中性束离子源实验平台80k V/50A/20ms高压电源设计分析与优化

高压电源是中性束加热用离子源束流引出的关键设备，其运行参数和性能直接决定引出束粒子能量和离子源引出效率。为了进一步提高中性束离子源实验平台高压运行参数和性能，重新优化设计并研制了80k V/50A高压电源的所有模块。首先介绍了80k V/50A高压模块电源的主电路拓扑结构和电源模块，运用仿真软件对高压电源主回路进行了充放电、打火保护仿真，仿真结果符合设计要求。最后，通过调试实验发现了电源模块存在空间绝缘不足、整流桥击穿、触发控制不响应等问题，进行了分析优化改进，完成了80k V/50A高压模块电源的升级研制。     

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介绍了高压直流电源输出发生短路故障时的暂态情况,并详细分析和计算了速调管负载发生极间打火时,在三电极气体开关保护动作过程中电源向速调管注入的能量。计算和仿真结果与实验结果一致,当高压电源输出发生短路故障时,开关能在μs级关断,并且能将短路电流能控制在200A。验证了三电极气体开关保护的快速性与可靠性,具有工程应用价值。     

中性束注入系统加速极电源高压部件设计

基于负离子的中性束注入是未来大型托卡马克装置不可或缺的辅助加热方式。中性束系统中的加速极电源需要输出-200 kV电压和5 MW的功率,还经常面临负载短路和断路的特殊工况。过去对加速极电源的研究中缺少高压部分的方案设计,而电源中高压部件的绝缘设计是电源研制过程中必不可少的关键环节。据电源指标和特殊工况的特点,计算了电源高压部分的隔离升压变压器、高压整流器和高压滤波器的电路参数,并对这些部件基于油浸式绝缘进行了工程设计,通过有限元仿真分析进行了绝缘验证。仿真结果表明,这些部件中的电场强度最高为16.22 kV/mm,小于变压器油击穿场强并具有2倍的绝缘裕度。设计的高压部件结构可以满足电源的绝缘要求。     

HL-2A中性束加速极电源分布式控制的设计与应用

针对HL-2A装置的中性束加速极电源系统的远程管理和监控,设计了以太网环境下的分布式控制系统。该系统核心部分是PC-104嵌入式工控机、数字接口卡、模拟接口卡以及控制软件。以中性束加速极电源系统为出发点,提出了控制系统的设计要求。从硬件设计和软件设计两方面,论述了分布式控制策略在中性束加速极电源系统中的具体实现。实验证明,该控制系统兼顾了远程管理和实时控制,实现了电源系统的稳定运行。     

HL-2M 装置电子回旋共振加热高压电源系统的研制

为满足 HL-2M 装置电子回旋共振加热、低杂波电流驱动、中性束注入等二级加热系统的需要,设 计了多套基于脉冲步进技术的大功率高压电源,为速调管、回旋管及中性束、离子源等提供高压。重点针对一套 用于电子回旋系统的高压电源进行了分析。该高压电源设计了多副边绕组的高压隔离变压器、全固态高压调制器 和电源控制系统,并得出了适合本电源控制的控制算法,易于调整高压的输出幅值以及高压的上升下降时间。最 后给出实验结果,以验证电源的保护能力、电源控制算法的可操作性及实用性。试验证明,此套电源不仅满足对 负载的快速保护的要求,其电源工作的稳定度等其它参数也满足设计要求。      

高频环行器打火原因的分析

合肥光源(HLS)储存环高频系统环行器在工作中出现了两种形式的打火——谐波打火和束流丢失打火. 谐波打火的原因已经找到并予以解决, 但丢束打火的机制尚未明确. 文中描述了丢束后高频系统的响应过程, 分析了一些可能造成环行器打火的因素. 为了防止环行器打火受损, 建立了快速联锁保护电路, 该电路在历次打火中成功地保护了环行器.     

EAST离子回旋共振加热系统调制型 高压电源研究

介绍了EAST离子回旋共振加热系统调制型高压电源的总体设计方案,详细讨论了电源模块的构造、电路和工作原理,对电源控制保护系统的组成部分及其功能做了全面的论述,对电源的调制和短路保护能力进行了实际测试,给出了相应的实验数据和波形,证明了电源设计方案的正确性和可靠性。     

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介绍了EAST离子回旋共振加热系统调制型高压电源的总体设计方案,详细讨论了电源模块的构造、电路和工作原理,对电源控制保护系统的组成部分及其功能做了全面的论述,对电源的调制和短路保护能力进行了实际测试,给出了相应的实验数据和波形,证明了电源设计方案的正确性和可靠性。     

HL-2A装置MW级中性束加热系统灯丝电源设计与仿真分析

介绍了HL-2A 装置中性束加热系统阴极灯丝电源的主电路拓扑结构、控制硬件及控制时序等。运用MATLAB 仿真软件对灯丝电源主回路进行了反馈控制仿真，发现电流在1000A 左右时，纹波约为1%，而电流降低至200A 时，纹波增大，约为3%。分别去掉低位控制柜内进线端的串联交流滤波电抗器L₁ 和并联LC 谐波滤波器进行仿真，结果显示输出电流纹波明显变大，说明L₁ 和LC 除了能够吸收谐波电流减少进入电网谐波的作用外，还能够对交流调压后的斩波波形进行一定的滤波作用，使得输出波形更加平滑。     

一种用于弧流电源的新型打坑电路设计

作为中性束注入加热系统的核心设备,弧流电源的性能至关重要。打坑电路是弧流电源的重要组成部分,其动态响应特性及稳定性决定了弧流电源的性能。提出了一种用于弧流电源的新型打坑电路解决方案,能在150 μs内快速实现大电流的跌落和恢复,并且跌落和恢复过程中基本无过冲,用于转移的电子开关(比如IGBT)在开关过程中过电压小,可靠性高,吸收电路容易实现。该方案可以很好地替代传统的弧流电源打坑电路。     

Influence of interrupted current amplitude on the post-arc currentand gap recovery after current zero-experiment and simulation

For commercial vacuum circuit interrupter valves with radial field contact, the post-arc current (PAC) waveform was measured after short circuit current interruption applying a transient recovery voltage (TRV) of about 15 kV/s (RRRV). Keeping the current decline di/dt at current zero constant, the power frequency (PF) current amplitude Iˆ_PF was varied from 0.5 up to two times of the rated short circuit current. Significant influence of Iˆ_PF on the gaps memory is shown in particular effecting the post-arc current duration which varies in a range between 2 and 8 μs. Based on the existing physical models an interpretation of the results is given. It is shown that the memory effect influences the gap recovery time. The experimental results were further used to determine the parameters of the sheath growth model described by Andrews and Varey (1971). The initial ion density is fitted according to the current ramp di/dt before current zero (CZ) and according to the measured Q_PF=∫i _PF×dt during the arcing phase. The results of two different test procedures were applied in order to separate the effect of current ramp di/dt and Q_PF=∫i_PF×dt. The influence of both parameters and of the rate of rise of the recovery voltage du/dt (RRRV) on the sheath edge velocity could be demonstrated by simulation     

储能电容方式驱动强流脉冲加速器重频运行

 对储能电容方式驱动强流脉冲加速器初级能源回路重频运行进行研究,阐明其工作原理,给出了储能电容电压的适用范围,得到了储能电容的初始电压、原边电容的反向电压、储能电容对原边电容开始充电和能量回收回路启动之间的延时这三者之间的解析关系式。对实际应用的储能电容方式驱动强流脉冲加速器初级能源回路进行了模拟研究,制定了256×256的数据表格,供控制程序查表之用,根据数据表格,实现了储能电容方式驱动强流脉冲加速器稳定的重频运行。     

医用加速器二极磁铁的非单一工作模式电源控制器设计

近年来,离子治疗技术在国内外发展迅速。为满足加速器调试和不同治疗方案对医用回旋加速器装置的不同束流能量要求,二极磁铁电源要求工作在可相互切换的直流、有序触发和周期脉冲三种模式。使用中国科学院近代物理研究所自主研发的集成盒装式控制器,实现了对电源的控制和保护功能。为了适应调试和治疗两种不同场合的需求,控制器还支持本地和远程控制两种不同的网络协议,可通过触摸屏的控制按钮完成两者的切换。电源主回路和控制器设计并装配完成后,对各项指标进行了测试。测试结果表明,电源可正常工作在不同模式下,额定电流下长期稳定度达到了21×10–6,电流纹波小于万分之四,超出了设计指标。     

HL-2A装置电子回旋打火保护系统设计

电子回旋打火保护系统由打火弧光探测器、A/D转换单元和逻辑处理单元组成。弧光探测器响应时间小于2μs,A/D转换单元和逻辑处理单元响应时间小于1μs。打火保护系统输出保护信号关断各供电电源的响应时间小于20μs。     

基于窄脉冲传输的脉冲展宽IGBT驱动电路

设计了一种采用高压隔离脉冲变压器传输窄脉冲,然后应用脉冲展宽电路实现宽脉冲驱动信号输出的无源IGBT驱动电路。采用正电压turn-on窄脉冲和负电压turn-off窄脉冲组合传输的方式以减小高压隔离脉冲变压器的体积和重量,脉冲展宽电路使IGBT在turn-on脉冲上升沿导通,在turn-off脉冲上升沿关断,且其具备储能功能,无需高压隔离辅助直流电源为其供电。脉冲信号发生电路和过流保护电路耦合设计,使IGBT在正常关断和过流保护关断情况下,其栅极都处于反压偏置状态,以提高IGBT关断的快速性和可靠性。将驱动电路用于级联Marx高压电路中IGBT开关的驱动,turn-on脉冲和turn-off脉冲的脉宽均选择为2 μs,结果表明,Marx电路在输出脉冲电压峰值为20 kV时工作稳定,且脉宽在3.5~50 μs之间连续可调,等离子体负载下的输出电压和电流波形显示,打火情况发生时,过流保护电路工作稳定可靠。该驱动电路可有效实现宽脉冲驱动信号的产生,具有较强的可靠性和实用性。     

基于CSAPF的磁铁电源纹波抑制研究

加速器系统中由于大量非线性器件的存在产生了大量纹波,严重影响加速器磁场对粒子运动轨迹的控制。为实现对加速器直流电源纹波的抑制,相关研究主要集中在用电压型有源电力滤波器降低直流电源纹波,但该方法存在抑制精度不足、响应延时、开关设备损耗较大等问题。针对以上问题,本文比较了电流型和电压型有源电力滤波器的主电路拓扑结构,研究了电流型和电压型有源电力滤波器的脉冲宽度调制技术和控制策略,分析了在加速器系统中不同的有源电力滤波器对磁铁电源输出电流纹波的抑制性能。通过仿真分析与实验验证,发现电流型有源电力滤波器对磁铁电源输出电流纹波具有显著的抑制效果,并且电流型有源电力滤波器能够直接控制输出的纹波电流,纹波精度抑制更高,CSAPF投入后,负载电流纹波显著减小,电流纹波系数达到1.6×10–5。     

基于悬浮拓扑的加速器脉冲电源设计

随着加速器技术的发展,重离子加速器脉冲电源工作频率逐步提高,电流上升速率逐步提升。脉冲电源磁铁负载具有阻感特性,其在电流波形上升段将吸收大量的无功,会对电网产生周期性强冲击;同时,快电流上升速率下的高精度要求,对电源设计提出了新的挑战。论文设计了一种基于电容储能的悬浮型H桥级联拓扑,利用电源自身储能电容和负载电感进行无功交互,实现了无功能量的内部循环,以减小对其对电网冲击;同时采用H桥级联多电平结合移相倍频控制,以保证电源快动态响应下的高精度需求。样机实验结果验证了电源拓扑和控制原理的可行性,为加速器快电流上升速率脉冲电源提供了一种新的解决方案。     

脉冲功率晶闸管反向恢复特性

为建立有效的晶闸管模型来仿真晶闸管关断时过电压,减小晶闸管过压损坏的概率,以最大通流150 kA、耐压5.2 kV的脉冲晶闸管为研究对象,将其前置于脉冲形成单元回路中作为大功率开关使用,记录放电过程中晶闸管两端电压及电流。实验数据表明:恢复过程中的电流下降率、反向恢复电荷、反向恢复电流峰值随通态电流峰值的增大而增大,晶闸管关断时间随通态电流峰值的增大而减小。此外,在关断过程中,当电流下降率在-50~1000 A/s时,电流下降率与电流峰值为线性关系。因此,在大脉冲电流条件下,推导反向恢复过程参数与通态电流参数的关系时电流下降率可用与电流峰值的线性关系代替。基于Matlab仿真平台,建立了具有反向恢复过程的脉冲晶闸管模型。该模型仿真得到的晶闸管反向恢复电流峰值与实测结果较为吻合,反向恢复电压尚待进一步修正。     

强流质子加速器ns级快沿切束电源系统

详细分析了中国散裂中子源(CSNS)直线加速器低能端预切束电源工作原理。切束束团上升沿和下降沿的快慢是衡量切束电源性能好坏的重要指标,经过研究,研制了一台脉冲幅值6 kV,前后沿纳秒级的切束腔电源,应用纯硬件电路代替软件的方法实现高频和低频定时信号的同步和与处理,使该电源输出稳定可靠的高压脉冲。该电源基于直流高压加快速高压开关的设计方案来实现高压、高重复频率及纳秒级快沿的脉冲输出,具有多脉冲和单脉冲两种工作模式,满足了直线加速器单束团和多束团注入到快循环质子同步加速器(RCS)的要求。CSNS直线加速器切束实验的结果表明,切束电源满足各项设计指标要求。