RMP 線圈供電電源的方案設(shè)計與仿真

朱昕，劉磊，鄭列

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

0 引言

在當(dāng)今能源十分匱乏的情況下，人們開始設(shè)法將核能利用在眾多領(lǐng)域，其中用核裂變技術(shù)來發(fā)電已是一種十分普遍的技術(shù)。但是，隨之產(chǎn)生核廢料對環(huán)境的污染至今未找到合理的處理辦法，所以在該領(lǐng)域內(nèi)有很大研究和探索的空間。研究高質(zhì)量的等離子體是該技術(shù)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(fù)電荷以及中性的粒子在整體上呈電中性的系統(tǒng)。）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(xué)不穩(wěn)定性[1]。HL-2M 裝置磁擾動線圈（RMP）系統(tǒng)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(fù)組電源構(gòu)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(fù)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(fù)載。

1 系統(tǒng)的總設(shè)計方案

如圖1 所示是RMP（Resonant Magnetic Perturba?tion：RMP）電源系統(tǒng)設(shè)計框圖，觸摸屏和PLC 是控制系統(tǒng)中最主要的兩個部分，二者均選用西門子的產(chǎn)品。系統(tǒng)的基本工作原理是：PLC 先處理來自觸摸屏的給定，然后把結(jié)果送到A/D 轉(zhuǎn)換器，A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號經(jīng)電平匹配后可直接輸入到DSP 當(dāng)中。由于DSP 系統(tǒng)屬于弱電系統(tǒng)一般不可與主電路直接連接，所以其輸出主電路觸發(fā)脈沖需經(jīng)隔離、放大后才可去驅(qū)動晶閘管。采集系統(tǒng)中的電壓、電流信號經(jīng)霍爾元件采集后送到PLC 當(dāng)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(tài)、母排溫度等信號的采集。當(dāng)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(tǒng)總設(shè)計框圖

2 主電路的選擇與設(shè)計

2.1 主電路的選擇

在工程實際當(dāng)中選擇和設(shè)計主電路應(yīng)該考慮的因素有很多，例如：合理性、可行性、系統(tǒng)的成本以及系統(tǒng)負(fù)載特性等。對于本設(shè)計系統(tǒng)而言，應(yīng)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(tǒng)電流輸出紋波小、畸變率低和高功率因素；

（3）系統(tǒng)的人機界面友好。

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

表1 不同脈波數(shù)與輸出電壓紋波系數(shù)及脈動系數(shù)

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(yuǎn)遠(yuǎn)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(tǒng)的可靠性。該電路普遍采用PI 控制器和閉環(huán)電流反饋控制方法，因而具有良好的響應(yīng)能力和輸出高質(zhì)量的電流波形。

線圈在直流供電系統(tǒng)為小電流工作模式下一般處在不工作的狀態(tài)，其原因是此時的磁擾動強度太小，根本無法監(jiān)測到正常的物理現(xiàn)象?；谶@種工況，整流器的觸發(fā)角一般均比較小。為了很好滿足系統(tǒng)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?fù)洹?/p>

2.2 主電路的設(shè)計

RMP 線圈由一臺300MVA 交流脈沖發(fā)電機組輸出兩組三相交流電源，通過變壓器降壓，再經(jīng)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(yè)已經(jīng)成熟的晶閘管變流器方案；考慮到HL-2M 裝置現(xiàn)場的工藝布局，每組RMP 線圈由1 臺300MVA 脈沖發(fā)電機分別經(jīng)各自的變壓器相對應(yīng)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(xiàn)給負(fù)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(gòu)成反并聯(lián)電路。

3 主要器件參數(shù)設(shè)計與選擇

3.1 整流變壓器

該課題供電電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(yīng)的整流器供電。這兩種方案有各自的優(yōu)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(diào)試成本相對比也更低一些；采用兩臺獨立變壓器的方案優(yōu)點在于電路的穩(wěn)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(jié)合實際需求并考慮到設(shè)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(xiàn)的特定頻率的諧波干擾，在實際設(shè)計中變壓器的原邊和副邊至少是三角形接法，結(jié)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(shè)計的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是12 脈波整流器，并帶有均流電抗器，除相位關(guān)系不同之外，是由兩組完全相同的三相橋式整流器構(gòu)成，因此可以分別進行設(shè)計。由于兩組三相橋式整流器結(jié)構(gòu)參數(shù)都相同，理想情況下每一組三相橋式整流器將各自承擔(dān)系統(tǒng)一半的電流負(fù)荷，所以平均電流應(yīng)取Id=8kA，詳細(xì)的三相橋式整流器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 三相整流橋結(jié)構(gòu)

首先是設(shè)備電壓參數(shù)的選擇，對上述電路當(dāng)晶閘管VT1開通時，VT3與VT5兩端承受額定線電壓，以設(shè)計的480V 線電壓來看峰值電壓為480×(1 +10% )×2 =529V ，由于經(jīng)整流設(shè)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(guān)斷過程短時間電壓變化率較大難以避免會產(chǎn)生尖峰電壓，所以在選擇器件的電壓等級時應(yīng)選擇系統(tǒng)電壓的4～5 倍為宜，經(jīng)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(wěn)定性，為保證整流電路安全可靠地運行，應(yīng)避免過流現(xiàn)象的出現(xiàn)，以免造成晶閘管燒毀，因此在選取晶閘管參數(shù)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(fù)載電流平衡且連續(xù)；（2）限制兩組整流橋輸出環(huán)流的紋波度。

Upp為整流器交流側(cè)線電壓有效值，K 為諧波次數(shù)，f為系統(tǒng)頻率，Id為負(fù)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(shè)計為1%額定電流不斷流，對應(yīng)Id=80A.依據(jù)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(shù)設(shè)計為334uH 即可滿足要求。

4 仿真實驗

根據(jù)RMP 線圈電源變流柜的具體技術(shù)指標(biāo)，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(nèi)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(nèi)的6 脈波三相全控橋并聯(lián)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)果與實際測量有一定的誤差。設(shè)置電路中的參數(shù)，交流輸入線電壓為480V，頻率取50Hz，仿真結(jié)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(jié)論：本設(shè)計所采用的方案可以滿足RMP 電源的要求，在理論上本設(shè)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(jié)語

本文針對共振磁擾動（RMP）線圈供電電源系統(tǒng)的運行特點，完成了RMP 線圈供電電源方案及主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)果中得到了符合設(shè)計要求的各項技術(shù)參數(shù)。本設(shè)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(tǒng)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(xiàn)發(fā)揮了巨大的作用。