CSNS RCS注入涂抹凸轨磁铁脉冲电源设计

中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)是一台高束流功率质子加速器, RCS注入系统是将直线加速器预加速的负氢离子束流通过剥离的方式注入到RCS环中, 注入系统采用凸轨方案和相空间涂抹技术并要求涂抹凸轨磁铁脉冲电源输出脉冲电流的下降沿能够被程序控制, 电源采用IGBT功率放大的方式产生脉冲电流, 用程序控制电源的给定波形, 通过电源反馈控制系统, 使电源的输出波形跟随电源的给定波形, 达到控制电源输出脉冲电流下降沿的目的. 电源输出脉冲电流的跟踪误差是涂抹凸轨磁铁脉冲电源的重要指标, 为了满足跟踪误差小于2%的指标, 要求IGBT拓扑频率大于400kHz. IGBT拓扑采用IGBTH桥串并联错相工作的方式达到分压、分流和提高频率的作用. 高功率、高频率、快速的响应时间和最佳的反馈控制策略是涂抹凸轨磁铁脉冲电源具有良好性能的关键.     

CSNS RCS注入涂抹凸轨磁铁脉冲电源设计

中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)是一台高束流功率质子加速器,RCS注入系统是将直线加速器预加速的负氢离子束流通过剥离的方式注入到RCS环中,注入系统采用凸轨方案和相空间涂抹技术并要求涂抹凸轨磁铁脉冲电源输出脉冲电流的下降沿能够被程序控制,电源采用IGBT.功率放大的方式产生脉冲电流,用程序控制电源的给定波形,通过电源反馈控制系统,使电源的输出波形跟随电源的给定波形,达到控制电源输出脉冲电流下降沿的目的.电源输出脉冲电流的跟踪误差是涂抹凸轨磁铁脉冲电源的重要指标,为了满足跟踪误差小于2%的指标,要求IGBT、拓扑频率大干400kHz.IGBT拓扑采用IGBT H桥串并联错相工作的方式达到分压、分流和提高频率的作用.高功率、高频率、快速的响应时间和最佳的反馈控制策略是涂抹凸轨磁铁脉冲电源具有良好性能的关键.     

CSNS引出冲击磁铁脉冲电源设计

从脉冲电源参数计算,电源整体设计,脉冲形成网络(PFN)设计和优化等方面介绍了中国散裂中子源快循环同步加速器引出Kicker磁铁脉冲电源的初步设计情况,提出一种新型的低阻抗PFN设计方法,给出了脉冲电源和PFN的参数,利用PSPICE程序仿真了充电电压为36.5kV情况下磁铁的励磁脉冲电流波形,励磁电流脉冲幅值达到5.8kA.结合仿真结果,分析了不同PFN节数和传输电缆长度对磁铁电流波形的影响.     

40 kV/6 kA引出Kicker磁铁脉冲电源设计

从脉冲电源参数计算、电源整体设计、脉冲形成网络（PFN）设计和优化等方面介绍了中国散裂中子源快循环同步加速器引出Kicker磁铁脉冲电源的初步设计情况,提出一种新型的低阻抗PFN设计方法,给出了脉冲电源和PFN的参数,利用PSPICE程序仿真了充电电压为36.5 kV时磁铁的励磁脉冲电流波形,励磁电流脉冲幅值达到5.8 kA。仿真结果表明：PFN的单元电容电感相同时,采用较多的PFN节数,励磁电流脉冲宽度会变宽,电流脉冲前沿和平顶度没有显著变化;采用合适长度的电缆,可以有效避免反射电流对主脉冲电流波形产生影响。     

40 kV/6 kA引出Kicker磁铁脉冲电源设计

 从脉冲电源参数计算、电源整体设计、脉冲形成网络（PFN）设计和优化等方面介绍了中国散裂中子源快循环同步加速器引出Kicker磁铁脉冲电源的初步设计情况,提出一种新型的低阻抗PFN设计方法,给出了脉冲电源和PFN的参数,利用PSPICE程序仿真了充电电压为36.5 kV时磁铁的励磁脉冲电流波形,励磁电流脉冲幅值达到5.8 kA。仿真结果表明：PFN的单元电容电感相同时,采用较多的PFN节数,励磁电流脉冲宽度会变宽,电流脉冲前沿和平顶度没有显著变化;采用合适长度的电缆,可以有效避免反射电流对主脉冲电流波形产生影响。     

CSNS/RCS引出脉冲电源传输电缆终端绝缘技术

对脉冲电源系统72 h老练实验过程中高压电缆座打火并被击穿情况进行分析,建立高压电缆终端电场分布等效电路,推导出从电缆终端到金属屏蔽层的电势差公式,从理论上分析高压座被击穿的原因是电缆终端绝缘层未做倒角,空间电荷在此处集聚、温度升高导致的。通过定位被击穿高压座击穿孔的位置验证理论分析的正确性,最后提出高压电缆端部绝缘层处理方法,并做72 h老练实验验证了其正确性。     

CSNS/RCS引出脉冲电源传输电缆终端绝缘技术

对脉冲电源系统72 h老练实验过程中高压电缆座打火并被击穿情况进行分析,建立高压电缆终端电场分布等效电路,推导出从电缆终端到金属屏蔽层的电势差公式,从理论上分析高压座被击穿的原因是电缆终端绝缘层未做倒角,空间电荷在此处集聚、温度升高导致的。通过定位被击穿高压座击穿孔的位置验证理论分析的正确性,最后提出高压电缆端部绝缘层处理方法,并做72 h老练实验验证了其正确性。     

CRAFT超导磁体电源换流变压器短路阻抗设计

聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）超导磁体电源兼具大电流稳态运行、高功率脉冲运行和瞬态故障抑制能力的需求。换流变压器的短路阻抗与超导磁体电源的特性密切相关。为了优化超导磁体电源的性能,基于交直流系统的参数和换流变压器的等效电路模型,研究了换流变压器短路阻抗与超导磁体电源的输出电压、谐波电流、短路故障电流和无功损耗的关系。短路阻抗越小,超导磁体电源的额定输出电压越高,无功损耗越小,这些特性对CRAFT超导磁体电源的性能有利,但是短路故障电流和谐波电流增加,影响电源的短路故障抑制能力和谐波特性。在CRAFT超导磁体电源换流变压器短路阻抗设计时,首先短路阻抗必须满足直流电源的额定输出电压和故障电流抑制能力,其次,由于CRAFT超导磁体电源是多相变流器,仅产生高次特征谐波电流,含量少便于抑制,因而尽量选择较小的短路阻抗。     

真空传输线板-锥过渡结构的功率流分析

真空传输线板-锥转角过渡是多模块汇流的Z箍缩装置经常采用的结构,在不考虑磁绝缘失效、介质损耗的前提下,采用有限差分方法分析转角过渡对功率流传输的影响。初步的计算和分析表明:随着转角的变大,由阻抗不匹配引起的反射将使传输效率有所降低;前沿较陡的快脉冲在这种结构中发生严重畸变,而低频脉冲则几乎不受影响。在板-锥过渡设计中采用小转角结构,尽量减小脉冲传输方向的变化,对保证脉冲高效传输有利。     

真空传输线板-锥过渡结构的功率流分析

真空传输线板-锥转角过渡是多模块汇流的Z箍缩装置经常采用的结构,在不考虑磁绝缘失效、介质损耗的前提下,采用有限差分方法分析转角过渡对功率流传输的影响。初步的计算和分析表明:随着转角的变大,由阻抗不匹配引起的反射将使传输效率有所降低;前沿较陡的快脉冲在这种结构中发生严重畸变,而低频脉冲则几乎不受影响。在板-锥过渡设计中采用小转角结构,尽量减小脉冲传输方向的变化,对保证脉冲高效传输有利。     

紧凑环注入系统高压脉冲电源设计

以放电回路理论模型计算和仿真分析为指导,设计了紧凑环注入装置(CTI)高压脉冲电源,并在CTI上进行放电实验。实验结果证明所设计的CTI高压脉冲电源可产生特定频率下100kA的目标电流,保证了CTI成型场及加速场电极的供电需求。     

基于传输线模型的高阻表面反射相位分析

采用传输线模型对高阻表面表面阻抗进行建模,准确计算垂直入射条件下高阻表面的反射相位.在垂直入射条件下,过孔的影响可以忽略,将高阻表面等效为具有容性的贴片阵与具有感性的介质层的并联,利用传输线原理求得高阻表面的反射系数,再得到其反射相位.计算了不同参数的高阻表面反射相位,传输线模型计算反射相位与数值方法计算结果符合较好.制作了不同参数的高阻表面并测量其反射相位,实验结果表明传输线模型计算反射相位结果与测量结果基本符合,证明了传输线模型的正确性. 关键词： 高阻表面 反射相位 传输线模型     

多级磁阱装置脉冲电源系统研制

为了实现高压等离子体放电的研究,研制了一套满足负载要求的脉冲电源系统。该电源系统采用脉冲电容型电源拓扑方案并结合理论计算,为实际电源研制提供关键的指导方案。为了更好地进行器件参数选型,采用PSpice软件搭建仿真模型,通过响应波形分析得到满足系统要求的器件参数。此外,为该电源系统研制一套满足等离子体放电要求的控制系统。该控制系统采用通信方式为串口通信、Labview搭建上位机界面以及FPGA完成下位机的逻辑系统配置,系统简单高效。     

脉冲功率电源模块时序放电控制系统设计

设计了一套用于控制30个脉冲功率电源模块按时序进行放电的控制系统。该控制系统使用高速数字信号处理器作为主要控制芯片,采用高速光电转换器件及光纤作为触发信号传输系统,利用脉冲隔离变压器作为电源开关触发系统的主要隔离元件,在硬件方面实现了时序放电触发信号的高精度传输和高压隔离。同时,该控制系统使用优化的软件算法对数字信号处理器进行软件编程,实现了放电时序计算的优化控制,而且利用简易的计算机语言对上位机软件进行编写,实现对放电时序进行精确的设置,从而保证了时序放电的精确度。将该控制系统用于实际的30路脉冲功率电源放电装置的实验中,得到了良好的放电电流实验波形。根据时序触发波形及放电波形进行分析,该时序放电控制系统每路电源放电时间最小间隔可达到20 μs,电流波形反映的触发时刻与放电时序设置时刻的延时误差分布在10~15 μs,整个控制系统的性能符合设计的要求。