J-TEXT托卡馬克裝置脈沖電源系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行分析.pdf

1、電源系統(tǒng)是托卡馬克裝置的核心組成部分之一，它給裝置的磁體線圈提供合適的電流，以完成產(chǎn)生、約束和加熱等離子體，以及驅(qū)動(dòng)和維持等離子體電流等一系列任務(wù)。電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和完善，是確保托卡馬克裝置成功放電和可靠運(yùn)行的必要條件，也是靈活進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究必需的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。J-TEXT 托卡馬克裝置（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、中型的、可產(chǎn)生圓形截面等離子體的聚變實(shí)驗(yàn)裝置，華中科技大學(xué)自2005年開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行

2、改建工作，2006年完成主機(jī)及相關(guān)子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試工作。2007年獲得第一等離子體，在首輪實(shí)驗(yàn)中，成功獲得了超過(guò)150kA，脈沖寬度大于200ms的等離子體電流。本文以J-TEXT 托卡馬克裝置脈沖電源系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行分析為研究?jī)?nèi)容，完成了以下任務(wù)并進(jìn)行了相應(yīng)的創(chuàng)新： (1)根據(jù)裝置磁體線圈的供電需求，設(shè)計(jì)了裝置的供電系統(tǒng)和磁體脈沖電源系統(tǒng)。在原TEXT-U 裝置的電氣元器件的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)和改造了縱場(chǎng)電源系統(tǒng)、加熱場(chǎng)電源、垂

3、直場(chǎng)電源和水平場(chǎng)電源等四套電源系統(tǒng)，全面更新和提升各磁體電源的測(cè)量和控制系統(tǒng)。 (2)根據(jù)裝置放電運(yùn)行的要求，調(diào)整并完成了各電源系統(tǒng)的投入時(shí)序。特別是針對(duì)難度較大的加熱場(chǎng)電源系統(tǒng)，本文提出多種方案進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，確定和優(yōu)化了預(yù)磁電源、離子化電容、電容器組和整流器的投入時(shí)序和控制模式。 (3)對(duì)100MW 脈沖發(fā)電機(jī)組的供電及輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)、研制、安裝和調(diào)試。針對(duì)中美電網(wǎng)之間的

4、差異所導(dǎo)致的機(jī)組轉(zhuǎn)速下降和儲(chǔ)能不足等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了100MW 脈沖發(fā)電機(jī)組的雙饋調(diào)速系統(tǒng)初步方案，方案利用機(jī)組電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為繞線式轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)，采用雙饋調(diào)速的方法將機(jī)組轉(zhuǎn)速提升至750rpm，以解決機(jī)組儲(chǔ)能不足的問(wèn)題。 (4)從理論上分析了縱場(chǎng)電源中兩組十二脈波整流器并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程中存在的環(huán)流問(wèn)題，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)并由此制定了有效的控制方法，成功解決了縱場(chǎng)電源兩組十二脈波整流器并聯(lián)運(yùn)行調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的環(huán)流問(wèn)題。 (5)利用變壓器等效模

5、型分析了加熱場(chǎng)線圈電流和等離子體電流之間的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)和完善了等離子體電流反饋控制系統(tǒng)。 (6)根據(jù)shafranov 方程仔細(xì)分析了等離子體平衡和垂直磁場(chǎng)的關(guān)系，給出裝置垂直磁場(chǎng)和等離子體位移之間的關(guān)系和轉(zhuǎn)換矩陣，并得出垂直場(chǎng)電源電壓和水平位移之間的傳遞函數(shù)。 (7)本文結(jié)合設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)和PID 方法，對(duì)裝置四套電源系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。 調(diào)試結(jié)果證實(shí)，仿真結(jié)果和實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果具有較好一致性，從而指導(dǎo)和保障了裝