空间矢量PWM整流技术在重离子加速器电源中的研究与应用

发布时间：2020-04-06 01:25

【摘要】：电源子系统是加速器系统的重要组成部分,电源的输出指标直接影响着束流的品质。虽然近年来因电源数字化极大的提高了电源的输出性能和易用性,但目前加速器电源依然存在因二极管整流或多相晶闸管整流环节带来的网侧功率因数低、电流谐波高、能量只能单向流动等问题。低功率因数和高电流谐波需要在加速器电源系统总进线处接入专用装置予以治理才能达到入网要求,但此方案不能在用户侧从根本上解决问题。随着加速器能量和效率要求的逐步提高,电源脉冲工作模式下电流下降速率通常也会提高,这将导致电流下降段磁铁负载需要转移出的能量巨大;同时伴随着超导磁铁的进一步应用,常规增大直流侧电容或接入专用泄能单元的方案将难以实施。PWM整流器具有网侧电流正弦化、电流谐波低、输入功率因数可控、能量可双向流动等特点,为上述问题提供了可行的解决方案。本文以电压型PWM整流器为切入点,展开PWM整流技术在加速器电源中应用的研究。在介绍了常规加速器开关电源拓扑结构的基础上,将电压型PWM整流器引入到加速器电源中,建立了完整的数学模型,介绍了控制策略和空间矢量PWM调制策略,分析了能量双向流动过程。完成理论分析后,对电源样机主电路参数进行了设计,并利用Simplorer仿真软件建立了完整的基于电压型PWM整流技术的加速器电源的仿真模型予以仿真验证。最后,建造了基于电压型PWM整流技术的中等功率加速器电源样机,开发了控制电路硬件、主控器件TMS320C28346 DSP软件及控制界面,为电压型PWM整流器在加速器电源领域的应用提供了很好的参考。仿真与测试结果显示:应用电压型PWM整流技术可实现加速器电源近似单位功率因数运行及网侧电流正弦化,极大的降低了电流谐波;电源各项输出指标均达到了设计要求;同时,可以很好地解决电源脉冲工作模式下电流下降段的能量回馈问题。本文研究结果表明在加速器电源系统中应用PWM整流技术是切实可行的。
【图文】：

波形,脉波,增强器,铁电

图 1.4 上海光源增强器一台四极铁电源拓扑首先，其采用 6 脉波二极管整流后，采用后级串并联的方式，实现了 12 脉波的整流效果，改善了变压器进线侧的功率因数和电流谐波；其次，另外接入的一级 Boost 电路，一定程度上改善了由整流环节带来的网侧电流波形畸变，并进一步改善了网侧功率因数（达到 0.96 左右）。本文采用的 PWM 整流技术改进加速器电源网侧性能亦为第二种解决方法，其可实现网侧电流的正弦化，并且可实现单位功率运行（获得较上述增加一级Boost 电路具有更小的电流谐波和更高的输入功率因数）。将 PWM 整流技术引入到重离子加速器电源中，可以从根本上解决其电流谐波高、功率因数低等问题。实现加速器电源真正的 “无污染”和“绿色化”运行。兰州重离子加速器冷却储存环是一个多用途、多功能的双环同步加速器系统，电源子系统中大部分为开关脉冲电源，其典型的输出电流波形如图 1.5 所示。重

脉冲电源,输出电流,强流,重离子加速器

图 1.5 脉冲电源典型的输出电流参考波形2015 年 12 月 31 日，国家重大科技基础设施强流重离子加速器装置（HighIntensity Heavy-ion Accelerator Facility，HIAF），由国家发改委批准立项。HIAF将建设一台国际领先水平的重离子加速器综合研究装置，具备产生极端远离稳定线核素的能力。HIAF 由强流超导离子源、强流超导离子直线加速器、环形增强器、高精度环形谱仪、低能核结构谱仪、低能辐照终端、电子-离子复合共振谱仪、放射性束流线、外靶实验终端以及相关配套设施等构成。在此装置中，电流上升下降速率将进一步提高：上升速率将达到 35000A/s，下降速率也将达到5600A/s；同时，，此装置中超导磁铁负载可能得到进一步的应用，众所周知，超导磁铁具有感量巨大、无阻抗等特性，尤其是为了保证同步性，采用多台超导磁铁串联供电的情况，负载电感量将更加巨大，使得常规方法几乎无法解决电源脉冲运行时电流下降段的能量泄放问题。PWM 整流器为一种全控的整流方案，具
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL503.5

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