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EAST—快控电源系统: 盛志才
2018-07-13 浏览次数:545


(1) 系统介绍

EAST 等离子体垂直位移快速控制电源(简称:EAST 快控电源),EAST 超导托克马克核聚变试验装置高功率电源系统的组成部分之一。它与装置真空室内的一组主动(有源)控制线圈(IVC),形成等离子体垂直位移控制的主动控制。同时与装置的被动反馈(无源)导体一起,构成装置等离子体垂直位移控制系统。等离子体控制系统检测等离子体垂直位移,计算出对应磁场所需要的主动反馈线圈的励磁电流,作为指令信号发送给电源系统,电源系统实时跟踪输入指令,并进行线性放大,产生快速变化的磁场来抑制等离子体的不稳定垂直位移。

其物理目标是:抑制等离子体固有(特别在大拉长位形下)的垂直不稳定性,控制等离子体在垂直方向的快速漂移,实现等离子体在垂直方向的平衡与定位。

EAST快控电源原系统于2006年投入运行,维修改造项目自2012年初启动,20146月完成验收,并投入2014年实验运行。

(2) 系统原理图

EAST 快控电源,实质上是一个大容量的AC/DC/AC 单相逆变电源----具有电流源特性的电压源型逆变器。系统组成主要有:高压断路器,整流变压器,AC/DC 整流器,DC/AC 逆变器,滤波与钳位,均流与保护,电流引线,负载,以及监测、控制、诊断与保护子系统。其系统框图如图1所示。

快控电源系统框图

AC/DC 整流器采用多相(36相)不控整流及干式整流变压器,整流变压器容量560 kVA,电压10 kV/0.7 kV,短路阻抗6%。原方绕组具有±5%电压调节抽头,副方绕组与原方绕组分别相差±5°±15°±25°;每一相位绕组有两个同样的绕组,作为每个AC/DC/AC 功率单元模块正负电源的交流输入,每四个AC/DC/AC功率单元模块共用同一相位绕组。

DC/AC 逆变器采用三电平二极管钳位半桥逆变器及电流闭环控制。每单元整流器与逆变器构成一个AC/DC/AC 功率单元模块。功率单元模块框图如图2所示。

 

快控电源功率单元模块图

系统由24个功率单元模块组成,控制上分为二组。采用PWM调制技术,功率单元模块的开关频率为7.5 kHz,每组12个功率单元模块应用载波相移多重化技术,等效合成频率为90 kHz。该设计的优点在于高可靠性及易于灵活增容。

故障保护:

系统设有完备的过压、过流、短路和过热保护以及其它常规保护;电源输出端设有双向快速撬棒保护。系统同时设有软件保护与硬件保护。功率单元模块故障时,应立即封锁控制脉冲,自动退出运行;当系统故障或等离子体破裂时,所有功率单元模块立即封锁控制脉冲;快速撬棒立即启动,负载及回路的磁场储能迅速转移消耗;直流侧电容同时迅速泄放;交流高压开关断开,系统退出运行。

监测、控制、诊断与保护子系统:

主要功能在于实现EAST快控电源系统的程序控制与实时控制,现场监控与远程监控,以及系统的故障保护。实现系统的数据采集与存储、处理与显示、故障诊断与保护、系统内部的通讯以及与中心控制的通讯等。

监测、控制、诊断与保护子系统由远程监控和现场监控二部分组成。远程监控由远程监控与故障诊断计算机组成;现场监控主要由现场采集与监测计算机、现场控制计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、单元模块控制器等组成;远程监控和现场监控使用光纤和RS485通信。可编程逻辑控制器(PLC),用于系统运行的程序控制与保护。功率单元模块控制器,用于功率单元模块PWM信号的产生,闭环控制及快速保护等。现场控制计算机,作为可编程逻辑控制器与功率单元模块控制器的上位机,主要承担系统运行的管理与控制。包括系统的参数设定,故障查询,运行记录,及系统电流跟踪信号的分配等等。现场采集监控计算机采用PXI工控机,主要完成对系统的数据采集、处理、存贮、显示及数据传输等工作。远程监控与诊断计算机位于总控室内,距离快控电源安装现场约100米,与现场计算机通过光纤和RS485通信。主要接收现场采集的运行数据,同时进行数据处理、存贮、显示,以及故障诊断,并远程控制电源系统的运行。

EAST快控电源新系统采用6H桥支路并联,每个H桥支路由3H桥级联输出1600 V电压。直流侧通过二极管不控整流给电容充电,支路输出端串联均流电感,保证系统均流。电源输出端并联RC及压敏电阻抑制电压变化率及输出过电压。其系统结构如下图所示:

快控电源新系统结构

 

快控电源新系统原理图如图4所示, 控制系统框图如图5所示。

快控电源新系统原理图

 

快控电源新系统控制系统框图

 

(3) 系统参数与性能

快控电源负载为4个水冷快控线圈串联,线圈连接方式为正向或反向串联。负载电感约为86 uH

快控电源原系统由24个功率单元模块组成,控制上分为二组。采用 PWM 调制技术,功率单元模块的开关频率为7.5 kHz,每组12个功率单元模块应用载波相移多重化技术,等效频率为90 kHz。主要技术指标如下:

最高输出电压:Um±800 V

额定输出电流:In±2500 A150 s

短时过载能力:Im±5000 A1 s

电流跟踪频率:f≥100 Hz

电流响应时间:tr≤5 ms-9000 A 9000 A

快控电源新系统由18个功率单元组成,功率器件采用1200 V/2400 AIPM,器件开关频率5 kHz, 采用倍频及载波移相技术,系统等效开关频率为180 kHz。其主要技术指标如下:

最高输出电压:Um±1600 V

额定输出电流:In±6000 A100150 sec,(逆变环节四象限运行)

负载占空比:   D/T=(100150) s / 2800 s

短时过载能力:Im±9000 A0.1 sec  

响应时间≤1 ms

电流响应时间:tr≤2 ms-9000 A9000 A

 

(4) 系统运行模式

 

快控电源运行模式为四象限、脉冲运行,稳态电流6000 A, 短时过载电流9000 A, 0.1 s,跟踪频率大于100 Hz。电源具备电流反馈控制和电压开环控制两种运行模式。电源过流保护采用反时限保护,电压控制时还增加了截流功能,确保电源安全运行。在电流反馈控制情况下,某个支路发生故障退出,通过设置比例饿分配电路,将其余支路给定电流放大(不超过支路最大运行电流),以维持实验的继续进行,增强系统运行可用性。

(5) 系统维护模式

 

快控电源主要系统维护设备为:10 kV高压开关、干式变压器、电源功率单元模块、控制系统、接口及保护系统和信号采集系统。其常规维护为设备除尘、绝缘检测及运行测试,保证设备正常工作,配合物理实验新的要求,对电源进行改进。

(6) 其它

系统其它需要说明的要素