CN109975720B - 一种用于探针伏安特性模拟测试的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于模拟测试系统领域，具体涉及一种国际热核聚变实验堆(ITER)装置探针伏安特性模拟测试系统。它包括电压测量单元，电压测量单元采集到电压信号，送入PID控制单元，与指定输出电压比较经过PID控制单元，通过伏安特性曲线表得出指定输出电流，该指定电流与电流测量单元得到的输出端口电流信号比较，经PI控制单元到波移相PWM单元产生控制所有H桥脉冲，控制H桥输入单元，经双向隔离DC/DC单元，H桥级联输出单元，经过LCL滤波与低电压线性电源串联，实现按照预置伏安特性曲线表参数测试探针电源及联合调试。本发明的效果在于：大大提高系统在托卡马克装置做装置测试的成功率及效率。

Description

一种用于探针伏安特性模拟测试的方法
技术领域
本发明属于模拟测试系统领域，具体涉及一种国际热核聚变实验堆(ITER)装置探针伏安特性模拟测试系统。
背景技术
在托卡马克装置中，将实体探针放入等离子体中以获得所需参量，是等离子体诊断的基本手段之一。其中静电探针(亦称为朗缪尔探针)是最早被用来测定等离子体特性的，根据其伏安特性曲线推导出等离子体电子温度、密度和空间电位等重要参数。
在ITER装置探针系统中，探针电源作为重要组成部分，探针电源的关键电气指标，带宽响应，四象限，额定工况长时间稳定运行，探针电源测试等离子时，某些情况下，如等离子体出现ELMY时会短时感应出很大的电流(6倍以上)流进探针电源，这对探针电源会产生什么影响，会不会导致器件失效，控制回路产生干扰等等，这些工况都需要测试考验，测试之后将系统拿到其他托卡马克装置做相应的测试试验，才可以减少在未来ITER装置放电过程中故障率。总之模拟越接近真实的负载工况，得出的测试数据，越能全面反应电源的性能，测试探针电源及测量系统等是否可以准确识别出当前的伏安特性曲线，进而推导出当前的等离子状态。正如前面所述探针电源的最终目的是为了获取等离子特性的伏安特性曲线，这除了需要精准的测量电路配合，还需要一套相应数据处理软件。这些软件的设计第一要给探针电源发出合适的波形指令(正弦，三角波等)，第二要对测量反馈的波形进行处理，滤除干扰，进行计算分析，求解出伏安特性曲线。如何找合适的特征波形去探测等离子，以及采用什么的数值算法进行逆向求解，在理论上要进行数学建模和分析。数学建模第一步就要对现实模型进行合理的简化，但一些主要因素必须考虑在内，这些都需要一个ITER探针伏安特性模拟，通过测试比较计算出的伏安特性曲线与预先设置的伏安特性曲线的差别，来数学模型进行合理的调整。反复推敲才能保证软件设计的合理。如果没有ITER探针伏安特性模拟，那么探针系统测出的等离子伏安特性曲线没有一个标准的参考，也就没法验证系统是否可以准确的测试出等离子的状态。因此这些接近真实特性的模拟的准确性，可靠性直接关系着在装置放电中，探针系统工作的可靠性，准确性。
在现今的探针系统中，进行系统联合测试时，可以通过电阻负载进行简单的测试，相应的测量系统也只是独立标定，之后在一些托卡马克装置上进行测试，将测量后的数据绘制伏安特性曲线。此方法的弊端一是不能实现上述现有ITER装置探针电源的尽量全面测试；二是系统联合调试时，不能做到自动化对比ITER探针伏安特性曲线，需要记录数据，耗时长。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种用于探针伏安特性模拟测试的方法。
本发明的技术方案如下：一种用于探针伏安特性模拟测试的方法，包括级联H桥输入单元、双向隔离DC/DC单元、H桥级联输出单元、LCL滤波、低电压线性电源、电压测量单元、电流测量单元、PID控制单元、伏安特性曲线表、PI控制单元、载波移相PWM单元，其中，电压测量单元采集到电压信号，送入PID控制单元，与指定输出电压比较，经过PID控制单元，通过伏安特性曲线表得出指定输出电流，该指定电流与电流测量单元得到的输出端口电流信号比较，经PI控制单元到波移相PWM单元产生控制所有H桥脉冲，控制H桥输入单元，经双向隔离DC/DC单元，H桥级联输出单元，经过LCL滤波与低电压线性电源串联，实现按照预置伏安特性曲线表参数测试探针电源及联合调试。
如上所述的一种用于探针伏安特性模拟测试的方法，其中，1)设置不同曲线逐步增加探针电源的负载，测试不同工况下的电源特性、质量；
2)通过曲线的动态切换测试电源的突发电流跃变如短时大电流冲击；
3)测试探针电源系统包括测量系统等是否可以准确识别出当前的伏安特性曲线，应用到装置时进而确保推导出当前的等离子状态。
本发明的显著效果在于：实现探针电源全工况的测试，同时在系统联合测试时，通过设置伏安特性曲线，测试探针电源及测量系统等是否可以准确识别出当前的伏安特性曲线，在桌面实验中进行的全面的系统联合调试，大大提供系统在托卡马克装置做装置测试的成功率及效率。
附图说明
图1为本发明所述的ITER探针伏安特性模拟系统示意图
图中：1.级联H桥输入单元、2.双向隔离DC/DC单元，3.H桥级联输出单元、4.LCL滤波、5.低电压线性电源、6.电压测量单元、7.电流测量单元、8.PID控制单元、9.伏安特性曲线表、10.PI控制单元、11.载波移相PWM单元
具体实施方式
ITER探针伏安特性模拟系统，图1所示，探针电源(非本发明内)输出端口及测量系统(非本发明内)通过电缆与ITER探针伏安特性模拟系统的输出端口做相应的连接，电压测量单元6采集到电压信号，送入控制单元8，与指定输出电压比较，经过PID控制单元，通过伏安特性表9得出指定输出电流，该指定电流与电流测量单元得到的输出端口电流信号比较，经PI控制单元10到载波移相PWM单元11产生控制所有H桥脉冲，控制级联H桥输入单元1，经双向隔离DC/DC单元2，H桥级联输出单元3，经过LCL滤波与低电压线性电源5串联，实现按照预置伏安特性曲线表参数测试探针电源及联合调试。
试验前，连接好电缆及测试接口，开启电源供电，设置相应的伏安特性曲线9，探针电源测量系统也相应设置好参数，根据测试项目展开测试。
探针电源输出端口通过电缆连接在ITER探针伏安特性模拟系统的输出端口。ITER探针伏安特性模拟系统检测端口电压通过查找预先设置的伏安特性表找到对应的电流值，控制ITER探针伏安特性模拟输出相应电的流，对外呈现的伏安特性依据伏安特性表变化。伏安特性表中可以预先设置多条曲线，在运行过程中可以动态进行曲线切换。主要包括主电路单元，控制单元、测量单元，内置ITER探针V/I特性伏安特性表。其中主电路单元包括交流输入，级联H桥输入单元，其中H桥是一个典型的直流电机控制电路，因为它的电路形状酷似字母H，故得名于“H桥”。级联H由若干个H桥功率单元输出串联组成。双向隔离DC/DC单元，双向隔离DC/DC采用全桥拓扑结构，可以实现功率的双向流动。H桥级联输出单元。为了提高输出小信号的带宽及精度，H桥级联输出经过LCL滤波，串联一个低电压线性电源，用于补偿输出偏差。电压测量及电流测量将检测量输出到控制单元，通过检测输出电压，查模拟伏安特性曲线表，控制输出指定电流，实现电流、电压的内外环反馈控制，经过载波移相控制单元输出H桥控制脉冲，产生控制各个H桥的控制脉冲。载波移相SPWM(Carrier PhaseShifting SPWM，CPS-SPWM)调制法是一种特别适合于级联多电平逆变器的SPWM方法，其基本原理是，对于由n个H桥单元组成的单相级联多电平逆变器，每个H桥单元都采用低开关频率的SPWM调制方法，各单元的正弦调制波相同，用n组三角载波分别进行调制，各三角载波具有相同的频率和幅值，但相位依次相差固定的角度，从而使每个H桥单元输出的SPWM脉冲也错开一定的角度，大大增加了等效开关频率，经过叠加后，逆变器最终输出的波形是一个多电平的阶梯波，通过选择合适的移相角度可以使输出电压的谐波含量大幅度减少。
本申请可以实现：
1)设置不同曲线逐步增加探针电源的负载，测试不同工况下的电源特性、质量。
2)通过曲线的动态切换测试电源的突发电流跃变如短时大电流冲击。
3)测试探针电源系统包括测量系统等是否可以准确识别出当前的伏安特性曲线，应用到装置时进而确保推导出当前的等离子状态。

Claims (1)

1.一种用于探针伏安特性模拟测试的方法，其特征在于：包括级联H桥输入单元(1)、双向隔离DC/DC单元(2)、H桥级联输出单元(3)、LCL滤波(4)、低电压线性电源(5)、电压测量单元(6)、电流测量单元(7)、PID控制单元(8)、伏安特性曲线表(9)、PI控制单元(10)、载波移相PWM单元(11)，其中，电压测量单元(6)采集到电压信号，送入PID控制单元(8)，与指定输出电压比较经过PID控制单元，通过伏安特性曲线表(9)得出指定输出电流，该指定输出电流与电流测量单元(7)得到的输出端口电流信号比较，比较后的信号经PI控制单元(10)到载波移相PWM单元(11)，载波移相PWM单元(11)产生控制各个H桥的控制脉冲，级联H桥输入单元(1)经双向隔离DC/DC单元(2)，H桥级联输出单元(3)，LCL滤波(4)与低电压线性电源(5)串联，实现按照预置伏安特性曲线表参数测试探针电源及联合调试。
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