【摘要】：大功率負離子源中性束系統(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,為了發(fā)展用于中國聚變工程實驗堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)的N-NBI相關技術,國家重點研發(fā)計劃項目資助研制一套200keV的N-NBI工程樣機。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)的關鍵組件之一。CFETR N-NBI樣機需要一臺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。作為國內首套用于聚變輔助加熱領域的逆變型直流高壓電源,本文根據(jù)CFETR N-NBI樣機的需求,完成了電源的整體方案設計,對關鍵部件中點箝位型(Neutral Point Calmped,NPC)三電平逆變器和隔離升壓變壓器進行了工程設計和研究,并對輸出電壓紋波和逆變器輸出直流分量等運行特性進行了分析研究。通過調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),研究確定了低壓側直流母線電壓和逆變頻率這兩個關鍵參數(shù)分別為V_(dc)=5000V、f_(inv)=150Hz;對電源各組成環(huán)節(jié)進行了研究,通過理論分析和數(shù)值計算,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,對電源不同工況進行了仿真分析和研究,驗證了電源方案設計的合理性。以相橋臂單元為重點,對基于壓接型IEGT的大功率NPC三電平逆變器進行了設計和研究。針對三電平應用場合,對IEGT和IGCT進行了大量的單管測試,明確了器件特性;基于單管測試的結果,完成了三電平相橋臂單元的設計工作,通過仿真分析等手段對電、磁、熱設計的可靠性進行了研究和驗證。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計的相橋臂進行測試,驗證了橋臂設計的可靠性。基于本文的研究和設計,樣機加速器高壓電源的故障關斷時間可以降低到100μs內,較ITER同類參數(shù)(150μs)有很大的改善。對隔離升壓變壓器進行了設計和研究。該隔離升壓變壓器是國內首臺非工頻的高壓大功率方波變壓器,本文總結整理了其特殊需求,并給出了針對性的解決方案;以鐵芯和繞組為重點,完成了變壓器的主體電磁結構設計;利用數(shù)值計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行了研究計算,驗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、縱絕緣進行了研究計算,驗證了設計的可靠性。對關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實驗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行了驗證。本文的設計和研究工作為CFETR N-NBI樣機加速器高壓電源的研制奠定了堅實的基礎,對同類逆變型直流高壓電源的設計、研制和運行也具有一定的參考價值。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM464

【參考文獻】

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本文編號：2702607