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托卡马克核聚变研究是解决人类能源危机问题的有效途径。托卡马克极向场磁体电源系统是托卡马克装置的重要组成部分,它由晶闸管移相控制整流器向极向场超导线圈供电,实现各种不同要求的等离子体位形及各种不同运行模式下等离子体的产生、加热、平衡与控制。电源系统的稳定及可靠运行关系到托卡马克装置安全、物理实验的成败,一个稳定、可靠、高性能的极向场电源系统极其重要,而一个稳定、可靠、高效的控制系统是其重要保障。因此托卡马克电源控制系统的优化设计有着极其重要的意义。
本文就作者承担的托卡马克整流电源控制系统的前期分析、设计、样机建设及各项测试工作展开论述。本文主要研究内容包括:高压直接耦合同步方案的分析与计算；基于cPCI(Compact PCI Bus)总线技术的Alpha控制器(晶闸管整流电源移相控制器)的分析、设计及测试；晶闸管触发特性的实验研究及触发方案的优化；控制样机系统的建设及测试。具体内容有:
1)对EAST极向场同步方案进行分析发现,使用同步变压器的同步方式存在静态及动态相位误差,静态误差主要来自隔离变压器、同步变压器及整流变压器加工工艺差别带来的相位差值及阻容单元带来的相位误差值,该相位差值固定；整流器输出大电流时整流变压器漏感及回路电感引起回路电压相移,由此产生一个随输出电流变化的相位差值,属于动态误差。因此针对托卡马克大功率整流器的同步方案进行优化设计,采用直接耦合同步方式,提高同步信号相位精度。
2)设计了基于cPCI总线的Alpha控制器。实现了Alpha控制器计算机嵌入应用,满足托卡马克大功率整流电源四象限有环流运行的控制要求。Alpha控制器的嵌入应用极大简化了控制系统结构,一定程度上提高控制系统可靠性。
3)针对托卡马克电源大电感负载特点,对晶闸管触发特性进行测试分析,设计了基于光纤的适合并联晶闸管应用的强触发方案。该并联晶闸管强触发方案保证所有并联触发信号一致性高,有利于并联晶闸管可靠快速触发,提高整流器运行安全性。
4)对Alpha控制器PCB(Printed Circuit Board)进行电磁兼容分析,根据电磁兼容设计原理,合理安排元件布局及信号布线,实现了alpha控制器PCB电磁兼容设计目标。
5)基于上述的分析、设计,集成设计了全新的托卡马克整流电源控制系统样机。实验样机采用直接耦合同步方案,控制单元采用cPCI总线计算机平台,在一个cPCI计算机内集成Alpha控制器及相关A/D、DI/DO单元。设计了完整的信号检测及信号输出回路,能实现快速、可靠的整流器状态检测及故障保护；根据托卡马克电源系统通常需要多电源协调控制要求,设计了反射内存实时控制网络。系统样机包括完整控制功能,能完成整流电源并联控制、环流控制。
优化设计的托卡马克电源控制系统具有系统开放、高可靠性、集成方便、控制及保护完善、网络吞吐快的特点,能适用复杂电磁环境、托卡马克装置网络控制要求。