托卡馬克脈沖磁體電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行特性研究.pdf

1、磁體電源系統(tǒng)是托卡馬克裝置的重要的組成部分，它主要用于給托卡馬克磁體供電，以實(shí)現(xiàn)特定的等離子體約束位形。磁體電源系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制方法以及相關(guān)運(yùn)行技術(shù)研究是托卡馬克裝置以及未來聚變堆安全、穩(wěn)定、有效運(yùn)行的重要保障。J-TEXT（Joint Texas Experimental Tokamak）裝置（前身為美國(guó)德克薩斯大學(xué)的TEXT-U裝置）是一個(gè)常規(guī)的中型托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，可以在500ms內(nèi)維持最大350kA的等離子體電流放電運(yùn)

2、行，裝置運(yùn)行具有典型的脈沖功率特征，磁體電源系統(tǒng)也需按照脈沖方式設(shè)計(jì)與運(yùn)行。
　　本文針對(duì)J-TEXT裝置偏濾器磁體的運(yùn)行模式和電源需求，設(shè)計(jì)并研制了一套脈沖磁體電源系統(tǒng)，并基于這套電源系統(tǒng)開展了電源實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)以及脈沖磁體電源特性方面的研究。具體包括：
　　設(shè)計(jì)了一套脈沖磁體電源系統(tǒng)，探索了電源系統(tǒng)主要器件與設(shè)備在脈沖運(yùn)行條件下的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，提出了使用熱路模型以及瞬態(tài)熱阻參數(shù)進(jìn)行晶閘管溫升估算的方法，完成了磁體電源系

3、統(tǒng)的研制。
　　根據(jù)J-TEXT CODAC控制系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)范，設(shè)計(jì)并研制了一種新型電源控制器方案，方案使用工控機(jī)系統(tǒng)與QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，利用PSH實(shí)現(xiàn)了與J-TEXT CODAC系統(tǒng)的兼容。這種電源控制方案成功實(shí)現(xiàn)了偏濾器電源系統(tǒng)的控制，并應(yīng)用于J-TEXT另外四套磁體電源控制器的升級(jí)改造中。
　　建立所研制脈沖磁體電源系統(tǒng)的線性空間模型，提出了一種簡(jiǎn)化電流反饋控制的方案，使用線性約束條件將線性空間模型簡(jiǎn)化為單輸入單輸出

4、模型，去除了系統(tǒng)中的耦合因素、實(shí)現(xiàn)了電源負(fù)荷平衡，經(jīng)測(cè)試運(yùn)行效果良好。
　　研究了脈沖磁體電源整流器運(yùn)行中的電流換相問題，針對(duì)600以上換相重疊角的情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并得出了完整的系統(tǒng)過程與描述方法。研究了交流電阻參數(shù)對(duì)整流器運(yùn)行的影響，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了估算。在研制的磁體電源系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明理論分析結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。
　　研究了脈沖磁體電源整流器同步信號(hào)中的諧波對(duì)系統(tǒng)性能的影響。使用了諧波分解的方

5、法得到了任意情況下同步信號(hào)中的諧波分布，并引入諧波失真率參數(shù)對(duì)不同的諧波情況進(jìn)行區(qū)別。分析結(jié)果表明基頻的諧波成分可能引起整流器同步相位延遲而導(dǎo)致性能下降，大量高頻的諧波成分可能引起不可預(yù)測(cè)的同步相位偏移。
　　本文研究了脈沖磁體電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制技術(shù)，完成了偏濾器磁體電源及其控制系統(tǒng)的研制，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，運(yùn)行結(jié)果良好。本文提出的新型控制器方案消化和吸收了ITER I&C技術(shù)，可以為ITER及未來聚變堆類似控制器設(shè)計(jì)提供參考。