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JPS6058839B2 - Plasma current control device - Google Patents
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JPS6058839B2 - Plasma current control device - Google Patents

Plasma current control device

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Publication number
JPS6058839B2
JPS6058839B2 JP53005291A JP529178A JPS6058839B2 JP S6058839 B2 JPS6058839 B2 JP S6058839B2 JP 53005291 A JP53005291 A JP 53005291A JP 529178 A JP529178 A JP 529178A JP S6058839 B2 JPS6058839 B2 JP S6058839B2
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JP
Japan
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current
plasma
coil
control
plasma current
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JP53005291A
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Japanese (ja)
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JPS5499896A (en
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直久 都築
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

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  • Plasma Technology (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は核融合装置などにおいて、長時間プラズマを
維持することのできるプラズマ電流制御装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a plasma current control device that can maintain plasma for a long time in a nuclear fusion device or the like.

核融合による発電を目的としたトカマク装置などのプ
ラズマ装置においては、プラズマを真空容器内に閉じ込
めるためにプラズマ中に流すプラズマ電流が重要な役割
を果す。このプラズマ電流の大きさの変動はプラズマ自
体の変動を生ずる。プラズマの変動によりプラズマが真
空容器の内壁に衝突すれば、プラズマのエネルギーが失
なわれ、長時間にわたつてプラズマを維持することが困
難 となる。またプラズマの急激な変動は、プラズマ装
置の各部に過度の誘導電圧や電磁的な応力を発生させる
ため、きわめて危険てある。 本発明は上記事由に基づ
いて行なわれ、プラズマ電流を制御することにより、プ
ラズマを安全かつ長時間にわたつて維持することのでき
る、プラズマ電流制御装置を提供することを目的とする
In plasma devices such as tokamaks that aim to generate electricity through nuclear fusion, the plasma current that flows through the plasma plays an important role in confining the plasma within a vacuum vessel. Fluctuations in the magnitude of this plasma current cause fluctuations in the plasma itself. If the plasma collides with the inner wall of the vacuum vessel due to plasma fluctuations, the energy of the plasma is lost, making it difficult to maintain the plasma for a long time. Furthermore, rapid fluctuations in plasma are extremely dangerous because they generate excessive induced voltage and electromagnetic stress in various parts of the plasma device. The present invention was carried out based on the above reasons, and an object of the present invention is to provide a plasma current control device that can safely maintain plasma for a long time by controlling the plasma current.

以下本発明を図面に示す一実施例に基づいて説明する
。トカマク装置においては、プラズマは円環状(トーラ
ス状)の真空容器内部につくられる。したがつてプラズ
マも円環状になつていて、その円環の軸方向にプラズマ
電流(以下Ipと記す)を流すので、プラズマは1つの
回路、すなわち第1図におけるプラズマ回路1を構成す
るプラズマ回路1に近接して変流器コイル3が設置され
る。変流器コイル3には変流器コイル電流(以下Ifと
記す)を制御電源装置5から供給する。Ifの変化は電
磁誘導によりIpを励起する。 すなわち変流器コイル
3と、プラズマ回路1と”は変圧器の1次巻線と2次巻
線に対応する。制御電源装置5は電源制御信号(以下U
と記す)の入力を受けて、それに比例する変流器コイル
電圧(以下Vfと記す)を出力する。つまり制御電源装
置5は、電力増幅の機能をもち、位相制御を行・うサイ
リスタ装置などにより実現される。Ifは、コイル電流
検出器4により検出する。またIpは、プラズマ電流検
出器2により検出する。Ipを検出する方法としては、
通常ロゴスキーコイルと称するコイルをプラズマ周辺に
配置してIpのつくる磁場を検出し、これを用いてIp
を算出する方法が行なわれる。IfおよびIpの検出値
は、フィードバックループを介して制御調節部分6に入
力される。
The present invention will be described below based on an embodiment shown in the drawings. In a tokamak device, plasma is created inside a torus-shaped vacuum vessel. Therefore, the plasma is also annular, and a plasma current (hereinafter referred to as Ip) is passed in the axial direction of the annular ring, so that the plasma forms one circuit, that is, the plasma circuit configuring plasma circuit 1 in FIG. 1, a current transformer coil 3 is installed. A current transformer coil current (hereinafter referred to as If) is supplied to the current transformer coil 3 from a control power supply device 5. A change in If excites Ip by electromagnetic induction. In other words, the current transformer coil 3 and the plasma circuit 1 correspond to the primary and secondary windings of the transformer.
The current transformer coil voltage (hereinafter referred to as Vf) proportional to the input voltage is outputted. In other words, the controlled power supply device 5 is realized by a thyristor device or the like that has a power amplification function and performs phase control. If is detected by the coil current detector 4. Further, Ip is detected by a plasma current detector 2. As a method to detect IP,
A coil called a Rogowski coil is usually placed around the plasma to detect the magnetic field created by Ip.
A method of calculating is performed. The detected values of If and Ip are input to the control adjustment section 6 via a feedback loop.

制御調節部分6では、これらのフィードバック量や外部
から与えられる基準値に加減乗除、積分、微分などの演
算や種々の判定を行い、Uを出力し制御電源装置5に与
える。制御調節部分6は上述のように演算機能をもつた
めアナログ計算機またはディジタル計算機が用いられる
。さらに第2図に示すブロック図を用いて、本発明の構
成を詳しく述べる。
The control adjustment section 6 performs calculations such as addition, subtraction, multiplication, division, integration, and differentiation, and various judgments on these feedback amounts and reference values given from the outside, and outputs U to be applied to the control power supply device 5 . The control adjustment section 6 has an arithmetic function as described above, so an analog computer or a digital computer is used. Further, the configuration of the present invention will be described in detail using the block diagram shown in FIG.

制御対象特性7は、前記第1図におけるプラズマ回路1
と、変流器コイル3との特性を伝達関数であられしてい
る。制御対象特性7は、If,Ip間伝達関数8、Ip
,If間伝達関数9、変流器コイル伝達関数11および
If加算部10より成る。If,Ip伝達関数8は、I
fを入力、Ipを出力とし、Ip,If伝達関数9は、
Ipを入力、変流器コイル逆誘起電流(以下1f2と記
す)を出力とする不完全微分形の伝達関数である。変流
器コイル伝達関数はVfを入力、変流器コイル特性電流
(以下1f1と記す)を出力とする1次遅れ形の伝達関
数である。IflとIfとはIf加算部10において加
え合わされIfを生する。制御電源装置5は、電源特性
14で示されるように、むだ時間と1次遅れで表現され
る。
The controlled object characteristic 7 is the plasma circuit 1 in FIG.
The characteristics of the current transformer coil 3 and the current transformer coil 3 are expressed by a transfer function. The controlled object characteristic 7 is a transfer function 8 between If and Ip, Ip
, If transfer function 9, current transformer coil transfer function 11, and If adder 10. If, Ip transfer function 8 is I
With f as input and Ip as output, Ip, If transfer function 9 is
This is an incompletely differentiated transfer function with Ip as input and current transformer coil reverse induced current (hereinafter referred to as 1f2) as output. The current transformer coil transfer function is a first-order lag type transfer function in which Vf is input and the current transformer coil characteristic current (hereinafter referred to as 1f1) is output. Ifl and If are added in an If adder 10 to produce If. The controlled power supply device 5 is expressed by a dead time and a first-order delay, as shown by a power supply characteristic 14.

電源特性14はuが入力、Vfが出力となる。コイル電
流検出器4は、コイル電流検出特性12であられされ、
Ifを入力、If検出値(以下1fdと記す)を出力と
する。プラズマ電流検出器2はプラズマ電流検出特性1
3によつてあられされ、Ipを入力、■p検出値(以下
1pdと記す)を出力とする。コイル電流検出特性12
、およびプラズマ電流検出特性13はいずれも1次遅れ
やむだ時間でJ表現される。次に、制御調節部分6の特
性を伝達関数により、説明する。
In the power supply characteristic 14, u is the input and Vf is the output. The coil current detector 4 has coil current detection characteristics 12,
If is input, and If detection value (hereinafter referred to as 1fd) is output. Plasma current detector 2 has plasma current detection characteristics 1
3, Ip is input, and p detection value (hereinafter referred to as 1pd) is output. Coil current detection characteristics 12
, and the plasma current detection characteristic 13 are all expressed by J in first-order delay and dead time. Next, the characteristics of the control adjustment section 6 will be explained using a transfer function.

制御調節部分6は、コイル電流制御部分16、コイル電
流比較部分17、プラズマ電流制御部分18、プラズマ
電流比較部分19おくよび1p基準値設定部分20より
成る。コイル電流制御部分16は、コイル電流比較部分
17でコイル電流基準値(以下1f0と記す)と、If
dとを比較して得た差、すなわちを入力とし、これに比
例積分演算を施してuを出力する。
The control adjustment section 6 includes a coil current control section 16, a coil current comparison section 17, a plasma current control section 18, a plasma current comparison section 19, and a 1p reference value setting section 20. The coil current control section 16 uses a coil current comparison section 17 to determine the coil current reference value (hereinafter referred to as 1f0) and If
The difference obtained by comparing d with d is input, and a proportional integral operation is performed on this to output u.

したがつて、コイル電流制御部分16、制御電源特性1
4、変流器コイル特性11、コイル電流検出特性12は
コイル電流制御フィードバックループ21を構成する。
プラズマ電流制御部分18は、プラズマ電流比較部分1
9でプラズマ電流基準値(以下1p0と記す)とIpd
とを比較して得た差を入力とし、これに比例積分演算を
2重に施し、IfOを出力する。
Therefore, the coil current control portion 16, control power supply characteristics 1
4. The current transformer coil characteristic 11 and the coil current detection characteristic 12 constitute a coil current control feedback loop 21.
The plasma current control section 18 is connected to the plasma current comparison section 1.
9, the plasma current reference value (hereinafter referred to as 1p0) and Ipd
The difference obtained by comparing is input, and the proportional-integral calculation is performed twice, and IfO is output.

したがつて、プラズマ電流制御特性18、コイル電流フ
ィードバックループ21、If,Ip間伝達関数8、及
びプラズマ電流検・出特性13はプラズマ電流制御フィ
ードバックループ22を構成する。基準値設定部分20
は、あらかじめ設定されるか、または外部から与えられ
るプラズマ電流の基準値をIpOとして出力する。
Therefore, the plasma current control characteristic 18, the coil current feedback loop 21, the transfer function 8 between If and Ip, and the plasma current detection/output characteristic 13 constitute a plasma current control feedback loop 22. Reference value setting part 20
outputs a plasma current reference value set in advance or given from the outside as IpO.

ただし、IpdとIpOを”比較判定し、IpOとIp
dの差があらかじめ設定しておいた値ER以上のとき、
IpOを設定変更し、とする。
However, by comparing and determining Ipd and IpO, IpO and Ip
When the difference in d is greater than the preset value ER,
Change the settings of IpO.

次に本発明の作用を説明する。Next, the operation of the present invention will be explained.

コイル電流制御フィードバックループ21は、IfOが
与えられてEfが零になるようコイル電流制御部分16
が動作するため、IfはIfOに一致しようとする。す
なわち、Ifが制御される。プラズマ電流制御フィード
バックループ22は、プラズマ電流制御部分18が2重
の比例積分で構成されるため、If,Ip間伝達関数8
が微分形であつても、この微分形が比例積分の一方によ
り打消され、他方の比例積分は残るので、一巡ループを
積分形にできる。したがつて与えられたIpOに対して
Epが零になるように、すなわちIpがIpOに一致す
るように、プラズマ電流制御フィードバックループ22
が動作する。
The coil current control feedback loop 21 controls the coil current control section 16 so that Ef becomes zero given IfO.
operates, so If tries to match IfO. That is, If is controlled. The plasma current control feedback loop 22 has a transfer function 8 between If and Ip because the plasma current control section 18 is composed of a double proportional integral.
Even if is a differential form, this differential form is canceled by one of the proportional integrals, and the other proportional integral remains, so the loop can be made into an integral form. Therefore, for a given IpO, the plasma current control feedback loop 22 is set so that Ep becomes zero, that is, Ip matches IpO.
works.

なお、前記(2)式において負の符号をつけた理由は、
If,Ip間伝達関数8で位相が反転するからである。
基準値設定部分20は、IpOとIpとの差が大きすぎ
るときに自動的にIpOの設定変更を行い、制御系の飽
和や過度の電圧の発生またはそれに伴うIpの急激な変
化を防止する。最近、世界各国で将来のエネルギー源と
して核融合装置の開発が進められており、その中でもト
カマク装置は最も有望視されている。トカマク装置にお
いては、プラズマ電流を流すことがプラズマ閉じ込めの
ため、本質的に重要である。したがつて本発明によつて
プラズマ電流を制御することは、トカマク装置に対して
特に有効である。トカマク装置では、上述した変流器コ
イルのほかに、トロイダルコイル、垂直磁場コイル、四
重極磁場コイルなど各種のコイルが、それぞれの機能別
に設置されている。前記第1図及び第2図では、プラズ
マ電流制御に直接関係のある変流器コイルのみ考慮し、
他のコイルは省略した。以上本発明について詳述したが
、本発明はまた下記の場合にも同様に適用することがで
きる。
The reason for adding a negative sign to the above equation (2) is as follows.
This is because the phase is reversed in the transfer function 8 between If and Ip.
The reference value setting section 20 automatically changes the setting of IpO when the difference between IpO and Ip is too large, and prevents saturation of the control system, generation of excessive voltage, and sudden changes in Ip associated therewith. Nuclear fusion devices have recently been developed as a future energy source in countries around the world, and tokamak devices are considered the most promising. In tokamak devices, flowing plasma current is essentially important for plasma confinement. Therefore, controlling plasma current according to the present invention is particularly effective for tokamak devices. In a tokamak device, in addition to the current transformer coil described above, various coils such as a toroidal coil, a vertical magnetic field coil, and a quadrupole magnetic field coil are installed for each function. In FIGS. 1 and 2, only the current transformer coils directly related to plasma current control are considered;
Other coils were omitted. Although the present invention has been described in detail above, the present invention can also be similarly applied to the following cases.

すなわち、(1)コイル電流制御部分16、コイル電流
検出特性12およびIf比較部分17を取り除きu=I
fOとする場合。
That is, (1) the coil current control section 16, the coil current detection characteristic 12, and the If comparison section 17 are removed and u=I
When fO.

つまりIfのマイナー制御を行わない場合。(Ii)コ
イル電流比較部分17に外部からプログラム制御基準値
1fpを加えてIfを操作する場合。
In other words, if minor control of If is not performed. (Ii) When the program control reference value 1fp is added to the coil current comparison section 17 from the outside to manipulate If.

(Iii)プラズマ抵抗η9などのプラズマの性質は大
幅に変化する。
(iii) Plasma properties such as plasma resistance η9 change significantly.

プラズマ電流制御部分18の比例ゲインや積分時間をプ
ラズマの性質の変化に合わせて変える場合。このように
して本発明によれば、Ipのフィードバック制御によつ
て、Ipを精度良く制御できる。
When changing the proportional gain and integration time of the plasma current control section 18 in accordance with changes in plasma properties. In this way, according to the present invention, Ip can be controlled with high accuracy by feedback control of Ip.

また、Ifのフィードバック制御を行つているのでコイ
ル短絡事故などのときにもIfは制御される。したがつ
て電源装置の保護上有利である。さらにIp<!:.1
POの差が大きすぎるときは、1p0の設定変更を行い
急激な変動を回避できるので、装置の保護および危険防
止に役立つ等、機多効果のあるプラズマ電流制御装置を
提供できる。
Furthermore, since feedback control of If is performed, If is controlled even in the event of a coil short circuit accident. Therefore, it is advantageous in terms of protecting the power supply device. Furthermore, Ip<! :. 1
When the difference in PO is too large, a sudden change can be avoided by changing the setting of 1p0, so that it is possible to provide a plasma current control device with many benefits, such as being useful for protecting the device and preventing danger.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

図面は本発明の一実施例を示し、第1図は本発明の概略
構成図、第2図は本発明の詳細な説明及び作用を説明す
るブロック図である。 1・・・・・・プラズマ回路、2・・・・・・プラズマ
電流検出器、3・・・・・・変流器コイル、4・・・・
・・コイル電流検出器、5・・・・・・制御電源装置、
6・・・・・・制御調節部分、7・・・・・・制御対象
特性、8・・・・・・■F,Ip間伝達関数、9・・・
・・・Ip,If間伝達関数、10・・・・・If加・
算部、11・・・・・・変流器コイル特性、12・・・
・コイル電流検出特性、13・・・・・・プラズマ電流
検出特性、14・・・・・・制御電源特性、16・・・
・コイル電流制御部分、17・・・・コイル電流比較部
分、18・・・・・プラズマ電流制御部分、19・・・
・・・プラズマ電流・比較部分、20・・・・・・基準
値設定部分、21・・・・・コイル電流制御フィードバ
ックループ、22・・・・・・プラズマ電流制御フィー
ドバックループ。
The drawings show one embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram illustrating the detailed explanation and operation of the present invention. 1... Plasma circuit, 2... Plasma current detector, 3... Current transformer coil, 4...
...Coil current detector, 5...Control power supply device,
6...Control adjustment part, 7...Characteristics of controlled object, 8...■F, Ip transfer function, 9...
...Transfer function between Ip and If, 10...If addition...
Calculation section, 11...Current transformer coil characteristics, 12...
・Coil current detection characteristics, 13... Plasma current detection characteristics, 14... Control power supply characteristics, 16...
・Coil current control part, 17... Coil current comparison part, 18... Plasma current control part, 19...
. . . Plasma current/comparison section, 20 . . . Reference value setting section, 21 . . . Coil current control feedback loop, 22 . . . Plasma current control feedback loop.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 プラズマ電流を励起する変流器コイルを備えたプラ
ズマ装置において、電源制御信号を入力して前記変流器
コイルに変流器コイル電圧を供給する制御電源装置と、
前記変流器コイルの電流を検出するコイル電流検出器と
、前記プラズマ電流を検出するプラズマ電流検出器と、
このプラズマ電流検出器の出力をプラズマ電流フィード
バックループを介して入力して設定されたプラズマ電流
基準との比較を行い、この誤差にプラズマ電流制御演算
を施し前記変流器コイルのコイル電流基準値を生じ、こ
のコイル電流基準値とコイル電流フィードバックループ
を介して入力される前記コイル電流検出器の出力とを比
較してこの誤差にコイル電流制御演算を施して前記電源
制御信号を出力する制御調節部分とから成るプラズマ電
流制御装置。
1. In a plasma device equipped with a current transformer coil that excites plasma current, a control power supply device that inputs a power control signal and supplies a current transformer coil voltage to the current transformer coil;
a coil current detector that detects the current of the current transformer coil; a plasma current detector that detects the plasma current;
The output of this plasma current detector is input through a plasma current feedback loop and compared with a set plasma current reference, and this error is subjected to plasma current control calculations to determine the coil current reference value of the current transformer coil. a control adjustment section that compares this coil current reference value with the output of the coil current detector input via a coil current feedback loop, performs a coil current control calculation on this error, and outputs the power supply control signal; A plasma current control device consisting of.
JP53005291A 1978-01-23 1978-01-23 Plasma current control device Expired JPS6058839B2 (en)

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