汪桂霞，秦品健

（中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所，安徽 合肥 230031）

EAST極向場(chǎng)電源限流控制仿真分析

汪桂霞，秦品健

（中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所，安徽 合肥 230031）

針對(duì)EAST極向場(chǎng)電源過流保護(hù)時(shí)不宜直接切斷電源的情況，介紹了一種具有自動(dòng)限流作用的過流保護(hù)策略，當(dāng)電源達(dá)到限流值前正常運(yùn)行，達(dá)到限流值時(shí)穩(wěn)定在這一值附近運(yùn)行。運(yùn)用Mat l ab和S aber對(duì)整個(gè)限流控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真以及對(duì)PID控制參數(shù)分析，最終確定了控制方案和PI控制參數(shù),證明了該控制方法的可行性和優(yōu)越性。

超導(dǎo)托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置；極向場(chǎng)電源；限流控制；PID參數(shù)

EAST極向場(chǎng)電源控制系統(tǒng)是托卡馬克主要子系統(tǒng)之一，它為等離子體的產(chǎn)生、約束、維持、加熱以及等離子體的電流、位置、形狀、分布和破裂的控制，提供必要的工程基礎(chǔ)和控制手段，而過流保護(hù)在裝置可靠運(yùn)行過程中更是必不可少的重要組成部分。由于極向場(chǎng)電源是為全超導(dǎo)環(huán)境下的大電感負(fù)載供電，直接過流保護(hù)故障時(shí)會(huì)使電源輸出電流變化過大，影響實(shí)驗(yàn)等離子體放電的正常進(jìn)行，對(duì)超導(dǎo)線圈也會(huì)產(chǎn)生不良影響，因此可靠的限流控制措施對(duì)EAST裝置及實(shí)驗(yàn)較為重要。

該套系統(tǒng)包含12套電源，圖1中每套電源由兩臺(tái)整流變壓器各自連接一對(duì)同相逆變聯(lián)的晶閘管整流橋組成。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)極向場(chǎng)整流器直流側(cè)電流變化曲線如圖2，極向場(chǎng)電源過流保護(hù)是控制電源直接退出，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中等離子體放電終止，影響實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行；電流變化率大，對(duì)設(shè)備和負(fù)載沖擊很大；過大的電流變化也會(huì)對(duì)超導(dǎo)線圈產(chǎn)生影響。限流控制是使系統(tǒng)先不進(jìn)入過流保護(hù)狀態(tài)，而是維持在這一限流值附近運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚓S持基本等離子體放電運(yùn)行。

1 限流控制參數(shù)設(shè)計(jì)

極向場(chǎng)電源整流裝置的主電路采用三相橋式同相逆并聯(lián)整流電路。變壓器的輸出為2個(gè)繞組輸出，每臺(tái)變壓器對(duì)應(yīng)有兩臺(tái)變流器，對(duì)于每一臺(tái)變流器都設(shè)有alpha控制器一塊，因此，只需要分析其中一臺(tái)變流器的控制回路。

圖1 EAST極向場(chǎng)電源系統(tǒng)示意圖

圖2 整流器直流側(cè)電流變化曲線

圖3 限流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

首先根據(jù)需要建立限流控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，從主回路采集的反饋電流值與設(shè)定的限流值進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷是否過流。當(dāng)過流時(shí)，限流電路動(dòng)作；不過流時(shí)，電路正常運(yùn)行，限流電路相當(dāng)于不存在。圖4為三輸入閉環(huán)限流控制系統(tǒng)Matlab仿真圖。

圖4 三輸入閉環(huán)限流控制系統(tǒng)Mat l ab仿真圖

當(dāng)I≤I限，即不過流，限流電路輸出Uout=Uc，主回路正常運(yùn)行輸出電流；

當(dāng)I≥I限，即過流，限流電路輸出Uout=U限，主回路電流I=I限。

移相電壓：0～5 V；

limiter模塊：實(shí)現(xiàn)過流時(shí)輸入和輸出相等，不過流時(shí)，輸出為零；

主回路：包括觸發(fā)和整流電路。在進(jìn)行限流控制系統(tǒng)分析時(shí)，可以把主回路當(dāng)作系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)來看待，應(yīng)用線性控制理論時(shí)，必須求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。實(shí)際上觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。根據(jù)裝置的參數(shù)，觸發(fā)電路控制電壓Uc調(diào)節(jié)范圍是0～5V，對(duì)應(yīng)的整流電壓Ud范圍是0～350 V時(shí)，可取Ks=△Ud/△Uc=350/5=70。在動(dòng)態(tài)過程中，可以把晶閘管出發(fā)與整流裝置看成一個(gè)純滯后的環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的，查表知三相橋式整流電路的平均失控時(shí)間Ts=1.67ms，即K=70/(0.001 67 S+1)。

負(fù)載回路：取電感L=50mH，L=200mH兩種情況；

傳感器：K1=電流互感器變比；

限流值：小于運(yùn)行時(shí)最大電流值。

L=50mH，L=200mH兩種負(fù)載仿真圖如圖5和圖6所示，所對(duì)應(yīng)的PI參數(shù)分別為：

2 限流控制器模擬電路設(shè)計(jì)

Ks、K、K1、PID參數(shù)計(jì)算出來后，代入實(shí)際電路，進(jìn)行模擬電路搭建。當(dāng)主回路沒有過流時(shí)，輸出移相電壓處下方的二極管VD不導(dǎo)通，輸出移相電壓按總控給的指示電壓正常運(yùn)行，限流控制電路系統(tǒng)相當(dāng)于不存在模式；當(dāng)主回路過流時(shí)，反饋回來的電流大于設(shè)定的限流值，經(jīng)過PID運(yùn)算放大電路，使二極管VD陰極為負(fù)，VD導(dǎo)通，即限流控制回路起作用，輸出的移相電壓進(jìn)一步調(diào)節(jié)觸發(fā)角，最終輸出電流值被限定在預(yù)設(shè)值附近。

圖5 L=50 m H時(shí)三組PI參數(shù)情況下的仿真圖

圖6 L=200m H時(shí)三組PI參數(shù)情況下的仿真圖

電路仿真作為電路計(jì)算的必要補(bǔ)充和論證手段。本文中所選的Saber仿真軟件是美國(guó)Synopsys公司的一款EDA軟件，為復(fù)雜的混合信號(hào)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的混合信號(hào)仿真器，兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，可以解決從系統(tǒng)開發(fā)到詳細(xì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證等一系列問題。

給出一個(gè)隨機(jī)的移相電壓系列，在閉環(huán)的狀態(tài)下，移相電壓和設(shè)定限流值輸入條件下，圖7中所示是主回路反饋電流與預(yù)設(shè)的限流值比較的結(jié)果：不過流時(shí)，輸出為正；一旦過流，輸出反向飽和。圖8中為經(jīng)過閉環(huán)反饋、主電路及反向傳感器后的最終輸出結(jié)果（反相的），說明電流一直穩(wěn)定在設(shè)定值附近運(yùn)行，仿真結(jié)果收斂。

圖7 主回路反饋電流與預(yù)設(shè)的限流值比較輸出

圖8 限流閉環(huán)控制輸出(反相)

3 模擬實(shí)驗(yàn)

借助信號(hào)發(fā)生儀測(cè)試所設(shè)計(jì)的限流控制電路板，用信號(hào)發(fā)生儀模擬現(xiàn)場(chǎng)EAST極向場(chǎng)主回路的電流，模擬信號(hào)給出振幅為±2 V的信號(hào)，如圖9中藍(lán)色；跟預(yù)設(shè)限值U限=1 V比較，如圖9中綠線。當(dāng)過流時(shí)，顯然，電路會(huì)動(dòng)作，輸出被限制在U限=1 V，如圖中綠線；當(dāng)不過流時(shí)，按照正弦電壓值正常輸出，說明電路板設(shè)計(jì)符合我們最初的目的。

圖9 信號(hào)發(fā)生儀模擬現(xiàn)場(chǎng)電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 總結(jié)

通過對(duì)EAST極向場(chǎng)電源系統(tǒng)限流控制器方案設(shè)計(jì)，Matlab和Saber軟件仿真及模擬實(shí)驗(yàn)，證明了EAST極向場(chǎng)電源系統(tǒng)限流控制器在EAST極向場(chǎng)電源系統(tǒng)中對(duì)主回路電流限流的可行性，當(dāng)限流控制器投入使用時(shí)，且系統(tǒng)在遇到過流時(shí)，不會(huì)使整套電源裝置全部斷開，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了有效的保護(hù)。從某種程度上說，等離子體放電過程中也是不希望有突然斷電的情況產(chǎn)生，否則會(huì)造成等離子體破裂以及實(shí)驗(yàn)失敗，所以提高了實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中等離子體放電的可靠性[1-6]。

[1] 邱關(guān)源.電路[M].北京:高等教育出版社，2006.

[2] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3] 黃嘉.低電壓大電源整流電源并聯(lián)供電[J].電氣傳動(dòng)，2008(7)：31-33.

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Current-limiting control in power supply of EAST polorial field

WANGGui-xia,QIN Pin-jian
(Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Science,HefeiAnhui230031,China)

A protection strategy with automatic current-limiting was introduced because the power supply couldn't be cut off directly in the process of over-current protection in EAST polorial field power supply.This strategy can ensure the ordinary operation of the current when it is lower than the setting current value and maintains the current to the setting current value when it reaches the setting current value.Matlab and Saber were utilized to simulate the entire system and analyze the PID parameters.The control scheme and PI parameters were achieved,which verified the feasibility and superiority of the control strategy.

EAST;polorial field supply;current-limiting control;PID parameters

T M 461

A

1002-087 X(2013)11-2038-02

2013-04-11

汪桂霞（1986—），女，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>