强激光脉冲泵浦电源中脉冲电感设计优化研究

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以并联电容器组为储能单元的强激光脉冲泵浦电源是激光惯性约束核聚变装置能源系统最重要的组成部分之一,单个电源为多个氙灯负载提供兆焦级的脉冲激励能量。随着惯性约束聚变技术的不断发展,对脉冲泵浦电源的输出电流、放电能量等指标要求进一步提高,给整个脉冲泵浦电源中的元器件设计带来了更严峻的挑战。脉冲电感是电源中一类重要单元件,电感性能直接影响到电源的安全性与输出特性。在大功率脉冲泵浦电源中,脉冲电感需要承受较大峰值的脉冲电流。对于部分电感,可能还要求其能够吸收较大的放电能量。
  本文首先介绍了脉冲泵浦电源的工作原理与电路结构,该电源共使用三种不同用途的脉冲电感,包括保护电感、调波电感和预电离电感。基于大尺寸高压脉冲氙灯的非线性负载特性,进行了电源主预回路的参数设计与分配,选取了三种脉冲电感合适的电气参数。利用ATP-EMTP仿真软件分析了脉冲泵浦电源几种后果较严重的放电回路路故障,确定了保护电感与调波电感的极限运行工况。
  以预电离电感、调波电感和保护电感中参数需求最高的保护电感为例,进行了脉冲电感的设计。提出了基于温度约束的螺线管式电感的设计方法,基于该方法最终选择了304不锈钢作为7μH/48.6mΩ保护电感的线圈材料并获得了线圈的结构参数。建立了螺线管式保护电感的有限元仿真模型,求得的保护电感各材料上最大应力均小于材料的极限抗拉强度。仿真结果说明极限工况下螺线管式保护电感仍能保持结构完整性,并起到对并联电容器组的保护作用。螺线管式调波电感、预电离电感同样可依此方法进行设计。
  提出基于粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法的紧凑型平面电感优化设计方法,可寻找令线圈体积最小化的电感线圈结构参数。为建立算法中的电感值约束条件,基于椭圆积分的Bartky变换法建立了更加精确的平面电感电感量数值计算模型。利用提出的平面电感优化设计方法进行了平面式保护电感的优化设计,通过电磁结构耦合仿真获得平面式保护电感电磁应力分布,发现最大电磁应力出现在最内侧线圈上,电感各部件上最大应力均小于材料的极限抗拉强度,说明设计的平面式保护电感满足电源中保护电感的结构强度需求。
  最终,从脉冲泵浦电源的实际需求出发,确定电源中脉冲电感均采用螺线管式结构。进行了三种脉冲电感样品的通流能力测试以及脉冲泵浦电源样机的放电实验,实验结果表明设计的脉冲电感的承受故障能力与波形调节能力均满足要求。
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