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J-TEXT托卡马克装置脉冲电源系统的实现及运行分析

张明  
【摘要】: 电源系统是托卡马克装置的核心组成部分之一,它给装置的磁体线圈提供合适的电流,以完成产生、约束和加热等离子体,以及驱动和维持等离子体电流等一系列任务。电源系统的设计和完善,是确保托卡马克装置成功放电和可靠运行的必要条件,也是灵活进行基础实验研究必需的基础,其重要性不言而喻。 J-TEXT托卡马克装置(前身为美国德克萨斯大学的TEXT-U装置)是一个常规的、中型的、可产生圆形截面等离子体的聚变实验装置,华中科技大学自2005年开始对其进行改建工作,2006年完成主机及相关子系统的安装和调试工作。2007年获得第一等离子体,在首轮实验中,成功获得了超过150kA,脉冲宽度大于200ms的等离子体电流。本文以J-TEXT托卡马克装置脉冲电源系统的实现及运行分析为研究内容,完成了以下任务并进行了相应的创新: (1)根据装置磁体线圈的供电需求,设计了装置的供电系统和磁体脉冲电源系统。在原TEXT-U装置的电气元器件的基础上,重新设计和改造了纵场电源系统、加热场电源、垂直场电源和水平场电源等四套电源系统,全面更新和提升各磁体电源的测量和控制系统。 (2)根据装置放电运行的要求,调整并完成了各电源系统的投入时序。特别是针对难度较大的加热场电源系统,本文提出多种方案进行了大量的实验和测试,确定和优化了预磁电源、离子化电容、电容器组和整流器的投入时序和控制模式。 (3)对100MW脉冲发电机组的供电及辅助系统、控制系统、监控和保护系统、励磁系统等进行了设计、研制、安装和调试。针对中美电网之间的差异所导致的机组转速下降和储能不足等问题,设计了100MW脉冲发电机组的双馈调速系统初步方案,方案利用机组电动机转子为绕线式转子的特点,采用双馈调速的方法将机组转速提升至750rpm,以解决机组储能不足的问题。 (4)从理论上分析了纵场电源中两组十二脉波整流器并联运行过程中存在的环流问题,进行了仿真实验并由此制定了有效的控制方法,成功解决了纵场电源两组十二脉波整流器并联运行调试过程中出现的环流问题。 (5)利用变压器等效模型分析了加热场线圈电流和等离子体电流之间的耦合关系,设计和完善了等离子体电流反馈控制系统。 (6)根据shafranov方程仔细分析了等离子体平衡和垂直磁场的关系,给出装置垂直磁场和等离子体位移之间的关系和转换矩阵,并得出垂直场电源电压和水平位移之间的传递函数。 (7)本文结合设计的控制系统和PID方法,对装置四套电源系统进行了仿真研究。调试结果证实,仿真结果和实际系统运行结果具有较好一致性,从而指导和保障了装置电源系统的安全可靠运行。 目前,J-TEXT托卡马克装置的四套磁体电源系统已经全部投入实验运行,实验结果证实了电源运行状态非常好,安全可靠性高。J-TEXT装置磁体脉冲电源系统的成功完成,确保了J-TEXT托卡马克装置进入正常运行状态,它将为进一步获得了丰富的等离子体实验结果奠定了坚实的基础。


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