离子加速器用矩阵式整流磁铁电源研制

摘要

离子加速器目前主要应用在高能物理和医疗领域，利用磁场加速产生的高能带电粒子去轰击原子核，以研究微观世界基本粒子内部结构。它也可用来产生高能X射线和高能离子束治疗肿瘤。加速器需要一个高精度、快响应的电源为磁铁提供励磁，利用强磁场产生高能离子束流能力，然而传统磁铁电源前端多采用不控整流桥结构易造成电网谐波污染，寻求一种具有上述性能而又能实现对电网无污染的绿色励磁电源已是离子加速器目前面临的一个重大问题。
　　精简矩阵变换器(Reduced Matrix Converter，RMC)是一种新型功率变换器，采用RMC作为磁铁励磁电源，可以获得输出低纹波、高精度和快响应电流同时，也能实现输入电流正弦和输入单位功率因数的优良网侧性能，是一种很具发展潜力的新型“绿色”磁铁电源。本文将RMC拓展至离子加速器系统作为磁铁励磁电源。研究了RMC工作原理，分析推导了适用于RMC的有零空间矢量调制和双极性电流空间矢量调制(Bipolar Current Space Vector pulse-width Modulation，B-C-SVC)策略，研究了三种基于矩阵变换器理论的磁铁励磁电源实现方案。给出了适用于矩阵变换器整流的旧步换流以及RMC的两步换流策略。比较可知：四步换流策略复杂，开关损耗大，但可实现能量同馈。两步换流不需要额外检测电路，同时，考虑到开关开通时间远小于关断时间的特点，可改进为一步换流，但不能实现能量回馈功能。
　　针对磁铁电源的三种方案进行了仿真和实验验证，以DSF+CPLD为控制核心，设计了系统软硬件，搭建了2kW实验样机。对三种方案进行了验证，最终选取了性能较好的RMC作为离子加速器磁铁励磁电源。在此基础上对矩阵整流器以及RMC换流扇区交叠模糊区域进行了优化，有效减小了电流纹波。并在此样机上对RMC输出电流闭环控制进行了实验验证，结果表明系统具有优良网侧性能和低纹波输出同时，更具有良好输出电流跟随特性，满足磁铁电源性能要求。

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1. 绪论

1.1. 课题的研究背景及意义

1.2. 国内外研究现状及发展趋势

1.3. 本文主要内容

2. 矩阵式整流器调制策略

2.1. 矩阵整流器拓扑结构

2.2. 矩阵整流器调制策略

2.3. 本章小结

3. 矩阵式整流磁铁电源实现方案

3.1. 磁铁电源实现三种方案

3.2. 仿真实现

3.3. 本章小结

4. 矩阵整流器换流策略

4.1. 矩阵整流器的四步换流算法

4.2. RMC两步换流策略

4.3. 矩阵整流器四步换流的仿真实现

4.4. 本章小结

5.高精度A/D采样实现方案

5.1. 高精度采样原理及现状

5.2. 高精度采样实现方案

5.3. 实验结果

5.4. 本章小结

6.系统设计与实现

6.1. 系统实现方案

6.2. 系统硬件电路设计

6.3. 系统软件设计

6.4. 本章小结

7. 仿真及实验结果分析

7.1. 三种方案仿真及实验结果

7.2. 电流跟随测试

7.3. 负载突变情况下RMC换流器控制验证

7.4. DSP与CLPD的同步优化

7.5. 矩阵整流磁铁电源三种方案比较

7.6. 本章小结

8. 全文总结及展望

致谢

参考文献

在校学习期间论文发表情况