用于ITER变流器系统的环流电抗器设计

摘要

ITER装置是正在建造的用于聚变研究的大型超导托卡马克。环流电抗器是ITER装置极向场变流器电源系统中的一个重要电气设备,主要用于抑制环流和纹波电流。根据ITER极向场变流器的运行需要,该电抗器电感值为200μH,稳态工作电流为27.5kA,最大冲击电流为175kA,水冷方式。这种电抗器为非标产品,其参数远高于现在已有的电抗器产品,无法在市场上采购到。因此,本文将根据ITER极向场变流器环流电抗器的输入参数要求,对其进行初步设计,并给出可加工方案。
　　本文提出了一种新型的水冷空心电抗器结构,该电抗器采用空心铜或铝管作为导体材料,将一根导体螺旋绕制成蚊香盘状,绕制的圈数就是匝数,根据工作电流的大小将几个绕制好的盘状导体叠加在一起,同侧端连接在一起,就可以形成一个电抗器单元,将几个电抗器单元串联起来组成所需的完整电抗器。本文对电抗器进行理论分析计算,得到初步的电抗器结构参数,然后采用ANSYS对理论设计结果进行校验,给出优化的结构参数。为了快速精确地计算出所需的电抗器结构参数,本文开发了一款采用C＃编写同时嵌入ANSYS的电抗器设计软件,能够有效快速地设计出电抗器的各参数并进行仿真校验优化。
　　本文还对电抗器在稳态电流下的热稳定性进行了分析,据此设计了合理的冷却系统;同时还对电抗器在瞬态大电流冲击下的动稳定性进行了分析,验证了电抗器能够耐受大电流的冲击。同时还根据电抗器的安装要求,对电抗器的安装位置及其相互影响进行了耦合分析,以确定合适的安装距离。为了评估和验证电抗器设计,本文还设计了电抗器模块样机,通过对样机测试对电抗器设计进行验证和优化。通过对电抗器的结构优化设计,以及热和动稳定分析校验,本文所设计的电抗器能够满足ITER电源设计输入的要求。

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1 绪言

1.1 课题背景

1.2 环流电抗器的设计输入

1.3 环流电抗器国内研究状况

1.4 本文主要内容

2 环流电抗器初步设计

2.1 电抗器介绍

2.2 电抗器理论计算和有限元分析

2.3 结构选型

2.4 理论计算

2.5 电磁仿真和验证

2.6 环流电抗器初步设计结果

3 环流电抗器的动、热稳定性及耦合分析

3.1 动稳定性分析

3.2 热稳定性分析

3.3 相邻电抗器耦合关系

4 电抗器样机设计

4.1 样机结构和尺寸

4.2 温度传感器和FBG安放位置及电感测量

5 电抗器设计软件开发

5.1 理论计算

5.2 仿真计算

5.3 软件的工作流程与界面

5.4 本章小结

6 总结和展望

6.1 本文总结

6.2 本文局限与工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文目录

附录2 ANSYS仿真APDL程序