80Kev中性束注入加速极电源简介

“九五”国家重大科学工程:大型全超导托卡马克核聚变实验装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak: EAST)的科学目标是建造一个具有非圆截面的大型超导托卡马克装置及其实验系统，发展并建立在超导托卡马克装置上进行稳态运行所需的多种技术，开展稳态安全运行的聚变反应堆基础物理问题的实验研究。

实现EAST的物理目标的关键在于必须有足够的辅助加热功率，中性束注入（ Neutral Beam Injectors: NBI）是托卡马克装置中电流驱动和芯部辅助加热的重要手段。在EAST实验的最终阶段（2011年-2016年），等离子体的离子温度要提高到8KeV。这要求NBI系统的功率扩建至6-8MW。为此，需要的NBI供电系统的电源功率要达到18-24MW。NBI的供电系统由一组大功率直流脉冲电源组成，主要包括灯丝电源、弧流电源、加速极电源、抑制极电源和偏转磁铁电源。NBI电源系统如图1.1所示。

图1.1 EAST装置的NBI电源系统

NBI加速电极的热负荷和电气绝缘都是按临界工作状态设计的，对过压、过流等保护要求非常严格。大功率脉冲离子源是一种特殊负载，弧流和电压变化范围很大，且存在随机性，尤其是在高压锻炼和束引出阶段，电极间打火、击穿现象频繁发生。在电极上的能量沉积和击穿时的峰值电流必须加以限制，避免损坏离子源。因此加速极电源的输出电压波动需要快速得到补偿，电源输出电压的调节范围应较大，纹波及调整精度较小。同时还应具有快速开关功能，一旦发生打火击穿，必须在几微秒到十几微秒内分断电源。为提高电极锻炼和束引出实验效率，打火阻断经过几毫秒的恢复时间后需重新为离子源恢复供电。

加速极高压电源预期的设计指标为：

输出直流电压:    0 ～ 80kV

直流电流:        0 ～ 80A

调整精度:        ＜1%,

纹波（峰-峰）:   ＜2%

工作脉冲占空比:  100s/10min

电流上升时间:    ＜40μs

关断时间:        ＜5μs

我们设计的加速极电源采用脉冲调制技术（Pulse  Step Modulator PSM），采用 80个不可控直流电源模块串联的解决方案。其输出电压取决于投入的模块数，通过开关可调节输出电压在0-100%额定电压范围内阶梯变化。PSM技术的一个显著特点是把主整电压化整为零，即把主整高压分成若干个低压输出的电源模块。这样，可根据需要增减模块串联数，而形成脉冲阶梯波形。PSM的电路拓扑结构如图1.2所示。

图 1.2  PSM电路拓扑结构

该电路由若干相同的直流电源模块串联而成，多个低压电源模块串联形成高压输出。每个低压电源模块包括一个直流电源V，开关S和一个旁路二极管D。开关S断开的电源模块由二极管旁路，为电流提供通道，任一模块的开断都不影响电源的输出。输出电压为

Vout＝i*V                        (1-1)

i: 开关S闭合的数量

V: 单个模块电源电压

作为NBI加速极高压电源，PSM电路的作用是提供一个恒定的脉冲电压输出，通过增减投入的电源模块数来补偿由于负载变化和母线电压波动带来的输出电压波动。加速极电源电压调节由闭环反馈实现。当母线电压波动和负载阻抗特性的变化引起输出电压波动时，如果实际输出电压与设定的加速极电源电压相差超过设定值，相应投入或切除一个模块，使加速极电源产生一个电压的阶梯变化，维持输出电压的恒定。加速极电源的原理图见图1.3

图 1.3  加速极电源原理图及输出波形

该电源由80个电容滤波型三相桥式不可控整流模块串联组成。整流桥进线通过2台6相12脉波的移相变压器与10KV母线相联，每台变压器有40个副边绕组。移相变压器对应相位的相角互差15゜，40个副边是由两组等容量、等电压的绕组组成，一组星形，另一组为三角形联结。电源模块的开关由由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)及其驱动和保护电路组成。IGBT的导通时间，关断时间一般在零点几微秒左右。开关的快速性即保证了母线电压的波动或负载的变化带来的输出电压波动能迅速得到补偿，维持电压恒定输出。又保证在加速极打火击穿时，电源可在5us内被切除，使加速极和电源本身得到保护。

我们于2009年12月完成了100kV高压电源测试平台的性能调试；完全满足设计指标。2012年-2014年完成了A窗口和F窗口NBI加速极电源的安装及调试，各项指标满足负载要求。

100kV高压电源测试平台多次参与国内外设备的实验测试任务；另外，A窗口和F窗口NBI加速极电源作为中性束系统的子系统参与6轮EAST实验运行。

80keV/8MW中性束注入系统由2条NBI束线4只离子源构成，分别由四套高压电源为其提供能量。高压电源系统基于PSM技术，主要由进线开关柜、双绕组油浸隔离变压器、多绕组干式隔离变压器、整流电源模块及相应的测量、控制保护系统等组成，服务于EAST托卡马克的实验运行。

表4 80keV-8MW中性束注入系统高压电源系统组成

图7 80keV-8MW中性束注入系统高压电源系统主回路原理图

图8 80keV-8MW中性束注入系统高压电源系统现场布局