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激光热核聚变能源系统研究

钟和清

  激光核聚变装置的研制是一项大科学工程,能源系统是其中最重要的组成部分之一。随着能源系统容量的不断加大,对能源系统的可靠性、技术性能、功率密度、可维护性、可监控性等要求也越来越高。目前国内已有的激光聚变装置的能源系统规模均较小,且功能简单,集成度低,可维护性差。本文的研究内容正是基于大型能源系统高技术性能指标要求而展开的。本文分析了传统能源系统的优缺点,指出采用新型能源系统结构的必要性;并针对能源系统的技术性能指标要求,对能源系统功能进行了分解。分析了新型放电电路结构下引燃管自闪的原因,首次使用同轴结构改善了引燃管自闪现象,并分析了其工作原理;给出了快速熔断器参数设计方法;设计了放电回路电气参数;兼顾电磁兼容要求,设计了能源模块的总体结构布局。分析指出高频串联谐振电容器充电电源(Capacitor Charging Power Supply-CCPS)具有平均充电电流恒定、抗负载短路能力强等优点,适于在高电压下对电容器充电。采用三电平串联谐振 CCPS 能改善充电电压精度,提出了几种驱动控制方案,并进行了分析比较。首次提出了一种新型双串联谐振 CCPS 及其控制方案,分析了各个控制方案下的电气特性,指出各控制方案下均具有平均充电电流恒定和抗负载短路能力强的优点,谐振电流与输出电压无关,因具有两个串联谐振支路,每个谐振支路可以单独工作且平均充电电流仍然恒定,因此,即使在开关频率固定的情况下,通过选择谐振支路,仍能改变充电电流;因两个谐振支路相互独立,每个谐振支路的工作电流可以根据需要任意确定,且每次谐振只有半个谐振周期对输出电容充电,因而从本质上提高了充电电压精度;这种新型电路结构及其控制方案,还具有电流谐波小,效率高的优点,同时降低了谐振电流峰值,适于高精度大功率场合应用。首次对串并联谐振 CCPS 进行了系统分析,指出在并联谐振电容和串联谐振电容比值相同时,平均充电电流与输出短路时平均充电电流的比值随输出电压与输入电压的比值的变化曲线相同,谐振期间电流的正半周时间或负半周时间与输出电压为零时谐振周期的比值随输出电压与输入电压的比值变化曲线相同;充电电流随输出电压的升高而减小,谐振电流周期随输出电压的升高而减小。提出了快速设计谐振参数的方法-图表法,并且利用该方法能够对电源进行有效设计、分析和调试,克服了传统串并联谐振 CCPS参数设计采用试凑法的不足。高频高压场合下变压器分布电容和整流桥寄生电容对CCPS工作的影响是不容忽略I的,阐述了高频升压变压器的绕组结构与分布参数的关系,得出了高频升压变压器的等效电路模型;分析了高压整流二极管的寄生电容,得出了高压整流桥在 CCPS 中的等效电路;指出实际的串联谐振 CCPS 为串并联谐振式电容器充电电源,变压器和整流桥的分布电容可采用串并联谐振电容器充电电源中零电流输出方式来获得;采用本文提出的串并联谐振参数设计方法,进行了参数设计;提出了高频升压变压器参数通用设计方法,明确了变压器参数设计时应考虑的因素,解决了复杂激磁电压波形的变压器参数设计问题,实验证明了上述方法的有效性。分析了能源系统电磁干扰的主要来源,提出了监控系统抗电磁干扰设计方法,包括结构、硬件和软件;通信系统的可靠性直接关系到能源系统的整体可靠性,给出了改进后的硬件通信电路;放电电流录波是监控系统的重要任务之一,Rogowski 电流互感器具有精度高、线性度好、不饱和的优点,常被用作脉冲大电流测量,分析了 Rogowski线圈的工作原理,给出了其制造工艺要求。……   
[关键词]:同轴结构;串联谐振;串并联谐振;CCPS;电磁兼容;电流录波
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华中科技大学2004年