Устройство регулирования газонапуска в плазму Советский патент 1990 года по МПК G21B1/00 

&9 SJ

CD

:D

Изобретение касается управления процессами в термоядерных установках и может бцть использовано для управления радиусом токового канала плазмы на термоядерных установках типа . токамак. Цель изобретения - увеличе- ние стабильности плазменных разрядов, т.е. увеличение количества разрядов , заданной длительности при заданном токе плазмы с воспроизводимостью основных параметров плазмы в пределах 4;10% на протяжении цикла экспериментальной кампании. В устройство регулирования газонапуска в плазму с .помощью. обратной связи на установках типа токамак введены схема вьщеле- ния огибающей второй моды магнито- динамической активности плазмы, формирователь длительностей отпирающего импульса и постоянного добавочного напряжения и сумматор-ограничитель. Схемд вьщеления огибаищей второй моды .выполнена в виде детектора и вось ми злектр смагнитных измерительных ; зондов. I з.п. ф-лы, б ил. . § СО

7-88

Изобретение касается управления процессами в TephfOHflepubrx установках и может быть использовано для упрай- лення радиусом токового канала плаз- мы на термоядерных установках типа токамак.. , :

Цель изобретения - увел1-гаение стабильности плазменных разрядов, т.е. увеличение количества разрядов заданной длительности при заданном токе плазмы с воспроизвод1-1мостью основных параметров плазмы в лах f10% на протяжении цикла.экспериментальной, кампании. ,.

На фиг.1 представлена структурна схема предлагаемого устройстваJ на фиг„2 - конкретная схема вьщеления огибающей второй моды магнитогвдродн намической активности плазмы5.на фиг,3,- схема расположения злектро- магнитнык измерительных зондов.по малому обходу тора токамака на фиг о 4 - схема формирователя длитель- ностей отпирающего импульса и постоянного добавочного напряжения, :на фиг.5 - схема cyt-n jaTopa-ограничите- ля; на-фиг. 6 - временная диаграь ма работы устройства,

- Устройство регулирования газонапуска содержит функциональный генератор 1, схему 2 алгебраического сум- ми.рования, регулятор 3, формирователь 4 длительностей отпирающего им-. пульса и постоянного добавочного напряжения, сумматор-ограничитель 5, клапан 6 газонапуска в плазму 7, .. . схему 8 выделения огибающей второй оды магнитогндродинаьюческой- активности . Устро.йство имеет вход 9 Сигнала синхронизации начала - разряда .в плазме от системы синхронизации; токамака, вход 10 сигнала синхронизации конца-разряда в плазме от системы синхронизации токамака. . Выход функционального, генератора 1 соединен с положительным-.входом схе- №1 2 алгебраического. суг-шйрования. Выход- схемы 2 соединен .с входом ре- . ; -гулятора 3. Выход регулятора 3 соединен с первым входом суьматора-огра- н -этителя 5. Первый вход формирова- тапя 4 длительностей отпкрающе:го им путхьса и постоянного добавочного напряжения подсоединен 1Г входу 9 сигнала синхронизации качала разряда в плазме от системы синхронизации, тока- второй вход формирователя 4 поД соединен к входу 10 сигнала синхррни0

5

0

5

0

5

0

5

5

зации конца разряда в плазме от системы синхронизации токамака. Первый выход формирователя 4 соединен с вторым входом сумматора-ограничителя 5. Второй выход формирователя 4 соединен с третьим входом сумматора-ограничителя 5. Выход сумматора-ограничит1в- ля 5 соединен с входом клапана 6 газонапуска. Выход схемы 8 вьщелення огибающей второй моды магнитогидро- динамической (МГД) активности плазмы соединен с отрицательным входом схемы 2. - ;. . . Схема 8 выделения огибающей второй моды магнитогидродинамической активности плазмы содержит восемь электромагнитных измерительных зрндоэ 11-18 и детектор 19 (на.ф.иг.2 и 3 ,н - начало зонда, к - конец зонда) .; .На фиг.З представлена схема расположения электромагнитных измери- тельньгх зондов по малому обходу тора токамака, где R - большой радиус тора токамака. Зонды расположень по малому обходу тора под углами: 11 - О , зонд 12 - 30, зонд 13.- 90°, зонд 14-120°, зонд 15 - 180, зонд . 16-210°, зонд 17-270 зонд 18-ЗОо1 Начало зонда 18 присоединено к общей шине конец зонда 18 подсоединен к началу - зо нда 17, конец зонда 17 подсоединен к концу зонда 16, начало зонда 16 - к концу зонда 15, научало зонда 15 - к началу зонда 14, конец зонда 14.- к началу зонда 13, конец зонда 13 .- к концу зонда 12, начало зонда 12 - . к концу зонда 11. Начало зонда 11 : подсоединено к входу детектора 19-. Выход Детектора 19 является выходом схемы 8 вьщеления огибающей второй Моды МГД-активно сти плазмьг.

Формирователь 4 длительностей от- пиракщего импульса и постоянного до- у бавочного напряжения 4 содержит линию задержки 20, RS-триггеры 21,22, резисторы 23, 24, электронные клю. чи 25-28,- 1езисторы 29, 30. - Входы Sd ; триггеров 21 и 22 и вход линии-задержки 20 соединены между собой и являются .первым входом Вх формир ователя 4« Вход d триггера 22 является вторым входом Вх ффор- кирователя 4, Выход линии задержки 20 подсоединен к входу Rd триггера 21. Выход Q триггера 21 присоединен к управляющему вх оду ключа 25 и через резистор 23 - к общей шине; Выход Q триггера 21 присоединен к управляю- .

щему входу ключа 26. Коммутируемый вход Услюча 25 подсоединен через резистор 2.9 к источнику напряжения +U Выход ключа .25 подсоединен к коммутл руемому входу ключа 26 и является, кроме того, первым выходом Вьнс, формирователя 4. Вькод ключа 26 под соединен к общей шине. Выход Q триггера 22 присоединен, к управляющему входу ключа 27 и через резистор 2,4 - к общей шине..Выход Q триггера 22 присоединен к управляющему входу ключа 28. Коммутируемый выход ключа 27 присоединен через резистор 30 к ис- точнику напряжения - Выход ключа 27 подсоединен к коммутируемому входу ключа,28 и является, кроме то- го, вторым вь1ходом Вых2ф формиро-. вателя. Д. Выход ключа 28 родсоединен к общей шине.

Сумматор-ограничитель 5 содержит постоянный резистор 31, транзистор 32 постоянные резисторы 33, 34, переменный резистор 35, транзистор 36j переменный резистор 37, транзистор 38

Первый вход Вх сумматора-о грани чителя 5 подсоединен через, резистор 31 к базе транзистора 32. Эмиттер транзистора 32 через резистор 33 под- соединен к шине. Второй вход ZK ,,дСумматот а ограк11чктеля 5 подсоединен к базе транзистора. 36. Эмиттер транзистора 36 подсоединен к общей ши не,Третий вход Вхзсо сумматора-ограни чителя 5 подсоединен к базе транзистора 38. Эмиттер транзистора 38 подсоединен к общей шине. Коллекторы транзисторов 32, 36, а также коллектор транзистора 38(через резистор 37)соединены в общую точку. Эта общая точка через резисторы 35 и 34 соединена .с положительным полюсом источника высокого напряжения +U

«n

«n

Выход Вь1Х(сумматора-ограничителя 5

берется с резистора 34. . ;

На временной диаграмме работы устройства, представленной на фиг.6, и - напряжение на входе 9 сигнала синхронизации начала разряда в плаз- не от системы синхронизации токама- ка; напряжение на входе 10 сигнала синхронизации конца разряда в плазме от системы синхронизации то- камака, U вьо:одное напряжение i функционального генератора I i выходное напряжение первого выхода формирователя 4, Цр2 выходное напряжение второгб выхода формирователя 4

и „ - выходное напряжение суммато- ра ограничителя 5, подаваемое на клапан 6 газонапуска,U макс -максималное рабочее напряжение клапана 6 газонапуска,и„„ц -минимальное рабочее напряжение клапана 6 газонапуска t - текущее.время.

Радиус токового канала плазмы однозначно характеризуется огибающей второй моды МГД-активности. Стабильны те плазменные разряды, в которых радиус токового канала изменя- ется так, что огибающая второй моды развивается как показательная функция времени на стадии линейного роста тока плазмы и остается постоянной величиной при неизменном токе плазмы. Схема 8 служит для вьщеления сигнала огибающей второй моды МГД- активности, которая является регулируемой величинойi Функциональный генератор 1 задает такой ход развития во времени регулируемой величины, который обеспечивает стабильный плазменный разряд: показательную

функцию времени от t

до t t,

-,. - 30 и- .

40

45

.

55

(на стйдии линейного роста тока плаз- мы) и постоянную величину, достигнутую ко времени t. t „от t t, до t tj (при неизменном токе плазмы). После окончания разряда,в плазме, т.е. после t - t , функциональный генератор 1 задает нулевой уровень. Схема 2 производит алгебраичес,кое суммирование задающего воздейст- ;вия от функционального генератора 1,: взятого с положнтельньм знаком,, и .-. регулируемой величины, взятой с отри-. цательным знаком. Сигнал рассогласо - вания отрабатывается в регуляторе 3. .Клапан 6 газонапуска открывается при минимальном рабочем напряжении. мин (различном для различных конк- фетных клапанов). При подаче на клапан 6 напряжения выше максимального-; рабочего U ((различногодля различ- : ных конкретных клапанов) расход газа из клапана 6 уже не меняется, он ос- -тается мак снмальным. В пределах от минимального рабочего до максимального рабочего напряжения клапан 6 работает в квазилинейном режиме от минимального (нулевого) до максимального расхода газа. При этом запаздывание открывания при подаче напряжения на клапан 6 минимально для максимального рабочего напряжения и увеличивается при уменьшении напряжения.

В начале разряда (от t tg) на клапан 6 газонапуска подается короткий отпирающий импульс (до t t ) длительностью

ti-о

достаточной для

.уверенного отпирания клапана 6, и напряжением, равным максимальному рабо- чему для данного клапана (см.фиг,6). Пойле этого до конца разряда в плазме (до t. t,)J для исключения за-- лнпания клапана 6 при его закрытии (при низких величинах сигнала, по- . даваемого с регулятора 3) на клапан 6 в дополнение к напряжению с ре10

ннмуму), ограничивает напряжение, подаваемое на клапан 6, по максимум суммирует, от момента t t до t t , , напряжение от регулятора 3 и постоянное добавочное напряжение. Поток нейтрального газа из клапана 6 гаэонапуска охлаждает перифе рию .плазмы, тем самым сужая радиус токового канала плазмы и вызывая : рост амплитуды огибающей второй моды МГД-активности. Предлагаемое уст ройство увеличением газонапуска в плазму увеличивает амплитуду огиб

гулятора 3 подается, постоянное доба- |с ющей второй моды МГД-активности, а

25

30

вочное напряйсетге, равное минимальному рабочему напряжению для данного клапана. ...

Все этого исключает запаздьтание срабатывания при открывании в про- 20 цессе его работы в течение разряда в плазме и, таким образом, уменьшает .. ошибку регулирования, повышает устойчивость системь регулирования, т.е, увеличивает стабильность плаз. менньгк разрядов, а кроме того, линеаризует клапан 6 газонапуска как эле. мент системы автоматического регулиро вания. . Ддительность отпирающего импульса формируется в формирователе Д.при поступлении синхроиьтульса начала ;

..разряда в плазме на вход 9 сигнала синхронизации, а значит, на первый вход формирователя 4 и передается в сумматср-ограничитель 5. с первого

. выхода формирователя 4 : на в.торой вход сумматора-ограничителя 5. Длитель-: иость постоянного добавочного капря жения, формируется .также в фор миров а- Т1але 4 при поступлении синхроимпульса

. начала разряда на вход 9 .сигнала г. синхронизации5 а значит, на первый

, . вход формирователя 4:и синхроимпуль- .са конца разряда на вход 10 сигнала синхронизации, а значит,на второй . ВХОД формирователя 4 и передается

.в сумматор-ог р.аннчитель . 5 с BTQ-. pqro выхода формирователя 4. .на тре- .

..тий вход сумматора-ограничителя.5. ;. . Сумматор-ограничитель 5;ограничи- 50

, вает напряжение с.-р.егулятора 3, не ;. допуская появления отрицательного ;.. . напряжения при превышении фактичес-

.. кого сигнала над заданным, формирует амплитуду отпирающего импульса, ..амплитуду постоянного . добавочного .

: напряжения (т ,е. ограничивает напряжение, подаваемое на клапан 6, до ми35

40

45

уменьшением газонапуска (вплоть до его отключения) уменьшает амплитуду lвfopoй моды МГД-активности; оно поз воляет изменять огибающую второй м ды МГД-активности так, чтобы обеспе

чйвался стабио1ьный плазменный разряд т.е. так, чтобы она.развивалась как доказательная функция времени на стадии линейного роста тока плазмы и была постоянной величиной при неизменном токе плазмы.

На токамаке Т-10 экспериментальн показано, что повышение стабильности

- плазменных разрядов оказывается возможным благодаря введению в-уст- ройство схемы 8 выделения огибающей второй моды ИГД-активности плазмы, формирователя .4 длительностей отпирающего импульса .и постоянного добавочного напряжения, сумматора-огра- .ничителя.5. . ,. - . . Схема 8 вьщеления огибающей вто.рой моды МГД-акт ивности плаз.мы рабо тает следующим образом. МГД-возмуще.ния полоидального магнитного поля : плазмы .токамака являются периоди- .- ческими. и непрерьгонь и по его малому обходу, а.следовательно, допускают . пространственный гармонич ески:й ана- ЛИЗ. . - . ; - . : Сигнал общей МГД-активности плазмы, в каждьй момент времени в каждой

-точке по малому обходу тора токамака представляет собой сумму простран- ственнЕлх гармоник (мод) : ;

и и +

ГР о

и.

и,

и..-.;

55

Де и„,5uV 1 Urr, общая Г ГД-активность, нулевая мода, первая мода, вторая мода, т-я мода.

ннмуму), ограничивает напряжение, подаваемое на клапан 6, по максимуму, суммирует, от момента t t до t t , , напряжение от регулятора 3 и постоянное добавочное напряжение. Поток нейтрального газа из клапана 6 гаэонапуска охлаждает периферию .плазмы, тем самым сужая радиус токового канала плазмы и вызывая : рост амплитуды огибающей второй моды МГД-активности. Предлагаемое устройство увеличением газонапуска в плазму увеличивает амплитуду огибающей второй моды МГД-активности, а

уменьшением газонапуска (вплоть до его отключения) уменьшает амплитуду lвfopoй моды МГД-активности; оно позволяет изменять огибающую второй моды МГД-активности так, чтобы обеспе чйвался стабио1ьный плазменный разряд т.е. так, чтобы она.развивалась как доказательная функция времени на стадии линейного роста тока плазмы и была постоянной величиной при не изменном токе плазмы..

На токамаке Т-10 экспериментально показано, что повышение стабильности

- плазменных разрядов оказывается ; возможным благодаря введению в-уст- - ройство схемы 8 выделения огибающей второй моды ИГД-активности плазмы, формирователя .4 длительностей отпи. рающего импульса .и постоянного добавочного напряжения, сумматора-огра- .ничителя.5. . ,. - . . Схема 8 вьщеления огибающей вто.рой моды МГД-акт ивности плаз.мы . тает следующим образом. МГД-возмуще

.ния полоидального магнитного поля : ; плазмы .токамака являются периоди- .- ческими. и непрерьгонь и по его малому- обходу, а.следовательно, допускают .- пространственный гармонич ески:й ана- . ЛИЗ. . - . ; - . : Сигнал общей МГД-активности плаз. мы, в каждьй момент времени в каждой.

-точке по малому обходу тора токамака; представляет собой сумму простран- . ственнЕлх гармоник (мод) : ;

и +

о

и.

и,

и..-.;

;. .

5

Де и„,5uV 1 Urr, общая Г ГД-активность, нулевая мода, первая мода, вторая мода, т-я мода.

713767918

од

,- и.о.

mj

Каждая из мод. j5- v

X Sin га Cos m U + г- )

o- V rvSfn .

. Анализируют это вьфажение:

Д нгл(тГ амплитуда га-ной моды, .5 1) для нечетных мод U 0, так ц. - угол по малому обходу то- как для них Cos т - 0;

ра от точки отсчета, . 2) для га О, га 4, m - 8, . 0 - сдвиг по фазе по малому m {2. m 16, U « О, так как

-. -JL

обход у тора.

Сигнал, снимаемый с начала зонда для них Sin га 7 О 11 (Оу), будет (см.фиг.2,3) для.,„ ,

каадоГт-й моды-равен3) для m « 6, m 18, О,

7Гтак как для них Cos га -- 0 -t,S,i« иглч.Ь tn ( Ч

А) для m 10, m -. 14; согласно

jj- 2зкспериментальнь м данным на установ 4irA{h,) - 2 4irA(t) гаС +з - ках типа токамак, моды с га 6 прак тически отсутствуют (не наблюдаются).

3 5Ц:9 3 ЧтА/пЯ в- Cos - sin Cos(24 +

-U Sin m(tf Ц3() -U, Sin т(ф), «ГА(, 6.) 2 «гд(|та .35. й .

; . З- 4,fA(2,Sin(244- I ).

Суммируя попарно первый член со

вторым, третий с четвертым, пятый с 25 Сигнал, поступающий на вход дед-ек- шестым, седьмой с восьмым и, исполь- тора 19, U U 4 Гз и„,., (24Д). зуя формулу . 6

Детектор 19 преобразует сигнал с коSinA SinB 2Sin ,.. . ., . t

. - 30эффициеНтом усиления у -, . .4 чЗ

где А и В - любые два угла, -получаютСигнал с выхода детектора 19, являющийся выходом схемы 8, |1.., 2 Sin m(f+fr ) Cos m fb . ид 4в и,д,,К,а

мгА( 1-i . Таким образом, схема 8 производит

2Sin m ( т|ю Cos m 4 + 2Sin m(V+ 35вьщеление огибающей второй моды МГД 2 12активности плазмы.

+ lif) Cosn,- - 2 Sin га (Ч- -«- ||5Т)х качестве детектора 19 исполь- 1 зован обьгчный детектор. Детектор 19

X Cosm -2L:.ожет быть выполнен, например, , на :

ВыноЙ в .левую часть 2 Cos m f микросхеме К153 УДб.

. .if Формирователь 4 длительностей отк суммируя члены первый и третий, опирающего импульса и постоянного,до- второй и четвертый, получают . «авочного напряжения работает следую- ... - |А . щим образом. При включении питания

-,-С1,.. в 2Sin ш ( V + -5f ) 45 выходы Q триггеров 21 и 22, благода2и„гд(Со8 m 75 , Ря резисторам 23 и 24, устанавливаютX Cos m Sin m («P ) Cos m |; « f положение Q 0, a выходь

24 r Q - в положение Q 1 . Ключи 26 и

2Ъ saMKHyfMj а 25 и 27 - разомкнуты.

j..™«.... 50 На выходах этом . (чг ЭД2; Т2нулевые потенциалы. С приходом синх-роимпульса начала разряда на пер-

. , SY / / ьй вход Вх.ф формирователя 4 (момент в 2 SinC-m J Cos tn (V + oi), времени t t) выходы Q триггеров

S 5f26 и 28 размыкаются, а .25 и 27 заюл swr мгАСп уоз m Cos m 2 каются. Напряжение через резистор 29 дает высокий потенциал на выход Вых

1Ф

а через резистор 30 высокий потенциал на выход Вых.. . Резисторы 29 и 30 служат для- защиты от коротких замыканий и для задания выходных токов. Синхроимпульс начала разряда в плазме с задержкой t - t приходит на вход R триггера 2U Это вызывает переключение: триггера 21 в положение Q О, Q 1 возвращение ключей 28 и 26 в исходное положение и, следовательно, появление на выходе Вых опять нулевого потенциала. G приходом синхроимпульса конца разряда на второй вход. формирователя 4 (момент времени t ) триггер 22 возвращается в исходное положение, Q 0,СЗ 1. Это вызывает возвращение ключей.27 и 28 в исходное положение и появле-, ние на выходе Вых,опять нулевого потенциала. Таким образом, происходит формирование длительностей от- пирающего импульса и постоянного обавочного напряжения. Линяя задерж-; ки может быть вьшолнена на микро- схеме К155 АГЗ, триггеры 21 и 22--, на микросхеме К155ТМ2, электронные ключи 25-28 - на микросхемах; К143

кт1. . . . - /

Сумматор-ограничитель 5 работает следующим образом. Резисторы 31 и 33 и транзистор 32, работающий в усилительном режиме, усиливают сигнал с выхода регулятора 3 и одновременно не допускают появления отрицательноо напряжения с выхода регулятора 3. ранзистор 36, работающий в кл очевом режиме, служит для формирования ампг итуды открывающего импульса. Резистор 37 и транзистор 38, работающий также в ключевом режиме, служат для

ормирования амплитуды постоянного обавочного напряжения, причем ампитуда устанавливается изменением соротивления резистора. Резистор 34 служит для уменьшения постоянной

времени срабатывания клапана, резне- . тор 35 - для 6граничен1И1 напряжения, подаваемого на клапан. 6 газонапуса, до максимального рабочего и для Формирования амплитуды отпирающего импульса (она равна максимальному рабочему напряжению),. причем ампли туда устанавливается изменением сопротивления резистора. Сигнал от регулятора 3 (первый вход сумматора- ограничителя 5) поступает через ре0

5

зистор 31 на базу транзистора 32. Сигнал длительности отпирающего импульса поступает на базу транзистора Зб (второй вход сумматора-ограничителя 5). Сигнал длительности постоянного добавочного напряжения поступает на базу транзистора 38 (третий вход сумматора-ограничителя 5). Напряжение источника высокого напряжения -HJ выбирается исходя из того, что оно должно быть самым большим возможным максимальным.рабочим напряжением для клапана.6 газонапуска. Выходное напряжение сумматора-ограничителя 5, снимаемое с резистора 34,

.I.....

K3g

);

где R сопротивление резистора 34, 1ц - коллекторный ток транзисто-, ра 32,

Ijjj- коллекторный т.ок транзистора 36, .

I - коЛлекто.рный ток транзисто- ра 38. . .

Причем I- при открытом состоянии

.эб л ключевого транзистора 36

30

К36

: Улпл.

//..

а Ij при открытом состоянии ключёво-т го транзистора 38 .

35

г - -УИП„

0

5

0

5

где

кл

сопротивление клапана 6, газонапуска,

R ,Н з7 сопротивление резисторов . 35 и 37 срответственно.

Функциональный генератор 1 может .быть стандартно реализован на микропроцессоре (например, типа К580 ИК 80) и управляемом от него цифро- айалоговом преобразователе (напри- мер,типа К 594 IIAI). Схема 2 алгеб- раического суммирования, регулятор 3 и клапан 6 газонапуска в плазму, также стандартные. ...

Предлагаемое устройство, испытанное на токамаке, надежно и удобно в эксплуатации. Количество стабильг- ных разрядов увеличено, .

Прда{енение предлагаемого устрой- ства позволяет увеличить стабильность плазменных разрядов, т.е. увеличить роличество разрядов заданной длитель ности при заданном токе плазмы с воеЛ

Фае. 1

Л

r| к

га. Л

т

Ь7

1В

15

U U

Л С

. I iiiiii I

LJ LJ I Ы М

tjf LlT Ч

к к

1

/

;/

И

Н

19

вы/св

Фин

cput

Фиг,5

фтЛ