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ECRH负高压脉冲电源的研究

杜少武  
【摘要】:受控热核聚变具有安全、无污染和取之不竭等优点,将成为人类未来主要能源的观点已为世界各国所接受。因此受控热核聚变的研究成为能源界对新能源研究的一个重要研究方向。托卡马克就是重要的备受关注的受控热核聚变实验装置。 在托卡马克中,要实现等离子体聚变点火,必须具备三个条件,即等离子体的温度、密度和能量约束时间,其中等离子体的温度要求在10KeV(1eV=10000℃)以上。为了能将等离子体加热到聚变临界温度以上,人们采用了多种加热方法,其中电子回旋共振加热(ECRH)是受控热核聚变研究中采用的主要等离子体加热手段之一,这种方法采用回旋管产生电子回旋共振波对等离子体加热。在ECRH系统中,一个基于四极管的负高压脉冲电源是支持回旋管工作的关键组件,要求很高的性能。 论文主要涉及ECRH系统中负高压电源的研究。针对四极管的非线性特点和电源的控制要求,并结合数学分析和仿真、控制理论和控制系统设计,实现了满足要求的高性能ECRH系统。主要工作可概述如下: 1、分析了大功率四极管控制特性,并在此基础上,提出一种通过曲线拟合的方法推导出大功率四极管的非线性数学模型; 2、根据推导出的数学模型,采用带前馈的PI调节器,对电源在不同的工作状态下进行仿真,通过调节控制器参数均可得到较满意的仿真结果,证明数学模型是正确的; 3、设计了带前馈的PI调节器,在不同的给定和负载(假负载—电阻负载)下进行了实验研究,在每种工作状态下,通过调节控制器参数均可以使系统的阶跃响应达到最佳(基本满足要求); 4、通过大量的仿真和实验证明,电源控制器可以采用变结构带前馈的PI调节器,控制器参数和ECRH负高压电源的工作状态有关,并通过仿真和曲线拟合的找出控制器的控制参数与ECRH负高压电源状态参数之间的数学关系,减少变结构控制中参数估计的运算工作量,使ECRH负高压电源实现数字控制成为可能; 5、对ECRH负高压电源的数字控制进行了探讨; 6、研究了ECRH负高压电源系统各环节的保护特性,设计出相应的保护电路,实验证明设计出的保护电路对ECRH负高压电源系统的安全运行提供了可靠的保障; 7、对ECRH负高压电源的电磁兼容性进行了研究,分析了高压通电导线周围的静电场和通电导线周围的磁场对ECRH负高压电源系统控制线路的影响,采用了一些行之有效的屏蔽与抗干扰措施; 8、根据ECRH系统在调试和运行状态对高压脉冲电源的不同要求,设计了基于PIC单片机的Gate信号发生器,该发生器设置方便,使用灵活;


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