文摘

当前的重离子加速器电源拓扑方案有严重污染造成的电网电网功率因数低的一边。考虑的特性可调的功率因数和双向能量转移矩阵变换器,它应用于加速器的可能性研究了直流电源和三种备份拓扑方案包括前监管矩阵整流器(先生)在本文提出。鉴于加速器电源的实际情况,研究一直集中在调制策略适合前监管先生的拓扑和仿真验证。基于模拟前监管先生计划,一个矩阵幂的原型。功率因数测试仪是用来测试电网侧功率因数。根据实验结果,是前瞻性可行的应用前监管拓扑先生加速器直流电源,性能优良的网格。

1。介绍

目前,重离子加速器主要是在高能物理和医学领域的应用。在重离子同步加速器,加速器加速的重离子注入一个圆形轨道的强磁场磁体。加速高能带电粒子轰击原子核促进内部结构的研究基本粒子的微观世界。它可以用于处理工业废水和工业无损检测产生的高能x射线。它也可以用于治疗肿瘤产生的高能离子光束(1- - - - - -3]。

加速器的重要组成部分,同步励磁系统产生一个磁场抑制加速器的束流的运动。重离子加速器的发展追求更好的光束质量和更高的梁强度,需要低磁波痕和高磁场加速器磁场系统的准确性。励磁系统是由磁铁和磁化电源。磁化电源的性能直接影响质量的磁场。励磁系统的一些指标,如波纹和精确的磁场,直接取决于当前的脉动和跟踪误差的磁化脉冲电源。因此,加速器电源扮演着一个重要的角色在现代的高性能支持加速器。随着现代加速器技术的发展,光束质量和稳定性的要求也变得越来越高,这意味着磁化电源的性能需要相应的进一步好转。

加速器电源通常在直流或脉冲模式下操作,并提供磁铁与一个特定的磁化电流来生成所需的磁场。采用混合12-pulse整改方案在一些电流磁化电源在重离子加速器4]。晶闸管相位控制整流和IGBT脉冲宽度调制(PWM)转换技术中使用同步加速器偶极磁铁电源(5]。六极的磁铁数字电源的主电路拓扑的兰州重离子加速器(HIRFL-CSR)前置级不可控整流器和poststage h桥斩波器(6]。

可以看出,加速器电源系统通常是由一个三相整流器和直流/直流转换器。前置级的整流储能电容器的主要作品在传统相位控制整流或不可控整流模式,它可以很容易地电网电流(AC)转换成直流电(DC)。然而,除了整流器的直流电容器寿命很短,整流器的严重缺乏是大量的谐波电流的输入端不可避免地使系统的功率因数低、谐波失真率高,对电网带来很大的影响。此外,多个开关转换器的串并联连接和辅助开关移相驱动器通常是用来提高等效开关频率。然而,它使得系统更加复杂和高成本5]。

超导技术和超导材料的研究是另一个加速器领域的热点。超导磁体的优势占领和更高的磁场强度较小的空间,可以满足加速器磁铁的越来越严厉的要求。因此,他们被广泛应用的主要加速器研究机构(7- - - - - -9]。超导磁体的性能优越,磁铁和支持电源成为研究热点领域的重离子加速器。

在高强度的重离子加速器设施(HIAF)的中国,超导磁体将广泛应用10- - - - - -12]。超导磁体将连接在系列,是由一个电源工作在脉冲操作模式。当电源在脉冲工作模式时,输出电流是梯形波,分为五个部分:前面平底,上升段,平顶段、下降段,后方平底段,每个段顺利由二次曲线连接。超导脉冲电源的负载是一系列的超导磁体,具有电感的几十H(亨利)在典型操作,而这个系统的负载电阻几乎为零。生成一个脉冲操作需要一个强大的电压电流上升。一旦电流达到平顶,负载电压迅速将降至一个非常小的值,和当前错误的电源必须保持在10 ppm(百万分之)在这大动态范围(13]。

超导线圈将采用HIAF偶极磁铁的一部分,需要在脉冲磁化超导电力供应工作操作来满足HIAF的需要。当磁铁电源采用超导线圈在脉冲工作模式,当前的上升或下降时间是2秒,和平顶电流可以达到8000。当当前脉冲下降,能量储存在超导磁体需要从磁铁正确传输到满足系统的要求。通常情况下,磁铁的能量可以存储在一个电解电容器或通过一个应用电阻。不过,HIAF串联超导磁铁的,磁铁的电感很大。巨大的能量不能被传统的电解电容器方法处理转让或电阻损耗。因此,有必要采用新的技术来满足能源回电网。也就是说,系统的负载应该能够与电网交换能量和存储多余的能量应该返回到网格。磁铁电源应该有双向能量流的功能14,15]。同时,提高光束质量的新一代的进一步HIAF,许多具有挑战性的需求的磁铁电源HIAF需要更深入地研究。除了稳定性和涟漪,更严格的要求动态响应速度提出(10]。

超导磁体电源的研究超导偶极离子加速器磁铁的存储环进行了研究和设计,以及超导磁体的磁场和电磁力进行了分析(13]。在引用文献[16),一个多相多个磁铁电源降压斩波电路的基础上研究了超导磁体电源的要求。然而,基于拓扑中,电源的能量不能实现双向流动。拓扑也没有有效地抑制干扰的磁铁电源。磁铁电源的干扰可能导致超导磁体的淬火,这将严重影响超导磁体的正常运行,甚至摧毁它。因此,精度高和鲁棒性的超导电力供应也需要17]。因为能量反馈无法意识到当驱动负载的超导磁体电源所提到的,一个额外的能量回馈单元是必要的。与此同时,直流侧电容也会导致供电系统的动态响应太慢,以满足超导磁体的动态性能的要求。针对上述问题,对超导磁体系统的关键点的离子加速器是寻求一个磁铁电源方案可以提供高精度的输出电流,双向能量流动,网格和优秀的性能。

然而,当前的磁铁电源转换器拓扑正确不能解决上述问题,因此需要引入新技术去改善它。首先要解决的问题在电网侧功率因数低,然后相关能量回馈电网研究超导电力供应是迫切需要的。

矩阵变换器(MC)近年来出现提供了一个解决方案。矩阵变换器可以应用到直流的离子加速器磁铁电源工作时在精馏操作模式。矩阵变换器和良好的动态性能,占用空间小,不需要大容量的储能组件在直流方面。矩阵变换器整流工作,实现正弦输入电流,实现高功率因素。此外,矩阵变换器还可以用于脉冲离子加速器磁铁电源。双向流动的能量矩阵变换器可以传播过度磁铁回电网的能量(18- - - - - -20.]。

这项研究的延续我们的初步研究21,22]。由于加速器电源的性能很大程度上取决于主电路拓扑结构和控制策略的选择23,24),矩阵变换器及其新型调制策略本文提出基于实际电流式磁化电源是一个潜在的解决上述问题。

2。三种实现方案

考虑到电源的需求,一个简单的三相输入/单阶段输出矩阵变换器(MC)进行了研究。的直流输出模式的关注31 MC没有中性线在这个研究。在这种情况下,它也被称为矩阵整流器(先生)。根据加速器磁铁电源的实际情况,提出了三种实现方案。

第一种是直接耦合先生先生是直接连接到负载,输入电流和输出电流控制适当的调制策略。

第二个是magnetic-coupled先生考虑能源的问题反馈脉冲下降段的超导磁体电源,利用先生作为前置级整流器的双级矩阵变换器(TSMC),而虚拟逆变器添加poststage确保能量双向传输。这种方法也相当于减少了矩阵变换器。

第三个是前监管先生针对可能存在缺陷,直接耦合先生只是利用作为前置级电压调节器来控制输入电流波形。直流恒压输出的先生将被应用到post-H-bridge控制输出电流。该计划将进一步研究在这方面的研究。

基于h桥的开关电源拓扑可以在各种工作状态采用移相全桥控制模式。双极直流/脉冲电流波形输出h桥作为斩波器工作时,适合加速器的操作系统,如四极磁铁和六极的磁铁。如图1在传统的开关电源拓扑结构,后一个二极管整流桥和一个二阶LC滤波器通常用作前置级的h桥6]。

前置级的输出是相当于一个理想电压源,可以对电网造成严重污染。针对这个问题,一个前监管提出了拓扑先生。用空间矢量调制策略,AC / DC转换可以实现先生,与输入滤波器滤除高频谐波,确保“绿色”输入性能。先生的直流侧与经典的h桥,它的输出是与一个过滤器和一个磁铁负载。post-stage, h桥可以实现精确的控制输出电流获得出色的输出质量。

3所示。MC的控制策略应用于加速器电源

3.1。电网侧空间矢量调制策略

前监管先生,需要一个适当的控制策略应用于前一阶段和poststage。前阶段,矩阵变换器的空间矢量调制(SVM)的输入电流应用为了获得正弦输入电流波形和高输入功率因数25,26]。在这里,前面的阶段可以虚拟整流器。

3.2。支持向量机没有零向量

假设输入电压平衡,为了获得最大的积极在直流端直流电压,保证输入电流正弦,输入相电压分为6个部门在每个时期(27]。在每一个部门、一个阶段的电压最大绝对值和其他两个阶段的极性相反,如图2。

整流器的空间矢量阶段是由六个有效的向量和三个零向量(我_aa,我_bb,我_cc),如图3。例如,在部门1,参考电流向量我_裁判合成了我_ab和我_交流。生成有效的向量我_ab和我_交流的正极P在直流端总是与阶段一个和负极N在直流端与相连接b和c分别用于调制。在第一个扇区,有效矢量的工作周期d_γ和d_δ整流器的阶段可以根据图推导出3,见公式(1) 在哪里整流阶段调整系统的调制深度和θ_在参考电流向量的夹角吗我_裁判和它的邻居向量我_ab。

为了获得最大的电压利用率,将不考虑零向量。在这里,切换状态是有效的只有两个向量的合成我_ab和我_交流,即d_ab+d_交流= 1,所以工作周期在一个开关周期

的平均输出电压直流侧 在哪里指的是输入电压的基本频率。

同样,开关状态的所有部门整改阶段的脉冲宽度调制(PWM)周期可以从上面的分析中,得到如表所示1。

3.3。支持向量机与零向量

的部门划分和矢量合成与零向量类似于支持向量机SVM没有零向量,将不会再被描述。SVM为零向量,因为添加零向量的向量合成、电压比例将下降,但输出的波动小于SVM没有零向量。

3.4。控制策略的负荷端加速器电源

无论加速器电源在直流或脉冲模式模式,工作功率是负载电流的控制目标。负载电流波形的一系列指标的关注,如直流电源的稳定性和跟踪误差的脉冲电源(28,29日]。是非常重要的对电源的正常运行并获得令人满意的性能选择合适的供电基于拓扑模型的闭环控制方法。

的拓扑方案前监管先生,前阶段是恒定的直流输出电压提供给h桥和过滤后的磁铁负载。考虑直流磁铁电源的要求,同时确保负载电流跟踪指令电流波形,基于矩阵变换器的控制策略,分析当前支持向量机前阶段和比例积分(PI)的负载电流反馈控制相结合作为一种可行的解决方案,和它的原理图如图4。控制变量可以通过π的计算负载电流和指令电流之间的差值。为了消除偏差,使输出跟随给定的值,一个控制变量是可利用的调整整流调制比前阶段。输入电流可以提高通过使用当前支持向量机,并输出电流可以通过使用保持可靠的跟踪指令电流PI调节。方法简单和值得称道的鲁棒性(30.- - - - - -32]。

4所示。与不同的拓扑建模的控制策略

节2,三种适用拓扑方案,第三个是前面的监管先生为了测试替代方案,闭环控制仿真。

仿真参数如下:(1)输入电压:三相额定电压380 V (+ 10%,−15%);(2)输入滤波器的参数:R_f= 1.1Ω,l_f= 0.141 mH,C_f= 60佛罗里达大学;(3)输出滤波器的参数是:l₁= 7 mH,l₂= 7 mH,C₁= 450佛罗里达大学,R₁= 1Ω,C₂= 100超滤;(4)负载参数:l_l= 1 mH,R_l= 0.5Ω。(5)MATLAB仿真软件:2018;(6)模拟模式:离散仿真模式,仿真步长是1e−6 s。

前监管拓扑先生,前面阶段的h桥,矩阵整流器的输出是恒定的直流电压,与磁铁负载连接到h桥的输出。仿真模型如图5。驱动脉冲的一代六个功率开关如图6。

图7显示了输入电压和电流波形。根据波形,它可以观察到电网侧功率因数较高,但输入电流波形是稍差,这可能是由于不合理的设计相关的全桥开关。的幅度相位模式如图8,它可以了解到输入电流的输入电压输入滤波器的存在。

图9显示了输出电流波形。根据波形,输出电流达到设置值为200的小涟漪。

h桥的导通角= 0时,输入电压和电流波形如图所示10。在图10,输入电流正弦和功率因数较高,相比之下这两个变量在图7。

的幅度相位模式如图11,它可以了解到没有反馈调节输出电流,输入电流与输入电压的相位超前小于与图8。

图12显示相应的输出电流波形。在图中,h桥的导通角为0时,输出电流可以稳定在200点附近的适当调整参数。然而,上升时间变得更长,因为它是不受输出电流的反馈。

5。实验

5.1。输出性能

一个原型构造矩阵整流器的直流磁铁电源拓扑先生采用前面的监管方案。原型,IGBT K30H603HAJ108构成双向选择开关,选择DSP2812作为系统控制装置和CPLD EPM240T100C5N选择生成驱动脉冲,实现换向逻辑。

进行实验验证是一个矩阵幂原型类型先生前监管方案的基础上。结构电压调节器(最大功率6 kVA),三相LC(1000滤、2.5 mH)整流器先生(前阶段,电流闭环控制,电压开环控制,20 kHz), C滤波器(2200 uF), h桥(poststage 15 / 15 V,模拟,可调节的责任周期,10 kHz),和负载(1欧姆)。

当负载的输出电流6.2 A,先生前阶段,保持一个恒定的输出电压为23.6 V。在这个时候,均方根值(RMS)的电压调节器输出电压(星形连接)是37.8 V,如图13(值显示在图的比例是十分之一)。图的文本描述13表所示2。

5.2。电网电能质量分析

前监管先生的计划,功率因数tester PSL PQube适用于电网的功率因数的测试。

当负载电流(单位:安培)变化从小型到大型,总会改变功率因数,线电压U_AB、总谐波畸变率(THD)的电压、电流和总需求失真率(TDD)在电压调节器的输出端数据所示14∼17,分别。对应的当前值(单位:安培)的每个部分是4,5,6,7,8,8.5,9日,9.5和10.5。

从图可以看出14,当负载电流的变化范围的4到10.5一个,总会改变功率因数的电压调节器的输出端仍在一个非常小的范围为0.944到0.982,这表明较高的电网侧功率因数可以实现的计划。

如图15,当负载电流变化显著的4到10.5一个,输出线电压U_AB电压调整器的变化从27.3 V至24.5 V,只有约10%的相对变化。这是表明,负载电流变化范围广泛,这只需要电网侧电压调节器的输出仅略有调整。

拉力是谐波电压的均方根值除以基本电压的均方根值。线路条件下,电压总是存在,总是会出现正确的参考。因此,是一种有效的方法来评估电压畸变。

然而,THD可以误导在评估当前的失真。这是因为当前的计算是基于基本电流,从而改变整个录音过程加载的网格系统。因此,介绍了TDD。TDD的值等于谐波电流的均方根值除以额定电流的均方根值(或最大需求电流),类似于野。这意味着即使基本电流因负载变化,TDD值不给误导的结果,但是一个更好的主意多少谐波失真影响系统的深度。

从数据可以看出16和17THD的电压不超过0.3%,TDD的电流不超过24%时,负载电流变化极大地从4到10.5。

6。结论

在这篇文章中,三种类型的矩阵整流器拓扑方案适合加速器磁铁电源进行了研究。根据加速器稳定电流电源的当前状态和优秀的特征矩阵变换器,前面的监管,着重分析了。前仿真和样机实验的结果表明,监管先生拓扑与适当的调制策略可以实现稳定的电流输出和高功率因数在电网方面。前监管先生拓扑基本上适用于直流电源进行验证。

对于传统的加速器磁铁电源,h桥是很成熟的。当它作为直升机,可以输出直流或脉冲电流波形。在文章中,矩阵整流器代替通常的前置级和直流输出模式验证。在研究后,通过调整脉冲输出模式设置值将被执行。但是,拓扑的应用超导磁体电源,反馈过度能源仍需要更多的研究。因此,它可以了解到矩阵变换器有前途的加速器特殊电源领域的应用前景。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由国家自然科学基金(NNSF)中国(拨款61867005,61867005,51877176),宁夏省自然科学基金(批准2020 aac03068),和青海省自然科学基金(批准2019 zj - 948 q)。