基于PXI技术的辅助加热高压电源控制系统研制

发布时间：2020-08-26 18:45

【摘要】：辅助加热高压电源的控制系统决定了电源的输出特性。同时,面向仪器的外设扩展总线(PCI eXtensions for Instrumentation,PXI)技术具有集成度高、拓展性强、兼容性好等突出优点,广泛应用于聚变控制领域。本文基于PXI控制技术,结合JTEXT电子回旋共振加热系统(Electron cyclotron resonance heating,ECRH)新回旋管的负载要求完成对其阴极电源控制策略的优化设计,同时针对中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)负离子中性束注入(Negative-ion based Neutral Beam Injector,N-NBI)样机加速器电源的需求完成其控制系统的研制。J-TEXT ECRH阴极电源采用脉冲阶梯调制(Pulse Step Modulation,PSM)拓扑方案,原有控制系统无法满足全新回旋管对于超调和控制响应延时的要求。本文基于现有拓扑参数,对单个模块的动态特性进行建模分析,提出一种新的前馈控制策略以抑制上升沿超调;并重新设计底层控制器的控制逻辑以改善控制系统动态响应;经仿真和高压实验证明,优化后的控制系统可实现零超调输出与5μs的控制响应延时。CFETR N-NBI加速器电源采用逆变型拓扑方案,国内对其控制技术的研究较为鲜见。本文广泛调研国外逆变电源控制方案,基于CFETR N-NBI样机加速器电源拓扑参数完成控制与采集硬件方案的研制;针对逆变型电源上升超调、输出纹波、直流分量抑制等关键问题完成综合控制策略的设计;针对加速极负载的运行特性,提出完整的运行与保护逻辑;并结合J-TEXT PSM电源优化经验基于LabVIEW完成程序设计。本文基于N-NBI样机200kV/25A加速器电源原型参数搭建Simulink仿真模型,并按照相同控制需求搭建5kV/3A原理样机,对所研制控制系统的控制策略、运行时序与保护逻辑进行验证。仿真与实验结果均表明,本文提出的控制策略满足加速极负载对于电源动态与稳态性能的要求,所设计的运行逻辑可以实现对电源μs级的可靠控制与保护响应。本文研究成果可为国内辅助加热电源控制系统的研制提供重要参考。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24;TP273
【图文】：

电源,回旋管,控制系统,阴极

中科技大学硕士学位论2 PSM 电源控制系统优化置的 ECRH 辅助加热系统原计划采用英国 VGE-800配套建成如图 2-1 所示的阴极电源，该电源采用 PS 750V/60A 的开关电源模块串联组成，输出侧但是，由于 J-TEXT 装置需求变更，ECRH 系统-105 系列回旋管，其对于阴极电源输出特性的要求也升沿<10ms，特征值为 500μs，上升超调<1%，开通<10μs 等。因此，需要对原有的 PSM 电源进行优化，模块硬件改造的成本较大，同时新回旋管对阴极电性方面，因此对于 PSM 电源的控制系统的优化至关

模型图,单模块,模型,过渡时间

华中科技大学硕士学位论文间要略长于单纯的 RC 过渡时间 tsRC。为验证以上分析的正确性，本小节在 simulink 中搭建如图 2-5 所示的 PSM 电源单模块仿真模型。模块输入电压 523V，交流频率 80Hz，交流侧电感 0.5mH，内阻0.16Ω，直流侧滤波电容5.8mF，限流电感 50μH，续流电阻1Ω，负载等效电阻 17.36Ω。仿真结果如图 2-6 所示，在 t=0 时刻断路器闭合，滤波电容开始充电，端电压平均值为 748V。在 t=0.1s 时刻导通 IGBT，负载电压平均值从 748V 缓慢下降至 687V，输出电压超调 PO=8.8%，其暂态过程持续时间 12.5ms 左右，对应相同参数的 RC 简化电路从 748V 衰减至 687V 的过渡时间为 8.1ms。仿真结果同上述暂态过程分析结果基本一致。

前馈补偿,程序模块

华中科技大学硕士学位论文4) 控制程序设计PSM 电源的控制系统软件环境基于 LabVIEW 编程环境来实现，此外现有控制程序已经占用较多FPGA硬件资源，因此在软件层面的优化主要遵循以下两个原则，即：a) 与原有程序的开通/关断逻辑兼容；b) 占用 FPGA 硬件资源最小原则。前馈控制程序示意如图 2-12 所示，其中蓝色标题控件代表母循环其他辅助功能模块的运算输出。为保证控制时间精度，前馈控制基于 FPGA 硬件定时循环实现，所有计时单位均以 25ns 为最小步长单元。

【参考文献】