導コイルの電源制御装置を提供している。

前記構成からなる本発明の超電導コイルの電源制御装置では、超電導コイルに電力を供給する直流電源に標準電圧発生器を接続し、該標準電圧発生器から前記直流電源に印加する電圧を前記プログラムで一定時間単位で規定した標準電圧とし、これにより、直流電源から超電導コイルに供給する電流量を制御している。

具体的には、前記したように、超電導コイルに直流電源から供給する電流値を所定の電流値へ連続的に増加させる励磁期間では、昇圧開始期間、昇圧中間期間、昇圧終了期間の３つの期間に分けて、前記標準電圧発生器で標準電圧を前記プログラムで一定時間毎に設定している。
前記したように、昇圧開始期間においては、昇圧開始期間の開始時から時間の経過に対して電圧増加の割合を大きくして指数関数的に電圧を増加させ、昇圧開始期間の終了時の電圧増加の割合を昇圧中間期間の開始時の電圧増加の割合と同じとしている。
昇圧中間期間に入ると、印加電圧を、時間の経過に対して電圧増加の割合を一定として直線的に増加させている。
すなわち、標準電圧発生器の直流電源へ印加する標準電圧の増加の開始時（立ち上がり時）に、電圧を直線的に増加させるのではなく、昇圧開始期間を設けて緩やかに電圧を増加させた後、昇圧中間期間で直線的に電圧を増加させている。
また、印加する電圧を所定電圧まで昇圧する際に、電圧を直線的に所定電圧まで到達させるのではなく、昇圧終了期間を設けて時間の経過に対して飽和特性を有するように電圧増加の割合を減少させることで、昇圧中間期間よりも緩やかに電圧を増加させている。
昇圧終了期間の終了後即ち励磁期間の終了後は一定の所定電圧が電源に印加される。

励磁時に電圧を所定電圧まで直線的に増加させて急激に電圧を印加する場合と比べて、本発明の電源制御装置の標準電圧発生器は、昇圧開始期間及び昇圧終了期間を設け、印加電圧の立ち上がりまたは所定電圧への到達時には昇圧中間期間よりも緩やかに電圧を増加させているので、標準電圧の変化を小さくすることができ、直流電源が超電導コイルに流す電流の変化も小さくなる。このため、電源から超電導コイルへ流す電流を増加させる場合の電流増加開始時と終了時に、超電導コイルに一時的にパルス電圧が生じることを防止することができる。
特に、インダクタンスＬが１Ｈ（ヘンリー）以上の大きな超電導コイルの場合、電源から超電導コイルへ流す電流の増加の開始時と終了時に一時的にパルス電圧が生じやすいため、本発明の電圧制御装置は好適に用いられる。
また、励磁期間の間、電圧の増加の割合を常に緩やかにすると所定の電圧に到達するのに時間がかかり過ぎてしまうが、前記電源制御装置の標準電圧発生器では、励磁期間のうちの昇圧中間期間は電圧の増加の割合を大きくしているため、所定の電圧に到達するために必要な時間を短縮することができ、効率良く電源に電圧を印加することができる。

前記印加電圧をゼロから所定電圧に昇圧する励磁期間においては、前記昇圧開始期間の標準電圧は４次〜６次の指数関数で一定時間毎に増加させ、前記昇圧終了期間の標準電圧は前記所定電圧に向かって曲線が飽和するように４次〜６次の指数関数で一定時間毎に増加させることが好ましい。
前記４次〜６次の指数関数で増減しているのは、前記昇圧開始期間の印加電圧が４次より小さい指数関数で増加される場合、または、昇圧終了期間の印加電圧が４次より小さい指数関数で減少される場合には、標準電圧発生器が直流電源に印加する電圧の増加の割合が小さくなり、所定電圧まで到達するまでの時間が長くなることによる。
一方、昇圧開始期間の印加電圧が６次より大きい指数関数で増加される場合、または、昇圧終了期間の印加電圧が６次より小さい指数関数で減少させる場合には、標準電圧発生器が直流電源に印加する電圧の増加の割合が急激となり、超電導コイルの両端に生じる電圧に一時的にパルス電圧が生じるおそれがあることによる。

前記標準電圧を所定電圧からゼロまたは所要の電圧に降圧する減磁期間を、前記標準電圧を時間に対して飽和特性を有するように減少させる降圧開始期間と、前記標準電圧を時間に対して直線的に減少させる降圧中間期間と、前記標準電圧を時間に対して指数関数的に減少させる降圧終了期間に区分し、一定時間毎に電圧を設定していることが好ましい。

前記した励磁時と同様に減磁時にも、標準電圧発生器では標準電圧を一定時間単位で減少させる設定とし、かつ、減磁期間を、降圧開始期間と、降圧中間期間と、降圧終了期間の３つの期間に分けて標準電圧を設定している。
このように、減磁期間においても、励磁期間と同様に、標準電圧発生器は降圧開始期間及び降圧終了期間を設けて降圧中間期間よりも緩やかに電圧を減少させているので、電源から超電導コイルへ流す電流を減少させる場合の電流減少の開始時と終了時に、超電導コイルに一時的にパルス電圧が生じることを防止することができる。
また、前記電源制御装置の標準電圧発生器では、減磁期間のうちの降圧中間期間は電圧の減少の割合を大きくしているため、降圧に必要な時間を短縮することができ、効率良く電源に電圧を印加することができる。

前記プログラム制御される標準電圧発生器により行う超電導コイルへの電流値の制御は、前記励磁期間がゼロから所定電圧へ昇圧する励磁時およびゼロへ降圧する減磁時では電圧変動幅が大きいため、特に有効に機能する。
超電導コイルの運転においては、超電導コイルの運転の開始または停止時の電流の変化量は、超電導コイルの運転中のコイル制御のための電流の変化量よりも大きいため、超電導コイルの運転の開始または停止時に超電導コイルにパルス電圧が最も発生しやすい。
このため、本発明の電源制御装置を超電導コイルの運転の開始または停止時に用いることで、効果的に超電導コイルにパルス電圧が生じることを防止することができる。

前記標準電圧発生器では、０．０５〜２秒の範囲を一定時間単位として標準電圧を設定することが好ましい。
標準電圧はデジタル信号として一定時間単位で直流電源に印加しており、デジタル信号の一定時間（サンプリング周期）は０．０５〜２秒としている。
これは、一定時間が２秒より大きいと、直流電源に印加する標準電圧の増加または減少の割合が大きい場合に、連続的に電圧値を変化させることができにくく、また、０．０５秒より小さいと、標準電圧発生器に高速な演算器が必要となることによる。より好ましくは一定時間を０．１ｓｅｃとしている。
また、該標準電圧発生器は前記励磁期間後から減磁期間前の磁場保持時も一定時間毎に前記標準電圧を前記電源に印加していることが好ましい。

また、本発明は、前記電源制御装置を備えた超電導機器を提供している。
該超電導機器は、前記電源制御装置と接続した超電導コイルと可変抵抗とを並列接続したブリッジ回路を設け、
前記ブリッジ回路の超電導コイルと可変抵抗に接続され、該ブリッジ回路の差電圧を測定すると共に、該差電圧が所定の閾値を越えたときに前記超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出器を備え、クエンチ検出時に前記電源制御装置の直流電源と前記超電導コイルを切り離すブレーカを備えていることを特徴とする。

前記超電導機器は、超電導コイルのクエンチ検出器を備えており、前記ブリッジ回路の差電圧によりクエンチを検出している。
従来では、超電導コイルに流す電流を急激に変化させると超電導コイルにパルス電圧が発生して差電圧にもパルス電圧が生じ、クエンチ検出器が該パルス電圧をクエンチの発生と誤認してしまう場合があったが、前記本発明の電源制御装置を用いることで、超電導コイルにパルス電圧が生じることを防止しているため、クエンチ検出器が該パルス電圧によってクエンチの発生と誤認するのを防止することができる。

前述したように、本発明の超電導コイルの電源制御装置によれば、標準電圧発生器により、励磁時には昇圧開始期間及び昇圧終了期間を設けて印加電圧の立ち上がりまたは所定電圧への到達時は昇圧中間期間よりも緩やかに電圧を増加させているので、電圧の変化を小さくすることができ、その結果、直流電源から超電導コイルに供給する電流の変化を小さくすることができる。このため、電源から超電導コイルへ流す電流を増加させる場合の増加の開始時と終了時に、超電導コイルに一時的にパルス電圧が生じることを防止することができる。

また、前記電源制御装置を備えた本発明の超電導機器によれば、超電導コイルにパルス電圧が生じることを防止しているため、クエンチ検出器が該パルス電圧によってクエンチの発生と誤認するのを防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図３に、本発明の実施形態を示す。
本実施形態の超電導マグネットを備えた超電導機器１０は、超電導コイル１３にブレーカ２０と出力端子２１を介して直流電源（以下、電源と略称する）１２と接続している。
前記直流電源１２は電源制御用の標準電圧発生器１１と接続し、電源制御装置３０を構成している。なお、標準電圧発生器１１は直流電源１２に予め組み込んでおいてもよい。

標準電圧発生器１１は、電源１２から超電導コイル１３へ流す電流を制御するために、該電源１２に標準電圧を印加するものであり、電源１２へ印加する標準電圧を一定時間単位で設定したプログラムＰを備えている。
該プログラムＰにより標準電圧発生器１１は電源１２に標準電圧を印加し、電源１２は標準電圧に応じて超電導コイル１３に所要の電流値の電流を供給している。

超電導コイル１３は、酸化物超電導線材（Ｂ@２２２３、Ｂｉ２２１２またはＹＢＣＯ）を巻回して形成したインダクタンスＬが３７Ｈのコイルであり、図示していないが、液体窒素からなる冷媒により超電導温度まで冷却されている。

前記超電導コイル１３に可変抵抗１４を並列接続してブリッジ回路１５を構成し、該ブリッジ回路１５の超電導コイル１３と可変抵抗１４にクエンチ検出器１６を接続している。超電導コイル１３の中点を電圧タップでとり、超電導コイル１３の電圧を検出する可変抵抗１４の電圧タップとでバランス信号をとり、該バランス信号をクエンチ検出器１６に入力している。
前記超電導コイル１３にクエンチが発生し、超電導コイル１３の抵抗値が増加すると、ブリッジ回路１５の平衡が崩れ、その結果発生する差電圧がクエンチ検出器１６に入力される。クエンチ検出器１６では、超電導コイル１３にクエンチが発生したことを検知する差電圧の閾値を０．２Ｖに設定しており、０．２Ｖ以上の差電圧を検知した時、超電導コイル１３がクエンチしたとして検出している。

前記クエンチ検出器１６により超電導コイル１３のクエンチが検出されると、リレーシーケンス１７の指令により遮断回路１８を介してブレーカ２０を落とし、電源１２と超電導コイル１３を遮断する構成としている。
また、超電導コイル１３には保護抵抗２２とダイオード２３が並列に接続されており、ブレーカ２０を落として電源１２と超電導コイル１３を遮断したときに、超電導コイル１３に蓄積したエネルギーが電流としてダイオード２３に規制された方向に流れ保護抵抗２２で消費される。

超電導コイル１３へ電源１２から供給する電流値の変動により、前記クエンチ検出器１６でクエンチとして検出される電圧が発生しないように、前記標準電圧発生器１１で電源１２を制御し、パルス電圧（所謂ノイズ）の発生を防止している。
具体的には、標準電圧発生器１１から電源１２に一定時間毎にデジタル的に標準電圧を印加しており、一定時間は０．０５〜２秒である。本実施形態では０．１秒としている。

以下に、標準電圧発生器１１において、プログラム制御される標準電圧について詳述する。
前記標準電圧発生器１１のプログラムＰは、電源１２へ電圧を印加する際に、図２に示すように、時間ｓ＝０の供給開始からの時間ｔ３までは電圧値をゼロから所定電圧Ｖｔｏｐへ連続的に昇圧させる励磁期間Ｔ１としている。
励磁期間Ｔ１は、前記印加電圧を時間に対して指数関数的に増加させる昇圧開始期間Ｔ１−１と、前記印加電圧を時間に対して直線的に増加させる昇圧中間期間Ｔ１−２と、前記印加電圧を時間に対して飽和特性を有するように増加させる昇圧終了期間Ｔ１−３に区分している。
図２において、昇圧開始期間Ｔ１−１の終了時即ち昇圧中間期間Ｔ１−２の開始時を時間ｓ＝ｔ１、昇圧中間期間Ｔ１−２の終了時即ち昇圧終了期間Ｔ１−３の開始時を時間ｓ＝ｔ２、昇圧終了期間Ｔ１−３の終了時を時間ｓ＝ｔ３としている。

また、標準電圧発生器１１が電源１２へ印加する標準電圧を停止する場合に、時間ｓ＝４からｔ７までの所定期間は、印加電圧を所定電圧Ｖｔｏｐからゼロまで連続的に降圧させる減磁期間Ｔ３としている。前記減磁期間Ｔ３は、前記印加電圧を時間に対して飽和特性を有するように減少させる降圧開始期間Ｔ３−１と、前記印加電圧を時間に対して直線的に減少させる降圧中間期間Ｔ３−２と、前記印加電圧を時間に対して指数関数的に減少させる降圧終了期間Ｔ３−３に区分している。
図２において、降圧開始期間Ｔ３−１の終了時即ち降圧中間期間Ｔ３−２の開始時を時間ｓ＝ｔ５、降圧中間期間Ｔ３−２の終了時即ち降圧終了期間Ｔ３−３の開始時を時間ｓ＝ｔ６、降圧終了期間Ｔ３−３の終了時を時間ｓ＝ｔ７としている。
また、励磁期間Ｔ１後から減磁期間Ｔ３前の磁場保持時を電圧保持期間Ｔ２としている。

詳細には、昇圧開始期間Ｔ１−１に標準電圧発生器１１が電源１２に印加する電圧ｙ（ｓ）は式（１）で表される。なお、ｓは電力供給開始時からの経過時間、ａ、ｂは定数である。

次に、昇圧中間期間Ｔ１−２に標準電圧発生器１１が電源１２に印加する電圧ｙ（ｓ）は式（２）で表される。なお、時間ｓ＝ｔ１＝Ｔｃは昇圧中間期間Ｔ１−２の開始時、即ち、昇圧開始期間Ｔ１−１の終了時であり、Ｖｃｖは昇圧中間期間Ｔ１−２の電圧の増加の割合を示しており、電圧の増加の割合は一定である。

さらに、昇圧終了期間Ｔ１−３に標準電圧発生器１１が電源１２に印加する電圧ｙ（ｓ）は式（３）で表される。なお、時間ｔ３は昇圧終了期間Ｔ１−３の終了時であり、Ｖｔｏｐは励磁期間Ｔ１後から減磁期間Ｔ３前の磁場保持時（電圧保持期間Ｔ２）も標準電圧発生器１１が電源１２に印加する所定電圧である。

次に、前述した式（１）〜式（３）の定数を具体的に決定して、標準電圧発生器１１が電源１２にゼロから所定電圧まで連続的に電圧を印加するときの時間ｓに対する電圧を求める。
まず、以下の条件を満たすように式（１）の定数ａ、ｂを決定する。
（１）１分間は電源１２の電流の増加速度を０．００２Ａ／ｓｅｃとする。
（２）３分間で電源１２が超電導コイルに流す電流値が３６Ａとなるようにする。
ここで、３００Ａが１０Ｖに対応するので、上記条件を式（１）に代入してａ，ｂを求めると、ａ＝６．４１７×１０^−１４、ｂ＝５．１９２となる。
これより、昇圧開始期間Ｔ１−１の印加電圧はほぼ５次の関数で表される。

次に、昇圧中間期間Ｔ１−２の電圧の増加の割合Ｖｃｖを求める。昇圧中間期間Ｔ１−２の時間に対する電流の増加の割合を０．１６Ａ／ｓｅｃとすると、３００Ａが１０Ｖに対応するので、Ｖｃｖ＝０．１６×１０／３００＝５．３３３×１０^−３となる。

時間ｔ１＝Ｔｃにおいては、昇圧開始期間Ｔ１−１の終了時の電圧の増加の割合と、昇圧中間期間Ｔ１−２の電圧の増加の割合Ｖｃｖが等しくなる。
昇圧開始期間Ｔ１−１の終了時の電圧の増加の割合は、式（１）の微分で表され、式（４）となる。

式（４）＝Ｖｃｖから昇圧開始期間Ｔ１−１の終了時、即ち、昇圧中間期間Ｔ１−２の開始時である時間ｔ１＝Ｔｃを求めると、Ｔｃ＝２７１．８５９ｓｅｃとなる。

電源１２が電圧保持期間Ｔ２に超電導コイル１３に流す所定電流をＩｓｃ＝２１４．５Ａとすると、超電導コイルに印加する所定電圧Ｖｔｏｐ＝Ｉｓｃ・１０Ｖ／３００Ａ＝７．１５Ｖとなる。
また、昇圧中間期間Ｔ１−２に上昇する電圧Ｖｌｎを求める。本実施形態では、昇圧開始期間Ｔ１−１の時間幅を時間Ｔｃとすると共に、昇圧終了期間Ｔ１−３の時間幅即ち時間ｔ３−ｔ２を時間Ｔｃとする。
このとき、電圧Ｖｌｎは式（５）で求められる。

式（５）にＶｔｏｐ、Ｔｃを代入すると、Ｖｌｎ＝６．５９１Ｖとなる。
このとき、昇圧中間期間Ｔ１−２の経過時間Ｔｌｎ（＝時間ｔ２−ｔ１）は
Ｔｌｎ＝Ｖｌｎ／Ｖｃｖ＝１．２３６×１０^３ｓｅｃとなる。

即ち、図２に示すように、標準電圧発生器１１が電源１２に印加する電圧は、励磁期間Ｔ１においては時間ｓ＝０からｔ１（＝Ｔｃ）までは昇圧開始期間Ｔ１−１として式（１）に示す電圧となり、時間ｔ１からｔ２（＝Ｔｃ＋Ｔｌｎ）は式（２）に示す電圧となり、時間ｔ２からｔ３（＝２・Ｔｃ＋Ｔｌｎ）は式（３）に示す電圧となる。

このように、励磁期間Ｔ１の時間を用いて電源１２に所定電圧Ｖｔｏｐを印加する。
ここで、昇圧終了期間Ｔ１−３の終了時から所定の期間Ｔ２（電圧保持期間Ｔ２）、電源１２に所定電圧Ｖｔｏｐを印加し続けるものとし、本実施形態では、電圧保持期間Ｔ２はＴｈｏｌｄ＝３分間としている。
なお、電圧保持期間Ｔ２は超電導コイル１３を運転（使用）している期間であり、該電圧保持期間Ｔ２の長さは３分間には限定されず、超電導コイル１３の用途などによって定まる。

次に、電源１２が超電導コイル１３へ流す電流を停止する場合、即ち、標準電圧発生器１１が電源１２に印加する電圧をゼロとする場合について説明する。
このとき、標準電圧発生器１１は減磁期間Ｔ３において印加電圧を所定電圧Ｖｔｏｐからゼロまで連続的に減少させている。
なお、減磁期間Ｔ３においても、定数ａ、ｂの値を励磁期間Ｔ１と同一としていると共に、降圧中間期間Ｔ３−２の時間ｔ６−ｔ５をＴｌｎ、降圧中間期間Ｔ３−２に変化する電圧をＶｌｎ，降圧中間期間Ｔ３−２の電圧の減少の割合をＶｃｖ、降圧開始期間Ｔ３−１及び降圧終了期間Ｔ３−３の時間ｔ５−ｔ４、ｔ７−ｔ６をＴｃとし、励磁期間Ｔ１と同一としている。

降圧開始期間Ｔ３−１における電圧ｙ（ｓ）は式（６）で表される。時間ｔ４は降圧開始期間Ｔ３−１の開始時点であり、ｔ４＝Ｔｃ・２＋Ｔｌｎ＋Ｔｈｏｌｄ・６０ｓｅｃである。

降圧中間期間Ｔ３−２における電圧ｙ（ｓ）は式（７）で表される。ここで、時間ｔ５＝ｔ４＋Ｔｃ＝Ｔｃ・３＋Ｔｌｎ＋Ｔｈｏｌｄ・６０ｓｅｃである。

降圧終了期間Ｔ３−３における電圧ｙ（ｓ）は式（８）で表される。ここで、時間ｔ７＝Ｔｃ・４＋Ｔｌｎ・２＋Ｔｈｏｌｄ・６０ｓｅｃである。

なお、本実施形態においては、減磁期間Ｔ３においても定数ａ、ｂやＴｌｎ、Ｖｌｎ，Ｖｃｖ、Ｔｃ等の値を励磁期間Ｔ１と同一としているが、励磁期間Ｔ１とは異なる値を用いて各期間の時間幅や電圧の減少の割合を変化させてもよい。
また、本実施形態では、ａ＝６．４１７×１０^−１４としているが、ａは２×１０^−１５〜４×１０^−１１、より好ましくは、２．５０９×１０^−１５〜３．６４３×１０^−１１としてもよい。
また、本実施形態では、ｂ＝５．１９２としているが、ｂは４〜６、より好ましくは、４．１１４〜５．７４としてもよい。

前記したように、電源制御装置３０の標準電圧発生器１１が電源１２に印加する電圧を前記のように時間単位で制御すると、励磁時において、昇圧開始期間Ｔ１−１、降圧開始期間Ｔ３−１と昇圧終了期間Ｔ１−３、降圧終了期間Ｔ３−３の電圧を緩やかに変化させることができる。
このとき、ブリッジ回路１５の差電圧に現れるパルス電圧Ｖ１〜Ｖ４は図３に示すよう０．１Ｖとなり、図５に示す約１Ｖのパルス電圧の１／１０となる。
このように、クエンチと関係なく発生していた一時的なパルス電圧Ｖ１〜Ｖ４を極めて小さくなるようにしている。
また、電源制御装置３０を用いることで、ブリッジ回路１５の差電圧に現れるパルス電圧を小さくすることができ、パルス電圧Ｖ１〜Ｖ４がクエンチ検出器１６で設定したクエンチを検出する閾値０．２Ｖよりも小さくなるようにしているため、クエンチの誤検出を防止することができる。

なお、本実施形態では、励磁期間では前記標準電圧をゼロから所定電圧へ昇圧し、減磁期間では標準電圧を所定電圧からゼロへ降圧したが、励磁期間では標準電圧をゼロではなくある所定電圧値から他の所定電圧へ昇圧してもよい。また、減磁期間では標準電圧を所定電圧から他の所定電圧値へ降圧してもよい。すなわち、超電導コイルを運転中である電圧保持期間Ｔ２に、電源が超電導コイルに流す電流を増減させる必要がある場合において、標準電圧発生器は標準電圧発生器に備えたプログラムを用いて電源に標準電圧を印加してもよい。

前記実施の形態はすべての点で例示であって、これら実施形態に限定されず、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明の電源制御装置を備えた超電導機器は、超電導コイルのインダクタンスが１Ｈ（ヘンリー）以上の大型の超電導コイルを備えた電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、高磁場マグネット全般として用いられるものである。

本発明の実施形態の超電導機器の回路図である。 電源制御装置で制御された電源電圧の変化を示す図面である。 ブリッジ回路の差電圧を示す図面である。 従来例を示す図面である。 従来の問題点を示す図面である。

符号の説明

１０ 超電導機器
１１ 標準電圧発生器
１２ 直流電源
１３ 超電導コイル
１４ 可変抵抗
１５ ブリッジ回路
１６ クエンチ検出器
Ｔ１ 励磁期間
Ｔ１−１ 昇圧開始期間
Ｔ１−２ 昇圧中間期間
Ｔ１−３ 昇圧終了期間
Ｔ２ 電圧保持期間
Ｔ３ 減磁期間
Ｔ３−１ 降圧開始期間
Ｔ３−２ 降圧中間期間
Ｔ３−３ 降圧終了期間

Claims (6)

1. 超電導コイルに電流を流す直流電源と、
   前記直流電源と接続し、一定時間毎に設定した標準電圧を前記直流電源に印加して前記超電導コイルへの電流制御を行うプログラムを有する標準電圧発生器を備え、
   前記プログラムは、
   前記標準電圧を所定電圧へ昇圧する励磁期間を、前記標準電圧を時間に対して指数関数的に増加させる昇圧開始期間と、前記標準電圧を時間に対して直線的に増加させる昇圧中間期間と、前記標準電圧を時間に対して飽和特性を有するように緩やかに増加させる昇圧終了期間に区分し、
   前記標準電圧発生器は前記プログラムに応じて、これら区分した各期間毎に設定した標準電圧を前記一定時間毎に前記直流電源に与えていることを特徴とする超電導コイルの電源制御装置。
2. 前記印加電圧をゼロから所定電圧に昇圧する励磁期間においては、前記昇圧開始期間の標準電圧は４次〜６次の指数関数で一定時間毎に増加させ、前記昇圧終了期間の標準電圧は前記所定電圧に向かって曲線が飽和するように４次〜６次の指数関数で一定時間毎に増加させている請求項１に記載の超電導コイルの電源制御装置。
3. 前記標準電圧を所定電圧からゼロまたは所要の電圧に降圧する減磁期間を、前記標準電圧を時間に対して飽和特性を有するように減少させる降圧開始期間と、前記標準電圧を時間に対して直線的に減少させる降圧中間期間と、前記標準電圧を時間に対して指数関数的に減少させる降圧終了期間に区分し、一定時間毎に電圧を設定している請求項１または請求項２に記載の超電導コイルの電源制御装置。
4. 前記一定時間は０．０５〜２秒とし、該一定時間単位で標準電圧を設定しており、
   前記標準電圧発生器は前記励磁期間後から減磁期間前の磁場保持時も一定時間毎に前記標準電圧を前記電源に与えている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の超電導コイルの電源制御装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電源制御装置と接続した超電導コイルと可変抵抗とを並列接続したブリッジ回路を設け、
   前記ブリッジ回路の超電導コイルと可変抵抗に接続され、該ブリッジ回路の差電圧を測定すると共に、該差電圧が所定の閾値を越えたときに前記超電導コイルのクエンチを検出するクエンチ検出器を備え、クエンチ検出時に前記電源制御装置の直流電源と前記超電導コイルを切り離すブレーカを備えている超電導機器。
6. 前記超電導コイルのインダクタンスが１Ｈ以上である請求項５に記載の超電導機器。

Images