J-TEXT托卡马克扰动场变频脉冲电源样机的研制
发布时间：2020-08-14 16:37
【摘要】：撕裂模(磁岛)不稳定性是磁约束受控核聚变研究中一种典型的磁流体不稳定性,其影响着托卡马克装置的安全运行。理论研究表明外加脉冲调制磁场可以有效地控制撕裂模不稳定性,在磁岛转动的不同相位区间施加调制磁场,会对撕裂模有致稳和解稳两种不同作用。为了更好的进行外加脉冲调制磁场控制撕裂模的实验研究,外加脉冲调制磁场线圈的供电电源参数要求为:输出电流幅值为±3000A且上升沿与下降沿在100μs之内,工作频率范围1kHz-5kHz,电流的响应时间小于10ms。本文根据对撕裂模实时反馈控制的需求,设计了一种变频脉冲电源主电路拓扑及其控制系统。设计的主电路由整流电路,滤波电路,逆变电路以及谐振电路组成,通过对磁岛相位的实时检测利用控制电路对电源工作频率进行控制,利用电流闭环控制方法对电流幅值进行控制。为了使输出电流快速爬升和下降,利用负载电感通过IGBT反并联二极管与谐振电容构成回路发生谐振。在理论分析和仿真基础上,通过对晶闸管、IGBT的选型,滤波电路的设计,叠层母排和RCD缓冲电路的设计及谐振电容的参数计算,研制了变频脉冲电源的样机。特别是针对变频脉冲电源回路电感的存在,电流无法瞬间爬升到最大幅值的问题。设计了一种大功率低电感的石墨电阻,对电阻进行了理论分析以及仿真计算,并通过实验验证其频率特性,热特性等。设计了利用该电阻作为整流器假负载,提升母线电流幅值,再切换到H桥逆变电路从而减小电流的响应时间方案,并应用在电源中,取得了很好的效果。最后,变频脉冲电源样机进行了通电实验。电源输出电流幅值为±1300A,并且上升沿和下降沿的时间在40μs左右,工作频率也满足要求。同时,将大功率低电感的石墨电阻应用到变频脉冲电源样机之中,大大降低了输出电流的响应时间。验证了本文设计方案的可行性,达到了预期的目标。为今后变频脉冲电源在托卡马克中的应用提供了关键性参考作用。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN86;TL631.24
【图文】：
出频率可达 7.5kHz，电源的工作周期为 6s/300s。1.2.2 J-TEXT 扰动场线圈供电系统概况目前，J-TEXT 托卡马克装置上 DRMP 线圈供电电源系统分为：交流谐振电源系统，直流电源系统，直流脉冲电源系统。但是它们各自都有自己的特点和相对的不足。下面将进行具体阐述。交流谐振电源系统[30,31]是由六脉冲整流器作为输入端，经过 H 桥逆变器，输出接匹配变压器，且变压器副边接谐振电容和扰动场线圈。当电源正常工作时，负载线圈流进的电流波形为正弦波并且电流频率范围为 1kHz~5kHz，电流的最大幅值为5000A。工作周期为 1s/300s。由于电源是通过谐振的方式达到相应的输出电流，所以考虑到谐振电容，只能选择几个独立的频率点。因此交流谐振电源的输出电流也只有几个频率点，频率不能够实现连续可调，所以交流谐振电源不能实时的反馈控制撕裂模。如图 1-2 所示，为 DRMP 线圈交流谐振电源主电路原理图。
图 1-3 DRMP 直流电源系统主电路原理图直流脉冲电源系统[33]的拓扑结构是类似于 buck 电路，如图 1-4 所示。通过给一个大电容充电使其达到一定电压，然后将其作为输入端。当电源正常工作时，输出只有正半轴的脉冲电流且电流幅值只有 1000A，输出电流频率在 1kHz~3kHz之间可调，工作周期为 0.3s/300s。磁探针通过实时检测磁岛信号，并通过 NI 控制器转换成IGBT 开关信号。当直流脉冲电源接收到信号，给扰动场线圈供电，反馈控制撕裂模。但是由于输出电流幅值比较低，并且输出的电流只有正半轴，存在直流分量，因此对撕裂模控制效果不太明显。DrLrCRrabIGBTDd+
图 2-1 DRMP 线圈空间分布示意图为了使扰动场线圈可以产生合适的扰动磁场，首先将每个 PORT 内的三个鞍圈进行串联起来，并且将相差 180°的 PORT 线圈进行反向串联，这样就把四ORT 的线圈合理的分成了两组。因此，四个 PORT 变成了两部分，其中 PORT1圈和 PORT8 的线圈为一对，PORT5 的线圈和 PORT12 的线圈为另一对，每部分都需要一套扰动场电源给其供电。通过调节两套扰动场电源的输出电流的相位可以得到与之相对应的相位差的扰动磁场，进而影响磁岛转动和磁岛宽度。DR圈连接示意图如图 2-2 所示，其中的“+”表示为参考方向，“-”表示为参考方反。在这种情况下，每个 PORT 流经的电流相位都会与其相邻的 PORT 的电流相差 90°，扰动磁场就会沿着 J-TEXT 托卡马克环向转动。由于扰动场线圈工交流模式，并且流经电流的频率都是几千赫兹，所以为了避免对周围的装置设成电磁干扰，在转接柜和扰动场电源之间通过同轴电缆进行连接。一方面，当流进同轴电缆时，流经其外层导体和内层导体的电流相等，并且方向也正好相
本文编号：2793278
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN86;TL631.24
【图文】：
出频率可达 7.5kHz，电源的工作周期为 6s/300s。1.2.2 J-TEXT 扰动场线圈供电系统概况目前，J-TEXT 托卡马克装置上 DRMP 线圈供电电源系统分为：交流谐振电源系统，直流电源系统，直流脉冲电源系统。但是它们各自都有自己的特点和相对的不足。下面将进行具体阐述。交流谐振电源系统[30,31]是由六脉冲整流器作为输入端，经过 H 桥逆变器，输出接匹配变压器，且变压器副边接谐振电容和扰动场线圈。当电源正常工作时，负载线圈流进的电流波形为正弦波并且电流频率范围为 1kHz~5kHz，电流的最大幅值为5000A。工作周期为 1s/300s。由于电源是通过谐振的方式达到相应的输出电流，所以考虑到谐振电容，只能选择几个独立的频率点。因此交流谐振电源的输出电流也只有几个频率点，频率不能够实现连续可调，所以交流谐振电源不能实时的反馈控制撕裂模。如图 1-2 所示，为 DRMP 线圈交流谐振电源主电路原理图。
图 1-3 DRMP 直流电源系统主电路原理图直流脉冲电源系统[33]的拓扑结构是类似于 buck 电路，如图 1-4 所示。通过给一个大电容充电使其达到一定电压，然后将其作为输入端。当电源正常工作时，输出只有正半轴的脉冲电流且电流幅值只有 1000A，输出电流频率在 1kHz~3kHz之间可调，工作周期为 0.3s/300s。磁探针通过实时检测磁岛信号，并通过 NI 控制器转换成IGBT 开关信号。当直流脉冲电源接收到信号，给扰动场线圈供电，反馈控制撕裂模。但是由于输出电流幅值比较低，并且输出的电流只有正半轴，存在直流分量，因此对撕裂模控制效果不太明显。DrLrCRrabIGBTDd+
图 2-1 DRMP 线圈空间分布示意图为了使扰动场线圈可以产生合适的扰动磁场，首先将每个 PORT 内的三个鞍圈进行串联起来，并且将相差 180°的 PORT 线圈进行反向串联，这样就把四ORT 的线圈合理的分成了两组。因此，四个 PORT 变成了两部分，其中 PORT1圈和 PORT8 的线圈为一对，PORT5 的线圈和 PORT12 的线圈为另一对，每部分都需要一套扰动场电源给其供电。通过调节两套扰动场电源的输出电流的相位可以得到与之相对应的相位差的扰动磁场，进而影响磁岛转动和磁岛宽度。DR圈连接示意图如图 2-2 所示，其中的“+”表示为参考方向，“-”表示为参考方反。在这种情况下，每个 PORT 流经的电流相位都会与其相邻的 PORT 的电流相差 90°，扰动磁场就会沿着 J-TEXT 托卡马克环向转动。由于扰动场线圈工交流模式，并且流经电流的频率都是几千赫兹，所以为了避免对周围的装置设成电磁干扰，在转接柜和扰动场电源之间通过同轴电缆进行连接。一方面，当流进同轴电缆时，流经其外层导体和内层导体的电流相等，并且方向也正好相
【参考文献】
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本文编号：2793278
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