RMP 線圈供電電源的方案設計與仿真

朱昕，劉磊，鄭列

（1.西安石油大學電子工程學院，西安710065；2. 陜西航空電氣有限責任公司，西安710077）

0 引言

在當今能源十分匱乏的情況下，人們開始設法將核能利用在眾多領域，其中用核裂變技術來發電已是一種十分普遍的技術。但是，隨之產生核廢料對環境的污染至今未找到合理的處理辦法，所以在該領域內有很大研究和探索的空間。研究高質量的等離子體是該技術的重中之重，其中包括控制等離子體的流動方向。（所謂的等離子體在宏觀上看就是被電離的氣體，在微觀上看就是一些帶正負電荷以及中性的粒子在整體上呈電中性的系統。）本文所研究的RMP（Resonant Magnetic Perturbation：RMP）電源，主要是對其在真空室中的擾動線圈進行供電，從而有利于研究等離子體的邊界局域模（Edge-Localized Modes：ELM）和電阻壁模（Resistive Wall Modes： RWM）等磁流體動力學不穩定性[1]。HL-2M 裝置磁擾動線圈（RMP）系統由PF1U、PF1L、PF2U、PF2L、PF3U、PF13L、PF4U、PF4L、PF5U、PF5L、PF6U、PF6L、PF7U、PF7L、PF8U、PF8L 共16 組RMP 線圈組成。每組RMP 線圈都需要使用四象限電源供電，因此，每組RMP 線圈由各自的正組電源和負組電源構成。由于各組RMP 線圈之間、RMP 線圈與其它線圈之間存在耦合，每組RMP 線圈電源的負載實際上是該RMP 線圈的自感和其他線圈互感共同作用下的等效阻感負載。

1 系統的總設計方案

如圖1 所示是RMP（Resonant Magnetic Perturba?tion：RMP）電源系統設計框圖，觸摸屏和PLC 是控制系統中最主要的兩個部分，二者均選用西門子的產品。系統的基本工作原理是：PLC 先處理來自觸摸屏的給定，然后把結果送到A/D 轉換器，A/D 轉換器輸出的數字信號經電平匹配后可直接輸入到DSP 當中。由于DSP 系統屬于弱電系統一般不可與主電路直接連接，所以其輸出主電路觸發脈沖需經隔離、放大后才可去驅動晶閘管。采集系統中的電壓、電流信號經霍爾元件采集后送到PLC 當中進行運算處理，最后在控制面板中的觸摸屏上予以顯示。繼電操作完成對快熔狀態、母排溫度等信號的采集。當有報警時，同時會在觸摸屏上顯示并傳送給PLC 處理信號[2]。

圖1 系統總設計框圖

2 主電路的選擇與設計

2.1 主電路的選擇

在工程實際當中選擇和設計主電路應該考慮的因素有很多，例如：合理性、可行性、系統的成本以及系統負載特性等。對于本設計系統而言，應該考慮如下幾方面：

（1）直流電源功能需有較好的完整性和可靠性；

（2）系統電流輸出紋波小、畸變率低和高功率因素；

（3）系統的人機界面友好。

表1 所示是整流器觸發角是零度時，不同的脈波數與電壓紋波系數之間的關系。若輸出波形用傅里葉級數展開來分析可知：整流器的紋波系數大小與觸發角的大小密切相關，且會隨著觸發角增大而增大[3]。

表1 不同脈波數與輸出電壓紋波系數及脈動系數

本文采用的主功率器件是晶閘管，一方面原因是由于其單管容量較大，在大功率整流中是使用非常普遍；原因二是由于晶閘管的抗浪涌能力遠遠高于IGBT、MOS 以及其他的電力電子器件，所以能很好地保證系統的可靠性。該電路普遍采用PI 控制器和閉環電流反饋控制方法，因而具有良好的響應能力和輸出高質量的電流波形。

線圈在直流供電系統為小電流工作模式下一般處在不工作的狀態，其原因是此時的磁擾動強度太小，根本無法監測到正常的物理現象。基于這種工況，整流器的觸發角一般均比較小。為了很好滿足系統電流輸出紋波小、畸變率低和高功率因素這一實際要求，所以該課題選擇十二脈波整流為主電路拓撲。

2.2 主電路的設計

RMP 線圈由一臺300MVA 交流脈沖發電機組輸出兩組三相交流電源，通過變壓器降壓，再經RMP 電源模塊換流提供所需電流。RMP 電源模塊的工作方式為脈沖間歇式。

為提高各變流器的電流、電壓均衡度，充分利用行業已經成熟的晶閘管變流器方案；考慮到HL-2M 裝置現場的工藝布局，每組RMP 線圈由1 臺300MVA 脈沖發電機分別經各自的變壓器相對應的變流柜供電。其中兩臺整流變壓器原、副邊均為△接法，但兩組三相電源電壓相位差30°，以提供十二脈波整流所需的六相電源。為了實現給負載線圈雙向供電，每個直流供電單元需要兩個6 脈波晶閘管可控整流電路構成反并聯電路。

3 主要器件參數設計與選擇

3.1 整流變壓器

該課題供電電源主電路拓撲結構選擇的是十二脈波整流，所以兩組整流變壓器需要錯開30°。其方法有二：方法一是采用一臺雙繞組變壓器，其原邊采用三角形接法，副邊一個繞組采用心形接法另一個采用三角形接法，這樣就可以自然錯開30°電角度。方法二是采用兩臺獨立的整流變壓器給對應的整流器供電。這兩種方案有各自的優勢：采用共用變壓器方案可以解約成本和占地空間，安裝和調試成本相對比也更低一些；采用兩臺獨立變壓器的方案優點在于電路的穩定性更高，由于變壓器分別獨立所以也避免了交流電源之間的磁路干擾，缺點是安裝空間大，成本也更高。再結合實際需求并考慮到設計難點等問題，最終決定選擇采用兩組獨立的電壓器方案。由于需要使兩組三相整流器相位相差30 電角度，因此變壓器副邊連接組號要互差30 相位。同時為了消除電路中出現的特定頻率的諧波干擾，在實際設計中變壓器的原邊和副邊至少是三角形接法，結合上述分析綜合考量之后得出變壓器的連接組別為D/y11；D/d0。

3.2 晶閘管

由于本設計的電源系統結構是12 脈波整流器，并帶有均流電抗器，除相位關系不同之外，是由兩組完全相同的三相橋式整流器構成，因此可以分別進行設計。由于兩組三相橋式整流器結構參數都相同，理想情況下每一組三相橋式整流器將各自承擔系統一半的電流負荷，所以平均電流應取Id=8kA，詳細的三相橋式整流器結構如圖3 所示。

圖3 三相整流橋結構

首先是設備電壓參數的選擇，對上述電路當晶閘管VT1開通時，VT3與VT5兩端承受額定線電壓，以設計的480V 線電壓來看峰值電壓為480×(1 +10% )×2 =529V ，由于經整流設備整流之后所得到的直流電壓中的電壓諧波分量較高，并且晶閘管關斷過程短時間電壓變化率較大難以避免會產生尖峰電壓，所以在選擇器件的電壓等級時應選擇系統電壓的4～5 倍為宜，經計算可以選取的晶閘管電壓等級為3200V。

已知電流輸出額定電流為8kA，晶閘管電流的有效值為IVT=1/=0.577Id，由此可求出晶閘管的額定電流為Ivt(AV)=IVT.57=2944A，在實際物理運行過程中，需要考慮電路穩定性，為保證整流電路安全可靠地運行，應避免過流現象的出現，以免造成晶閘管燒毀，因此在選取晶閘管參數時需要考慮1～2 倍安全裕量，此處選取1.5 倍安全裕量進行計算，得到晶閘管的最大輸入平均電流為4600A。

3.3 均流電抗器

均流電抗器的作用：（1）使兩組三相整流橋的負載電流平衡且連續；（2）限制兩組整流橋輸出環流的紋波度。

Upp為整流器交流側線電壓有效值，K 為諧波次數，f為系統頻率，Id為負載電流。這里取Upp=530V，f=50～100Hz，對12 脈波整流K=6，此外整流器設計為1%額定電流不斷流，對應Id=80A.依據公式（1）可得所需的均流電抗器電感值為Lp=668uH.電源方案中有兩組均流電抗器，則每組的電感參數設計為334uH 即可滿足要求。

4 仿真實驗

根據RMP 線圈電源變流柜的具體技術指標，RMP線圈電源每臺變流柜，包含正組和反組各一臺6 脈波三相全控橋，其中兩臺不同變流柜內的6 脈波三相全控橋額定功率為8kA/648V，輸出電壓、電流波形如4 所示。2臺不同變流柜內的6 脈波三相全控橋并聯后形成12 脈波變流器。每組RMP 線圈供電電源的要求不同，RMP1-4 線圈供電電源要求輸出15kA/648V，RMP5-6線圈供電電源要求輸出38kA/648V，RMP7 線圈供電電源要求輸出42kA/743V。每組RMP 線圈供電電源在電路結構設計上是相同的，只是輸入的電壓不同。

本文利用MATLAB/Simulink 仿真軟件對主電路進行建模與仿真。由于在仿真軟件中許多器件都是理想模型，因此，仿真結果與實際測量有一定的誤差。設置電路中的參數，交流輸入線電壓為480V，頻率取50Hz，仿真結果如圖4 所示。圖5（a）為正組輸出電壓；圖5（b）為反組輸出電壓。從計算機仿真模擬得到的波形可以得出結論：本設計所采用的方案可以滿足RMP 電源的要求，在理論上本設計方案是完全可行的。

圖4 6脈波三相全控橋的輸出電流、電壓波的輸出電壓

圖5

5 結語

本文針對共振磁擾動（RMP）線圈供電電源系統的運行特點，完成了RMP 線圈供電電源方案及主電路拓撲結構的設計，并對主電路部分進行了計算機仿真模擬，并在計算機仿真模擬結果中得到了符合設計要求的各項技術參數。本設計進行了實際的物理實驗驗證，在運行過程中RMP 線圈供電系統長時間運行安全可靠，很好地滿足了實際需求，在實際研究中成為了不可或缺的一部分，為科研成果的早日實現發揮了巨大的作用。