ITER極向場大功率非同相逆并聯(lián)變流器電磁分析與設(shè)計.pdf

1、ITER（國際熱核聚變實驗堆）極向場變流器是 ITER磁體電源系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是為ITER極向場超導線圈提供連續(xù)、任意可調(diào)的電流，以實現(xiàn)等離子體的驅(qū)動與位形控制。出于ITER“先進托卡馬克運行模式”對等離子體驅(qū)動和控制的需求，ITER極向場變流器設(shè)計參數(shù)高達1.42kV/55kA，且需要四象限有環(huán)流運行，其設(shè)計參數(shù)遠遠超出目前在運行托卡馬克的極向場電源。由于高額定運行電壓，以及ITER托卡馬克對系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，ITER極

2、向場變流器采用了其他大功率變流器極少采用的非同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)。而非同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)在增強系統(tǒng)故障抑制能力的同時，卻會引入一系列強電磁干擾問題，這是其他極向場變流器設(shè)計中從未遇到過的問題，需要具體的分析。另一方面，ITER極向場變流器的穩(wěn)定運行是ITER托卡馬克正常、穩(wěn)定運行和等離子體物理實驗的重要保證，有必要對其存在的電磁問題進行系統(tǒng)、全面和深入的分析與設(shè)計。本文針對ITER極向場存在的電磁問題進行了研究，主要完成了如下工作：
　　首

3、先，首次將交流封閉母線應(yīng)用于整流系統(tǒng)，并提出了非正弦電流交流封閉母線電磁屏蔽分析與設(shè)計的方法，極大地減小了交流母線產(chǎn)生的空間時變磁場，解決了交變大電流（有效值22.5kA）引起的強電磁干擾問，同時驗證了交流封閉母線應(yīng)用于整流系統(tǒng)的可行性。
　　其次，基于部分元等效電路法（Partial Element Equivalent Circuit，PEEC），總結(jié)和提出了用于大功率變流器橋臂均流結(jié)構(gòu)設(shè)計的均流方程法。該方法通過將橋臂結(jié)構(gòu)進

4、行分解、離散，提取電感矩陣并建立耦合方程來分析大功率變流器多并聯(lián)晶閘管的均流問題。在考慮橋臂結(jié)構(gòu)的相互耦合的同時，均流方程法充分考慮電流的趨膚效應(yīng)和并聯(lián)晶閘管的非線性阻抗特性對橋臂均流的影響，為大功率變流器橋臂結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了系統(tǒng)性的分析方法，解決了ITER極向場變流器12并聯(lián)晶閘管橋臂的均流結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，設(shè)計出的橋臂均流系數(shù)遠高于ITER的設(shè)計要求。
　　然后，提出了基于 PEEC法和空間任意線電流磁場表達式的用于大功率變流器時變

5、雜散磁場分析的方法。分析了ITER極向場變流器控制、測量系統(tǒng)的電磁環(huán)境，并重點分析了直流場和工頻場分量的具體分布，說明了ITER極向場變流器進行相關(guān)電磁兼容測試的必要性，并為其電磁兼容設(shè)計及測試提供了必要的輸入。
　　最后，為滿足ITER組織對相關(guān)設(shè)備的磁場電磁兼容測試要求，同時為ITER極向場變流器相關(guān)設(shè)備提供電磁兼容測試條件，根據(jù) ITER組織對測試磁場的相關(guān)定義，理論分析了兩方形線圈系統(tǒng)的磁場均勻性問題，提出了優(yōu)于常規(guī)Hel

6、mholtz線圈的雙線圈結(jié)構(gòu)，總結(jié)出一系列用于線圈快速設(shè)計的通用公式，并完成了測試磁場發(fā)生器的初步設(shè)計工作。
　　電磁分析與設(shè)計是ITER極向場變流器研制工作的主要組成部分。本文就ITER極向場變流器存在的若干電磁問題進行了具體的分析，并提供了一定的解決方案，這對保證ITER極向場變流器的穩(wěn)定運行有著重要的意義。到目前為止，ITER極向場變流器已完成所有設(shè)備的設(shè)計、加工、制造和測試，以及第一套樣機的集成安裝及測試，并成功完成了72