發(fā)布時間：2020-09-22 20:33

　　 EAST托卡馬克共振磁擾動線圈電源為內(nèi)真空室的共振磁擾動線圈提供特定的電流和電壓,該線圈主要用于邊界局域�？刂频任锢韺嶒炑芯�。要滿足此目的,需要8套相同的電源,電源額定電流和電壓為4000A/450V,電流和電壓延遲時間分別小于0.35 ms和0.25 ms,電壓紋波小于2%,同時電源能在直流到交流1 kHz的范圍內(nèi)提供不同的電流和電壓,有必要對該電源的設(shè)計方法進(jìn)行研究。同時電源逆變部分采用串并聯(lián)H橋結(jié)構(gòu),核心器件1GBT工況特殊,且共有384個IGBT同時工作,需要分析其結(jié)溫分布、失效原因及可靠性,對該電源的設(shè)計分析研究對于托卡馬克裝置同類型電源的設(shè)計工作能提供極大的技術(shù)參考。第一,針對RMP線圈電源的設(shè)計要求,確立了開關(guān)頻率與電源響應(yīng)速度、等效開關(guān)頻率與電壓紋波、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與輸出電流電壓的對應(yīng)關(guān)系,還設(shè)計了RC補償支路、母線電容和平波電感,介紹了電源的控制系統(tǒng)和故障保護(hù)策略,并針對設(shè)計要求進(jìn)行了仿真和測試,結(jié)果表明設(shè)計方案能滿足設(shè)計要求。以DIII-D托卡馬克超級電源為例,介紹了 RMP線圈電源設(shè)計方法在該電源系統(tǒng)設(shè)計方案中的應(yīng)用,并重點介紹了該電源中的并聯(lián)控制方式,同時對于現(xiàn)有的電壓模式控制方法提出了優(yōu)化建議。第二,為了分析RMP線圈電源中IGBT在EAST實驗工況下的結(jié)溫分布特點,基于這種特殊實驗工況,通過推導(dǎo)得到了脈沖工況和正弦工況下結(jié)溫最大值、最小值和紋波的函數(shù),指出電流上升時間、頻率、幅值、占空比和IGBT開關(guān)頻率對結(jié)溫分布的影響,在此基礎(chǔ)上通過建立Matlab仿真模型驗證了上述變量在不同工況下對結(jié)溫的影響,并給出了不同變量下結(jié)溫變化對比圖,以典型脈沖工況為例,借助有限元仿真軟件,進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,確定鍵合線和焊料層在反復(fù)的功率循環(huán)時為主要失效環(huán)節(jié),并驗證了關(guān)于結(jié)溫分布特點的理論分析。第三,為了驗證IGBT在實際工作時的失效方式和評估IGBT的可靠性,進(jìn)行了溫度循環(huán)試驗、動態(tài)特性測試和功率循環(huán)試驗,驗證了溫度循環(huán)時IGBT的失效方式,分析了驅(qū)動電阻、集電極電流、結(jié)溫和功率循環(huán)次數(shù)對IGBT動態(tài)特性的影響,對IGBT的實際運行和使用提出了建議,分析了在多次功率循環(huán)沖擊后IGBT的可靠性。目前8套RMP線圈電源在已經(jīng)結(jié)束的EAST物理實驗中運行正常,且RMP線圈對邊界局域模的抑制起到明顯作用,該電源的分析和設(shè)計方法也為今后ITER裝置和CFETR裝置上類似電源的設(shè)計提供了技術(shù)參考。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：

就是探索新能源。逡逑原子核的聚變能是人類未來最理想的新能源，但要把聚變時放出的巨大能量逡逑作為安全使用的能源，必須對劇烈的核聚變反應(yīng)加以控制，因此稱作受控核聚變逡逑［３］。為了進(jìn)行受控核聚變，蘇聯(lián)科學(xué)家提出了磁約束的概念，并于１９５４年建成逡逑了第一個磁約束裝置，這就是托卡馬克（Ｔｏｋａｍａｋ），它是俄語“磁線圈環(huán)形真空室”逡逑的縮寫［４］，幾億度高溫的等離子體被約束在環(huán)形的磁場中，進(jìn)行等離子體放電［５］。逡逑目前國際上進(jìn)行運行和可控核聚變物理研宄的托卡馬克裝置主要包括英國逡逑ＪＥＴ研宄所的ＪＥＴ，德國馬克斯？普朗克等離子體物理所的ＡＳＤＥＸ－Ｕｐｇｒａｄｅ，日逡逑本原子能研究所的ＪＴ－６０ＳＡ，美國通用原子能公司的ＤＩＩＩ－Ｄ，韓國國家聚變研究逡逑中心的ＫＳＴＡＲ和中國等離子體物理研宄所的ＥＡＳＴ等。中國目前除ＥＡＳＴ裝置逡逑以外，西南物理研究院的ＨＬ－２Ａ和華中科技大學(xué)的Ｊ－ＴＥＸＴ等裝置也在進(jìn)行相逡逑關(guān)物理研宄，而且都取得了很突出的成就。逡逑１．１．２邋ＥＡＳＴ托卡馬克及電源系統(tǒng)逡逑ＥＡＳＴ邋由邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ、Ａｄｖａｎｃｅｄ、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ、Ｔｏｋａｍａｋ邋四個單詞首逡逑字母拼寫而成，意思是“先進(jìn)實驗超導(dǎo)托卡馬克”，同時有“東方”的寓意。ＥＡＳＴ逡逑裝置如圖１．１所示，主機部分高達(dá)１１邋ｍ，直達(dá)８邋ｍ，重約４００Ｔ，其三大科學(xué)目標(biāo)逡逑是在未來實現(xiàn)１ＭＡ電流、１０００邋ｓ放電、１０８邋Ｋ高參數(shù)等離子體的穩(wěn)定運行。逡逑

鎢偏濾器等類似國際熱核聚變實驗堆ＩＴＥＲ未來運行條件下，獲得超過６０秒的逡逑完全非感應(yīng)電流驅(qū)動（穩(wěn)態(tài)）高約束模等離子體，ＥＡＳＴ成為世界首個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)逡逑高約束模運行持續(xù)時間達(dá)到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置［７］；如圖１．２所逡逑示，在２０１７年，ＥＡＳＴ實現(xiàn)了穩(wěn)定的１０１．２秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，逡逑創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，這標(biāo)志著ＥＡＳＴ成為了世界上第一個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式逡逑運行持續(xù)時間達(dá)到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。逡逑￣ＥＡＳＴ邋Ｓｈｏｔ＃７３９９９邐２０１７－０７－０３邋２２：０９邋＾￣逡逑３邋４邋｝邐ｙ０邋４逡逑〕ｌｐ（ＭＡ）邐Ｌｏｏｐ邋Ｖｏｌｔａｇｅ邋（Ｖ）Ｊ｜Ｑ邋２逡逑0邋‘邐‘邐‘邐＿邐」＿Ｊ？邋２逡逑４邋Ｉ邋＜ｎ邋＞邋（１０１９／ｍ３）邐？邐１０逡逑３邐—ｉ—邐—ｉ邐邐—ｉ—ｊ逡逑１邋Ｉ邋Ｐ，ｈｗ（ＭＷ）邐Ｐ，ｃｈｈ＜ＭＷ）邋１邋＼逡逑ｇｌｌ邐，邐．邐」邐邐邐Ｉ邐邋—ＴＪＬｉ，邐１１！逡逑４｜邐＇邐丨邐＇邐＇邐ｕ１．５逡逑？ｆｇｒ邐１邋—■二二邐邐■＿－：邋：邐３逡逑２「卜邋Ｄａ（ａ！）邋邐邐邐一廣邐■邐Ｈ邐ｏ邋ｓ逡逑０＾—邐逡逑０邐２０邐４０邐６０邐８０邐１００逡逑邐Ｔｉｍｅ（ｓ）邐逡逑圖１．２邋ＥＡＳＴ邋１０１．２秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體放電波形逡逑這些令人振奮的研究成果表明我國磁約束聚變研宄在穩(wěn)態(tài)運行的物理和工逡逑程方面，將繼續(xù)引領(lǐng)國際前沿，對ＩＴＥＲ和未來中國聚變工程實驗堆（ＣＦＥＴＲ）逡逑建設(shè)和運行具有重大的科學(xué)意義。逡逑ＥＡＳＴ要進(jìn)行等離子體放電

圖１．３邋ＥＡＳＴ裝置ＲＭＰ線圈對邊界局域模的抑制作用逡逑炮號為５５２７４的ＥＡＳＴ等離子體放電實驗中展現(xiàn)了邋ＲＭＰ線圈抑制邊界局域逡逑模的作用，如圖１．３所示，６邋ｓ時刻投入ＲＭＰ線圈之后，能觀察到電子密度降低，逡逑邊界局域模頻率增大，６邋ｓ之后，邊界局域模完全得到了抑制［１４］。逡逑ＲＭＰ電源為ＲＭＰ線圈提供所需的電流和電壓，從而產(chǎn)生控制等離子體的磁逡逑３逡逑

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本文編號：2824886