一种托克马克欧姆加热线圈电流的控制系统及方法技术方案

本发明专利技术属于托克马克欧姆加热线圈的供电控制系统技术领域，具体涉及一种托克马克欧姆加热线圈电流的控制系统及方法；采用两个三相变流器(F1、F2)反并联的电路结构对欧姆加热线圈进行供电，利用可控开关K1控制正向回路供电K2控制反向回路供电同时增加环流监测实现环流可控；通过以实时LINUX为操作系统的实时采集控制和反馈控制系统，以高速反射内存构成的数据通信系统，同时采用GPS时间同步完成系统内时钟的统一实现了对两个三相变流器F1和F2的精确控制；本发明专利技术可以实现对欧姆加热线圈的充磁、逆变和可控环流运行减小了电流反向引起的电流波动，提高了托克马克等离子体控制的质量和效果。

A Current Control System and Method for Ohm Heating Coil of Tokamak

【技术实现步骤摘要】
一种托克马克欧姆加热线圈电流的控制系统及方法
本专利技术属于托克马克欧姆加热线圈的供电控制系统
，具体涉及一种托克马克欧姆加热线圈电流的控制系统及方法。
技术介绍
托克马克装置是通过变化电流产生稳定的磁场来约束和控制等离子体的电流和位形。在等离子放电期间欧姆加热线圈在等离子击穿，爬升和维持等离子电流中起到决定性作用。等离子电流会因欧姆加热线圈的电流波动而引起等离子电流的不稳定性，稳定的欧姆加热线圈供电和过零对实现稳定的等离子电流控制具有相当重要的意义。因此需要设计良好的控制系统和控制方法以得到良好的控制效果。由于托克马克装置欧姆加热线圈自身运行方式比较复杂加上电流控制比较困难，目前欧姆加热线圈的电流控制普遍不理想。当前欧姆加热线圈的控制系统和控制方式大体有以下几种形式：以单片机或DSP芯片构成的H桥式反馈供电控制系统，以Windows或DOS构成的三相变流器无环流模式反馈供电控制系统和以实时Linux构成的三相变流器环流模式反馈供电控制系统。以单片机或DSP构成的H桥式供电控制系统在三者中应用最广泛同时技术比较成熟，但是存在环流状态下电流不可控的缺点且系统抗干扰能力较差等缺点。以Windows或DOS构成的三相变流器无环流模式供电控制系统存在电流过零时间不确定，同时易引起等离子电流波动和控制时间延迟。以实时Linux系统构成的三相变流器有环流模式供电控制系统利用双向变流器供电的稳定性和可控的环流模式，实现欧姆加热线圈的电流精确控制。此外由于采用了实时控制系统降低了控制系统在欧姆加热线圈供电过程中的时间延迟，增强了线圈供电效率和安全性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种托克马克欧姆加热线圈电流的控制系统及方法，解决现有控制系统中的电流过零时间不可控，环流模式运行和控制时间延迟的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术一种托克马克欧姆加热线圈电流的实时控制系统，该控制系统包括欧姆加热线圈供电回路、实时控制器、反射内存卡、导通角度计算机、GPS时钟和看门狗；所述欧姆加热线圈供电回路为欧姆加热线圈供电，实时控制器与欧姆加热线圈供电回路电连接，实时控制器、反射内存卡、导通角度计算机、GPS时钟和看门狗串联连通；所述实时控制器实时采集欧姆线圈中电流通过采集的欧姆加热线圈电流和目标电流，通过导通角度计算机计算出所需控制导通角度；导通角度计算机通过反射内存完成实时数据传输；所述实时控制器定时向看门狗发送1毫秒脉冲实时监控控制系统的运行状况；所述GPS时钟为控制系统提供10M精确时钟信号以满足欧姆加热线圈的充磁和逆变过程中对时间和时钟的精确性要求，降低控制系统时间延迟。所述欧姆加热线圈供电回路包括发电机、交流变压器、正向导通开关K1，负向导通开关K2、三相正向变流器F1和三相反向变流器F2；发电机与交流变压器连接，交流变压器通过正向导通开关K1和负向导通开关K2，与反并联连接的三相正向变流器F1和三相反向变流器F2连接，反并联连接的三相正向变流器F1和三相反向变流器F2与欧姆加热线圈连接，对欧姆加热线圈进行供电。所述实时控制器以实时LINUX为操作系统驱动模拟采集卡和数字采集，以200微妙实时采集欧姆加热线圈的线圈电流和开关信号；所述实时控制器通过实时反馈运算计算出正向导通开关K1和负向导通开关K2的导通角，并通过反射内存传输给导通角度计算机，导通角度计算机通过产生相应的脉冲控制信号控制正向导通开关K1和负向导通开关K2导通实现欧姆加热线圈的电流控制。所述实时反馈运算利用等离子控制算法和PID控制器根据实时等离子信息变化计算出正向导通开关K1和负向导通开关K2的导通角。一种对托克马克加热线圈电流进行控制的方法，该方法包括以下步骤：步骤一、实时控制器实时采集欧姆加热线圈电流传感器上的电流值；步骤二、实时控制器结合线圈控制电流目标值和等离子电流控制目标值，实时反馈计算正向导通开关K1和负向导通开关K2的导通角，同时发送中断给导通角度计算机；步骤三、导通角度计算机接收到中断后，实时检查导通角的合理性并产生相应的控制时序脉冲；步骤四、利用控制时序脉冲控制欧姆加热线圈供电回路对欧姆加热线圈进行正向电流充磁，充磁完成后进行逆变动作，此时欧姆加热线圈里的电流迅速下降产生强磁场环境完成等离子的击穿和爬升，随后正向电流逐渐减小到一定值时，实时开通负向导通开关K2同时反向电流开始增加，随着反向电流的逐渐增加继续维持等离子体的平顶和下降从而完成一次完整的等离子放电。所述步骤四还包括以下步骤：根据预设欧姆线圈目标电流I预设目标欧姆线圈电流和实时采集的欧姆加热线圈电流I实时采集欧姆线圈电流，以两者之间的线圈电流差值ΔI电流差值建立PID反馈控制计算控制调整量；预设欧姆线圈目标电流I预设目标欧姆线圈电流和实时采集的欧姆加热线圈电流I实时采集欧姆线圈电流计算为：ΔI电流差值＝I预设目标欧姆线圈电流-I实时采集欧姆线圈电流(1)PID反馈控制计算单次电压调整变量为：ΔU欧姆线圈电压调整量＝PID(ΔI电流差值)(2)根据PID反馈控制计算欧姆加热线圈电压调整量计算出需要改变的正向三相变流器F1的导通控制角α正控制三相正向变流器F1整流实现欧姆加热线圈的充磁电流实时反馈，使欧姆加热线圈内的电流逐步到预设目标值；控制三相正向变流器F1导通进行逆变动作使线圈内电流迅速下降出现较大的感应电流实现等离子击穿和爬升，在欧姆加热线圈逆变过程中采用90°<α正<120°作为逆变控制角进行控制。所述步骤四还包括以下步骤：当等离子电流IP大于50KA时实时控制系统控制三相正向变流器F1停止逆变动作，同时切换为IP电流反馈运算，具体流程如下：根据预设目标等离子电流Ip预设等离子电流和实时系统采集的装置等离子体电流Ip实时采集等离子电流两者之间的差值ΔIp电流差值建立PID反馈控制计算出需要改变的三相正向变流器F1的导通角，实现欧姆加热线圈的电流受等离子电流IP的反馈控制等离子电流逐渐到达平顶。所述步骤四还包括以下步骤：随着IP电流反馈过程的继续，欧姆正向电流逐渐减小到1KA，为了维持等离子电流IP的控制，导通三相反向变流器K2，此时三相正向变流器F1和三相反向变流器F2构成环流工作模式；在环流工作模式下，三相正向变流器F1和三相反向变流器F2一个处于逆变工作状态另一个处于整流状态且控制逆变电压和整流电压相等用逆变电压顶住整流电压。在三相正向变流器F1和三相反向变流器F2的回路中增加环流监测，当环流过大时采用α正+α负＞180°进行环流大小的控制，α正、α负分别为三相正向变流器F1和三相反向变流器F2的导通角；使逆变电压稍高于整流电压使三相正向变流器F1和三相反向变流器F2间不能形成较大的环流；当负向电流大于1KA时，断开正向导通开关K1并关闭三相正向变流器F1，实现了欧姆加热线圈电流由正到负的平稳转换。所述步骤四还包括以下步骤：当欧姆加热线圈由三相反向变流器F2进行供电，欧姆加热线圈内负电流增大时，利用等离子IP电流反馈维持等离子电流平顶，随着反馈过程的进行欧姆加热线圈的负电流逐渐增加直至等离子电流的平顶结束；欧姆加热线圈灭磁过程，欧姆加热线圈内的负向电流逐步减小同时等离子电流开始下降，随着欧姆加热线圈内电流逐步减小到零，等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种托克马克欧姆加热线圈电流的实时控制系统，其特征在于，该控制系统包括欧姆加热线圈供电回路、实时控制器、反射内存卡、导通角度计算机、GPS时钟和看门狗；所述欧姆加热线圈供电回路为欧姆加热线圈供电，实时控制器与欧姆加热线圈供电回路电连接，实时控制器、反射内存卡、导通角度计算机、GPS时钟和看门狗串联连通；所述实时控制器实时采集欧姆线圈中电流通过采集的欧姆加热线圈电流和目标电流，通过导通角度计算机计算出所需控制导通角度；导通角度计算机通过反射内存完成实时数据传输；所述实时控制器定时向看门狗发送1毫秒脉冲实时监控控制系统的运行状况；所述GPS时钟为控制系统提供10M精确时钟信号以满足欧姆加热线圈的充磁和逆变过程中对时间和时钟的精确性要求，降低控制系统时间延迟。

【技术特征摘要】
1.一种托克马克欧姆加热线圈电流的实时控制系统，其特征在于，该控制系统包括欧姆加热线圈供电回路、实时控制器、反射内存卡、导通角度计算机、GPS时钟和看门狗；所述欧姆加热线圈供电回路为欧姆加热线圈供电，实时控制器与欧姆加热线圈供电回路电连接，实时控制器、反射内存卡、导通角度计算机、GPS时钟和看门狗串联连通；所述实时控制器实时采集欧姆线圈中电流通过采集的欧姆加热线圈电流和目标电流，通过导通角度计算机计算出所需控制导通角度；导通角度计算机通过反射内存完成实时数据传输；所述实时控制器定时向看门狗发送1毫秒脉冲实时监控控制系统的运行状况；所述GPS时钟为控制系统提供10M精确时钟信号以满足欧姆加热线圈的充磁和逆变过程中对时间和时钟的精确性要求，降低控制系统时间延迟。2.根据权利要求1所述的一种托克马克欧姆加热线圈电流的实时控制系统，其特征在于，所述欧姆加热线圈供电回路包括发电机、交流变压器、正向导通开关K1，负向导通开关K2、三相正向变流器F1和三相反向变流器F2；发电机与交流变压器连接，交流变压器通过正向导通开关K1和负向导通开关K2，与反并联连接的三相正向变流器F1和三相反向变流器F2连接，反并联连接的三相正向变流器F1和三相反向变流器F2与欧姆加热线圈连接，对欧姆加热线圈进行供电。3.根据权利要求1所述的一种托克马克欧姆加热线圈电流的实时控制系统，其特征在于，所述实时控制器以实时LINUX为操作系统驱动模拟采集卡和数字采集，以200微妙实时采集欧姆加热线圈的线圈电流和开关信号；所述实时控制器通过实时反馈运算计算出正向导通开关K1和负向导通开关K2的导通角，并通过反射内存传输给导通角度计算机，导通角度计算机通过产生相应的脉冲控制信号控制正向导通开关K1和负向导通开关K2导通实现欧姆加热线圈的电流控制。4.根据权利要求3所述的一种托克马克欧姆加热线圈电流的实时控制系统，其特征在于，所述实时反馈运算利用等离子控制算法和PID控制器根据实时等离子信息变化计算出正向导通开关K1和负向导通开关K2的导通角。5.一种利用权利要求2所述的托克马克欧姆加热线圈电流实时控制系统对托克马克加热线圈电流进行控制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、实时控制器实时采集欧姆加热线圈电流传感器上的电流值；步骤二、实时控制器结合线圈控制电流目标值和等离子电流控制目标值，实时反馈计算正向导通开关K1和负向导通开关K2的导通角，同时发送中断给导通角度计算机；步骤三、导通角度计算机接收到中断后，实时检查导通角的合理性并产生相应的控制时序脉冲；步骤四、利用控制时序脉冲控制欧姆加热线圈供电回路对欧姆加热线圈进行正向电流充磁，充磁完成后进行逆变动作，此时欧姆加热线圈里的电流迅速下降产生强磁场环境完成等离子的击穿和爬升，随后正向电流逐渐减小到一定值时，实时开通负向导通开关K2同时反向电流开始增加，随着反向电流的逐渐增加继续维持等离子体的平顶和下降从而完成一次完整的等离子放电。6.根据权利要求5所述的一种托克马克加热线圈电流进行控制的方法，其特征在于，所述步骤四还包括以下步骤：根据预设欧姆线圈目...

【专利技术属性】
技术研发人员：周建，任磊磊，郑国尧，张锦华，宋显明，罗萃文，唐立新，
申请(专利权)人：核工业西南物理研究院，
类型：发明
国别省市：四川,51