J-TEXT扰动场交流电源频率控制系统设计

摘要

托卡马克装置是当前研究核聚变能应用的重要方法之一，它利用磁场约束燃烧等离子体使其达到或接近反应条件。托卡马克等离子体中具有多种磁流体不稳定性，撕裂模就是其中一种典型的危害甚大的不稳定性。扰动场是研究托卡马克等离子体撕裂模的重要手段，交流的线圈驱动电源是交变转动扰动磁场的客观的必备条件。
　　在J-TEXT托卡马克中，为得到一个环向转动的扰动磁场，用于研究扰动场对撕裂模的作用，在真空室内设计了四组动态扰动场线圈，组间环向间隔90°，每一组线圈由三个单匝线圈构成。当四组线圈通电电流相位依次相差90°时，可在真空室内产生环向转动的扰动磁场。故需要设计两套相位相差90°的交流电源，每套电源给反向串联的两组线圈供电。
　　本文分析了扰动场电源的设计需求，为使电源输出电流大、工作频率高、波形质量高、对其他信号干扰小，综合考虑建设成本，最终采用了基于串联谐振的AC-DC-AC拓扑结构。本文简要介绍了电源的工作原理以及工作过程，并对相关的电源参数进行了仿真和计算。扰动场交流电源电流的频率是实验研究中的关键参数，为此控制电源的负载频率和相位非常重要。在实验过程中，负载参数不断变化，为使电源始终处于谐振状态，本文设计了基于全数字锁相环控制结构，对负载电流的频率和相位进行跟踪控制，控制程序运行在FPGA核心板上，基于Verilog HDL语言编写。FPGA输出驱动信号控制IGBT开关管的开通和关断。
　　扰动场交流电源设计的工作频率为1kHz~5kHz,输出电流在5kHz时可达到5kA,负载电流谐波畸变率小于5％，控制电源相位误差在5°以内。
　　文章对控制系统的性能进行了数学建模分析，并在此基础上对控制性能进行分析改善，并对改善的结果进行实验验证，实验结果表明改善后的控制系统在时间响应上有了明显的改善。最后给出了电源的运行结果，表明控制系统有良好的控制效果。

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 高频交流电源研究现状

1.3 本文主要内容

2 扰动场交流电源介绍

2.1 扰动场交流电源设计要求

2.2 交流电源工作原理

2.3 交流电源仿真计算

2.4 本章小结

3 扰动场交流电源频率控制系统

3.1 扰动场交流电源控制系统

3.2 扰动场交流电源逆变控制系统

3.3 控制系统具体实现

3.4 本章小结

4 控制系统分析

4.1 全数字锁相环

4.2 控制系统性能分析

4.3 控制系统参数特性

4.4 本章小结

5 实验结果

5.1 电源运行结果

5.2 电源运行频率相位分析

5.3 控制系统性能测试

5.4 外加扰动场对等离子体影响

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 进一步工作展望

致谢

参考文献