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离子加速器用精简矩阵型整流电源闭环控制与换流

白建国  
【摘要】:离子加速器在工程物理和医疗领域具有广阔的应用前景,其核心装置为其励磁电源。传统的励磁电源存在功率因数低、谐波污染大,以及能量不能回收等问题。新型加速器对励磁电源精度、动态响应和波形形状提出了更高的要求,于是寻求一种能够解决上述问题且具有较高调节精度和快速动态响应的“绿色”励磁电源已迫在眉睫。由于精简矩阵变换器(Reduced Matrix Converter,RMC)具有优良输入输出性能,同时具有转换级数少、功率密度高等特性,本文利用RMC作为加速器磁铁励磁电源,对RMC的工作原理以及双极性电流空间矢量调制策略(Bipolar Current Space Vector pulse-width Modulation,B-C-SVM)进行了推导,在此基础上,针对加速器性能需求和励磁电流的变化规律,提出了能量可以双向流动的一四象限型RMC以及续流馈能的一二象限型RMC励磁电源拓扑,并分别给出了前后级协调控制方法。针对RMC换流问题,分析了电压型和电流型四步换流策略,提出一种简化的三步换流加零矢量混合换流策略,此换流策略不需增加额外的检测电路,就能很好的消除换流电压尖峰,保证安全换流。最后给出了传统RMC电流闭环控制方案,采用单神经元自适应PID控制器,并与传统PID进行仿真性能比较,单神经元自适应PID系统具有更快动态响应。搭建了一台以DSP+CPLD为控制器的实验样机,设计了系统软硬件。在样机上完成了 RMC换流策略以及电流闭环方案和功率实验验证;完成了一四象限型和一二象限型RMC的能量正传和回馈的实验验证,验证了所提出的方案的正确性和可行性,结果表明RMC具有优良的网侧和输出性能,并具有较好的动态响应,改进型RMC可实现能量双向流动,满足离子加速器励磁电源性能。


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