カスケード変換器によるトカマク装置PHiXの コイル電流制御高速化に関する研究

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1 カスケード変換器によるトカマク装置PHiXの コイル電流制御高速化に関する研究
目的:縦長断面プラズマ実験に必要な 電源装置を開発 背景 小型トカマク実験装置PHiX 縦長断面プラズマ ポロイダル磁場コイル電源 設計と製作 高電圧化の必要性と方法 カスケード変換器 制御と実験結果 構成 村山 真道 (東工大)  2017/3/7  量子科学技術研究開発機構  那珂核融合研究所  JT-60制御棟2F大会議室

2 小型トカマク装置PHiXの概要 PHiX: Plasma with Helical field initiative eXperiments
・縦長断面プラズマ実験が可能 PHiXの運転系 PHiXの設計パラメータ プラズマ電流 𝐼 P < 5 kA トロイダル磁場 𝐵 t < 0.3 T 大半径 𝑅 33 cm 小半径 𝑎 9 cm 楕円度 𝜅 < 1.8 放電時間 𝑇 5 ms

3 Bt (トロイダル磁場) トカマクの磁場(1) トロイダル磁場 TFC(トロイダル磁場コイル) 300 A×26 turns×16本 2 s
トカマクの磁場(1) トロイダル磁場 TFC(トロイダル磁場コイル) 300 A×26 turns×16本 トロイダル磁場コイル電流の波形 2 s Bt (トロイダル磁場)

4 Bh(水平磁場) ,Bv(垂直磁場) トカマクの磁場(2) ポロイダル磁場 PFC(ポロイダル磁場コイル) 6本+2組
トカマクの磁場(2) ポロイダル磁場 PFC(ポロイダル磁場コイル) 6本+2組 ポロイダル磁場コイル電流の波形 プラズマ位置でフィードバック制御 Bh(水平磁場) ,Bv(垂直磁場)

5 PHiXのポロイダル磁場コイル PHiXには 6本+2組のポロイダル磁場コイル 1組の変流器コイル が設置 プラズマ位置制御・形状制御に使用
 6本+2組のポロイダル磁場コイル  1組の変流器コイル が設置 プラズマ位置制御・形状制御に使用 変流器コイルは加熱・電流駆動用

6 𝜏 𝐸 ∝ 𝜅 0.67 𝜅= 𝑏 𝑎 核融合炉実現には縦長断面化が必要 エネルギー閉じ込め時間 楕円度
ELM 現象を伴うH-mode 実験 に基づく経験則 IPB H-mode(y) 𝜅= 𝑏 𝑎 楕円度

7 プラズマの移動よりも高速応答可能な電源が必要
縦長断面プラズマの垂直位置不安定性 ポロイダル磁場が外側に湾曲 変位を小さくする力(復元力)が働く ポロイダル磁場が 内側に湾曲 変位を大きくする力が働く 移動の速さは 渦電流の時定数𝜏で決定 PHiXでは 𝜏<1 ms プラズマの位置を安定化するためには プラズマの移動よりも高速応答可能な電源が必要

8 スイッチングPWMインバータ (Pulse Width Modulation) Hブリッジ PWM波生成 𝑣 o = 𝑉 C
極配置問題 𝑣 o = 𝑉 C 𝑣 o = −𝑉 C

9 PHiXのポロイダル磁場コイル電源 PF Power Supply System (定格300 V, 合計900 kV)
ここで電線の電流限界と耐圧について説明して、高電圧化の重要性を説明

10 磁場コイル電源の製作 主回路 制御回路 SOLIDWORKSで設計 組み立て&動作試験 例)PF3 PF4用電源の特性
ここで電線の電流限界と耐圧について説明して、高電圧化の重要性を説明 制御回路 組み立て&動作試験 例)PF3 PF4用電源の特性 ・300V 600A Hブリッジ×2 ・スイッチング周波数 16kHz ・過電圧,過電流保護 ・指令値入力、シーケンス入出力 ・内蔵マイクロコンピュータで信号処理が可能 Eagleを用いた設計

11 解決法:回路構成による半導体素子の多段化
縦長断面プラズマのための要求電圧 ポロイダル磁場コイルのフィードバック制御が必要 インバータ(電源)の高電圧化が必要 応答速度・制御性の向上のために 𝐼 𝑉 PHiXでの要求 𝑉=𝐿 d𝐼 d𝑡 現在300Vでは足りない 適当な試算 巻線の抵抗があるので電流上限もある 負荷コイル電圧は1.2 kVまで増強可能 電流変化率 100 A/ms インダクタンス 2 mH 最大電圧 1 kV 半導体素子の高耐圧化すると ⇒損失の増大 ⇒スイッチング周波数の低下 ポロイダル磁場コイル(PF1) 解決法:回路構成による半導体素子の多段化

12 高電圧化例(2) カスケード接続 従来回路(KEK方式) 提案回路 ・結線が容易 ・Hブリッジが利用可 小関国夫他(KEK),2012,
高電圧化例(2) カスケード接続 従来回路(KEK方式) 提案回路 ここで電線の電流限界と耐圧について説明して、高電圧化の重要性を説明 ・結線が容易 ・Hブリッジが利用可 小関国夫他(KEK),2012, J-PARC MR「新」電磁石電源の開発,図を修正

13 制御(1) ジュール損失と磁気エネルギー 𝑣 1 = 𝑣 R 𝑣 2 = 𝑣 L 𝑣 2 𝑣 1 𝑣 R 𝑣 L 𝑖 になるように制御
制御(1) ジュール損失と磁気エネルギー 𝑣 2 𝑣 1 𝑣 R 𝑣 L 𝑖 制御ブロック書きなおし 𝑣 1 = 𝑣 R 𝑣 2 = 𝑣 L 電力が負 になるように制御 𝑝=𝑣𝑖=𝑅 𝑖 2 +𝐿𝑖 𝑑𝑖 𝑑𝑡 により、コイル電流変動時に 消費電力が大きく変動 ・消費電力は系統から供給 ・コイルの磁気エネルギー増加分は  キャパシタの静電エネルギーから供給

14 制御(2) コンデンサ電圧バランス制御 キャパシタ電圧が変動 バランス制御が必要 𝐺 1 , 𝐺 2 は比例積分制御器(PI制御)
制御(2) コンデンサ電圧バランス制御 キャパシタ電圧が変動 ・最大出力電圧の低下 ・電圧上昇による停止 バランス制御が必要 ・電圧上昇時は放電、下降時は充電 (ただし 𝑣 1 + 𝑣 2 は一定で) 𝐺 1 , 𝐺 2 は比例積分制御器(PI制御)

15 実験回路構成 出力フィルタ 磁気エネルギー供給段 3.3 mF スライダック (変圧器) 水平磁場コイル 電気抵抗: 0.8 Ω
インダクタンス:2.0 mH (実測値) 系統 磁気エネルギー供給段 ジュール損失供給段 出力フィルタ スライダック (変圧器) 3.3 mF 出力フィルタ 定格電流 70A L=1 mH,C=2 μF カットオフ周波数3.6 kHz

16 𝑖 coil ∗ 𝑖 coil 5 ms 実験結果 あり なし 電流の応答速度の比較 5 ms応答改善
指令値: コイル電流 -70 A 100 ms キャパシタ電圧目標 120 V 5 ms なし 5 ms応答改善 微分制御の効果

17 𝑣 c1 𝑣 c1 𝑣 c2 𝑣 c2 𝑖 coil ∗ 𝑖 coil ∗ 𝑖 coil 𝑖 coil 実験結果 キャパシタ電圧
なし あり 運転開始 指令値入力 運転開始 指令値入力 𝑣 c1 𝑣 c1 𝑣 c2 𝑣 c2 𝑖 coil ∗ 𝑖 coil ∗ 指令値: コイル電流 -70 A 100 ms キャパシタ電圧目標 120 V 𝑖 coil 𝑖 coil ・目標値まで充電を確認 ・通電時に電圧上昇

18 デッドタイムによる誤差 𝑇 𝐷𝑇 =2 μs ~ 3 μs , 𝑇 𝑆𝑊 =62.5 μs 𝑖 coil =70Aとして、
全素子がOFF⇒回生が起こる 𝑇 𝐷𝑇 =2 μs ~ 3 μs , 𝑇 𝑆𝑊 =62.5 μs 𝑖 coil =70Aとして、 電圧上昇率 実験での電圧上昇率は 1.4 V/ms デッドタイム設定より1.4 V/ms ~ 2.0V/ms デッドタイムが原因と推測

19 デッドタイムの補正 逐次デッドタイムを検出して、次の制御ステップで補正
低ひずみと高い電圧利用率を有する高周波PWMインバータのフィードバック型デッドタイム補償法,小川将司 他,IEEJ,2013

20 考察 まとめ トカマクにおける縦長断面プラズマの必要性 プラズマの垂直位置不安定性 縦長断面プラズマ実験に必要な電源装置を開発
背景 トカマクにおける縦長断面プラズマの必要性 プラズマの垂直位置不安定性 目的 縦長断面プラズマ実験に必要な電源装置を開発 結論 ポロイダル電源システムの設計・製作 PHiX運転系と連携可能な電源装置を製作 円形プラズマ実験を達成 カスケード変換器を構築して単独での制御実験 応答の改善を確認 キャパシタ電圧のバランス制御を確認 デッドタイムによる運転時の電圧の上昇確認


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