EAST托卡马克共振磁扰动线圈电源设计分析研究

发布时间：2020-09-22 20:33

　　 EAST托卡马克共振磁扰动线圈电源为内真空室的共振磁扰动线圈提供特定的电流和电压,该线圈主要用于边界局域模控制等物理实验研究。要满足此目的,需要8套相同的电源,电源额定电流和电压为4000A/450V,电流和电压延迟时间分别小于0.35 ms和0.25 ms,电压纹波小于2%,同时电源能在直流到交流1 kHz的范围内提供不同的电流和电压,有必要对该电源的设计方法进行研究。同时电源逆变部分采用串并联H桥结构,核心器件1GBT工况特殊,且共有384个IGBT同时工作,需要分析其结温分布、失效原因及可靠性,对该电源的设计分析研究对于托卡马克装置同类型电源的设计工作能提供极大的技术参考。第一,针对RMP线圈电源的设计要求,确立了开关频率与电源响应速度、等效开关频率与电压纹波、拓扑结构与输出电流电压的对应关系,还设计了RC补偿支路、母线电容和平波电感,介绍了电源的控制系统和故障保护策略,并针对设计要求进行了仿真和测试,结果表明设计方案能满足设计要求。以DIII-D托卡马克超级电源为例,介绍了 RMP线圈电源设计方法在该电源系统设计方案中的应用,并重点介绍了该电源中的并联控制方式,同时对于现有的电压模式控制方法提出了优化建议。第二,为了分析RMP线圈电源中IGBT在EAST实验工况下的结温分布特点,基于这种特殊实验工况,通过推导得到了脉冲工况和正弦工况下结温最大值、最小值和纹波的函数,指出电流上升时间、频率、幅值、占空比和IGBT开关频率对结温分布的影响,在此基础上通过建立Matlab仿真模型验证了上述变量在不同工况下对结温的影响,并给出了不同变量下结温变化对比图,以典型脉冲工况为例,借助有限元仿真软件,进行了热-结构耦合分析,确定键合线和焊料层在反复的功率循环时为主要失效环节,并验证了关于结温分布特点的理论分析。第三,为了验证IGBT在实际工作时的失效方式和评估IGBT的可靠性,进行了温度循环试验、动态特性测试和功率循环试验,验证了温度循环时IGBT的失效方式,分析了驱动电阻、集电极电流、结温和功率循环次数对IGBT动态特性的影响,对IGBT的实际运行和使用提出了建议,分析了在多次功率循环冲击后IGBT的可靠性。目前8套RMP线圈电源在已经结束的EAST物理实验中运行正常,且RMP线圈对边界局域模的抑制起到明显作用,该电源的分析和设计方法也为今后ITER装置和CFETR装置上类似电源的设计提供了技术参考。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL631.24
【部分图文】：

托卡马克

就是探索新能源。逡逑原子核的聚变能是人类未来最理想的新能源，但要把聚变时放出的巨大能量逡逑作为安全使用的能源，必须对剧烈的核聚变反应加以控制，因此称作受控核聚变逡逑［３］。为了进行受控核聚变，苏联科学家提出了磁约束的概念，并于１９５４年建成逡逑了第一个磁约束装置，这就是托卡马克（Ｔｏｋａｍａｋ），它是俄语“磁线圈环形真空室”逡逑的缩写［４］，几亿度高温的等离子体被约束在环形的磁场中，进行等离子体放电［５］。逡逑目前国际上进行运行和可控核聚变物理研宄的托卡马克装置主要包括英国逡逑ＪＥＴ研宄所的ＪＥＴ，德国马克斯？普朗克等离子体物理所的ＡＳＤＥＸ－Ｕｐｇｒａｄｅ，日逡逑本原子能研究所的ＪＴ－６０ＳＡ，美国通用原子能公司的ＤＩＩＩ－Ｄ，韩国国家聚变研究逡逑中心的ＫＳＴＡＲ和中国等离子体物理研宄所的ＥＡＳＴ等。中国目前除ＥＡＳＴ装置逡逑以外，西南物理研究院的ＨＬ－２Ａ和华中科技大学的Ｊ－ＴＥＸＴ等装置也在进行相逡逑关物理研宄，而且都取得了很突出的成就。逡逑１．１．２邋ＥＡＳＴ托卡马克及电源系统逡逑ＥＡＳＴ邋由邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ、Ａｄｖａｎｃｅｄ、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ、Ｔｏｋａｍａｋ邋四个单词首逡逑字母拼写而成，意思是“先进实验超导托卡马克”，同时有“东方”的寓意。ＥＡＳＴ逡逑装置如图１．１所示，主机部分高达１１邋ｍ，直达８邋ｍ，重约４００Ｔ，其三大科学目标逡逑是在未来实现１ＭＡ电流、１０００邋ｓ放电、１０８邋Ｋ高参数等离子体的稳定运行。逡逑

波形,磁约束聚变,等离子体放电,长脉冲

钨偏滤器等类似国际热核聚变实验堆ＩＴＥＲ未来运行条件下，获得超过６０秒的逡逑完全非感应电流驱动（稳态）高约束模等离子体，ＥＡＳＴ成为世界首个实现稳态逡逑高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置［７］；如图１．２所逡逑示，在２０１７年，ＥＡＳＴ实现了稳定的１０１．２秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，逡逑创造了新的世界纪录，这标志着ＥＡＳＴ成为了世界上第一个实现稳态高约束模式逡逑运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。逡逑￣ＥＡＳＴ邋Ｓｈｏｔ＃７３９９９逦２０１７－０７－０３邋２２：０９邋＾￣逡逑３邋４邋｝逦ｙ０邋４逡逑〕ｌｐ（ＭＡ）逦Ｌｏｏｐ邋Ｖｏｌｔａｇｅ邋（Ｖ）Ｊ｜Ｑ邋２逡逑0邋‘逦‘逦‘逦＿逦」＿Ｊ？邋２逡逑４邋Ｉ邋＜ｎ邋＞邋（１０１９／ｍ３）逦？逦１０逡逑３逦—ｉ—逦—ｉ逦逦—ｉ—ｊ逡逑１邋Ｉ邋Ｐ，ｈｗ（ＭＷ）逦Ｐ，ｃｈｈ＜ＭＷ）邋１邋＼逡逑ｇｌｌ逦，逦．逦」逦逦逦Ｉ逦邋—ＴＪＬｉ，逦１１！逡逑４｜逦＇逦丨逦＇逦＇逦ｕ１．５逡逑？ｆｇｒ逦１邋—■二二逦逦■＿－：邋：逦３逡逑２「卜邋Ｄａ（ａ！）邋逦逦逦一广逦■逦Ｈ逦ｏ邋ｓ逡逑０＾—逦逡逑０逦２０逦４０逦６０逦８０逦１００逡逑逦Ｔｉｍｅ（ｓ）逦逡逑图１．２邋ＥＡＳＴ邋１０１．２秒稳态长脉冲高约束等离子体放电波形逡逑这些令人振奋的研究成果表明我国磁约束聚变研宄在稳态运行的物理和工逡逑程方面，将继续引领国际前沿，对ＩＴＥＲ和未来中国聚变工程实验堆（ＣＦＥＴＲ）逡逑建设和运行具有重大的科学意义。逡逑ＥＡＳＴ要进行等离子体放电

局域模,边界,线圈对,等离子体放电

图１．３邋ＥＡＳＴ装置ＲＭＰ线圈对边界局域模的抑制作用逡逑炮号为５５２７４的ＥＡＳＴ等离子体放电实验中展现了邋ＲＭＰ线圈抑制边界局域逡逑模的作用，如图１．３所示，６邋ｓ时刻投入ＲＭＰ线圈之后，能观察到电子密度降低，逡逑边界局域模频率增大，６邋ｓ之后，边界局域模完全得到了抑制［１４］。逡逑ＲＭＰ电源为ＲＭＰ线圈提供所需的电流和电压，从而产生控制等离子体的磁逡逑３逡逑

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