【摘要】：大功率負(fù)離子源中性束系統(tǒng)(Negative-ion-based Neutral Beam Injectors,N-NBI)是未來聚變裝置必須的輔助加熱系統(tǒng)。但是目前我國尚無大功率N-NBI系統(tǒng)的研制經(jīng)驗(yàn),為了發(fā)展用于中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)的N-NBI相關(guān)技術(shù),國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助研制一套200keV的N-NBI工程樣機(jī)。其中,加速器高壓電源是中性束能量的主要來源,是N-NBI系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一。CFETR N-NBI樣機(jī)需要一臺200kV/25A的直流高壓電源為其加速器供電,該電源決定采用與ITER N-NBI加速器高壓電源類似的逆變型直流高壓電源方案,而我國沒有此類高壓電源的研制經(jīng)驗(yàn)。作為國內(nèi)首套用于聚變輔助加熱領(lǐng)域的逆變型直流高壓電源,本文根據(jù)CFETR N-NBI樣機(jī)的需求,完成了電源的整體方案設(shè)計(jì),對關(guān)鍵部件中點(diǎn)箝位型(Neutral Point Calmped,NPC)三電平逆變器和隔離升壓變壓器進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)和研究,并對輸出電壓紋波和逆變器輸出直流分量等運(yùn)行特性進(jìn)行了分析研究。通過調(diào)研對比決定采用單級逆變型直流高壓電源方案作為加速器高壓電源的整體方案,主要包括:12脈波晶閘管整流器、直流母線、三相三電平逆變器、隔離升壓變壓器、高壓不控整流器和高壓濾波器;分析影響電源性能的參數(shù),研究確定了低壓側(cè)直流母線電壓和逆變頻率這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)分別為V_(dc)=5000V、f_(inv)=150Hz;對電源各組成環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究,通過理論分析和數(shù)值計(jì)算,確定了各環(huán)節(jié)的方案和基本參數(shù);利用Simulink軟件搭建了電路仿真模型,對電源不同工況進(jìn)行了仿真分析和研究,驗(yàn)證了電源方案設(shè)計(jì)的合理性。以相橋臂單元為重點(diǎn),對基于壓接型IEGT的大功率NPC三電平逆變器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。針對三電平應(yīng)用場合,對IEGT和IGCT進(jìn)行了大量的單管測試,明確了器件特性;基于單管測試的結(jié)果,完成了三電平相橋臂單元的設(shè)計(jì)工作,通過仿真分析等手段對電、磁、熱設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行了研究和驗(yàn)證。研制了一相NPC三電平橋臂,并提出了一種四管動作雙脈沖測試法對所設(shè)計(jì)的相橋臂進(jìn)行測試,驗(yàn)證了橋臂設(shè)計(jì)的可靠性�；诒疚牡难芯亢驮O(shè)計(jì),樣機(jī)加速器高壓電源的故障關(guān)斷時(shí)間可以降低到100μs內(nèi),較ITER同類參數(shù)(150μs)有很大的改善。對隔離升壓變壓器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。該隔離升壓變壓器是國內(nèi)首臺非工頻的高壓大功率方波變壓器,本文總結(jié)整理了其特殊需求,并給出了針對性的解決方案;以鐵芯和繞組為重點(diǎn),完成了變壓器的主體電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);利用數(shù)值計(jì)算和有限元仿真手段對隔離升壓變壓器的漏磁場及其引起的損耗和溫升進(jìn)行了研究計(jì)算,驗(yàn)證隔離升壓變壓器的熱可靠性;通過有限元仿真對隔離升壓變壓器的主、縱絕緣進(jìn)行了研究計(jì)算,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。對關(guān)乎加速器電源性能與安全的輸出電壓紋波和逆變器輸出直流分量進(jìn)行了研究。通過仿真、理論分析等手段明確了電源的輸出電壓及其紋波特性,發(fā)現(xiàn)了限制輸出電壓紋波的條件,提出了一種紋波限制措施;研究了逆變器輸出直流分量產(chǎn)生的原因、造成的影響和精確提取直流分量的方法,提出了一種適用于CFETR N-NBI樣機(jī)加速器高壓電源的直流分量控制策略;通過電路仿真和小功率原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分別對輸出電壓紋波特性的分析和控制以及直流分量的控制進(jìn)行了驗(yàn)證。本文的設(shè)計(jì)和研究工作為CFETR N-NBI樣機(jī)加速器高壓電源的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),對同類逆變型直流高壓電源的設(shè)計(jì)、研制和運(yùn)行也具有一定的參考價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM464

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2702607