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托卡马克装置是当前研究核聚变能应用的重要方法之一,它利用磁场约束燃烧等离子体使其达到或接近反应条件。托卡马克等离子体中具有多种磁流体不稳定性,撕裂模就是其中一种典型的危害甚大的不稳定性。扰动场是研究托卡马克等离子体撕裂模的重要手段,交流的线圈驱动电源是交变转动扰动磁场的客观的必备条件。 在J-TEXT托卡马克中,为得到一个环向转动的扰动磁场,用于研究扰动场对撕裂模的作用,在真空室内设计了四组动态扰动场线圈,组间环向间隔90°,每一组线圈由三个单匝线圈构成。当四组线圈通电电流相位依次相差90°时,可在真空室内产生环向转动的扰动磁场。故需要设计两套相位相差90°的交流电源,每套电源给反向串联的两组线圈供电。 本文分析了扰动场电源的设计需求,为使电源输出电流大、工作频率高、波形质量高、对其他信号干扰小,综合考虑建设成本,最终采用了基于串联谐振的AC-DC-AC拓扑结构。本文简要介绍了电源的工作原理以及工作过程,并对相关的电源参数进行了仿真和计算。扰动场交流电源电流的频率是实验研究中的关键参数,为此控制电源的负载频率和相位非常重要。在实验过程中,负载参数不断变化,为使电源始终处于谐振状态,本文设计了基于全数字锁相环控制结构,对负载电流的频率和相位进行跟踪控制,控制程序运行在FPGA核心板上,基于Verilog HDL语言编写。FPGA输出驱动信号控制IGBT开关管的开通和关断。 扰动场交流电源设计的工作频率为1kHz~5kHz,输出电流在5kHz时可达到5kA,负载电流谐波畸变率小于5%,控制电源相位误差在5°以内。 文章对控制系统的性能进行了数学建模分析,并在此基础上对控制性能进行分析改善,并对改善的结果进行实验验证,实验结果表明改善后的控制系统在时间响应上有了明显的改善。最后给出了电源的运行结果,表明控制系统有良好的控制效果。