CN105553238B - 核电站控制棒驱动机构供电设备及其数字交互式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了核电站控制棒驱动机构供电设备及其数字交互式控制方法，核电站控制棒驱动机构供电设备，其特征在于：包括功率开关管组件S1和功率开关管组件S2，还包括控制信号互换控制装置，控制信号互换控制装置具备分别输出两路控制信号的两个输出端，其中一个输出端与功率开关管组件S1的G端和E端连通，另一个输出端与功率开关管组件S2的G端和E端连通，控制信号互换控制装置能在互换控制信号的时间点处互换2个输出端口的控制信号，两路控制信号分别为脉宽调制信号X1和选通信号X2，互换控制信号的时间点设置在两个功率开关管IGBT都处于开通或者关断的时刻。

Description

核电站控制棒驱动机构供电设备及其数字交互式控制方法

技术领域

本发明涉及核电站控制棒驱动技术，具体涉及核电站控制棒驱动机构供电设备及其数字交互式控制方法。

背景技术

核电厂是通过控制核反应堆的反应性，调节反应堆的输出热功率，推动汽轮机运转进行发电。

控制反应堆的反应性最直接、最快速的手段就是调节具有中子吸收功能的反应堆控制棒在堆芯中的位置。

控制棒在堆芯中位置是通过控制棒驱动机构（CRDM）进行调节，CRDM内部的两个钩爪交替吸合、打开、移动，从而带动挂在CRDM驱动杆上的控制棒在反应堆堆芯活性区中上升、下插和保持不动，使其停留在堆芯中的不同位置，以便吸收不同程度中子数量，从而调节反应堆的反应性，进而调节反应堆的输出功率。

在核电厂中，设计了专用电源系统为CRDM线圈供电，称为棒电源系统，棒电源系统为CRDM提供直流动力电源。CRDM线圈由提升线圈(LC线圈)、传递线圈(MC线圈)、保持线圈(SC线圈)三个线圈组成，每个线圈由单独的电源系统供电模块对其供电，因此棒控电源系统的控制终端即为单个供电模块。

棒电源系统供电模块由控制电源，驱动电源，控制插件和驱动插件组成，如图1所示，其中控制电源和驱动电源分别为控制插件和驱动插件上的器件提供直流电源，通过控制驱动插件主电路中功率开关管的开通和关断，来调节驱动插件主电路的输出，从而为CRDM线圈提供满足其精度和响应速度要求的电源。为了保障CRDM能够按要求动作，驱动插件须具有可靠性高、器件温升不能过大和长期有效运行等优点，才能保证反应堆安全运行。

发明内容

本发明所的目的在于提供核电站控制棒驱动机构供电设备及其数字交互式控制方法，解决了由于传统控制方式不完善所导致的主电路部分器件使用不均衡，温升过大等问题，有效延长了器件的使用寿命，提高了棒电源系统长期运行的可靠性。

本发明的通过下述技术方案实现：核电站控制棒驱动机构供电设备，包括功率开关管组件S1和功率开关管组件S2，功率开关管组件S1和功率开关管组件S2均包括功率开关管IGBT，功率开关管组件S2的功率开关管IGBT的C极与二极管N的正极连接；还包括控制棒驱动机构线圈XQ（CRDM线圈），控制棒驱动机构线圈XQ的一端与功率开关管组件S1的E极连接，控制棒驱动机构线圈XQ的另一端与功率开关管组件S2的C极连接，还包括2个RC组件，第一个RC组件的一端与功率开关管组件S1的C极连接，第一个RC组件的另一端与功率开关管组件S1的E极连接，第二个RC组件的一端与二极管N的负极连接，第二个RC组件的另一端与功率开关管组件S2的E极连接，还包括续流二极管D1和续流二极管D2，续流二极管D1的正极与二极管N的负极连接，续流二极管D1的负极与功率开关管组件S1的C极连接，续流二极管D2的正极与功率开关管组件S2的E极连接，续流二极管D2的负极与功率开关管组件S1的E极连接，功率开关管组件S1的C极连接电源正极，功率开关管组件S2的E极连接电源负极；还包括一端连接电源正极另一端连接电源负极的稳压电容Cm；还包括控制信号互换控制装置，控制信号互换控制装置具备分别输出两路控制信号的两个输出端，其中一个输出端与功率开关管组件S1的G端和E端连通，另一个输出端与功率开关管组件S2的G端和E端连通，控制信号互换控制装置能在互换控制信号的时间点处互换2个输出端口的控制信号，两路控制信号分别为脉宽调制信号X1和选通信号X2，互换控制信号的时间点设置在两个功率开关管IGBT都处于开通或者关断的时刻。

本发明将交互式控制方式应用在棒电源系统供电模块的主电路中，使得主电路中两个功率开关管IGBT周期性地互换控制信号，互换控制信号的时间点设置在两个功率开关管IGBT都处于开通或者关断的时刻。上述交互式控制方式通过数字化实现，互换控制信号的周期可根据实际需要通过控制参数的修改加以调整。

本发明思路是：

通过设备设定两个功率开关管IGBT控制信号互换周期，即设置控制信号互换控制装置，以此来控制两个功率开关管IGBT的控制信号的互换周期，互换周期的设置主要的依据是机柜的散热和温升要求，以及器件本身有效工作的温度区间；

初始阶段，设置其中一个功率开关管IGBT接收脉宽调制信号，另一个功率开关管IGBT接收选通信号；

当运行至设定的互换周期时，两个功率开关管IGBT的控制信号进行互换，即接收脉宽调制信号的功率开关管IGBT转为接收选通信号，而接收选通信号的功率开关管IGBT转为接收脉宽调制信号；

两路IGBT控制信号互换时刻须满足以下条件：达到预设的互换周期；两路控制信号状态相同，即两个功率开关管IGBT都处于开通或者关断。

以此类推，控制信号周期性地在两个功率开关管IGBT间进行互换。

上述结构中，G、E为功率开关管IGBT的控制极，主电路的工作原理如下：功率开关管组件S1和功率开关管组件S2开通时，CRDM线圈电流上升；功率开关管组件S1关断，功率开关管组件S2开通时，CRDM线圈电流经过续流二极管D2进行续流，电流下降；功率开关管组件S1和功率开关管组件S2关断时，CRDM线圈电流经续流二极管D1、续流二极管D2向稳压电容Cm释放电能。

传统结构中的控制信号不进行交互，当供电插件主电路有输出时，开关管功率开关管组件S1(或功率开关管组件S2)接收脉宽调制信号，即处于不断开通、关断状态，而功率开关管组件S2(或功率开关管组件S1)一直处于导通状态，因此功率开关管组件S1(或功率开关管组件S2)开关损耗高，温升较大；同时，续流二极管D2也会长时间处于续流状态，而续流二极管D1则处于“闲置”状态，导致续流二极管D2温升较大，这些都不利于机柜散热；且两路IGBT和二极管使用的不均衡会使得其中一路器件的有效使用寿命降低，从而影响电源设备长期使用的可靠性。

针对传统控制方式的缺陷，本发明提出了将一种交互式控制方式应用在上述CRDM供电插件模块主电路上，此时主电路工作原理如下：t时刻，功率开关管组件S1接收脉宽调制信号，功率开关管组件S2接收选通信号，续流二极管D2起续流作用；t+T时刻，且功率开关管组件S1、功率开关管组件S2都为高电平或者低电平时，功率开关管组件S1、功率开关管组件S2控制信号互换，即功率开关管组件S2接收脉宽调制信号，功率开关管组件S1接收选通信号，续流二极管D1起续流作用，其中T为控制信号的互换周期。交互式控制方法的应用，使得CRDM供电插件模块主电路中的功率开关管组件S1、功率开关管组件S2和续流二极管D1、续流二极管D2的周期性地交替工作。控制信号互换点设置在两路信号状态相同的时刻，即控制信号同为高电平或同为低电平的时刻，以保证主电路的输出电流质量不受影响。

所述脉宽调制信号X1为高低电平交互式信号。

当供电设备有恒定输出时所述选通信号X2为高电平，没有输出或者输出由大变小时为低电平。

所述控制棒驱动机构线圈XQ包括提升线圈(LC线圈)、传递线圈(MC线圈)、保持线圈(SC线圈)。

基于所述的核电站控制棒驱动机构供电设备的数字交互式控制方法，包括以下步骤：

A1：通过控制信号互换控制装置输出脉宽调制信号X1到功率开关管组件S1的G端和E端，通过控制信号互换控制装置输出选通信号X2到功率开关管组件S2的G端和E端；

A2：t时刻，开关管功率开关管组件S1接收脉宽调制信号X1，功率开关管组件S2接收选通信号，续流二极管D2起续流作用；

A3：t+T时刻，功率开关管组件S1、功率开关管组件S2都为高电平或者低电平时，功率开关管组件S1、功率开关管组件S2接收的控制信号互换，功率开关管组件S2接收脉宽调制信号，功率开关管组件S1接收选通信号，续流二极管D1起续流作用，其中T为控制信号的互换周期。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明所设计的交互式控制方法的应用，使得棒电源供电模块主电路中功率开关管组件S1和功率开关管组件S2、流二极管D1和续流二极管D2得到均衡的利用，降低了单个IGBT和二极管单位时间的发热量，减小了其温升，利于电源设备的散热，同时还有效防止器件由于温度过高而损坏情况的发生，延长了器件自身的使用寿命，从而提高了整个电源设备长期使用的可靠性。

附图说明

附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1为CRDM供电设备功能模块示意图。

图2为本发明的电路图。

图3为控制棒提升时CRDM线圈电流。

图4为控制棒插入时CRDM线圈电流。

图5为线圈电流对应的IGBT控制信号示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图2所示，核电站控制棒驱动机构供电设备，包括功率开关管组件S1和功率开关管组件S2，功率开关管组件S1和功率开关管组件S2均包括功率开关管IGBT，功率开关管组件S2的功率开关管IGBT的C极与二极管N的正极连接；还包括控制棒驱动机构线圈XQ，控制棒驱动机构线圈XQ的一端与功率开关管组件S1的E极连接，控制棒驱动机构线圈XQ的另一端与功率开关管组件S2的C极连接，还包括2个RC组件，第一个RC组件的一端与功率开关管组件S1的C极连接，第一个RC组件的另一端与功率开关管组件S1的E极连接，第二个RC组件的一端与二极管N的负极连接，第二个RC组件的另一端与功率开关管组件S2的E极连接，还包括续流二极管D1和续流二极管D2，续流二极管D1的正极与二极管N的负极连接，续流二极管D1的负极与功率开关管组件S1的C极连接，续流二极管D2的正极与功率开关管组件S2的E极连接，续流二极管D2的负极与功率开关管组件S1的E极连接，功率开关管组件S1的C极连接电源正极，功率开关管组件S2的E极连接电源负极；还包括一端连接电源正极另一端连接电源负极的稳压电容Cm；还包括控制信号互换控制装置，控制信号互换控制装置具备分别输出两路控制信号的两个输出端，其中一个输出端与功率开关管组件S1的G端和E端连通，另一个输出端与功率开关管组件S2的G端和E端连通，控制信号互换控制装置能在互换控制信号的时间点处互换2个输出端口的控制信号，两路控制信号分别为脉宽调制信号X1和选通信号X2，互换控制信号的时间点设置在两个功率开关管IGBT都处于开通或者关断的时刻。

本发明将交互式控制方式应用在棒电源系统供电模块的主电路中，使得主电路中两个功率开关管IGBT周期性地互换控制信号，互换控制信号的时间点设置在两个功率开关管IGBT都处于开通或者关断的时刻。上述交互式控制方式通过数字化实现，互换控制信号的周期可根据实际需要通过控制参数的修改加以调整。

本发明思路是：

通过设备设定两个功率开关管IGBT控制信号互换周期，即设置控制信号互换控制装置，以此来控制两个功率开关管IGBT的控制信号的互换周期，互换周期的设置主要的依据是机柜的散热和温升要求，以及器件本身有效工作的温度区间；

初始阶段，设置其中一个功率开关管IGBT接收脉宽调制信号，另一个功率开关管IGBT接收选通信号；

当运行至设定的互换周期时，两个功率开关管IGBT的控制信号进行互换，即接收脉宽调制信号的功率开关管IGBT转为接收选通信号，而接收选通信号的功率开关管IGBT转为接收脉宽调制信号；

两路IGBT控制信号互换时刻须满足以下条件：达到预设的互换周期；两路控制信号状态相同，即两个功率开关管IGBT都处于开通或者关断。

以此类推，控制信号周期性地在两个功率开关管IGBT间进行互换。

上述结构中，G、E为功率开关管IGBT的控制极，主电路的工作原理如下：功率开关管组件S1和功率开关管组件S2开通时，CRDM线圈电流上升；功率开关管组件S1关断，功率开关管组件S2开通时，CRDM线圈电流经过续流二极管D2进行续流，电流下降；功率开关管组件S1和功率开关管组件S2关断时，CRDM线圈电流经续流二极管D1、续流二极管D2向稳压电容Cm释放电能。

传统结构中的控制信号不进行交互，当供电插件主电路有输出时，开关管功率开关管组件S1(或功率开关管组件S2)接收脉宽调制信号，即处于不断开通、关断状态，而功率开关管组件S2(或功率开关管组件S1)一直处于导通状态，因此功率开关管组件S1(或功率开关管组件S2)开关损耗高，温升较大；同时，续流二极管D2也会长时间处于续流状态，而续流二极管D1则处于“闲置”状态，导致续流二极管D2温升较大，这些都不利于机柜散热；且两路IGBT和二极管使用的不均衡会使得其中一路器件的有效使用寿命降低，从而影响电源设备长期使用的可靠性。

针对传统控制方式的缺陷，本发明提出了将一种交互式控制方式应用在上述CRDM供电插件模块主电路上，此时主电路工作原理如下：t时刻，功率开关管组件S1接收脉宽调制信号，功率开关管组件S2接收选通信号，续流二极管D2起续流作用；t+T时刻，且功率开关管组件S1、功率开关管组件S2都为高电平或者低电平时，功率开关管组件S1、功率开关管组件S2控制信号互换，即功率开关管组件S2接收脉宽调制信号，功率开关管组件S1接收选通信号，续流二极管D1起续流作用，其中T为控制信号的互换周期。交互式控制方法的应用，使得CRDM供电插件模块主电路中的功率开关管组件S1、功率开关管组件S2和续流二极管D1、续流二极管D2的周期性地交替工作。控制信号互换点设置在两路信号状态相同的时刻，即控制信号同为高电平或同为低电平的时刻，以保证主电路的输出电流质量不受影响。

所述脉宽调制信号X1为高低电平交互式信号。

当供电设备有恒定输出时所述选通信号X2为高电平，没有输出或者输出由大变小时为低电平。

所述控制棒驱动机构线圈XQ包括提升线圈(LC线圈)、传递线圈(MC线圈)、保持线圈(SC线圈)。

基于所述的核电站控制棒驱动机构供电设备的数字交互式控制方法，包括以下步骤：

A1：通过控制信号互换控制装置输出脉宽调制信号X1到功率开关管组件S1的G端和E端，通过控制信号互换控制装置输出选通信号X2到功率开关管组件S2的G端和E端；

A2：t时刻，开关管功率开关管组件S1接收脉宽调制信号X1，功率开关管组件S2接收选通信号，续流二极管D2起续流作用；

A3：t+T时刻，功率开关管组件S1、功率开关管组件S2都为高电平或者低电平时，功率开关管组件S1、功率开关管组件S2接收的控制信号互换，功率开关管组件S2接收脉宽调制信号，功率开关管组件S1接收选通信号，续流二极管D1起续流作用，其中T为控制信号的互换周期。

反应堆控制棒存在三种状态：提升（LC）、插入（MC）和保持（SC）。提升和插入动作时，CRDM供电模块输出的时序电流分别如图3和图4所示。以控制棒插入时CRDM供电设备LC线圈供电插件的输出(图3中圈内所示)为例来具体介绍两路IGBT控制信号的互换方式，LC线圈供电插件的输出电流时序和所对应的控制信号如图5(示意图)所示。假设电路初始状态为：功率开关管组件S1接收选通信号，功率开关管组件S2接收脉宽调制信号。当满足互换周期条件时，若选通信号和脉宽调制信号同状态即同为高电平或者同为低电平，如图5中三角形对应的开关状态所示，则功率开关管组件S1和功率开关管组件S2控制信号进行互换，即功率开关管组件S1接收脉宽调制信号，功率开关管组件S2接收选通信号；若选通信号和脉宽调制信号状态不同，即两路控制信号电平相反，则等到下一个选通信号和脉宽调制信号同状态时刻再互换功率开关管组件S1和功率开关管组件S2的控制信号。由于CRDM供电设备主电路为对称电路，功率开关管组件S1和功率开关管组件S2为功能对称的两个开关管，因此上述功率开关管组件控制信号的互换不会影响主电路的输出。当控制棒处于保持状态时，LC线圈和MC线圈电流均为0A，SC线圈电流为一定值，因此SC线圈供电插件要输出恒定的直流以满足CRDM功能要求。此时，由于选通信号一直为高电平，因此只有当调制信号也为高电平时，才能进行两路IGBT控制信号的切换。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.核电站控制棒驱动机构供电设备，其特征在于：包括功率开关管组件S1和功率开关管组件S2，功率开关管组件S1和功率开关管组件S2均包括功率开关管IGBT，功率开关管组件S2的功率开关管IGBT的C极与二极管N的正极连接；还包括控制棒驱动机构线圈XQ，控制棒驱动机构线圈XQ的一端与功率开关管组件S1的E极连接，控制棒驱动机构线圈XQ的另一端与功率开关管组件S2的C极连接，还包括2个RC组件，第一个RC组件的一端与功率开关管组件S1的C极连接，第一个RC组件的另一端与功率开关管组件S1的E极连接，第二个RC组件的一端与二极管N的负极连接，第二个RC组件的另一端与功率开关管组件S2的E极连接，还包括续流二极管D1和续流二极管D2，续流二极管D1的正极与二极管N的负极连接，续流二极管D1的负极与功率开关管组件S1的C极连接，续流二极管D2的正极与功率开关管组件S2的E极连接，续流二极管D2的负极与功率开关管组件S1的E极连接，功率开关管组件S1的C极连接电源正极，功率开关管组件S2的E极连接电源负极；还包括一端连接电源正极另一端连接电源负极的稳压电容Cm；还包括控制信号互换控制装置，控制信号互换控制装置具备分别输出两路控制信号的两个输出端，其中一个输出端与功率开关管组件S1的G端和E端连通，另一个输出端与功率开关管组件S2的G端和E端连通，控制信号互换控制装置能在互换控制信号的时间点处互换2个输出端口的控制信号，两路控制信号分别为脉宽调制信号X1和选通信号X2，互换控制信号的时间点设置在两个功率开关管IGBT都处于开通或者关断的时刻。

2.根据权利要求1所述的核电站控制棒驱动机构供电设备，其特征在于：所述脉宽调制信号X1为高低电平交互式信号。

3.根据权利要求1所述的核电站控制棒驱动机构供电设备，其特征在于：当供电设备有恒定输出时所述选通信号X2为高电平，没有输出或者输出由大变小时为低电平。

4.根据权利要求1所述的核电站控制棒驱动机构供电设备，其特征在于：所述控制棒驱动机构线圈XQ包括提升线圈、传递线圈、保持线圈。

5.基于权利要求1至4中任意一项所述的核电站控制棒驱动机构供电设备的数字交互式控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A1：通过控制信号互换控制装置输出脉宽调制信号X1到功率开关管组件S1的G端和E端，通过控制信号互换控制装置输出选通信号X2到功率开关管组件S2的G端和E端；

A2：t时刻，开关管功率开关管组件S1接收脉宽调制信号X1，功率开关管组件S2接收选通信号，续流二极管D2起续流作用；

A3：t+T时刻，功率开关管组件S1、功率开关管组件S2都为高电平或者低电平时，功率开关管组件S1、功率开关管组件S2接收的控制信号互换，功率开关管组件S2接收脉宽调制信号，功率开关管组件S1接收选通信号，续流二极管D1起续流作用，其中T为控制信号的互换周期。