CFETR N-NBI样机加速器高压电源设计与关键技术研究

发布时间：2020-06-08 05:24

【摘要】：大功率负离子源中性束系统(Negative-ion-based Neutral Beam Injectors,N-NBI)是未来聚变装置必须的辅助加热系统。但是目前我国尚无大功率N-NBI系统的研制经验,为了发展用于中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)的N-NBI相关技术,国家重点研发计划项目资助研制一套200keV的N-NBI工程样机。其中,加速器高压电源是中性束能量的主要来源,是N-NBI系统的关键组件之一。CFETR N-NBI样机需要一台200kV/25A的直流高压电源为其加速器供电,该电源决定采用与ITER N-NBI加速器高压电源类似的逆变型直流高压电源方案,而我国没有此类高压电源的研制经验。作为国内首套用于聚变辅助加热领域的逆变型直流高压电源,本文根据CFETR N-NBI样机的需求,完成了电源的整体方案设计,对关键部件中点箝位型(Neutral Point Calmped,NPC)三电平逆变器和隔离升压变压器进行了工程设计和研究,并对输出电压纹波和逆变器输出直流分量等运行特性进行了分析研究。通过调研对比决定采用单级逆变型直流高压电源方案作为加速器高压电源的整体方案,主要包括:12脉波晶闸管整流器、直流母线、三相三电平逆变器、隔离升压变压器、高压不控整流器和高压滤波器;分析影响电源性能的参数,研究确定了低压侧直流母线电压和逆变频率这两个关键参数分别为V_(dc)=5000V、f_(inv)=150Hz;对电源各组成环节进行了研究,通过理论分析和数值计算,确定了各环节的方案和基本参数;利用Simulink软件搭建了电路仿真模型,对电源不同工况进行了仿真分析和研究,验证了电源方案设计的合理性。以相桥臂单元为重点,对基于压接型IEGT的大功率NPC三电平逆变器进行了设计和研究。针对三电平应用场合,对IEGT和IGCT进行了大量的单管测试,明确了器件特性;基于单管测试的结果,完成了三电平相桥臂单元的设计工作,通过仿真分析等手段对电、磁、热设计的可靠性进行了研究和验证。研制了一相NPC三电平桥臂,并提出了一种四管动作双脉冲测试法对所设计的相桥臂进行测试,验证了桥臂设计的可靠性。基于本文的研究和设计,样机加速器高压电源的故障关断时间可以降低到100μs内,较ITER同类参数(150μs)有很大的改善。对隔离升压变压器进行了设计和研究。该隔离升压变压器是国内首台非工频的高压大功率方波变压器,本文总结整理了其特殊需求,并给出了针对性的解决方案;以铁芯和绕组为重点,完成了变压器的主体电磁结构设计;利用数值计算和有限元仿真手段对隔离升压变压器的漏磁场及其引起的损耗和温升进行了研究计算,验证隔离升压变压器的热可靠性;通过有限元仿真对隔离升压变压器的主、纵绝缘进行了研究计算,验证了设计的可靠性。对关乎加速器电源性能与安全的输出电压纹波和逆变器输出直流分量进行了研究。通过仿真、理论分析等手段明确了电源的输出电压及其纹波特性,发现了限制输出电压纹波的条件,提出了一种纹波限制措施;研究了逆变器输出直流分量产生的原因、造成的影响和精确提取直流分量的方法,提出了一种适用于CFETR N-NBI样机加速器高压电源的直流分量控制策略;通过电路仿真和小功率原理样机实验分别对输出电压纹波特性的分析和控制以及直流分量的控制进行了验证。本文的设计和研究工作为CFETR N-NBI样机加速器高压电源的研制奠定了坚实的基础,对同类逆变型直流高压电源的设计、研制和运行也具有一定的参考价值。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM464

【参考文献】

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本文编号：2702607