J-TEXT多电平变频动态扰动场电源系统的设计与仿真

摘要

托卡马克MHD不稳定性中，撕裂模其中非常重要的一类。它会等离子体内部产生磁岛，同时增强粒子输运和热输运，导致等离子体约束性能显著下降，甚至会导致等离子体发生大破裂。所以能否有效地控制撕裂模对托卡马克装置安全运行十分重要。外加扰动磁场可以与撕裂模发生共振作用，实验室设计了一套J-TEXT动态扰动场线圈（DRMP）并将其安装在装置的真空室内。该线圈可以产生转动的磁场，非常适合用于研究动态扰动场直接影响撕裂模。目前 J-TEXT DRMP线圈使用了两套串联谐振逆变电源来驱动，所配套的电源系统只能输出几个离散频率的交流电流，不能实现频率的连续调整。而要若对撕裂模进行反馈控制，则线圈电源必须具备实时调频的功能。研制一种频率可以连续调节的动态扰动场电源系统是深入研究撕裂模不稳定控制的关键。
　　针对物理实验的需求，本文设计了一种多电平变频大功率电源并详细阐述了该电源系统的基本工作原理。该电源系统开关选用的是绝缘栅双极晶体管（IGBT），由IGBT组成的H桥逆变单元与中频匹配变压器构成了级联模块，将级联模块进行串联即可输出多电平。然后本文确定了一种快速计算阶梯波导通角的算法，通过改算法计算出来的结果对各个级联模块的开关进行控制，即可实现输出较高质量的变频电流。最后本文设计的电源要达到的输出能力为：电流峰值为5kA，电流的频率范围是1kHz至5kHz，同时电流的总谐波畸变率（THD）要小于10％。完成了理论设计后，本文最后给出了一套小功率样机的制作，并设计了相应的控制系统。
　　通过仿真计算以及在小功率样机平台上的实验，最后电源可以输出一个频率连续快速变化的电流，验证了文章设计思路的可行性，达到了预期的效果。

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究的现状

1.3 论文的主要工作

2 多电平变频动态扰动场电源系统设计

2.1 总体计算

2.2 多电平逆变器技术

2.3 多电平变频动态扰动场电源逆变侧拓扑设计

2.4 多电平变频动态扰动场电源调制策略

2.5 多电平变频动态扰动场电源直流源的选择

2.6 本章小结

3 变频动态扰动场电源系统小功率样机的制作

3.1 H桥逆变电路的设计

3.2 MOSFET驱动电路的设计

3.3 死区发生器的设计

3.4 本章小结

4 基于TMS320F28335 DSP的控制系统设计

4.1 硬件电路

4.2 控制器软件设计

4.3 本章小结

5 仿真与实验结果分析

5.1 MATLAB/SIMULINK仿真

5.2 变频动态扰动场电源系统小功率样机实验结果

5.3 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录