离子加速器目前主要应用在高能物理和医疗领域，利用磁场加速产生的高能带电粒子去轰击原子核，以研究微观世界基本粒子内部结构。它也可用来产生高能X射线和高能离子束治疗肿瘤。加速器需要一个高精度、快响应的电源为磁铁提供励磁，利用强磁场产生高能离子束流能力，然而传统磁铁电源前端多采用不控整流桥结构易造成电网谐波污染，寻求一种具有上述性能而又能实现对电网无污染的绿色励磁电源已是离子加速器目前面临的一个重大问题。\n 精简矩阵变换器(Reduced Matrix Converter，RMC)是一种新型功率变换器，采用RMC作为磁铁励磁电源，可以获得输出低纹波、高精度和快响应电流同时，也能实现输入电流正弦和输入单位功率因数的优良网侧性能，是一种很具发展潜力的新型“绿色”磁铁电源。本文将RMC拓展至离子加速器系统作为磁铁励磁电源。研究了RMC工作原理，分析推导了适用于RMC的有零空间矢量调制和双极性电流空间矢量调制(Bipolar Current Space Vector pulse-width Modulation，B-C-SVC)策略，研究了三种基于矩阵变换器理论的磁铁励磁电源实现方案。给出了适用于矩阵变换器整流的旧步换流以及RMC的两步换流策略。比较可知：四步换流策略复杂，开关损耗大，但可实现能量同馈。两步换流不需要额外检测电路，同时，考虑到开关开通时间远小于关断时间的特点，可改进为一步换流，但不能实现能量回馈功能。\n 针对磁铁电源的三种方案进行了仿真和实验验证，以DSF+CPLD为控制核心，设计了系统软硬件，搭建了2kW实验样机。对三种方案进行了验证，最终选取了性能较好的RMC作为离子加速器磁铁励磁电源。在此基础上对矩阵整流器以及RMC换流扇区交叠模糊区域进行了优化，有效减小了电流纹波。并在此样机上对RMC输出电流闭环控制进行了实验验证，结果表明系统具有优良网侧性能和低纹波输出同时，更具有良好输出电流跟随特性，满足磁铁电源性能要求。
离子加速器在工程物理和医疗领域具有广阔的应用前景,其核心装置为其励磁电源。传统的励磁电源存在功率因数低、谐波污染大,以及能量不能回收等问题。新型加速器对励磁电源精度、动态响应和波形形状提出了更高的要求,于是寻求一种能够解决上述问题且具有较高调节精度和快速动态响应的“绿色”励磁电源已迫在眉睫。由于精简矩阵变换器(Reduced Matrix Converter,RMC)具有优良输入输出性能,同时具有转换级数少、功率密度高等特性,本文利用RMC作为加速器磁铁励磁电源,对RMC的工作原理以及双极性电流空间矢量调制策略(Bipolar Current Space Vector pulse-width Modulation,B-C-SVM)进行了推导,在此基础上,针对加速器性能需求和励磁电流的变化规律,提出了能量可以双向流动的一四象限型RMC以及续流馈能的一二象限型RMC励磁电源拓扑,并分别给出了前后级协调控制方法。针对RMC换流问题,分析了电压型和电流型四步换流策略,提出一种简化的三步换流加零矢量混合换流策略,此换流策略不需增加额外的检测电路,就能很好的消除换流电压尖峰,保证安全换流。最后给出了传统RMC电流闭环控制方案,采用单神经元自适应PID控制器,并与传统PID进行仿真性能比较,单神经元自适应PID系统具有更快动态响应。搭建了一台以DSP+CPLD为控制器的实验样机,设计了系统软硬件。在样机上完成了 RMC换流策略以及电流闭环方案和功率实验验证;完成了一四象限型和一二象限型RMC的能量正传和回馈的实验验证,验证了所提出的方案的正确性和可行性,结果表明RMC具有优良的网侧和输出性能,并具有较好的动态响应,改进型RMC可实现能量双向流动,满足离子加速器励磁电源性能。
暂无评论