CN104518765A - 一种基于波形控制的复合开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波形控制的复合开关，所述复合开关包括复合开关单元、波形采集单元和智能控制单元；波形采集单元的输出端与智能控制单元的输入端相连，智能控制单元的输出端与复合开关单元的控制端相连。本发明主要应用于可控核聚变等离子体破裂故障防护，具有开关动作精度高、响应速度快、可识别波形且隔离可靠的特点，可及时地导通破裂防护回路，实现破裂防护，有效提高了设备安全性。

Description

一种基于波形控制的复合开关

技术领域

本发明属于可控核聚变的开关技术领域，更具体地，涉及一种基于波形控制的复合开关。

背景技术

托卡马克利用磁场将高温等离子体约束在环形真空室内做圆周运动，形成稳定的等离子体电流，但是等离子体存在破裂的风险，高能量的等离子体失去约束将对装置内部件产生严重的冲击破坏。利用特殊设计的开关迅速导通基于电感线圈的破裂防护回路，可实现破裂故障防护，这种开关应能识别托卡马克电源系统所提供用于建立等离子体电流的高压脉冲和由于等离子体破裂形成的高压脉冲；应可靠隔离托卡马克与破裂防护回路，承载托卡马克电源系统所提供用于建立等离子体电流的高压脉冲；应在破裂故障瞬间迅速导通，承载破裂防护回路的大电流脉冲。

现有的开关技术中，电力电子开关导通速度快，但易过压过流，无明显断口进行可靠隔离,若应用于破裂防护回路，会对托卡马克造成巨大的安全隐患；机械开关通流能力大，耐压高，有明显断口可进行可靠隔离，但开断和关合的响应速度慢,精度低,不能及时导通破裂防护回路；目前的复合开关采用机械开关和电力电子开关并联的方式，虽然综合了机械开关的静态性能和电力电子开关的动态性能，但存在耐压低、无明显断口实现可靠隔离的缺点。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于波形控制的复合开关，其目的在于采用新型的拓扑结构和相应的控制方法，由此解决现有开关技术响应速度慢、隔离不可靠的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于波形控制的复合开关，所述复合开关用于托卡马克内部等离子体的破裂防护，包括波形采集单元、智能控制单元和复合开关单元；

所述波形采集单元的输入端同时连接待防护的托卡马克与破裂防护回路，输出端连接智能控制单元的输入端；智能控制单元的控制信号输出端连接复合开关单元的控制端；所述复合开关单元串接在破裂防护回路中；

所述波形采集单元用于检测托卡马克内部等离子体的电流、电压波形，所述波形反映等离子体的放电状态；

所述智能控制单元预设有复合开关单元关断与导通的条件，接收并识别波形采集单元的输出波形；当波形满足所述预设条件时，所述控制单元向复合开关单元发出关断或导通的控制信号；

所述复合开关单元接收智能控制单元的控制信号，根据控制信号关断或导通；关断时隔离托卡马克与破裂防护回路，并承载托卡马克电源系统所提供的用于建立等离子体电流的高压脉冲；在等离子体破裂瞬间导通，导通后承载破裂防护回路的大电流脉冲。

优选的，所述复合开关单元由机械开关与电力电子开关串联构成；机械开关用于隔离托卡马克与破裂防护回路，并承载托卡马克电源系统所提供的用于建立等离子体电流的高压脉冲；电力电子开关在等离子体破裂瞬间导通破裂防护回路；机械开关和电力电子开关共同承载破裂防护回路的大电流脉冲；

所述智能控制单元包括两个控制信号输出端，分别连接机械开关和电力电子开关的控制端。

优选的，所述波形采集单元包括霍尔传感器和信号调理模块。

优选的，所述智能控制单元包括DSP核心处理器和驱动模块。

为实现本发明的目的，本发明还提供了应用于本发明的一种基于波形控制的复合开关的控制方法，具体如下：

托卡马克放电之前，在智能控制单元的控制下，机械开关处于分闸状态，电力电子开关处于截止状态，复合开关单元处于关断状态，隔离托卡马克与破裂防护回路；

托卡马克开始放电，智能控制单元实时跟踪波形采集单元输出的等离子体电流、电压波形信号根据波形信号向复合开关单元发出控制信号，控制电力电子开关与机械开关动作。

优选的，托卡马克开始放电，当波形信号满足智能控制单元预设的机械开关合闸条件，经过预设时延后，智能控制单元向机械开关发出合闸信号，机械开关在等离子体电流完成建立之后合闸到位；此时，电力电子开关处于截止状态，复合开关处于待触发状态；所述预设的时延用于确保机械开关在等离子体电流完成建立之后合闸到位；

机械开关合闸之后，若波形信号满足智能控制单元预设的电力电子开关导通条件，智能控制单元向电力电子开关发出导通信号，电力电子开关导通破裂防护回路，实现破裂故障防护；复合开关进入导通状态；否则,复合开关将保持待触发状态,直至放电结束；

当波形信号满足智能控制单元预设的复合开关单元关断条件，智能控制单元向电力电子开关发出截止信号，同时向机械开关发出分闸指令；复合开关由导通状态或待触发状态返回隔离状态。

优选的，机械开关合闸之后，当波形信号满足智能控制单元所设的电力电子开关的导通条件，智能控制单元向电力电子开关发出导通信号，所述电力电子开关在1毫秒内导通。

优选的，所述机械开关的合闸条件是指等离子体电流开始建立。

优选的，所述电力电子开关的导通条件是指等离子体破裂。

优选的，所述复合开关单元的关断条件是指等离子体放电结束，包括正常放电结束或破裂故障放电中止。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)复合开关单元由机械开关和电力电子开关串联构成，机械开关耐压高并能可靠隔离，既可以对电力电子开关形成保护，又确保等离子体电流的建立；电力电子开关动作精度高、响应速度快，可及时精确地导通破裂防护回路，实现破裂故障防护；二者串联的拓扑结构，有效结合了电力电子开关动作快精度高与机械开关耐压能力高隔离可靠的特点，实现对托卡马克的有效防护；

(2)智能控制单元根据复合开关单元的拓扑结构采取相应的控制方法对其通断状态进行智能控制，可以有效避免机械开关动作时电磁暂态过程和合闸时间长的缺点，有效地避免电力电子开关隔离不可靠的缺点，能够有效地提高设备的安全性；

(3)智能控制单元根据等离子体的放电状态采取相应的控制方法对复合开关进行控制,实现复合开关可靠隔离、待触发、导通三种状态的全自动循环工作，有效地提高了复合开关智能化水平，提高了工作人员的安全性；

(4)波形信号采集单元实时采集相关电路波形信号，由智能控制单元综合各通道信号进行分析和处理，可识别托卡马克电源系统所提供的用于建立等离子体电流的高压脉冲和由于等离子体破裂形成的高压脉冲，提高了智能控制单元的控制精度和可靠性，可以有效地避免复合开关的误操作；

(5)复合开关具有可靠隔离状态，待触发状态和导通状态三种开关状态，可针对不同的应用环境，采取不同的控制方法对复合开关的三种状态进行切换，可充分利用各状态的特点，以实现复合开关多功能、最优化应用。

附图说明

图1是基于波形控制的复合开关的系统框图；

图2是本发明实施例基于波形控制的复合开关的波形控制时刻图；

图3是本发明实施例基于波形控制的复合开关的使用状态图；

图4是本发明实施例基于波形控制的复合开关的控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，为本发明实施例的基于波形控制的复合开关的系统框图，包括波形采集单元、智能控制单元和复合开关单元；波形采集单元的输出端和智能控制单元的输入端相连，智能控制单元的输出端和复合开关单元的控制端相连。

本实施例的波形采集单元采用响应速度快的霍尔传感器检测托卡马克等离子体的电流、电压波形，以及破裂防护回路的电流、电压波形。本发明实施例的复合开关的波形控制时刻如图2所示，Iplasmas为等离子体电流波形；Vplasmas为等离子体电流环电压波形；Iprotection为破裂防护回路电流波形；Vprotection为破裂防护回路线圈两端电压波形。a时刻，托卡马克的电源系统提供环向高压脉冲，击穿气体产生等离子体，并建立等离子体电流，同时在破裂防护回路线圈两端形成高压脉冲；b时刻，等离子体电流完成建立，托卡马克电源系统将停止提供环向高压脉冲，继而提供稳定直流电压，维持等离子体电流；c时刻等离子体发生破裂故障，等离子体电流迅速下降，由于电磁感应，在等离子体电流环和破裂防护回路线圈两端形成高压脉冲；d时刻，等离子体电流经过10毫秒左右下降到0，放电中止。

本实施例的智能控制单元采用DSP28335对波形采集单元各通道的输出波形进行识别、分析和处理，预设有复合开关单元关断与导通的条件，接收并识别波形采集单元的输出波形；当波形满足所述预设条件时，控制单元向复合开关单元发出关断或导通的控制信号。

复合开关单元由机械开关和电力电子开关串联构成，接收智能控制单元的控制信号，根据控制信号关断或导通；关断时隔离托卡马克与破裂防护回路，并承载托卡马克电源系统所提供的用于建立等离子体电流的高压脉冲；在等离子体破裂瞬间导通，导通后承载破裂防护回路的大电流脉冲。本实施例的机械开关采用高压真空断路器，电力电子开关采用快速晶闸管；高压真空断路器用于可靠隔离托卡马克与破裂防护回路，并承载托卡马克电源系统所提供的用于等离子体电流建立的高压脉冲；快速晶闸管用于在等离子体破裂瞬间迅速启动破裂防护回路，快速晶闸管与高压真空断路器共同承载破裂防护回路的脉冲大电流。

本发明所设计的复合开关的应用如图3，图中Ⅰ为托卡马克的放电回路、Ⅱ为基于电感线圈的破裂防护回路、Ⅲ为等离子体电流回路；波形采集单元的输入端同时连接待防护的托卡马克与破裂防护回路；复合开关单元串接在破裂防护回路中。本发明的复合开关的控制方法流程如图4所示，结合实施例具体阐述如下：

托卡马克放电之前,在智能控制单元的控制下，复合开关处于可靠隔离状态；高压真空断路器处于分闸状态，快速晶闸管处于截止状态，复合开关处于可靠隔离状态，确保托卡马克正常放电不受影响。

托卡马克开始放电，智能控制单元实时跟踪波形采集单元输出的波形信号，对各通道波形信号进行识别和分析，当波形信号满足智能控制单元所设高压真空断路器的合闸条件，即等离子体电流开始建立(如附图2的a时刻)；经过预设时延后智能控制单元向高压真空断路器发出合闸指令，预设时延一般在50ms～80ms之间；高压真空断路器在等离子体电流完成建立(如图2的b时刻)之后合闸到位，在此之前，高压真空断路器处于可靠隔离状态并承载托卡马克电源系统所提供的用于建立等离子体电流的高压脉冲(如附图2Vprotection ab段的电压脉冲)，既能对快速晶闸管形成保护，又能确保等离子体电流的建立；快速晶闸管仍处于截止状态，复合开关处于待触发状态。

智能控制单元实时跟踪波形采集单元输出的波形信号，并对各通道波形信号进行识别和分析，当波形信号满足智能控制单元所设的晶闸管的导通条件，即等离子体破裂(如附图2的c时刻)，智能控制单元向晶闸管发出导通指令，晶闸管在1毫秒内导通，复合开关进入导通状态，导通破裂防护回路，承载大电流脉冲(如附图2Iprotection cd段的电流脉冲)实现破裂防护；当波形信号不满足智能控制单元所设的晶闸管的导通条件，即等离子体未破裂，复合开关保持待触发状态,直至放电结束。

智能控制单元实时跟踪波形采集单元输出的波形信号，并对各通道波形信号进行识别和分析，当波形信号满足智能控制单元所设复合开关单元的关断条件，即放电结束或因破裂故障中止(如附图2的d时刻)，晶闸管将自动截止,复合开关返回待触发状态,智能控制单元向高压真空断路器发出分闸指令，复合开关随着高压真空断路器分闸到位返回可靠隔离状态；若等离子体未破裂，则复合开关由待触发状态直接返回可靠隔离状态。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于波形控制的复合开关，其特征在于，所述复合开关用于托卡马克内部等离子体的破裂防护，包括波形采集单元、智能控制单元和复合开关单元；

所述波形采集单元的输入端同时连接待防护的托卡马克与破裂防护回路，输出端连接智能控制单元的输入端；智能控制单元的控制信号输出端连接复合开关单元的控制端；所述复合开关单元串接在破裂防护回路中；

所述波形采集单元用于检测托卡马克内部等离子体的电流波形与电压波形，所述波形反映等离子体的放电状态；

所述智能控制单元预设有复合开关单元关断与导通的条件，接收并识别波形采集单元的输出波形；当波形满足所述预设条件时，所述控制单元向复合开关单元发出关断或导通的控制信号；

所述复合开关单元接收智能控制单元的控制信号，根据控制信号关断或导通；关断时隔离托卡马克与破裂防护回路，并承载托卡马克电源系统所提供的用于建立等离子体电流的高压脉冲；在等离子体破裂瞬间导通，导通后承载破裂防护回路的大电流脉冲。

2.如权利要求1所述的所述复合开关，其特征在于，所述复合开关单元由机械开关与电力电子开关串联构成；

机械开关用于隔离托卡马克与破裂防护回路，并承载托卡马克电源系统所提供的用于建立等离子体电流的高压脉冲；电力电子开关在等离子体破裂瞬间导通破裂防护回路；机械开关和电力电子开关共同承载破裂防护回路的大电流脉冲；

所述智能控制单元包括两个控制信号输出端，分别连接机械开关和电力电子开关的控制端。

3.如权利要求1或2所述的所述复合开关，其特征在于，所述波形采集单元包括依次连接的霍尔传感器和信号调理模块。

4.如权利要求1或2所述的所述复合开关，其特征在于，所述智能控制单元包括依次连接的DSP核心处理器和驱动模块。

5.一种基于波形控制的复合开关采用的控制方法，其特征在于，所述方法具体如下：

托卡马克放电之前，在智能控制单元的控制下，机械开关处于分闸状态，电力电子开关处于截止状态，复合开关单元处于关断状态，隔离托卡马克与破裂防护回路；

托卡马克开始放电，智能控制单元实时跟踪波形采集单元输出的等离子体电流、电压波形信号，根据波形信号向复合开关单元发出控制信号，控制电力电子开关与机械开关动作。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述方法具体如下：

托卡马克开始放电，当波形信号满足智能控制单元预设的机械开关合闸条件，经过预设时延后，智能控制单元向机械开关发出合闸信号，机械开关在等离子体电流完成建立之后合闸到位；此时，电力电子开关处于截止状态，复合开关处于待触发状态；所述预设的时延用于确保机械开关在等离子体电流完成建立之后合闸到位；

机械开关合闸之后，若波形信号满足智能控制单元预设的电力电子开关导通条件，智能控制单元向电力电子开关发出导通信号，电力电子开关导通破裂防护回路，实现破裂故障防护；复合开关进入导通状态；否则,复合开关将保持待触发状态,直至放电结束；

当波形信号满足智能控制单元预设的复合开关单元关断条件，智能控制单元向电力电子开关发出截止信号，同时向机械开关发出分闸信号；复合开关由导通状态或待触发状态返回隔离状态。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，机械开关合闸之后，当波形信号满足智能控制单元所设的电力电子开关的导通条件，智能控制单元向电力电子开关发出导通信号，所述电力电子开关在1毫秒内导通。

8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述机械开关的合闸条件是指等离子体电流开始建立。

9.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述电力电子开关的导通条件是指等离子体破裂。

10.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述复合开关单元的关断条件是指等离子体放电结束，包括正常放电结束或破裂故障放电中止。