蛭！　，■㌔■■甲，、㌔甲■，，甲，■■1■，，㌔■■甲孕㌔，ド■■■一■㌔，，，

講座　核融合における電力技術豆

2．卜力マク用電源技術　　2．4　半導体電力変換器

　北原忠幸　（株式会社　東芝）

（1997年2月12日受理）

　Power　System　for　Tokamak　Fusion　Experiments

Power　Converter　for　the　Tokamak　Fusion　Experiments

　　　　　　　　　　　　　　　KITAHARA　TadayukiPozoε7El66ヶ07z乞6s　E（1z6ゆ〃z67z！jD6望り召7吻z6アz！，TOS遡且Co厚》oz召あoπE％6h％1鞠7々s，jFzκhz6183，∫砂ごzπ

　　　　　　　　　　　　　　（Receive（i12February　l997）

Abstract　To　allow　for　quick，precise　current　control　of　the　poloidal　field　power　supply（1uring　the　tokamak　fu－

sion　experiment（JT－60），thyristor　converters　were　a（lopted．The　thyristors　in　these　converters　have　a

ratlng　of4000V－3000A　and　are　connected2in　a　series，7parallel　connections　per　arm．In　consideration

of　the　repetitive　operation，a　natural　air　cooling　system　was　also　a（lopted．

　This　paper　presents　the五〇lowing：（1）c鉦aracte打stics　of　the　power・device　and　progress　of　the　capabihties

of　thyristors；（2）theory　of　the　rectHier　circuit；（3）d．esign　of　the　thy且stor　converter　for　the　JT－60poloidal

field　power　supp王y；and（4）future　trends　for　power　converters　for　the　tokamak　fusion　exper㎞ent

Keywords：electric　converter，thyristor，power　supply，poloi（lal　field　coil　power　supply，

3－phase　full－wave　recti五er，voltage　control，high　harmonics　current

2．4．1　はじめに

　トカマク型核融合装置の電源システムは，トロイダル

磁場コイル電源，ポロイダル磁場コイル電源およびプラ

ズマ加熱用電源から構成されている．

　ポロイダル磁場コイルは，プラズマの励起，維持およ

び制御を行う電源で，高圧・大電流の巨大な電力容量，

かつ，プラズマを直接制御する電源であるので，高速高

精度の制御性が要求される．これら電力変換および制御

は，半導体素子を用いた半導体電力変換器が行っている．

　本項では，建設当時の臨界プラズマ試験装置（JT－60）

を基に核融合装置に用いられる半導体電力変換器につい

て述べる．

2、4．2　電力用半導体素子

　最近の半導体素子の大容量・高性能化は，目覚ましい

ものがある．大電力の半導体素子としてダイオード，サ

イリスタ，また，素子自身で電流を遮断できる機能を有

した自己消弧形素子としてGTO　（ゲートターンオフサ

イリスタ）IGBTなどがある．現在，核融合装置用半導

体電力変換器には，電圧・電流制御が可能なサイリスタ

が多く用いられている．さらに，将来の方向として，よ

り高速・高精度の制御性能，無効電力の低減などが可能

な自己消弧形素子の採用も検討されている．

　Table1に電力用半導体素子の種類と特性，Fig．1に

サイリスタの大容量化の推移を示す．

477

プラズマ・核融合学会誌　第73巻第5号　　1997年5月

3

＜

己

誉2のヒ＝

QbO鑑

邸

国

　1

8kV－3．5kA

Electdca1十Ligh面gger廿igger　　　4kV－3kA4kV－3kA

　　4kV－1．5kA

2．5kV＿1．5kA、

2．5kV一翌kA

2．5kV－500A

6kV－2．5kA

Thyristor

0

＿i

e

～ Vout

Load

ILl

IRI」

4kV一且．5kA

Power　むロで　ゆ

（e）8　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　騨l　　　　　l

旨

Out－putvohage（V。ut）！

　　1965　　　1970　　1975　　1980　　藍985　　蓋990　　1995

　　　　　　　　　　　Ye＆r

Fig、1　Progress　of廿1e　voltage／capabilities　of　thyristors。

TabIe　l　Characteristics　of　power　device

Name Diode Thyristor GTO 王GBTFunction Non ON ON・OFF　c ntrol（Self

contro1 contro1 一Quenchin Devices）

Tum Forward Forward ON－gate ON－gate

AC一〇N voltage 　　　voltageON－gate signal signal

t voltage

1 Tum Reverse Reverse OFF－gate Non－gaten ．OFF voltage voltage signal signal

Zero一 Zero一

current current

Rating一 5．5kV一 8kV－3500A 6kV－6000A 3．3kV一

（max） 3000A （Turn－off 1200Arating）

Current（i）

Phasecon紅01

　　α1

～L＿匡・

2．4．3　サイリスタ変換器の動作概要

　サイリスタは，アノードに正の電圧が印加されている

時にゲート信号が与えられると点弧（ターンオンと称す）

し電流を通電する．アノードが負の電圧の状態で通電電

流が零となると阻止能力を回復し，阻止状態となる．こ

のようにサイリスタは電圧・電流に対する弁作用があ

る．正の電圧が印加された時点からサイリスタにゲート

信号が与えられるまでの電気角を制御遅れ角（α角）と

称し，α角を制御して直流出力電圧の大きさを制御する．

この特性を利用してサイリスタを用いた変換回路は，交

流電力を直流電力に変換する順変換動作，直流電力を交

流電力に変換する逆変換動作などが行え，電力変換を行、

う装置に数多く用いられている．Fig．2にサイリスタ変

換回路の極く基本的な動作原理を示す．

　サイリスタ変換回路は，種々の回路方式があるが最も

一般的に用いられている回路方式は，3相ブリッジ回路

IY

IZ

　　＼　　　Gate　pulse

Fig．2　　Basis　action　of　the　rectifier　circult

　　だPt・tニすPd・ニ1つ5Pd・

　τ　VLIX畔 薄萄

！②①1

X

Y V

ZEd。

，翻＠　　　塗

①

2硬「一ldだ

②

③

④

P1＝Pdo

｝　　　　えPcquiv＝百PdQニ1茄PdQ

｝　　　　だpcquiv二万pd・ニ1価pd・

IV

IW

lld｝恥一

d

l　　Idξ謹0コ，．　　1

Id

k釦

　1－ld3

　　msvalue

　　1　　マrld＝α5771d

　　痔ld一α8161d

＼釦ndamental

　　｝

　　　⑫　　TI8α4711d

Fig，3　3－phase　fu”一wave　rectifier．

478

講　　座 2．4　半導体電力変換器 北原

である．Fig．3に示す．正側の整流群（u，v，w）と負側

の整流群（X　Y，Z）から構成される．基本的には，正側

の整流群と負側の整流群はそれぞれ独立に整流動作を行

っている．それぞれの整流群で最も電位の高いアームに

ゲート信号が与えられるとそのアームは通電し，残りの

2アームのサイリスタは逆電圧が印加されるので阻止状

態となる．したがって，正側の整流群はU→V→W

の順に，負側の整流群はZ→X→Yの順に通電アーム

が切り替わっていく．通電相が切り替わることを転流と

いい，各アームは120。ずつ通電する．

　サイリスタ変換回路は，ゲート信号（制御遅れ角α角）

のタイミングを変化させて直流出力電圧を任意に変えら

れる．（位相制御と称す）Fig。4に制御遅れ角と直流出

力電圧の関係を示す．直流出力電圧は図の斜線部分の面

積を1サイクルに渡って平均したものである．

　直流出力電圧Ed

　　　　　

婦に》㎞　　　　　6

　　　　但し，琉は交流線間電圧

　　　　＝　1．35レ㌔cosα

　ここで，α角をgoo以下とすれば直流出力電圧は正と

なり順変換動作，すなわち，交流電力を直流電力に変換

し，goo以上とすれば直流出力電圧は負となり逆変換（イ

ンバータ動作）で直流電力を交流電力に変換する動作と

なる．

　逆変換動作の時，制御角は通常，制御進み角βで呼ばれ

る．制御遅れ角αとβ角は・π一α＝βの関係がある・

　また，U相からV相への転流が終了後，U相サイリ

（1）Phase　vohage

　　　α1　　　　　α2　　i→H＝u　v骨忙W　　U

　　Phasevoltage

Z　X／Y

　　　　　Z　　　X（2）Thy貞storA－Kvoltage

　　　　（U－arm）

Y　　Z　U井V　　W　　　　β　　　　　　Line　voltage

スタは，V相がU相よりも電圧が高い僅かな期間だけ

逆電圧が印加される．この期問にU相サイリスタは電圧

阻止能力を回復しないと正方向の電圧が印加されたと

き，ゲート信号を与えなくても点弧してしまい，正常な

動作が保てない．本現象を転流失敗と称し，逆変換動作

では極めて重要な現象である．通常，β角が30～35。

程度（50／60Hzベース）以下にならないようにリミッ

トを掛け転流失敗の防止を行っている．

　直流出力電圧を正から負に変化させる場合，Fig．4に

示すように電源電圧波形に従って電圧が低下していく．

したがって，正の最大電圧から負の最大電圧出力までに

は，電源周波数の180。かかることになる．この電圧応

答時問が間題となるシステムでは，多相（12相，24相な

ど）整流回路や電源周波数を高くするなどの対策が取ら

れる．

　Fig．3に示すように交流線電流は矩形波電流である．

この線電流に含まれる各次の高調波電流左は，下式で

示される．

　　　　　　五　　　左二々・ρ±1

　　　　但し，左は，π次高調波電流

　　　　　　　11は，基本波電流実効値

　　　　　　　ρは，整流相数で3相ブリッジは6

　　　　　　　々は，1，2，3…　　正の整数

　以上より，3相ブリッジの交流線電流に含まれている

高調波電流は，5次（20％），7次（14．3％），11次（9．1％），

13次（7．7％），17次（5．9％），19次（5．3％）・…

となる（括弧内は基本波に対する高調波電流の割合）．

高調波電流の低減対策として，交流側の変圧器の位相を

ずらした変換器を複数台直列または並列に接続する方式

がある．Fig．5に変換器を2台構成にした12相整流の場

合を示す．本構成により高調波電流は，5，7，17，19

次…　が消え，11次（9．1％），13次（7．7％），23次

（4．3％），25次（4％）・…　　と，大幅に低減する．

　次に，サイリスタ変換器は，制御角，出力電流に応じ

（3）正X〕voltage

　　　α1α2

、ご

井β

　Linevoltage

癒亨、四

△人

△△

P

△入△△

P

N

噛同井180。el　β

Fl9，4　Control　angle　and　DC　vo畳tage．

Sehesmultiplexing

NParallel　muhiplexing

Fig．5　Multiplexing　system　ofthetわyristorconverter．

479

プラズマ・核融合学会誌　第73巻第5号　　1997年5月

た無効電力を発生する．直流出力電圧は，α角を制御し

て所定の電圧を得ているので必ず電流は交流電圧位相よ

りα角遅れて流れる．すなわち，sinαに比例した遅れ

無効電力を発生する．無効電力の低減対策としては，サ

イリスタ変換器を2台直列接続構成にして，高い直流出

力電圧を必要としない時は，1台のサイリスタ変換器を

バイパス運転（例えば，U相とX相のサイリスタを同時

に点弧して等価的に直流出力を短絡状態にする運転方

式）等の方法がある．

2．4．4JT－60用サイリスタ変換器

　建設当時の臨界プラズマ試験装置（JT－60）のポロイダ

ル磁場コイル電源の構成をFig。6に示す．本電源はプ

AC蓋1kV，50Hz，3phase

　　即　㊥　　G7000kW　　　500MVA

18kV，77．6～54Hz，3phase

弊一2，500V一

聾一2，500V＿

　　　←→　　　　　1　　　苗11　　　　防1　　　1牟」1　　　　。♀」D得躍it←1一叩一1

Energy　±10玉㎞

s蟹e　OHc。i1

伴　丹V－　V，

朴5kV

十58kA－8．7kA

Vcoil

採一1，　V一

十120

Mcoil

伴

恐一1kV一

±25kA

Qcoil

伴

将．500V一

±20kA

Hcoil

Fig。6　JT－60poioidal　field　power　supply　system．

ラズマの励起，維持および制御を行う重要な電源であり，

このコイル電源用サイリスタ変換器は総容量1，350MW，

総台数56台にも及ぶ．

　各コイル電源はそれぞれのコイルの機能に応じてパル

ス状運転（約10秒運転，590秒休止）と高速高精度の電

流制御が要求される．したがって，ポロイダル磁場コイ

ル電源は全体として極めて不規則なパルス状運転を行

う．このような事情から専用のフライホイール発電機を

設けて電力を供給している．

　Table2に各コイル電源のサイリスタ変換器の定格諸

元を示す．各コイル電源は，複数台のサイリスタ変換器

を直並列接続して多相整流方式（24相または12相整流）

とし，多相整流による制御の高速高精度化および高調波

電流の低減，直列接続による無効電力の低減を図ってい

る．以下に代表的な電源であるOHコイル電源のサイ

リスタ変換器を例に詳細に説明する．

　サイリスタ変換器の主要定格および仕様を下記に示

す．OHコイル電源としては，本定格のサイリスタ変換

器が2直列一4並列接続構成されている．

（1）定格容量：35．OMW

（2）直流定格：1，383V－25．3kA

（3）周波数：77．6Hz～54．2H2

（4）整流回路：3相ブリッジ結線

（5）使用素子：サイリスタ，4kV－3000A

（6）素子構成：2直列一7並列／アーム

（7）通電責務：10秒通電，590秒休止

本器は屋内鋼板製自立キュービクル構造，冷却は10秒通

電の短時問定格を考慮して開放の自然冷却である．Fig。

Table2　Ratings　of　converters　for　the　JT－60poloidal　field　power　supply

Coil System　Rating Converter　Rating Remark

OH　coi1 24phase2。5kV－101kA 1383V－25．3kA　x2S－4P

Energy　storage　coi1 24phase2．5kV－101kA 1383V－25．3kA×2S－4P

V　coil 24phase　lOkV－58kA（Forward）

il鰻illiliヨi｝3s Diode　rectifier

24phase5kV－8．7kA（Reverse）

2900V－3．63kA×1S－4P

H　coil 12phase±0．5kV一±20kA 620V－12．1kA×1S－2P620V－12．lkA×1S－2P ForwarReverse（1

Q　coil 12phase±1kV一±25kA 1120V－13．8kA×2S－2P1120V－13．8kA×2S－2P ForwardReverse

M　coil 12phase　lkV－120kA ll9》二lll謙二ll｝2s

480

講　　座 2．4　半導体電力変換器 北原

7に外観を示す．

　Fig．8にサイリスタ変換器の回路構成図を示す。サイ

リスタは1素子の電圧，電流定格に制限があり，変換器

としての所要の容量を得るために，多数のサイリスタを

直列接続して電圧定格の増加および並列接続して電流定

格の増加を行っている．本器は4kV－3，000Aという当

時の最大級サイリスタを使用し，1アームあたり2直列

一7並列接続構成である．主回路部は，サイリスタの他

にサイリスタを過電圧から保護するコンデンサと抵抗で

成るスナバ回路，サイリスタを過大な故障電流から保護

Fig．7　Pわotograph　of　the　thyristor　converter　DC1，383V－

　　　25．3kA．

する高速限流ヒューズ，7並列接続したサイリスタ問の

電流分担を均一化するバランサ抵抗，サイリスタを制御

装置からの信号で点弧するゲート装置などで構成している．

　サイリスタを直並列接続して使用する場合，各サイリ

スタの電流分担および電圧分担を均一にすることが必要

である．電流分担を悪化させる主な要因として下記がある．

（1）サイリスタの通電状態のオン電圧降下の特性差

（2）サイリスタのターンオン特性の差

（3）通電電流による磁束の影響

　サイリスタの通電状態の電圧降下の特性差の影響を

Fig．9に示す．並列接続であるので同じオン電圧降下の

ときの電流IA，IBがそれぞれのサイリスタに流れる電流

である．本図よりわずかなサイリスタオン電圧降下の差

が分担電流に大きな不平衡を生じることがわかる．

　また，ターンオン特性に差があれば，最も早くターン

撞『叡　　　VT　　VT

Fig、9　1nfluence　of　current　sharing　as　shown　by　the　thyris－

　　　tor’s　peak　on－state　voltage　characteristics．

1ロ

llRD

！RD

！

一　　『　　一　　一

FR

CsRs

T

CsRs

T

RB

TA

TB　l

＿」

TA，TB：ThyristorCs　　　　：Snubber　capac瞳or

Rs　；Snubberresls乳orRD

　　　dis㎞butionRB

　　　shahngF　　　：FuseAL　　　　：舳ode　reactor

Pu

DC　reactor

N

Uphase ALVphase　Same　　Uphase Wphase　Same　　Uphase

～7P

PulseTr．

AU AV AWKZ

偉KX KY

Xphase　　　　　　Same　　　　　　Upbase

YphaseSame　Up払ase ZphaseSame　Uphase

AX AY AZ

　　　　　　　　　　　　　UVWXYZ　　　　　　　　　　　　　－　　　　　　　　　　　　　GatepulseGate　Pulse　Generator

Phase　con甘01signal

ControlPane1

Faultsignal

Fig．8　　Clrcuitツof　the　thyristor　converter．

481

プラズマ・核融合学会誌　第73巻第5号　　1997年5月

オンしたサイリスタにアームの全電流が一時的に集中し

て流れ電流分担の不平衡，さらにはなはだしい場合には

早くターンオンしたサイリスタを破損に至らしめること

がある．

　大電流サイリスタ変換器は通電電流により生じた磁束

が並列接続サイリスタ間に誘導電流を生じさせ電流分担

を大きく不平衡にすることがある．サイリスタを多数個

並列接続する場合，共通母線にサイリスタを配置するの

が通常である．本構造の時，共通母線の電流入出力点の

位置により電流分担は大きく変わる・Fig．loに電流入

出力点の位置と電流分担の例を示す．

　電流分担の不平衡を改善する主な方法は下記がある．

（1）サイリスタのオン電圧降下特性やターンオン特性

　　　など特性を揃える．

（2）各サイリスタと直列に抵抗を接続する．

（3）電流平衡用リアクトルを設ける．

（4）サイリスタ接続線に構造上の配慮をする等，

サイリスタの特性を揃えることは効果があるが，大電流

器になるほど本対策のみでは不十分である．最も効果あ

る方法は各サイリスタに抵抗を接続する方法である．本

方法はサイリスタの特性のバラツキ，磁束の影響などい

ずれの悪化要因に対しても有効である．欠点は抵抗によ

る電力損失の増加である．本サイリスタ変換器は短時間

定格であり連続で評価すると電力損失が無視し得るほど

小さくなるので本方式を採用した．

』

oの　一’賃鱈＞㌔oεヒ調8

8国

　　ぼ　　ヒ

融陣擢讐一　一』（a）

Posit最on（b） （c）

Fig．10　1nfluence　of　current　sharing　as　sわown　by　the　input－

　　　output　terminal　position．

ll．

lP

●ll．

2P

o

3P”．一

　Fig，llに電流平衡用リアクトルによる方法を示す．

本方法は，電力損失が生じず電気的には有効な方法であ

るが，鉄心に隣り合ったサイリスタの接続線を逆極性に

挿入し全並列サイリスタ間を鎖状に接続線が渡っていく

ので構造が非常に複雑となり，大電流サイリスタ変換器

ではあまり実用化されていない．サイリスタ接続線の構

造上の配慮はFig．loに示すように電流入出力点をやや

中央にずらして設けたり，その他の方法としては，電流

が逆方向に流れる接続線を極力近接配置し発生する磁束

をお互いに打ち消し合う方法などがある．これら対策は

電力損失の発生がないので低圧大電流，例えば，超電導

コイル用電源や電解用電源のサイリスタ変換器などに広

く採用されている．

　次に，サイリスタの直列接続について述べる．直列接

続サイリスタ問の電圧分担を悪化させる主な要因として

下記がある．

（1）サイリスタがオフ状態の時の漏れ電流特性の差

（2）サイリスタの逆回復電荷の差

（3〉サイリスタのターンオン特性の差

　サイリスタがオフ状態の時の漏れ電流の差の影響を

Fig．12に示す．サイリスタは直列接続であるので同じ

漏れ電流が流れる．この結果，サイリスタの電圧分担は

大きく不平衡になる．したがって，サイリスタの漏れ電

流の数倍以上の電流を流す抵抗をサイリスタと並列に接

8毒彗豪

0　92⇔ε曽の　 の

醤譲Il。

A　　B

14

V

V

VA

VB

RD

RD

Fig．12

IT

VA　VB

lnfluence　of　voltage　distribution　as　shown　by　the

thyristor’s　peak　ofギーstate　current　and　peak　reverse

current　characteristics．

ヒゆ

I　t置t2t3

1r2　　t≦t2

Ir、1　、ir2

△Q団

TB

嚇　　甲

t＞t2

7P

㎜因 △V

　　　TAVB

VA

R

CB

Fig．11　　Reactor　for　current　sharing．

Fig．13

R

CA

VB

VA

lnfIuence　of　voltage　distribution　as　shown　by　the

thyristor’s　recovered　charge　characteristics．

482

講　　座 2．4　半導体電力変換器 北原

続し実質的に抵抗で分圧するようにする．

　サイリスタの逆回復電荷の差の影響をFigl3に示

す．逆回復電荷が少ないサイリスタTAは時問t1で先

に電圧阻止特性を回復するので逆回復電流はコンデンサ

CAに流れコンデンサCAを充電し始める．この時点で

はサイリスタTBは電圧阻止特性を回復していないので

逆回復電流はサイリスタTBに流れている．ついで時問

t2でサイリスタTBも電圧阻止特性を回復し，逆回復電

流はコンデンサCA，CBに流れる．すなわち，コンデン

サCAは，サイリスタTBが電圧阻止特性を回復するt2

までコンデンサCBより多く充電される．この充電電圧

がサイリスタTA　TBの分担電圧の不平衡分となる．逆

回復電荷の差による分担電圧の不平衡分△『Vは下式で

求まる．

　　　△7一÷膨融＋（宛一岬

　ここで，抵抗による電圧分よりコンデンサによる電圧

分の方が大きい．ゆえに，下式となる．

　　　　　　△Qrr

　　　　　　C　△Q，，は直列接続されたサイリスタ間の逆回復電荷の

最大値と最小値の差である．所定の電圧分担に収めるた

めに逆回復電荷の選別，コンデンサ容量などを決定する．

　次にサイリスタのターンオン特性の差による電圧分担

への影響をFig．14に示す．遅れてターンオンするサイ

リスタTBのスナバ回路C－RにはサイリスタTAのター

ンオンにより負荷電流が流れ，サイリスタTBがターン

オンするまでコンデンサ電圧はさらに充電される．この

過充電がサイリスタTBの過電圧（△のとなり，下式で

求まる．

　　　　　7　　　ぎニτ。（∠渉d）

△V

VAVB

TA　ON　TB　ON

一t

C

R

C

R

一

＋＝一

L

TA　VA

Fl9．14

TB　VB

V

lnfluence　of　voItage　distrlbutめn　as　shown　by　the

thyristor’s　turn－on　characteristics、

Fault

cun’ent

Cut－off

CU1Tent一

＼／！■／

／

R

S

T

Fault

P

ゆえに

　　　　γ　　　　　　　7　　△7－L・R・（△！d）＋2LC・△渉d）2

　　　　ただし，雄dは直列サイリスタ間のターンオ

　　　　　　　　ン時間のバラツキ

所定の過電圧に収めるために，リアクトル，スナバ抵抗

を適切の値に選定している．

　以上を考慮し本サイリスタ変換器は，アノードリアク

トル（AL），スナバコンデンサ（Cs，Rs），抵抗および分圧

抵抗（RD）を適切な値に選定している．

　本サイリスタ変換器は，発電機から交流電力を受電し

ている．したがって，交流側から侵入する雷，開閉サー

↑Fauh

Flg．15　Quick　acting　fuse、

N

ジ電圧などは考慮する必要がなく特別の過電圧保護対策

を行っていない．ただし，直流側からは，プラズマの異

常消滅時に過電圧の発生が予想されるので各サイリスタ

に過電圧検出回路を設け，過電圧でサイリスタを強制点

弧して保護している．

　次に故障電流保護について述べる．JT・60用サイリス

タ変換器は大電流定格であり，アーム短絡などの事故時

に故障電流は，ピーク200kAにも及ぶ．このような故

障電流を高速に限流遮断してサイリスタ変換器，サイリ

スタなどを保護するため各サイリスタに高速限流ヒュー

ズを接続している．Fig．15に高速限流ヒューズの限流

特性を示す．故障電流が最大値に達する以前に故障電流

を遮断する．遮断電流のピーク値を限流値と称し，概略，

故障電流最大値の25％～35％程度である．次にゲート装

置の構成と機能について述べる．ゲート装置は，ゲート

483

プラズマ・核融合学会誌　第73巻第5号　　1997年5月

パルス発生装置，パルス変圧器，ゲートパルス波形整形

回路から構成されている．負荷の各磁場コイルは大きな

リアクタンス負荷であるのでゲートパルスは120。通電

の連続ゲートである．ゲートパルス発生装置からの高周

波のゲートパルスは，波形整形回路で1200通電の直流

電流となってサイリスタのゲートに送られる．主回

路（サイリスタ）とゲートパルス発生装置（大地電位）

との間はパルス変圧器で絶縁している．その他，本サイ

リスタ変換器にはサイリスタに印加される電圧を監視す

る順・逆電圧検出回路，サイリスタの故障を検出する素

子故障検出回路，転流失敗検出回路などがあり，これら

検出信号は光信号でゲートパルス発生装置に伝送されて

いる．

N

P

Cs

㌧＿＿＿＿一＿＿＿一＿＿1

Fig．16　　Current　source　converter．

2．4、5　将来の動向

　現在，トカマク型核融合装置に用いられる半導体電力

変換装置はサイリスタ変換器が主体である．その理由と

して下記が考えられる．

（1）直流発電機などと比較し，高速・高精度に電流制

　　御ができる．

（2）単位サイリスタ変換器を組み合わせることにより

　　　目的にあった電源システムを自由に構築できる．

（3）信頼性が高い

（4）損失が少ない．

（5）保守点検が容易である．

　以上のように，サイリスタ変換器は大きな特長，利点

を有し，今後もトカマク型核融合装置の直流電源の主流

として用いられていくものと考えられる．

　然しながら，短所として下記があげられる．

（1）大きな遅れ無効電力を発生する．このため，何ら

　　　かの進相設備が必要である．

（2）高調波電流を発生する．商用系統または発電機に

　　影響をおよぼすので何らかの高調波対策が必要で

　　　ある．

（3）高速・高精度の制御性に限界がある．特に，直流

　　　出力電圧を低減するときは，電源周波数以上に速

　　　く制御できない．

これら短所を解決する手段として，近年，自己消弧形素

子を用いた自励式変換器の適用が研究されている．自己

消弧形素子は，素子自身で電流を遮断できる機能を有し

ているので交流電源の電圧位相とは無関係に自由に通電

電流をオンーオフ制御できる．この結果，自励式変換器

は力率1による無効電力が発生しない運転や，高速高精

度の制御性が得られる．

N

L

Cs『”rI　　　l

1　　　量書　　　暫し一＿榊」

P

Fig．17　Snubber　Ioss　free，current　source　converter、

　自励式変換器は，大別して直流側に定電圧源を持った

電圧形と直流側に定電流源を持った電流形がある．トカ

マク型核融合装置の各磁場コイルは大きなインダクタン

スを有し一種の定電流源と見なされるので電流形が適用

されていくものと考えられる．電流形自励式変換器の回

路構成をFig．16示す．

　さらに，交流コンデンサ（CA）をスナバコンデンサ

（Cs）に置き換え，かつ，スナバコンデンサの充電エネル

ギーを電源側に回生する高効率の電流形自励式変換器も

研究されている．Fig．17に本回路構成を示す．

2．4．6　まとめ

　トカマク型核融合装置に用いられる半導体電力変換装

置について，建設当時の臨界プラズマ試験装置（JT－60）

のサイリスタ変換器をもとに概要を述べた．

　半導体素子は，近年ますます大容量・高性能化が図ら

れ，主要素子であるサイリスタは，8kV－3500Aが開

484

講　　座 2．4　半導体電力変換器

発されている．一方，自己消弧形素子も大容量化が進み

GTO　（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）は，6kV－

6000Aのものが実用化されている．

　サイリスタ変換器は，サイリスタのゲート位相制御に

より高速・高精度に直流出力電圧を制御でき，このこと

によりトカマク型核融合装置の磁場コイルの直流電源と

して用いられている．

　サイリスタ変換器は，所要の出力容量を得るためにサ

イリスタを直並列接続しているが，並列サイリスタ間の

電流分担の均一化，直列サイリスタ問の電圧分担の均一

化は必須な条件である．均一化を妨げるそれぞれの悪化

要因に対し，電流分担に対しては各サイリスタ毎に電流

バランス用抵抗器を設けるなどの対策を，また，電圧分

担の均一化には適切なスナバ回路（コンデンサと抵抗）

北原

定数を決定している．

　近年，より高速の制御，無効電力の低減などを目的に

自己消弧形素子を用いた自励式変換器の適用研究が進め

られている．自励式変換器は，電圧形と電流形があるが

磁場コイルが大きなインダクタンス負荷であるので電流

形自励式変換器が適用されていくものと考えられる．

　　　　　　　　参考文献［1］日本原子力研究所：核融合研究開発の現状（1979）．

［2］嶋田隆一，田村早苗他：東芝レビュー　35，1061　　（1980）．

［3］電気学会技術調査専門委員会：大電流工学ハンドブ

　　ック，コロナ社（1992）．

［4］今井孝二：パワエレクトロニクス，電気書院（1977）．

485

．幽…………1　，　■　，　，　，　曹　■　臼　一　一　一　甲　甲　■　，　，　■　一　■　■　■

講座　核融合における電力技術五

・2．卜力マク用電源技術

　　　2．5制御・保護技術

　栗　原研一（日本原子力研究所）

（1997年2月5日受理）

　　　　　　Power　System　for　Tokamak　Fusion　Experiments

Control　System　and　Protection　Procedures　for　Tokamak　Power　Supplies

　　　　　　　　　　　　　　　　KUR田ARA　Kenichi．〈竹々αFz6sぎoフz去～6s＆z76h　Es云召δ1乞sh〃z6刀ち∫の）召7z／1渉o〃zぎo　E7z6忽y　R6s6召76hノカs≠露z諾6，五う召7召ゐぢ3■Z－01，∫4）σ％

　　　　　　　　　　　　　　　（Received5February1997）

Abstract　The　control　system　of　the　poloidal　field．co旦（PFC）and．toroidal　field．coi1（TFC）power　supplies　substan－

tially　in且uences　the　performance　of　a　tokamak　plasma　reactor．In　large　tokamaks，the　protection　system

is　also　indispensable　for　safe　operation　and　experimentation．This　report　discusses　how　to　design　the

control　system　of　the　PFC　power　supply，beginning　with　an　analysis　of　t姓e　design　requirements．The

JT－60plasma　equilibrium　control　system，including　its　PFC　power　supply　an（l　protection　procedures　in

case　of　system　failure，are　taken　as　a　typical　example　and　described　in　detail。Finally，the　control　and

protection　system　of　the　JT－60TFC　power　supPly　is　presente（1．

KeywordSlcontrol　system，protection　system，power　supply，poloidal　field　coil，toroi（lal　field　coil，JT－60tokamak，

plasma　equilibrium

はじめに：トカマク用電源の制御・保護技術の位置付け

　核融合炉としばしば対比される核分裂型原子炉は，い

ったん炉心に燃料を装荷し連鎖反応が持続し始めた後

は，炉内の燃料集合体を熱源（かつ反応を維持する中性

子源）とする熱機関とみなせる．

　これに対し，トカマク型核融合装置では，中性子源と

発電の元になる熱源とが同一ではない．プラズマ周辺に

設置されたトロイダル磁場コイル，ポロイダル磁場コイ

ルを用いてプラズマを生成維持制御した後，追加熱装置

で高温高密度プラズマを生成して核融合反応を起こすこ

とにより，まず中性子源を形成する．そこで発生した中

性子は，プラズマ近傍に置かれたブランケット中で熱化

され，発電へと利用されるというシナリオが一般的であ

る．後半の部分は，トリチウムの増殖回収の点を除けば，

核分裂型原子炉同様，ブランケットを熱源とする熱機関

とみなすことが可能である．しかし，前者の中性子源の

部分に関しては熱機関とはまったく異なり，トカマク型

核融合装置を含む磁気核融合装置独特の「プラズマと外

部の電磁場や中性粒子と相互作用しつつ自己組織化ある

いは崩壊といった現象を示す複雑系」が存在している．

　この「プラズマを中心とする複雑系」に対するエネル

ギー入出力を考えると，出力は，まず高エネルギー中性

子であり，それ以外では電磁波や高速の中性粒子の形で

プラズマからエネルギーが外部に放出される．一方この

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