CN113339281B - 一种核电源电磁泵并联驱动控制器 - Google Patents

一种核电源电磁泵并联驱动控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种核电源电磁泵并联驱动控制器，属于核电源电磁泵驱动控制器技术领域，包括多个功能完全相同的驱动控制器单模块，多个所述驱动控制器单模块通过并联扩充功率的方式驱动电磁泵负载；所述驱动控制器单模块包括开关模块、直流隔离升压模块、逆变功率及平滑滤波模块、控制电源供电模块、隔离驱动模块、逆变控制模块、A/D采样模块和输出信号测量调理模块。本发明采用模块化并联冗余设计，能够保证小型核反应堆电源从低功率至满功率、甚至超功率运行时电磁泵能够正常运行，并且可调节电磁泵流量，工作模式灵活。

Description

一种核电源电磁泵并联驱动控制器
技术领域
本发明属于核电源电磁泵驱动控制器技术领域，具体为一种核电源电磁泵并联驱动控制器。
背景技术
核反应堆电源电磁泵相当于核电站主泵，在核反应堆电源正常运行和事故工况下，通过唧送冷却剂将余热和废热运输至散热器。电磁泵驱动控制器要满足体积小、重量轻、高可靠性、高安全性、抗辐射等要求。
截止目前，国内外关于小型核反应堆电源电磁泵驱动控制器的研发情况是：欧美国家仅公布了小型核反应堆电源及部分电磁泵的研发信息和新闻，而国内可以查到的资料也都是核反应堆电源和电磁泵方面的；而针对这一类型驱动控制器，可以查阅到俄罗斯发射的空间核反应堆电源中有个别电源由于反应堆自动控制系统故障导致了提前停堆；而美国针对这方面的信息一直处于保密状态，未公布。
我国目前核电行业整整日上，国内各种小型核反应堆电源都处于研发状态，比如空间核反应堆电源、核电宝、移动核电源等等，但是关于驱动器方面的资料也未公开。
针对以上情况，亟需开展小型核反应堆电源电磁泵驱动控制器的研发。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种核电源电磁泵并联驱动控制器，该控制器能够保证小型核反应堆电源从低功率至满功率、甚至超功率运行时电磁泵能够正常运行，并且可调节电磁泵流量。
为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：
一种核电源电磁泵并联驱动控制器，包括多个功能完全相同的驱动控制器单模块，多个所述驱动控制器单模块通过并联扩充功率的方式驱动电磁泵负载；所述驱动控制器单模块包括：
开关模块，所述开关模块包括核电源输入开关、蓄电池电源输入开关和三相交流电输出开关，分别用于控制核电源输入、蓄电池电源输入和三相交流电输出的通断、切换；
直流隔离升压模块，所述直流隔离升压模块通过全桥LLC拓扑电路实现直流升压功能；
逆变功率及平滑滤波模块，所述逆变功率及平滑滤波模块通过三相全桥结构将直流电转换成三相正弦交流电；
控制电源供电模块，所述控制电源供电模块为控制回路中所有控制器、有源电路、驱动电路提供工作所需要的直流电；
隔离驱动模块，所述隔离驱动模块采用磁隔离驱动电路驱动开关管动作；
逆变控制模块，通过所述逆变控制模块的控制信号驱动开关管动作，实现逆变功能；
A/D采样模块，通过所述A/D采样模块完成模拟量到离散数据量的转化和驱动控制器状态信息的采集；
和输出信号测量调理模块，所述输出信号测量调理模块用于对各种输出信号进行采样、测量和处理。
进一步，如上所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，所述核电源输入开关和蓄电池电源输入开关采用MOSFET管加磁保持继电器的方式实现直流电源输入的开通和关断功能，所述三相交流电输出开关采用继电器或接触器实现开通和关断功能。
再进一步，如上所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，所述核电源输入开关和蓄电池电源输入开关具有过流保护电路，采用熔断器并联方式实现过流保护。
进一步，如上所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，所述直流隔离升压模块2采用以隔离型DC/DC变换器为核心的模拟电路。
进一步，如上所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，所述逆变功率及平滑滤波模块3的主功率开关管采用高压MOSFET管。
进一步，如上所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，所述逆变功率及平滑滤波模块3的输出电路设置有低通滤波器，通过低通滤波器将谐波滤出，保证输出电压的高度正弦特性。
进一步，如上所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，所述控制电源供电模块4采用抗辐照厚膜集成DC/DC电路，所述DC/DC电路包括浪涌抑制电路、继电器组、滤波模块、DC/DC模块和滤波电路；所述继电器组采用三只磁保持继电器串并联的方式实现冗余设计。
进一步，如上所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，所述直流隔离升压模块2的驱动控制电路采用磁隔离驱动的脉宽调制电路，所述逆变功率及平滑滤波模块3的驱动控制电路采用磁隔离驱动的正弦脉宽调制电路。
进一步，如上所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，所述逆变控制模块6采用以SRAM FPGA为核心的控制电路。
进一步，如上所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，所述输出信号测量调理模块8采用霍尔传感器对变换电路中的直流进行采样；采用电流互感器对交流电压及电流进行测量；采用电阻分压的方式对辅助电源供电的状态进行检测；采用温度传感器对电路中元器件的工作温度进行测量。
采用本发明所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，具有以下显著的技术效果：
本发明所述的核电源电磁泵并联驱动控制器采用模块化并联冗余设计，能够保证小型核反应堆电源从低功率至满功率、甚至超功率运行时电磁泵能够正常运行，并且可调节电磁泵流量；工作模式灵活，相对于主备机冷备份冗余架构，在一定程度上降低了产品体积、重量，解决了失电和切换时间的问题；为国内外核电源电磁泵驱动控制器的研发提供了一条切实可行的技术路线。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中提供的一种核电源电磁泵并联驱动控制器的冗余方案示意图；
图2是本发明具体实施方式中提供的一种核电源电磁泵并联驱动控制器的的原理框图；
图3是图2中驱动控制器单模块原理框图；
图4是图3中逆变功率及平滑滤波模块的拓扑电路示意图；
图5是图3中控制电源供电模块原理框图；
图6式图5中继电器组冗余设计原理框图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例与说明书附图对本发明进行进一步的描述。
本发明的核心设计思想是：电磁泵驱动控制器采用模块化并联冗余设计方案，如图1所示，多块完全相同的功能模块通过并联扩充功率的方式，实现任务所需的预热工况、额定工况和不失电要求，通过轮值工作的方式，利用辐照退火效应，降低单机对元器件抗辐照指标的要求，提高单机辐照环境下元器件的工作寿命。采用该方式进行冗余设计，其工作模式灵活，相对于主备机冷备份冗余架构，在一定程度上降低了产品体积、重量，解决了失电和切换时间的问题。
本实施例中，电磁泵驱动控制器采用了五块完全相同的功能模块，其具体的并联冗余工作模式如下：
1)预热工况：A、B机以热备份模式进行工作，C、D、E机均作为其冷备份。
2)额定工况：A、B、C机工作，D、E机作为冷备份，当A、B、C机某一个单模块出现故障后，首先进行故障剥离，随后D机开机并入电网。其优势是在故障及切机过程，不会出现失电情况，电磁泵可以持续得到至少2组模块的持续供电，可能出现的状态为供电电流下降，但在D机并入后，可以解决。
3)长期工作可选用两种模式
第一种模式：3+2冗余模式
A、B、C机工作约定时间后，启动D、E机并网后，A、B机离网；C、D、E机完成同样约定时间后，启动A、B机入网，C、D机离网，依次类推。
第二种模式：3+1+1冗余模式
A、B、C机工作约定时间后，启动D机并网后，A机离网，A、B、C、D机4个模块进行轮值工作，E机做为冷备份。
4)地面遥测遥控
通过对单模块进行输入电压、输出电压、输入电流、输出电流信息收集，实现对单模块的健康管理，判断其性能，预测工况，地面给出指令，从而实现主动并网、离网动作。
图2示出了本发明具体实施方式中提供的核电源电磁泵并联驱动控制器的工作原理示意图，由图中可以看出，驱动控制器由五块完全相同的功能模块通过并联方式驱动电磁泵负载。其中，驱动控制器单模块原理框图如图3所示，驱动控制器单模块包括开关模块1、直流隔离升压模块2、逆变功率及平滑滤波模块3、控制电源供电模块4、隔离驱动模块5、逆变控制模块6、A/D采样模块7和输出信号测量调理模块8，下面分别对每一部分进行进一步的说明。
开关模块1：每个驱动控制器单模块设置了核电源输入开关、蓄电池电源输入开关和三相交流电输出开关三组开关，分别用于对核电源输入、蓄电池电源输入和三相交流电输出的通断、切换控制，实现驱动控制器在自身出现故障时，与系统或并联设备的故障隔离。
核电源输入开关和蓄电池电源输入开关采用MOSFET管加磁保持继电器的方式实现直流电源输入的开通和关断功能；接受脉冲指令信号，所述脉冲指令信号由通讯控制模块给出，切换动作时间小于20ms；输入过流保护电路采用熔断器并联方式实现过流保护；
三相交流电输出开关采用继电器或接触器实现开通和关断功能，接受脉冲指令信号，切换动作时间小于70ms。
直流隔离升压模块2：采用以隔离型DC/DC变换器为核心的模拟电路，通过全桥LLC拓扑电路实现直流升压功能，为后级提供150V～200V之间的直流电源，通过开环控制方式提高功率变换效率，降低热耗。
逆变功率及平滑滤波模块3：通过三相全桥加低通滤波器结构将DC200V直流电转换成线电压为130V/50Hz的三相正弦交流电，驱动电磁泵负载。
逆变功率及平滑滤波模块3的拓扑电路示意图如图4所示，图中主功率开关管选用高压MOSFET管，控制信号通过驱动电路动作开关管，实现逆变功能；输出环节加入由电感电容组成的低通滤波器，将由于开关动作产生的谐波进行滤出，保证输出电压的高度正弦特性。
控制电源供电模块4：驱动控制器数字控制系统中的测量、调理、采集、驱动以及处理器需要各自独立的供电，控制电源供电模块4为控制回路中所有控制器、有源电路、驱动电路提供工作所需要的直流电。控制电源供电模块4的原理框图如图5所示，控制电源供电模块4采用抗辐照厚膜集成DC/DC电路，电路中包括浪涌抑制电路、继电器组、滤波模块、DC/DC模块和滤波电路，其中浪涌抑制电路由功率MOS管、稳压管、阻容等元器件构成，属于经多次飞行验证的成熟线路；继电器组选用磁保持继电器，通过三只继电器串并联实现冗余设计，提高关键部位执行机构的可靠性，继电器组冗余设计原理框图如图6所示。
隔离驱动模块5：驱动电路作为控制电路与主电路的桥梁，必须能够及时有效驱动开关管动作，MOSFET对栅极驱动电路有较高要求。为保证有效驱动开关管，同时满足空间辐射环境的影响，本发明所有开关管的驱动采用磁隔离驱动，由独立辅助源供电，保证驱动能力和可靠性。本实施例中，直流隔离升压模块2的驱动控制电路为磁隔离驱动的脉宽调制电路，逆变功率及平滑滤波模块3的驱动控制电路为磁隔离驱动的正弦脉宽调制电路。
逆变控制模块6：逆变功率模块的控制电路采用以SRAM FPGA芯片为核心的控制单元电路。
A/D采样模块7：主要完成模拟量到离散数据量的转化和驱动控制器状态信息的采集，是通信控制单元做出判断、保护、监测和控制的基础。A/D采集输入接口串20K电阻可调，对回线预留滤波电容措施。
输出信号测量调理模块8：精确的测量是高性能控制所必需的，本发明对主功率电路采用霍尔传感器对变换电路中的直流进行采样；采用电流互感器对交流电压及电流等多种参数信息进行准确测量，检测精度高，抗干扰特性好；采用电阻分压的方式对辅助电源供电的状态进行检测；同时，为了能够全面监测系统运行状态，采用温度传感器对电路中元器件的工作温度进行测量，可以及时对过载、直通等故障情况做出判断和控制，提高驱动控制器的可靠性。
测量调理模块8对测量电路输出的模拟信息进行合适的滤波和变换处理，滤出高频干扰，得到更加准确的信息，同时匹配A/D采集器输入电压，确保高质量的信息采集。
本发明所提供的核电源电磁泵并联驱动控制器，通过采用模块化并联冗余设计，能够保证小型核反应堆电源从低功率至满功率、甚至超功率运行时电磁泵能够正常运行，并且可调节电磁泵流量；工作模式灵活，相对于主备机冷备份冗余架构，在一定程度上降低了产品体积、重量，解决了失电和切换时间的问题；为国内外核电源电磁泵驱动控制器的研发提供了一条切实可行的技术路线。
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种核电源电磁泵并联驱动控制器，其特征在于，包括多个功能完全相同的驱动控制器单模块，多个所述驱动控制器单模块通过并联扩充功率的方式驱动电磁泵负载，所述驱动控制器单模块包括：
开关模块(1)，所述开关模块(1)包括核电源输入开关、蓄电池电源输入开关和三相交流电输出开关，分别用于控制核电源输入、蓄电池电源输入和三相交流电输出的通断、切换；
直流隔离升压模块(2)，所述直流隔离升压模块(2)通过全桥LLC拓扑电路实现直流升压功能；
逆变功率及平滑滤波模块(3)，所述逆变功率及平滑滤波模块(3)通过三相全桥结构将直流电转换成三相正弦交流电；
控制电源供电模块(4)，所述控制电源供电模块(4)为控制回路中所有控制器、有源电路、驱动电路提供工作所需要的直流电；
隔离驱动模块(5)，所述隔离驱动模块(5)采用磁隔离驱动电路驱动开关管动作；
逆变控制模块(6)，通过所述逆变控制模块(6)的控制信号驱动开关管动作，实现逆变功能；
A/D采样模块(7)，通过所述A/D采样模块(7)完成模拟量到离散数据量的转化和驱动控制器状态信息的采集；
和输出信号测量调理模块(8)，所述输出信号测量调理模块(8)用于对各种输出信号进行采样、测量和处理。
2.根据权利 要求1所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，其特征在于，所述核电源输入开关和蓄电池电源输入开关采用MOSFET管加磁保持继电器的方式实现直流电源输入的开通和关断功能，所述三相交流电输出开关采用继电器或接触器实现开通和关断功能。
3.根据权利 要求2所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，其特征在于，所述核电源输入开关和蓄电池电源输入开关具有过流保护电路，采用熔断器并联方式实现过流保护。
4.根据权力要求3所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，其特征在于，所述直流隔离升压模块(2)采用以隔离型DC/DC变换器为核心的模拟电路。
5.根据权利 要求1-4任一项所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，其特征在于，所述逆变功率及平滑滤波模块(3)的主功率开关管采用高压MOSFET管。
6.根据权利 要求5所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，其特征在于，所述逆变功率及平滑滤波模块(3)的输出电路设置有低通滤波器，通过低通滤波器将谐波滤出，保证输出电压的高度正弦特性。
7.根据权利 要求1所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，其特征在于，所述控制电源供电模块(4)采用抗辐照厚膜集成DC/DC电路，所述DC/DC电路包括浪涌抑制电路、继电器组、滤波模块、DC/DC模块和滤波电路；所述继电器组采用三只磁保持继电器串并联的方式实现冗余设计。
8.根据权利 要求1所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，其特征在于，所述直流隔离升压模块(2)的驱动控制电路采用磁隔离驱动的脉宽调制电路，所述逆变功率及平滑滤波模块(3)的驱动控制电路采用磁隔离驱动的正弦脉宽调制电路。
9.根据权利 要求8所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，其特征在于，所述逆变控制模块(6)采用以SRAM FPGA为核心的控制电路。
10.根据权利 要求6-9任一项所述的核电源电磁泵并联驱动控制器，其特征在于，所述输出信号测量调理模块(8)采用霍尔传感器对变换电路中的直流进行采样；采用电流互感器对交流电压及电流进行测量；采用电阻分压的方式对辅助电源供电的状态进行检测；采用温度传感器对电路中元器件的工作温度进行测量。
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