CC BY
67
УДК 681.518
ИНФОРМАЦИОННОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЛОКА ДИАГНОСТИКИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКАМИ ПИТАНИЯ ОБМОТОК ПОЛОИДАЛЬНОГО ПОЛЯ ТОКАМАКА КТМ
А.Г. Качкин, В.М. Павлов
Томский политехнический университет E-mail: rumble@sibmail.com
Составлен перечень входных/выходных сигналов и данных блока диагностики системы цифрового управления источниками питания обмоток полоидального поля токамака КТМ. Разработаны алгоритмы сбора, регистрации, расчета и контроля параметров источника питания. Предложены алгоритмы оперативной диагностики источника питания. Алгоритмы экспериментально проверены на макете источника питания.
Ключевые слова:
Система управления, система диагностики, токамак, источник питания, полоидальные обмотки, тиристорный преобразователь, алгоритм диагностики, алгоритм расчета параметров.
В настоящее время в рамках программы ИТЭР (международного экспериментального термоядерного реактора) в г. Курчатов (Казахстан) ведутся работы по созданию материаловедческого токамака КТМ. Основой технологической системы токамака КТМ является электромагнитная система (ЭМС), в состав которой входят гальванически не связанные катушки. При пропускании через них электрического тока, создается электромагнитное поле, инициирующее и удерживающее плазму внутри вакуумной камеры то-камака. В состав ЭМС токамака входят: обмотки полоидального поля PF—PF6, центральный соленоид (индуктор) CS, обмотка тороидального поля TF, обмотка горизонтального поля HFC [1]. Для ввода тока в обмотки катушек используются мощные источники питания (ИП) на базе трехфазных тиристорных преобразователей, подключенных к обмоткам трансформатора таким образом, чтобы обеспечивалась 12-пульсная схема выпрямления тока. Управление и диагностика источников питания обмоток осуществляется системой цифрового управления (СЦУ), большинство функций которой реализовано на уровне программного обеспечения [2].
Основным вычислительным элементом СЦУ является промышленный контроллер, конструктивно выполненный из двух частей: блока управления и блока диагностики тиристорных преобразователей. К функциям блока управления относятся: логико-программное управление тиристорным преобразователем; регулирование по контуру с обратной связью тока в обмотке; противоаварийная защита источника питания. К функциям блока диагностики относятся: сбор, регистрация и обработка данных; оперативная диагностика неисправностей силовой части ИП и измерительных приборов.
На рис. 1 представлена укрупненная структурная схема СЦУ источником питания. Преобразователь измерительный телеметрический (ПИТ) измеряет ток в ветвях трёх тиристоров, получая сигналы напряжения с резисторов, последовательно подключенных к тиристорам. Блок предварительной обработки сигналов (БПОС) предназначен для измерения мгновенных значений напряжения и тока
в нагрузке источника питания (обмотке). Результаты измерения с блоков ПИТ и БПОС передаются в блок диагностики по оптоволоконной линии связи, обеспечивающей гальваническую развязку силовой и управляющей части ИП. От вышестоящей системы управления плазмой (СУП) в блок диагностики поступают сигналы уставок. Все измерительные данные оперативно сохраняются на сервере информационно-измерительной системы (ИИС). Блок управления формирует управляющие сигналы, на основании результатов измерений и расчётов, полученных в блоке диагностики.
Сеть 10 кВ
Рис. 1. Структурная схема цифровой системы управления
На основании структурных и принципиальных схем источников питания обмоток Р/1-Р/6, описанных в техническом проекте на ЭМС токамака КТМ определяется состав параметров ИП, регистрируемых СЦУ в результате прямых измерений (табл. 1).
Каждый ИП состоит из включенных параллельно и последовательно унифицированных тиристор-ных преобразователей (УТП). На рис. 2 представлена структурная схема УТП, который используется в источниках питания ЭМС токамака. Преобразователь нумеруется в зависимости от условного порядка в системе ЭМС и состоит из 12-ти тиристорных сборок по 3 параллельно соединенных тиристора в каждой. Последовательно с каждым тиристором подключен шунтирующий измерительный резистор.
Таблица 1. Таблица параметров источников питания обмоток PF-PF6
Технологическое оборудование Мгновенное значение Обозначение Кол-во Диапазон измерения Ед. изм.
Унифицированные тири-сторные преобразователи Тока ветви тиристора / т Х'Гпг К ±2500 А
Напряжения на выходе преобразователя ихт 2 0...500 В
Нагрузка: обмотка PFI Напряжения на нагрузке (обмотка PF) 1 0...500 В
Тока в нагрузке (обмотка PF)) т IPFI 1 ±30 кА
I - номер обмотки PF (от 1 до 6); К=72 для обмоток PF], PF1, PF3, PF6; К=144 для обмоток PF4, PF5; XY - номер тиристорного преобразователя (например 3.1, где Х=3, Y=1); п - номер тири-сторной сборки в УТП (от 01 до 12); г - номер тиристора в сборке (от 1 до 3); т - обозначение мгновенного значения
Рис. 2. Структурная схема унифицированного тиристорного преобразователя
Мгновенные значения токов в ветви тиристора регистрируются модулем ПИТ путём измерения напряжения на шунтирующем резисторе с последующим преобразованием напряжения в ток. Первичное преобразование мгновенных значений тока и напряжения на обмотке выполняется поясом Роговского и первичным преобразователем напряжения (ППН) соответственно. Регистрация и предварительная обработка этих значений осуществляется модулем БПОС. Прямые измерения включают следующие процедуры:
1. Преобразование датчиком мгновенного значения тока или напряжения в нормированный сигнал 0...5 В.
2. Опрос датчиков системой диагностики для регистрации мгновенных значений токов и напряжений.
3. Пересчёт мгновенных значений в единицы физических величин.
Мгновенные значения параметров в конечном итоге используются для расчёта действующих значений (ДЗ), которые необходимы для выполнения функций управления и оперативной диагностики, т. к. на основании мгновенных значений параметров данные функции не реализуемы. Расчет действующих значений электрических параметров ИП выполняется на основании группы мгновенных значений, полученных с частотой дискретизации /=9 кГц за временной интервал 7=1,6(6) мс с момента работы источника питания. Выбор частоты дискретизации и интервала для расчёта действующих значений был сделан исходя из следующих условий:
1. Цикл управления источниками питания не должен превышать 3,33 мс (60 эл. град. при частоте напряжения в сети 50 Гц), т. к. на этом интервале времени осуществляется переключение пары работающих тиристоров согласно временной диаграмме работы мостового преобразователя [3], и, соответственно, возникает возможность изменения угла управления преобразователем.
2. Аварийное отключение ИП должно осуществляться с таким же быстродействием, как и управление.
3. Необходимо регистрировать изменение тока в обмотке, связанное с переключением каждого тиристора в преобразователе. В 12-ти пульсной схеме выпрямления интервал между каждым переключением тиристора составляет 1,6(6) мс.
4. Частота дискретизации должна быть достаточной для того, чтобы расчёт действующего значения тока проводился с погрешностью не более 1 %. При регистрации параметров с частотой 9 кГц погрешность измерения меньше 1 %.
5. Из-за большого количества точек измерения для одного ИП (от 76) частота дискретизации не должна быть избыточной, т. к. с ростом частоты увеличивается количество информации, которое можно передать по каналам связи и сохранить в ИИС.
6. Объектом управления (нагрузкой ИП) является индуктивно-резистивная нагрузка (обмотка), поэтому ток в неё вводится с нарастанием, определяемым индуктивностью. Следовательно, целесообразно увеличить разрешение измерения для уменьшения количества информации, сохраняемой в ИИС.
На имитационной модели ИП обмотки Р¥, созданной в программе БшиНпк, был получен график напряжения в обмотке. Увеличенный фрагмент графика представлен на рис. 3.
В интервал 7=1,6(6) мс (30 эл. град.) при частоте /¿=9 кГц укладывается 15 мгновенных значений параметров (отсчитываемых через интервал времени А/=0,1(1) мс), на основании которых рассчитывается действующее значение по формуле
иРР1, В
. Т-1,6(6) мс
Рис. 3. Вид напряжения на обмотке PFi при угле открытия тиристоров а=10°
Б =
(*)
где Б - действующее значение параметра, М(у) -мгновенное значение параметра за у-ый отсчёт.
Перечень параметров, получаемых расчётным путём, представлен в табл. 2.
Таблица 2. Таблица параметров источников питания обмоток PF-PF6
Технологическое оборудование Наименование параметра Обоз-наче-ние Кол-во Диапазон измерения Ед. изм.
Блок релейной защиты трансформатора ДЗ тока (по фазам) Т/ 6 ±3 кА
ДЗ напряжения (по фазам) иТ1/ 6 0...500 В
Унифицированные тиристор-ные преобразователи ДЗ тока ветви тиристора 1 '' 'ХУпт К ±2500 А
ДЗ напряжения на выходе преобразователя Уху 2 0...500 В
Сумма ДЗ тока в ветвях тиристоров 1 ё 1 PFisum 1 ±30 кА
Параметр теплового эквивалента í2t 1ТХУпг К (3,25...4,5)106 А2.с
Нагрузка: обмотка PFi ДЗ напряжения на нагрузке (обмотка PF) UpFd 1 0...500 В
ДЗ тока в нагрузке (обмотка PF) 1'' 1рп 1 ±30 кА
ток в обмотке. Действующие значения тока и напряжения с преобразующих трансформаторов поступают в систему диагностики ИП уже рассчитанные из подсистемы диагностики трансформаторов (БРЗТ). Для получения действующего значения тока в обмотке, равного сумме значений токов в ветвях тиристоров используется следующий алгоритм: суммируются мгновенные значения тока в ветвях тиристоров анодной группы всех УПТ источника питания, относящиеся к одному моменту времени (11Штт) по формуле
Р¥1$ит = I
и=1,3,5...11 V г=1
Действующее значение тока в обмотке (!>&„/) рассчитывается на основании 15-ти мгновенных сумм на интервале времени 7=1,6(6) с по формуле
I * = — 112(»
-1 РЕ1шт 'V 15
Параметр теплового эквивалента характеризует количество тепла, выделяемого на тиристоре за счёт протекания через него тока и рассчитывается для каждого тиристора на основании мгновенных значений тока в ветви тиристора на интервале времени 0,02 с (180 отсчётов) по формуле
Г I-Л2
/ 1 1 ЯП
1Т =
ХУпт
д. 180
112( У)х
У=1
•0,02.
г - число, обозначающее точку измерения. Для фазы/ А первой обмотки г=1, для фазыI В первой обмотки г=2, для фазыI С первой обмотки 1=3, для фазыI А второй обмотки г=4, для фазы В второй обмотки г=5, для фазыI С второй обмотки г=6
По формуле (*) рассчитываются действующие значения напряжения на выходе преобразователя, напряжения на обмотке управления, действующий
Все измерения и расчеты ДЗ параметров производятся на скользящем интервале без синхронизации с начала и до конца работы ИП.
Для составления алгоритмов контроля параметров ИП в целях противоаварийной защиты и предупредительной сигнализации составлен список возможных аварийных ситуаций: • Выход из строя отдельного тиристора, который может потерять вентильные свойства вслед-
ствие перегрева или пробоя чрезмерно высоким напряжением;
• Короткое замыкание на шинах переменного или выпрямленного тока;
• Недопустимая перегрузка/короткое замыкание;
• Двухфазное или однофазное опрокидывание инвертора (прорыв инвертора), которое может произойти в режиме инвертирования тока из обмотки в сеть [4];
• Непредвиденное отключение напряжения в сети переменного тока 10 кВ при работе ИП в нормальном или инверторном режиме;
• Отсутствие синхросигнала от блока фазовой синхронизации;
• Техническая неисправность системы управления. На основании перечисленных возможных аварийных ситуаций и перечня действующих значений параметров ИП составлен перечень параметров контроля и оперативной диагностики ИП (табл. 3). В перечне параметров контроля и диагностики определены контролируемые параметры ИП обмоток PF¡, регламентные уставки для каждого из параметров и защитные действия при превышении нормы на 1 %.
Таблица 3. Таблица параметров контроля и оперативной диагностики ИП
Параметр Уставка Контрольная процедура Защитное действие
Upf? 950 В Сравнение с уставкой >950 Аварийное отключение ИП
1 d IPfl ±15 кА для /=1,2,3,6 ±30 кА для /=4,5 Сравнение модуля параметра с уставкой И > 15/30
AlxYnr 0,1 (10 %) Сравнение с уставкой А1хг„ > 0,1 Блокировка запуска, предупредительное сообщение
Ы„, 0,05 (5 %) Сравнение с уставкой Мрй > 0,05
UxYd 950 В Сравнение с уставкой иху' >950 Аварийное отключение ИП
ITXYnr 3,25-106А2-с 1ТХУпг<3,25-106 Блокировка запуска, предупредительное сообщение
lid 12,5 кА Сравнение с уставкой ^ >12,5 Аварийное отключение ИП
UTzd 370 В и^г" >370
SYNC Наличие синхросигнала Проверка наличия синхросигнала
сравнивается с уставкой, и если он меньше 3,25-106, то делается вывод о перегреве тиристора, и выполняется соответствующее защитное действие.
Разбаланс действующих значений токов в ветвях тиристоров относительно среднего значения характеризует неравномерность токов, протекающих через параллельно соединённые тиристоры:
3
^ 1 ХУпг
AIVYnr =
3
- Ix
Значение разбаланса токов тиристоров в преобразователе не должно превышать 10 %, что соответствует техническим условиям на УТП. Вычисление разницы между суммой токов в ветвях тиристоров и током в обмотке (измеряется системой управления плазмой независимо от СЦУ ИП) необходимо для определения адекватности работы измерительных каналов и вычислительных систем. Если разница значений превышает 5 %, то делается вывод о неисправности в измерительной системе или возникновении ошибки в вычислительной системе, и выполняется соответствующее защитное действие. Расчёт производится по формуле
- Ip
Значения уставок по току и напряжению на обмотке, напряжению на выходе УТП, току и напряжению на вторичных обмотках трансформатора определяются как максимально допустимые значения, исходя их характеристик силовых элементов ИП.
В качестве уставки для параметра теплового эквивалента принято паспортное значение для тиристора ЖШ00 за период 20 мс. Параметр
=
При отсутствии сигнала с датчика тока на обмотке можно осуществлять управление источником питания на основании данных с блоков ПИТ (вместо действующего тока в обмотке использовать сумму токов в ветвях тиристоров Imum).
Так же необходима проверка наличия синхросигнала SYNC от центрального блока синхронизации.
Возможны два вида защитных действий при возникновении аварийной ситуации:
1. Аварийное отключение, которое предполагает отключение ИП от сети 10 кВ при помощи управляемого размыкателя одновременно с открытием всех тиристоров в УТП за счёт подачи угла открытия а=0°.
2. Блокировка запуска, которая предполагает запрет на включение ИП и выдачу предупредительного сообщения оператору. Алгоритмы измерения параметров и оперативной диагностики были опробованы на макете источника питания обмотки PF в Томском политехническом университете, и была показана их работоспособность. Описанные алгоритмы можно применять для оперативной диагностики источников питания, в которых используются трёхфазные ти-ристорные выпрямители.
Работы выполнены в Томском политехническом университете по заказу Национального ядерного центра Республики Казахстан в рамках проекта по созданию Казахстанского ма-териаловедческого токамака КТМ.
r= 1
d
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Азизов Э.А., Тажибаева В.С. Казахстанский материаловедче-ский токамак КТМ и вопросы термоядерного синтеза. - Алма-ты, 2006. - 236 с.
2. Павлов В.М., Байструков К.И., Сьянов АА. Программное обеспечение системы управления источниками питания обмоток магнитного поля установок типа ТОКАМАК // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2007. - № 7. - С. 15-19.
3. Немцев Г.А., Ефремов Л.Г. Энергетическая электроника. - М.: Пресс-сервис, 1994. - С. 85-87.
4. Беркович Е.И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И. и др. Полупроводниковые выпрямители. - М.: Энергия, 1978. - 448 с., ил.
Поступила 30.03.2009 г.
УДК 681.5
ВЛИЯНИЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ УЗЛОВ ИНТЕРПОЛИРОВАНИЯ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ И СИНТЕЗА САУ ВЕЩЕСТВЕННЫМ ИНТЕРПОЛЯЦИОННЫМ МЕТОДОМ
С.В. Замятин, Д.А. Плотников, А.С. Алексеев
Томский политехнический университет E-mail: zamsv@tpu.ru, plotdm@gmail.com
Рассмотрены результаты работы алгоритмов автоматической настройки коэффициентов регулятора САУ на основе вещественного интерполяционного метода. Показано влияние положения узлов на основные показатели качества системы управления, получаемой в результате синтеза. Приведены оценки точности получаемых решений.
Ключевые слова:
Идентификация, автоматическая настройка, вещественный интерполяционный метод.
В современной теории управления одной из важных задач является задача управления объектом в условиях изменения его параметров. Данная задача характерна для всех реальных систем автоматического управления. Изменение параметров объекта может происходить по разным причинам: влияние внешних воздействий, старение оборудования, также это может являться особенностью объекта, как, например, изменение массы груза и длины тросов в подъемных механизмах.
В настоящее время существует два основных пути решения подобных задач. Первый путь - это поиск такого стационарного закона управления, который обеспечил бы функционирование системы или даже гарантировал некоторое качество ее работы при любых возможных изменениях параметров объекта. Такой подход называется робастным [1]. Его преимущества заключаются в простоте аппаратной реализации и, как следствие, надежности. Хотя поиск такого закона управления достаточно трудоемок. Недостатком данного подхода является то, что величина области изменения параметров объекта значительно зависит от требований, предъявляемых к качеству работы системы.
Второй путь, позволяющий решать подобные задачи - создание самонастраивающейся системы управления, закон управления которой изменяется в зависимости от изменения параметров объекта [2-4]. Основным преимуществом данного подхода является возможность обеспечить желаемое качество работы системы при значительных изменениях параметров объекта. Под желаемым качеством
здесь понимается функционирование системы с требуемыми прямыми показателями качества переходных процессов. Подобное свойство становится еще более важным, если речь идет о многоконтурных системах. В таком случае сохранение формы переходных процессов, а значит и математической модели, внутренних контуров позволяет использовать стационарные регуляторы внешних контуров.
Вещественный интерполяционный метод
Разработанные алгоритмы опираются на вещественный интерполяционный метод [1], включающий совокупность подходов, приемов и алгоритмов расчета и исследования динамических систем. Метод базируется на вещественном интегральном преобразовании, которое определено формулой прямого перехода
да
^(5) = |/(Г)е~а', 8е [С, да], С > 0,
0
в которой функции-оригиналу/(I) ставится в соответствие изображение Д5)
Соотношение имеет смысл прямого преобразования и получило название 5-преобразования.
Для выполнения математических преобразований вещественных функций с помощью вычислительной техники необходимо осуществить переход от непрерывных функций-изображений Д5) к их дискретным аналогам. Дискретной формой вещественных функций-изображений является численная характеристика (ЧХ). Она определена как со-
