【摘要】：撕裂模(磁島)不穩(wěn)定性是磁約束受控核聚變研究中一種典型的磁流體不穩(wěn)定性,其影響著托卡馬克裝置的安全運行。理論研究表明外加脈沖調(diào)制磁場可以有效地控制撕裂模不穩(wěn)定性,在磁島轉(zhuǎn)動的不同相位區(qū)間施加調(diào)制磁場,會對撕裂模有致穩(wěn)和解穩(wěn)兩種不同作用。為了更好的進行外加脈沖調(diào)制磁場控制撕裂模的實驗研究,外加脈沖調(diào)制磁場線圈的供電電源參數(shù)要求為:輸出電流幅值為±3000A且上升沿與下降沿在100μs之內(nèi),工作頻率范圍1kHz-5kHz,電流的響應(yīng)時間小于10ms。本文根據(jù)對撕裂模實時反饋控制的需求,設(shè)計了一種變頻脈沖電源主電路拓撲及其控制系統(tǒng)。設(shè)計的主電路由整流電路,濾波電路,逆變電路以及諧振電路組成,通過對磁島相位的實時檢測利用控制電路對電源工作頻率進行控制,利用電流閉環(huán)控制方法對電流幅值進行控制。為了使輸出電流快速爬升和下降,利用負載電感通過IGBT反并聯(lián)二極管與諧振電容構(gòu)成回路發(fā)生諧振。在理論分析和仿真基礎(chǔ)上,通過對晶閘管、IGBT的選型,濾波電路的設(shè)計,疊層母排和RCD緩沖電路的設(shè)計及諧振電容的參數(shù)計算,研制了變頻脈沖電源的樣機。特別是針對變頻脈沖電源回路電感的存在,電流無法瞬間爬升到最大幅值的問題。設(shè)計了一種大功率低電感的石墨電阻,對電阻進行了理論分析以及仿真計算,并通過實驗驗證其頻率特性,熱特性等。設(shè)計了利用該電阻作為整流器假負載,提升母線電流幅值,再切換到H橋逆變電路從而減小電流的響應(yīng)時間方案,并應(yīng)用在電源中,取得了很好的效果。最后,變頻脈沖電源樣機進行了通電實驗。電源輸出電流幅值為±1300A,并且上升沿和下降沿的時間在40μs左右,工作頻率也滿足要求。同時,將大功率低電感的石墨電阻應(yīng)用到變頻脈沖電源樣機之中,大大降低了輸出電流的響應(yīng)時間。驗證了本文設(shè)計方案的可行性,達到了預(yù)期的目標。為今后變頻脈沖電源在托卡馬克中的應(yīng)用提供了關(guān)鍵性參考作用。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN86;TL631.24
【圖文】：

出頻率可達 7.5kHz，電源的工作周期為 6s/300s。1.2.2 J-TEXT 擾動場線圈供電系統(tǒng)概況目前，J-TEXT 托卡馬克裝置上 DRMP 線圈供電電源系統(tǒng)分為：交流諧振電源系統(tǒng)，直流電源系統(tǒng)，直流脈沖電源系統(tǒng)。但是它們各自都有自己的特點和相對的不足。下面將進行具體闡述。交流諧振電源系統(tǒng)[30,31]是由六脈沖整流器作為輸入端，經(jīng)過 H 橋逆變器，輸出接匹配變壓器，且變壓器副邊接諧振電容和擾動場線圈。當(dāng)電源正常工作時，負載線圈流進的電流波形為正弦波并且電流頻率范圍為 1kHz~5kHz，電流的最大幅值為5000A。工作周期為 1s/300s。由于電源是通過諧振的方式達到相應(yīng)的輸出電流，所以考慮到諧振電容，只能選擇幾個獨立的頻率點。因此交流諧振電源的輸出電流也只有幾個頻率點，頻率不能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)可調(diào)，所以交流諧振電源不能實時的反饋控制撕裂模。如圖 1-2 所示，為 DRMP 線圈交流諧振電源主電路原理圖。

圖 1-3 DRMP 直流電源系統(tǒng)主電路原理圖直流脈沖電源系統(tǒng)[33]的拓撲結(jié)構(gòu)是類似于 buck 電路，如圖 1-4 所示。通過給一個大電容充電使其達到一定電壓，然后將其作為輸入端。當(dāng)電源正常工作時，輸出只有正半軸的脈沖電流且電流幅值只有 1000A，輸出電流頻率在 1kHz~3kHz之間可調(diào)，工作周期為 0.3s/300s。磁探針通過實時檢測磁島信號，并通過 NI 控制器轉(zhuǎn)換成IGBT 開關(guān)信號。當(dāng)直流脈沖電源接收到信號，給擾動場線圈供電，反饋控制撕裂模。但是由于輸出電流幅值比較低，并且輸出的電流只有正半軸，存在直流分量，因此對撕裂�？刂菩Ч惶黠@。DrLrCRrabIGBTDd+

圖 2-1 DRMP 線圈空間分布示意圖為了使擾動場線圈可以產(chǎn)生合適的擾動磁場，首先將每個 PORT 內(nèi)的三個鞍圈進行串聯(lián)起來，并且將相差 180°的 PORT 線圈進行反向串聯(lián)，這樣就把四ORT 的線圈合理的分成了兩組。因此，四個 PORT 變成了兩部分，其中 PORT1圈和 PORT8 的線圈為一對，PORT5 的線圈和 PORT12 的線圈為另一對，每部分都需要一套擾動場電源給其供電。通過調(diào)節(jié)兩套擾動場電源的輸出電流的相位可以得到與之相對應(yīng)的相位差的擾動磁場，進而影響磁島轉(zhuǎn)動和磁島寬度。DR圈連接示意圖如圖 2-2 所示，其中的“+”表示為參考方向，“-”表示為參考方反。在這種情況下，每個 PORT 流經(jīng)的電流相位都會與其相鄰的 PORT 的電流相差 90°，擾動磁場就會沿著 J-TEXT 托卡馬克環(huán)向轉(zhuǎn)動。由于擾動場線圈工交流模式，并且流經(jīng)電流的頻率都是幾千赫茲，所以為了避免對周圍的裝置設(shè)成電磁干擾，在轉(zhuǎn)接柜和擾動場電源之間通過同軸電纜進行連接。一方面，當(dāng)流進同軸電纜時，流經(jīng)其外層導(dǎo)體和內(nèi)層導(dǎo)體的電流相等，并且方向也正好相

【參考文獻】

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本文編號：2793278