[发明专利]低杂波功率控制系统

说明书

技术领域

本发明属于受控热核聚变领域，具体是在托卡马克核聚变装置上根据实验需要实现对低杂波输出功率的控制。

背景技术

低杂波目前广泛的应用于核聚变实验中，其主要作用是电流驱动和辅助加热。低杂波系统主要通过多只高功率速调管输出功率。速调管的输出功率受到微波前级功率、高压、磁场、灯丝等多种因素的影响。目前在国内对于低杂波功率控制主要是通过实验前设定需要的高压，在实验时输出设定过的高压并打开前级PIN开关，根据经验确定输出的功率，进行开环控制。这种模式就造成了低杂波功率输出的不稳定性、不确定性，因而不能满足对精度要求高的托卡马克物理实验要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种实现在托卡马克实验过程中，低杂波功率精确、稳定的输出的低杂波功率控制系统。

本发明的技术方案如下：

托卡马克实验中低杂波功率控制系统，包括有多个大功率速调管，其特征在于：所述各大功率速调管的输出端安装有定向耦合器，所述定向耦合器耦合出来的入射功率通过隔直器隔直滤波后送入检波器，所述检波器输出端出来的检波电压送入放大器，所述放大器输出的放大电压由模拟输入模块采集、A/D转换模块转换为数字信号、功率控制下位机处理、D/A转换模块转换为模拟信号、模拟输出模块输出，所述模拟输出模块的输出端接入微波前级的PIN电调衰减器，所述功率控制下位机与功率控制上位机连接；所述放大器与模拟输入模块之间、模拟输出模块与PIN电调衰减器之间分别安装有一个隔离器。

所述的托卡马克实验中低杂波功率控制系统，其特征在于：所述大功率速调管的个数为24支。

所述的托卡马克实验中低杂波功率控制系统，其特征在于：所述功率控制下位机为cRIO系统，所述cRIO系统上具有与功率控制上位机进行通信的网络接口。

所述的托卡马克实验中低杂波功率控制系统，其特征在于：所述检波器、放大器的输出电压为1-5V。

本发明的工作原理：本发明通过功率控制上位机事先设定输出功率，通过网络传递给功率控制下位机，在速调管输出口有定向耦合器，定向耦合器耦合出少量微波，然后经过检波转换为电压信号，再经过放大、隔离、采集，从而可以实时的将速调管口的功率信号传送给功率控制下位机，根据功率控制下位机的PID算法，确定测量功率与设定功率的差值，功率控制下位机通过模拟输出模块输出模拟量控制前级放大器的PIN电调衰减器，从而控制微波前级的输出功率，使速调管的输出功率恒定不变。

本发明的优点是：

（1）实现低杂波功率的稳定输出。通过获取速调管输出口的实时功率信号，功率控制下位机基于FPGA的PID计算，对PIN电调衰减器的控制，整个功率控制系统可以实现100us级别的闭环控制，满足托卡马克实验需求。

（2）功率控制下位机采用cRIO系统，此系统实现了FPGA与微处理器的有机结合，既可以实现基于硬件的准确可靠的功率控制，又具有微处理器的灵活性。该系统还具有网络接口和数字输入输出模块，可以通过上位机设置实现功率控制下位机多种功率控制模式的选择，也可以通过数字输入输出模块实现硬件级别的功率控制模式选择。

（3）实现低杂波系统保护状态的自动判断控制。低杂波系统中还有很多其他的保护系统。比如高反射保护、打火保护、过流保护，当发生这些保护时，微波前级系统会关闭一定的时间，从而关断速调管功率的输出，保护整个低杂波系统。这时前级功率控制功率控制下位机能够通过速调管输出口的功率信号和状态信号及时判断是否处于保护状态。当处于保护状态时，通过调整电调保证前级功率在恢复输出时为最小值，从而保证系统恢复功率输出时的安全。当系统恢复输出时，重置PID参数和时间，保证系统恢复输出后，能够快速的实现原先设定的功率值。这样根据各种实验的情况，功率控制下位机程序能够自动的控制低杂波的功率。

（4）实现低杂波系统在托卡马克特殊放电模式下的自动控制。托卡马克实验有时需要低杂波系统能够实现功率调制或者交流放电等特殊的功率输出方式。此时速调管的功率会发生较为频繁的改变。本发明在这种情况下，通过重置PID参数和时间可以实现功率的快速稳定，可以通过设定，实现在一定输出功率范围内渐变或跳跃式的功率输出，满足物理实验的需要.并且可以通过采集功率为零的时间长短来判断托卡马克放电是否结束。

（5）本系统中的所有放大器输出电压为1-5V，从而可以判断放大器工作是否正常。各种触发信号和状态信号均采用低电平有效，同样可以实现系统故障的快速发现，克服了以往系统的缺点。