DE102008058363B4

DE102008058363B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Steuerstabes in einem Kernreaktor

Info

Publication number: DE102008058363B4
Application number: DE102008058363A
Authority: DE
Inventors: Michael Wieland
Original assignee: Areva NP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2028-11-21
Also published as: DE102008058363A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Position eines durch einen elektrischen Steuerstabantrieb (10) entlang eines Stellweges verschiebbaren Steuerstabes (8) in einem Kernreaktor (2),
• bei dem ein induktives Sensorsystem (22) mit einer Mehrzahl von über den Stellweg verteilt angeordneten Spulenpaaren (C₁ bis C₁₂) mit je einer mit Wechselspannung beaufschlagbaren Primärspule und einer induktiv mit der Primärspule gekoppelten Sekundärspule vorgesehen ist, wobei die induktive Kopplung des jeweiligen Spulenpaares (C₁ bis C₁₂) durch die Stellung des Steuerstabes (8) beeinflusst wird, und wobei anhand der an den Sekundärspulen abgegriffenen Sekundärspannungen (U₁ bis U₁₂) ein erster Positionskennwert für den Steuerstab (8) bestimmt wird,
• bei dem der Steuerstabantrieb (10) einen für Wechselstrombetrieb ausgelegten Synchronmotor (12) mit einem rotierend gelagerten Läufer umfasst, wobei während eines Verstellvorganges der zeitliche Verlauf der an den Synchronmotor (12) angelegten Betriebsspannung (U_M) gemessen und daraus der vom Läufer seit Beginn des Verstellvorganges überstrichene Gesamtdreh winkel ermittelt wird, und wobei...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Position eines durch einen elektrischen Steuerstabantrieb entlang eines Stellweges verschiebbaren Steuerstabes in einem Kernreaktor, bei dem ein induktives Sensorsystem mit einer Mehrzahl von über den Stellweg verteilt angeordneten Spulenpaaren mit je einer mit Wechselspannung beaufschlagbaren Primärspule und einer induktiv mit der Primärspule gekoppelten Sekundärspule vorgesehen ist, wobei die induktive Kopplung des jeweiligen Spulenpaares durch die Stellung des Steuerstabes beeinflusst wird, und wobei anhand der an den Sekundärspulen abgegriffenen Sekundärspannungen ein erster Positionskennwert für den Steuerstab bestimmt wird. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine entsprechende Vorrichtung.
Ein Steuerstab, je nach Reaktortyp auch als Regelstab oder Steuerelement bezeichnet, dient zur Regelung und zur Abschaltung eines Kernreaktors. Wenn sich ein Steuerstab im Reaktorkern befindet, absorbiert er einen Teil der durch die Kernspaltung frei gesetzten Neutronen, so dass diese nicht für weitere Kernspaltungen zur Verfügung stehen. Auf diese Weise wird das unkontrollierte Anwachsen der Kettenreaktion im Reaktor verhindert. Neben anderen Möglichkeiten zur Regelung eines Kernreaktors kann die Leistung auch durch das mehr oder weniger tiefe Einfahren der Steuerstäbe in den Reaktorkern geregelt werden. Je tiefer die Steuerstäbe in den Reaktorkern eingefahren sind, desto mehr Neutronen werden absorbiert, und die Leistung des Reaktors sinkt. Durch das vollständige Einfahren der Steuerstäbe kann die Kettenreaktion völlig unterbunden und der Reaktor abgeschaltet werden.
Die Stellung der Steuerstäbe in einem Reaktorkern ist damit eine hochgradig sicherheitsrelevante Information, die durch besonders zuverlässige Messsysteme überwacht werden sollte.
Bei bestimmten Typen von Druckwasserreaktoren russischer Bauart ist zu diesem Zweck ein induktives Sensorsystem vorgesehen. Es umfasst für jeden der zu überwachenden Steuerstäbe eine Mehrzahl von über dessen Stellweg verteilt angeordneten Spulenpaaren mit je einer mit Wechselspannung beaufschlagbaren Primärspule und einer induktiv mit der Primärspule gekoppelten Sekundärspule, an der ein induktiv übertragenes Sekundärspannungssignal abgreifbar ist. Am Steuerstab ist ein mit einem Eisenkern versehener Impulsgeber angebracht, der bei der Verstellung des Steuerstabes an den Spulenpaaren vorbei bzw. durch diese hindurchbewegt wird und dabei deren Induktivität beeinflusst. Dasjenige Spulenpaar, in dessen Ausdehnungsbereich der als Spulenkern wirksame Impulsgeber sich gerade befindet, besitzt eine größere Induktivität als die anderen, vorzugsweise identisch aufgebauten und dimensionierten Spulenpaare, so dass das dort abgegriffene Sekundärspannungssignal gegenüber den anderen Sekundärspannungssignalen eine größere Amplitude aufweist.
Durch Messung und Vergleich aller Sekundärspannungssignale ist damit im Ergebnis eine Bestimmung der Position des Impulsgebers und somit der Stellung des Steuerstabes ermöglicht, wobei die Ortsauflösung der Messung im Wesentlichen durch die Anzahl und die räumliche Verteilung der Messspulen festgelegt ist. Das heißt, die auf diesem Messprinzip beruhende Stabstellungsanzeige liefert vergleichsweise grobgliedrige, diskrete Werte, die in der Art einer Zonenanzeige angeben, in welcher der den Spulen zugeordneten Raumzonen sich der Steuerstab momentan befindet. Bei einem Stellweg von insgesamt beispielsweise 2500 mm und bei zehn gleichmäßig über den Stellweg verteilten Spulenpaaren liegt die erreichbare Ortsauflösung dann bei rund 250 mm.
Aus DD 140 181 A ist ein Verfahren zur Ermittlung der Position eines Steuerstabs bekannt, bei welchem sowohl ein induktives Sensorsystem aus einer Mehrzahl von Transformatoren als auch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Gesamtdrehwinkels des Antriebsmotors herangezogen werden.
Im Zuge weltweit angehobener Sicherheitsstandards wird nunmehr gerade auch bei Altanlagen russischer Bauart, bei denen das oben beschriebene Messsystem zum Einsatz kommt, angestrebt, bei gleichbleibender Zuverlässigkeit die Genauigkeit der Stabstellungsanzeige zu erhöhen. Dabei sollte der zur Nach- oder Umrüstung der bestehenden Anlage notwendige Aufwand möglichst gering gehalten sein. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung anzugeben, welche die genannten Anforderungen erfüllen.
In Bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 wiedergegebenen Merkmale gelöst.
Ergänzend zu der eingangs genannten induktiven Messmethode, anhand derer ein erster Positionskennwert für den Steuerstab bestimmt wird, ist somit vorgesehen,

• dass der Steuerstabantrieb einen für Wechselstrombetrieb ausgelegten Synchronmotor mit einem rotierend gelagerten Läufer umfasst, wobei während eines Verstellvorganges der zeitliche Verlauf der an den Synchronmotor angelegten Betriebsspannung gemessen und daraus der vom Läufer seit Beginn des Verstellvorganges überstrichene Gesamtdrehwinkel ermittelt wird, und wobei bei bekannter Ausgangsposition des Steuerstabes anhand des ermittelten Gesamtdrehwinkels ein zweiter Positionskennwert für den Steuerstab bestimmt wird,
• dass mindestens einer der beiden so ermittelten Positionskennwerte und/oder ein aus beiden Positionskennwerten abgeleiteter dritter Positionskennwert auf einer Anzeigeeinheit angezeigt wird, und
• dass der Motorlauf auf das Auftreten von Schlupf, also auf ein Abweichen von der unterstellten Synchronizität mit dem Drehfeld, überwacht und bei festgestelltem Schlupf des Synchronmotors die Anzeige des aus der Betriebsspannung abgeleiteten zweiten Positionskennwertes bis zu einer Neukalibrierung unterdrückt wird. Dazu werden als weitere Sensoren mechanische oder optische Drehzahlgeber eingesetzt und bei der Signalauswertung berücksichtigt.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass das zwar ungenaue aber als betriebsbewährt und zuverlässig anzusehende induktive Messkonzept beibehalten und möglichst wenig modifiziert werden sollte. Stattdessen wird das bereits bestehende induktive Messsystem nunmehr durch ein diversitäres Messsystem ergänzt und unterstützt, das sich mit gering gehaltenem technischem Aufwand realisieren und an die bereits vorhandenen Komponenten anbinden lässt.
Die zusätzliche Messung beruht auf dem Grundgedanken, dass der zum Antrieb des Steuerstabes vorgesehene Synchronmotor einen Läufer aufweist, der dem im Stator erzeugten magnetischen Drehfeld normalerweise synchron folgt. Das heißt, die Drehzahl des Läufers ist über die Pohlpaarzahl mit der Frequenz der anliegenden Wechselspannung verknüpft und zu dieser proportional. Durch die starre Kopplung der Winkellage des Läufers an die Frequenz der aufgeprägten Betriebsspannung lässt sich im Prinzip durch einfaches Abzählen der Schwingungsperioden die Anzahl der Motorumdrehungen und damit bei bekannter Getriebeübersetzung des Antriebsstrangs auch der (lineare) Verstellweg des Steuerstabes mit vergleichsweise hoher Ortsauflösung von z. B. 5 mm oder weniger bestimmen.
Allerdings ist zu berücksichtigen, dass das auf der Messung der Phasenlage des Steuerstabmotors beruhende Messprinzip vergleichsweise indirekt ist und daher – trotz der unter normalen Umständen erzielbaren hohen Genauigkeit – in bestimmten Betriebssituationen unzuverlässig bzw. fehlerbehaftet sein kann. Dies kann z. B. nach einem vorübergehenden Stromausfall in der Auswerteeinheit der Fall sein, wenn die Zählung der durchlaufenen Spannungsperioden zwischenzeitlich unterbrochen wurde, oder nach einer Schnellabschaltung des Reaktors. Problematisch ist auch das Auftreten von Schlupf im Antriebsmotor, wenn dieser etwa in Folge zu hoher Belastung „durchrutscht” oder „hängt” und ausnahmsweise nicht dem anliegenden Drehfeld exakt folgt.
Für derartige Fälle, die im Allgemeinen gut identifizierbar sind, sollte vorteilhafterweise das bewährte und robuste induktive Messsystem als „Backup” bereitstehen. Außerdem kann anhand des von ihm ausgegebenen ersten Positionskennwertes (Zonenangabe) der aus der Überwachung der Betriebsspannung des Antriebsmotors abgeleitete zweite Positionskennwert überprüft werden; der zweite Wert sollte nämlich normalerweise innerhalb der (Genauigkeits-)Grenzen des ersten Wertes, sprich innerhalb der induktiv ermittelten Zone liegen. Darüber hinaus können die induktiven Zonengrenzen bei Bedarf auch zur Kalibrierung der phasenbasierten Messmethode herangezogen werden, wie weiter unten noch näher ausgeführt wird.
Je nach Betriebsstatus sind damit beispielsweise folgende Anzeigemodi denkbar:

1. Anzeige des phasenbasierten Positionskennwertes (höchste Ortsauflösung)
2. Anzeige des an den induktiven Zonengrenzen rekalibrierten phasenbasierten Positionskennwertes
3. Anzeige des induktionsbasierten Positionskennwertes (Zonenangabe)

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Synchronmotor für einen Betrieb mit Ein- oder Mehrphasen-Wechselstrom ausgelegt, wobei bei jedem Durchgang einer der Phasen der Betriebsspannung durch einen vorgegebenen Spannungsschwellwert, vorzugsweise Null, in einer zugehörigen Auswerteeinheit ein Zähler um eins erhöht wird, und wobei jedem Zeitintervall zwischen zwei aufeinander folgenden Durchgängen ein Winkelsegment des Läufers mit einem eingeschlossenen Drehwinkel von bekannter und vorzugsweise fester Größe zugeordnet ist. Der zur Berechnung des Steuerstab-Verstellweges erforderliche Gesamtdrehwinkel lässt sich dann durch Aufsummation der Teilwinkel ermitteln, d. h. bei festem Basisdrehwinkel durch Multiplikation des Basisdrehwinkels mit demjenigen Wert, um den sich der Zählerstand in der Auswerteeinheit seit Beginn des Verstellvorganges erhöht hat.
In einer Variante, die sich besonders einfach mit verfügbaren und zertifizierten elektrischen Standardkomponenten realisieren lässt, weist der Synchronmotor des Steuerstabantriebes drei Polpaare auf und wird von einer zugehörigen Stromversorgungseinheit (elektronisch geregelter Wechselrichter oder Frequenzumrichter) mit Dreiphasen-Wechselstrom beaufschlagt, so dass der Basiswinkel, um den der Läufer zwischen dem Nulldurchgang einer Phase und dem Nulldurchgang der unmittelbar nacheilenden Phase rotiert, 60° beträgt.
Vorteilhafterweise wird jeder Phase der gemessenen Betriebsspannung ein Binärsignal zugeordnet, das entweder den Wert „0” oder „1” annimmt, je nachdem ob der gemessene Spannungswert größer/gleich dem vorgegebenen Spannungsschwellwert oder kleiner ist, wobei der Zähler in der Auswerteeinheit bei jedem Wertewechsel eines der Binärsignale um eins erhöht wird. Die Binärsignale lassen sich direkt in einem digitalen Steuer- oder Leitsystem speichern und digital weiterverarbeiten.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn nicht nur die Anzahl der vom Läufer des Antriebsmotors überstrichenen Winkelsegmente gezählt wird, sondern wenn aus dem zeitlichen Verlauf aller Binärsignale auf den zeitlichen Verlauf der Winkelstellung des Läufers geschlossen wird, wobei die dabei ermittelte zeitliche Abfolge der Winkelsegmente einer Plausibilitätsprüfung unterworfen wird. Damit können evtl. Unregelmäßigkeiten in der Spannungsversorgung des Antriebsmotors, bei der Spannungsmessung, bei der Phasenzuordnung sowie bei der Digitalisierung und weiteren Signalverarbeitung, die die Zuverlässigkeit des abgeleiteten Positionskennwertes in Frage stellen, erkannt werden.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist eine Selbstjustierungsprozedur vorgesehen, bei der der aus der Messung der Betriebsspannung des Synchronmotors abgeleitete zweite Positionskennwert während des Verstellvorganges an ausgewählten Kalibrierpositionen, die anhand der Messsignale des induktiven Sensorsystems festgelegt sind, überprüft und gegebenenfalls kalibriert wird.
Dabei ist vorteilhafterweise die jeweilige Kalibrierposition dadurch definiert, dass sich der Steuerstab im Übergangsbereich von einer zu einem Spulenpaar gehörigen Raumzone zu einer zum nächsten Spulenpaar gehörigen Raumzone befindet, so dass der Einfluss des Steuerstabes auf die induktive Kopplung von Primärspule und Sekundärspule bei diesen beiden Spulenpaaren im Wesentlichen gleich stark ist. Gemäß der eingangs beschriebenen Funktionsweise des induktiven Messsystems ist die Spannungsüberhöhung der beiden zugehörigen Sekundärspannungssignale gegenüber dem Grundzustand in diesen Kalibrierpunkten dann jeweils gleich groß, was erstens leicht detektierbar und zweitens räumlich besonders gut und präzise lokalisiert ist. Die so definierten Kalibrierpunkte brauchen daher lediglich einmal vorab in der Art einer Eichmessung vermessen und der jeweiligen Steuerstabstellung zugeordnet zu werden und stehen dann für die dynamische Rekalibrierung der phasenbasierten Messmethode zur Verfügung. Darüber hinaus kann selbstverständlich auch eine Rekalibrierung an den mechanischen Endanschlägen des Steuerstabantriebes vorgesehen sein.
Was die Vorrichtung betrifft, so wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8.
Dabei können die Auswerteeinheiten für die beiden Messsysteme separat und unabhängig voneinander ausgebildet oder alternativ in einer gemeinsamen Hardwareeinheit untergebracht und insbesondere in Form von Softwaremodulen realisiert sein, wobei gemäß den üblichen kerntechnischen Auslegungsbedingungen auch redundante Auswertungsstränge vorgesehen sein können.
Die in Bezug auf das Verfahren geschilderten Vorteile und Weiterbildungen gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Einbeziehung einer zusätzlichen Messgröße, nämlich die Phasenlage der Stromversorgung des Steuerstab-Antriebsmotors, das existierende spulenbasierte Messsystem für die Steuerstabstellungsmessung in einem Kernreaktor derart erweitert bzw. nachgerüstet werden kann, dass bei gering gehaltenem Integrationsaufwand sowohl Sicherheitsaspekte als auch gesteigerte Genauigkeitsanforderungen erfüllt werden. Durch die robuste „Segmentierung” der Information über die Phasenlage des Dreiphasen-Drehfeldes ist auch bei einem Spannungsverlauf, der deutlich von der idealtypischen Sinusform abweicht, eine verlässliche Auswertung mit geringem Rechenaufwand ermöglicht.
Da nach bestimmten Betriebsvorgängen, z. B. nach Schnellabschaltung, die Messung des Drehfeldes keine verlässliche Information über die tatsächliche Steuerstabstellung mehr liefert, wurde außerdem ein Selbstjustierungsalgorithmus im plementiert, der automatisch die geforderte Genauigkeit der Stabstellungsmessung wieder herstellt, sobald der Steuerstab bestimmte Kalibrierpunkte erreicht. Durch die Automatisierung der Kalibrierung während des Betriebs des Steuerstabantriebes ergibt sich eine erhebliche Zeitersparnis gegenüber einer manuellen Kalibrierung nach Anlagenstillstand.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 ein Messsystem zur Ermittlung der Stellung eines Steuerstabes in einem Kernreaktor,
2 ein erstes Ensemble von Messsignalen, die in dem Messsystem gemäß 1 ausgewertet werden, jeweils als Funktion der Zeit aufgetragen,
3 ein zweites Ensemble von Messsignalen, die in dem Messsystem gemäß 1 ausgewertet werden, und
4 eine grafische Darstellung der Auswertungsschritte bei der Auswertung der Messsignale gemäß 3.
1 zeigt in grob vereinfachter und schematisierter Form ausgewählte Komponenten eines Kernreaktors 2, hier eines Druckwasserreaktors. Innerhalb eines durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Sicherheitscontainments 4 befindet sich in einem hier nicht näher dargestellten Reaktordruckbehälter ein mit spaltbarem Material beladener Reaktorkern 6. Zur Steuerung der Kernreaktion im Reaktorkern 6 ist eine Mehrzahl von länglichen Steuerstäben 8 vorgesehen, die über einen zugehörigen Steuerstabantrieb 10 je nach Bedarf mehr oder weniger tief in den Reaktorkern 6 eingefahren werden können. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist hier nur eine einzige Einheit aus Steuerstab 8 und Steuerstabantrieb 10 dargestellt.
Der Steuerstabantrieb 10 umfasst einen elektrischen Antriebsmotor 12, vorliegend einen für Betrieb mit Dreiphasen-Wechselstrom ausgelegten Synchronmotor, der über einen hier lediglich durch einen Pfeil angedeuteten mechanischen Antriebsstrang 14 auf den Steuerstab 8 einwirkt. Der Steuerstab 8 kann auf diese Weise in Stellrichtung 16 bewegt, d. h. mehr oder weniger weit in den Reaktorkern 6 abgesenkt oder aus ihm herausgezogen werden. Die untere Anschlagsposition ist in 1 gestrichelt eingezeichnet.
Zur Strom-/Spannungsversorgung des Antriebsmotors 12 ist ein auch als Low Frequency Converter (LFC) bezeichneter Wechselrichter oder Frequenzumrichter 18 vorgesehen, der seinerseits durch das elektrische Eigenversorgungsnetz (nicht dargestellt) des Kernreaktors 2 mit elektrischem Strom/mit elektrischer Spannung versorgt wird. Die Ansteuerung des Frequenzumrichters 18 erfolgt durch die zur Leitebene des Kernreaktors 2 gehörige Steuer- bzw. Regeleinrichtung 20.
Für eine besonders präzise und zuverlässige Messung der aktuellen Position des jeweiligen Steuerstabes 8, ausgedrückt beispielsweise durch die Hubhöhe gegenüber der unteren Anschlagsposition, ist vorliegend für jeden der Steuerstäbe 8 ein zweigliedriges Messsystem vorgesehen, dessen beide diversitär ausgelegten Stränge sich wechselseitig ergänzen:
Zum einen ist ein induktives Sensorsystem 22 vorgesehen. Es umfasst eine Mehrzahl von über den Stellweg des Steuerstabes 8 verteilt angeordneten Spulenpaaren C₁, C₂, ... mit je einer mit Wechselspannung beaufschlagbaren Primärspule und einer in der Art eines Transformators induktiv mit der Primärspule gekoppelten Sekundärspule. Konkret sind beispielsweise zwölf gleichmäßig über den Stellweg des Steuerstabes 8 verteilte Spulenpaare C₁, ..., C₁₂ vorgesehen, von denen in 1 zur zeichnerischen Vereinfachung allerdings nur drei dargestellt sind. Die Spulenpaare C₁, C₂, ... sind im Wesentlichen gleichartig aufgebaut und hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften gleich dimensioniert. Die Primärspulen sind in Serie geschaltet und werden von einem gemeinsamen Wechselstrom I_P durchflossen. An den Sekundärspulen werden die Sekundärspannungen U₁ bis U₁₂ ab gegriffen und den Signaleingängen S₁ bis S₁₂ einer elektronischen Auswerteeinheit 24 zugeführt. Am Steuerstab 8 ist ein als Eisenkern ausgebildeter Impulsgeber 26 angeordnet, der an den Spulenpaaren C₁, C₂, ... vorbei oder durch sie hindurchbewegt wird, wenn die Stabstellung durch den Steuerstabantrieb 10 verändert wird. Dadurch wird die induktive Kopplung desjenigen Spulenpaares C_i (i = 1, ..., 12), in dessen Nähe sich der Impulsgeber 26 gerade befindet, verstärkt und die Amplitude des zugehörigen Sekundärspannungssignals U_i erhöht. Somit lässt sich aus einem Vergleich aller Sekundärspannungssignale U₁ bis U₁₂ feststellen, in welcher der den einzelnen Spulenpaaren C₁ bis C₁₂ zugeordneten Raumzonen Z₁ bis Z₁₂ sich der Impulsgeber 26 gerade befindet.
Das Prinzip der Signalauswertung ist noch einmal in 2 veranschaulicht. Aufgetragen ist für die ersten drei Spulenpaare C₁, C₂, C₃ das gemessene und gleichgerichtete Sekundärspannungssignal U₁, U₂, U₃ als Funktion der Zeit t, wobei der Steuerstab 8 vom Zeitpunkt t = 0 ausgehend sich mit annähernd konstanter Geschwindigkeit aus seiner unteren Anschlagsposition nach oben bewegt. Zu Beginn befindet sich der Steuerstab 8 also in der unteren Anschlagsposition, in der der Impulsgeber 26 nur das unterste Spulenpaar C₁, das gewissermaßen als Endlagenschalter fungiert, beeinflusst. Damit ist lediglich für das unterste Spulenpaar C₁ die Amplitude des Sekundärspannungssignals U₁ merklich gegenüber dem Grundzustand überhöht. Sobald der Impulsgeber 26 in den Ausdehnungsbereich des nachfolgenden Spulenpaares C₂ eintritt, nimmt die Amplitude des zugehörigen Sekundärspannungssignals U₂ zu, während das Sekundärspannungssignal U₁ des Spulenpaares C₁ rasch abfällt. Der Vorgang wiederholt sich sinngemäß beim Eintritt des Impulsgebers 26 in die höher liegenden Spulenzonen.
Zu beachten ist dabei, dass der detailierte Verlauf und die maximale Höhe der einzelnen „Signalbuckel” thermischen und anderen Schwankungen unterworfen sein können, so dass aus der absoluten Signalhöhe der Sekundärspannungssignale U₁ bis U₁₂ nicht unter allen Umständen verlässlich auf die exakte Steuerstabstellung geschlossen werden kann. Räumlich gut lokalisiert und thermisch stabil sind vor allem die Zonengrenzen, die dadurch definiert sind, dass bei dieser Stel lung des Steuerstabes 8 die Amplituden der Sekundärspannungssignale U_i, U_i+1 aufeinander folgender Spulenpaare C_i, C_i+1 gleich groß sind. Damit ist die Genauigkeit bzw. Ortsauflösung der Stabstellungsmessung, die in der Auswerteeinheit 24 anhand der eingangsseitig anliegenden Sekundärspannungssignale U₁ bis U₁₂ des induktiven Sensorsystems 22 vorgenommen wird, im Wesentlichen auf die Angabe der jeweiligen Zone Z₁ bis Z₁₂, sprich auf eine relativ grobe Bereichsangabe, beschränkt. Eine darüber hinausgehende Interpolation wäre wegen der genannten Fluktuationseffekte nicht immer verlässlich.
Um dennoch bei prinzipieller Beibehaltung und möglichst geringer Modifikation des induktiven Messsystems 22 die Position des Steuerstabes 8 mit größerer Genauigkeit bestimmen zu können, ist bei dem System gemäß 1 die Auswertung einer zusätzlichen Messgröße, nämlich der am Antriebsmotor anliegenden Betriebsspannung U_M vorgesehen. Dabei handelt es sich, wie oben bereits erwähnt, um eine Dreiphasen-Wechselspannung, deren zeitlicher Verlauf in der Praxis allerdings deutlich von einem idealtypischen Dreiphasen-Sinusverlauf abweicht. Ein Beispiel für den tatsächlichen Verlauf der drei Spannungsphasen, hier mit LFC1, LFC2 und LFC3 bezeichnet, als Funktion der Zeit t ist in 3 wiedergegeben. Die drei Phasen LFC1, LFC2, LFC3 werden am Motorstromkreis des Antriebsmotors 12 abgegriffen und der Auswerteeinheit 24 am Signaleingang S_M zur Auswertung zugeführt (der in 1 dargestellte Nullleiter N muss nicht zwingend vorhanden sein). Abweichend von der vereinfachten Darstellung in 1 kann anstelle einer kombinierten Auswerteeinheit 24 auch eine von der Auswerteeinheit des induktiven Messsystems 22 unabhängige bzw. separate Auswerteeinheit vorgesehen sein.
Da der Antriebsmotor 12 als Synchronmotor ausgebildet ist, dessen Läufer normalerweise mit dem im Stator anliegenden Drehfeld synchronisiert ist, kann im Prinzip durch Abzählen der durchlaufenen Schwingungsperioden (oder von Teilen davon) der seit Beginn des Verstellvorganges vom Läufer überstrichene Gesamtdrehwinkel und damit bei bekanntem Übersetzungsverhältnis des Antriebsstranges 14 der (lineare) Verstellweg des Steuerstabes 8 abgeleitet werden. Bei be kannter Ausgangsposition des Steuerstabes 8, etwa in der unteren Endanschlagsstellung, ist dann auch die Absolutposition leicht ermittelbar, etwa als Höhenangabe gegenüber der unteren Endanschlagsstellung.
Konkret erfolgt das Abzählen der Schwingungsperioden in der Auswerteeinheit 24 wie folgt: Zunächst wird für jede der drei Spannungsphasen LFC1, LFC2, LFC3 ein digitales Signal gebildet, das den Wert „1” annimmt, solange der gemessene Spannungswert größer oder gleich einem fest vorgegebenen Schwellwert ist, welcher größer oder gleich Null gewählt ist, und hier im Ausführungsbeispiel bei +10 V festgelegt wurde (bei einem Amplitudenwert von ungefähr +/–80 V). Ansonsten wird dem binären Signal der Wert „0” zugeordnet. Dies ist in 3 durch die verschiedenartig schraffierten Querbalken veranschaulicht, die die Zeitabschnitte markieren, in denen das jeweilige Binärsignal den Wert „1” besitzt. Wenn man mit Blick auf die Funktionsweise des Antriebsmotors 12 davon ausgeht, dass eine volle 360°-Umdrehung des Läufers in sechs aufeinander folgende Winkelsegmente von jeweils 60° unterteilbar ist, dann ergibt sich folgende Tabelle, aus der die Zuordnung der Winkelsegmente zu den Zeitabschnitten, in denen alle drei Binärsignale jeweils einen konstanten Wert aufweisen, hervorgeht:

LFC1 LFC2 LFC3 Winkelsegment

1 0 1 1

0 0 1 2

0 1 1 3

0 1 0 4

1 1 0 5

1 0 0 6
Immer dann, wenn sich der Wert eines der Binärsignale ändert, tritt der Läufer in das nächste Winkelsegment über. Der Sachverhalt ist in 4 veranschaulicht, wobei über der Zeitachse nicht nur die bereits aus 3 bekannten Querbalken für die drei Binärsignale, sondern auch noch solche Querbalken, die das jeweilige Winkelsegment des Läufers repräsentieren, eingetragen sind. Durch Abzählen der Winkelsegmente kann dann der Gesamtdrehwinkel in 60°-Schritten ermittelt und als Indikator für die aktuelle Position des Steuerstabes 8 herangezogen werden.
Da der so ermittelte Positionskennwert im Allgemeinen wesentlich präziser ist als die relativ grobe Zonenangabe des induktiven Sensorsystems 22, wird er auf der an die Auswerteeinheit 24 angeschlossenen Anzeigeeinheit 28 normalerweise vorrangig angezeigt. Der Positionskennwert wird darüber hinaus auch der Regeleinrichtung 20 zugeführt, um so bei Bedarf einen vollständigen, geschlossenen Regelkreislauf zu bilden.
Allerdings könnte es bei besonderen Betriebssituationen, z. B. nach einem Stromausfall in der Auswerteeinheit 24 oder infolge von Motorschlupf, dazu kommen, dass der aus der Messung der Betriebsspannung U_M des Antriebsmotors 12 abgeleitete Positionskennwert als fehlerbehaftet angesehen werden muss. Um derartige Abweichungen schnell detektieren und gegebenenfalls auf einfache Weise korrigieren zu können, ohne den Steuerstab 8 vorher in die untere Anschlagsposition fahren zu müssen, ist vorliegend eine dynamische Kalibrierung des aus der Messung der Motorspannung U_M abgeleiteten Positionskennwertes vorgesehen:
Der so ermittelte Positionskennwert wird dazu während des Verstellvorganges regelmäßig mit dem Positionskennwert aus dem induktiven Messsystem 22 verglichen, und zwar vorzugsweise dann, wenn das induktive Messsystem 22 einen Zonenwechsel signalisiert. Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, sind diese Zonengrenzen zwischen den Zonen Z₁ bis Z₁₂ vergleichsweise genau lokalisiert und bei der induktiven Messung gut reproduzierbar. Sofern in diesen Kalibrierpunkten eine signifikante Abweichung der beiden Positionskennwerte voneinander festgestellt wird, wird der aus der Motorspannung U_M ermittelte Positionskennwert in der Auswerteeinheit 24 korrigiert und auf den zur Lage der Zonengrenze gehörigen Wert – der bei der Inbetriebnahme der Anlage im Rahmen einer einmaligen Eichmessung ermittelt wurde – gesetzt. Der rekalibrierte Positionskennwert wird dann auf der Anzeigeeinheit 28 angezeigt, gegebenenfalls mit einem Hinweis auf die erfolgte Rekalibrierung. Darüber hinaus ist es selbstverständlich weiterhin möglich, den Steuerstab 8 in die untere mechanische Anschlagsposition zurückzufahren, um die Kalibrierung in dieser Position (automatisch oder manuell) vorzunehmen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Position eines durch einen elektrischen Steuerstabantrieb (10) entlang eines Stellweges verschiebbaren Steuerstabes (8) in einem Kernreaktor (2), • bei dem ein induktives Sensorsystem (22) mit einer Mehrzahl von über den Stellweg verteilt angeordneten Spulenpaaren (C₁ bis C₁₂) mit je einer mit Wechselspannung beaufschlagbaren Primärspule und einer induktiv mit der Primärspule gekoppelten Sekundärspule vorgesehen ist, wobei die induktive Kopplung des jeweiligen Spulenpaares (C₁ bis C₁₂) durch die Stellung des Steuerstabes (8) beeinflusst wird, und wobei anhand der an den Sekundärspulen abgegriffenen Sekundärspannungen (U₁ bis U₁₂) ein erster Positionskennwert für den Steuerstab (8) bestimmt wird, • bei dem der Steuerstabantrieb (10) einen für Wechselstrombetrieb ausgelegten Synchronmotor (12) mit einem rotierend gelagerten Läufer umfasst, wobei während eines Verstellvorganges der zeitliche Verlauf der an den Synchronmotor (12) angelegten Betriebsspannung (U_M) gemessen und daraus der vom Läufer seit Beginn des Verstellvorganges überstrichene Gesamtdreh winkel ermittelt wird, und wobei bei bekannter Ausgangsposition des Steuerstabes (8) anhand des ermittelten Gesamtdrehwinkels ein zweiter Positionskennwert für den Steuerstab (8) bestimmt wird, • bei dem mindestens einer der beiden so ermittelten Positionskennwerte und/oder ein aus beiden Positionskennwerten abgeleiteter dritter Positionskennwert auf einer Anzeigeeinheit (28) angezeigt wird, und • bei dem der Motorlauf mit Hilfe von mechanischen oder optischen Drehzahlgebern auf das Auftreten von Schlupf überwacht und bei festgestelltem Schlupf des Synchronmotors (12) die Anzeige des aus der Messung der Betriebsspannung des Synchronmotors (12) abgeleiteten zweiten Positionskennwertes bis zu einer Neukalibrierung unterdrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Synchronmotor (12) für einen Betrieb mit Ein- oder Mehrphasenwechselstrom ausgelegt ist, wobei bei jedem Durchgang einer der Phasen (LFC1, LFC2, LFC3) der Betriebsspannung durch einen vorgegebenen Spannungsschwellwert, vorzugsweise Null, in einer zugehörigen Auswerteeinheit (24) ein Zähler um eins erhöht wird, und wobei jedem Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen ein Winkelsegment des Läufers mit einem eingeschlossenen Basisdrehwinkel von fester Größe zugeordnet ist, so dass der Gesamtdrehwinkel durch Multiplikation des Basisdrehwinkes mit dem Wert, um den sich der Zählerstand erhöht hat, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Synchronmotor (12) mit Dreiphasen-Wechselstrom beaufschlagt wird, wobei der Basisdrehwinkel 60° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem jeder Phase (LFC1, LFC2, LFC3) der gemessenen Betriebsspannung (U_M) ein Binärsignal zugeordnet wird, das entweder den Wert „0” oder „1” annimmt, je nachdem, ob der gemessene Spannungswert größer/gleich dem vorgegebenen Spannungsschwellwert oder kleiner ist, wobei der Zähler in der Auswerteeinheit (24) bei jedem Wertewechsel eines der Binärsignale erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem aus dem zeitlichen Verlauf aller Binärsignale auf den zeitlichen Verlauf der Winkelstellung des Läufers geschlossen wird, wobei die dabei ermittelte zeitliche Abfolge der Winkelsegmente einer Plausibilitätsprüfung unterworfen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der aus der Messung der Betriebsspannung (U_M) des Synchronmotors (12) abgeleitete zweite Positionskennwert während des Verstellvorganges an ausgewählten Kalibrierposi tionen, die anhand der Messsignale des induktiven Sensorsystems (22) festgelegt sind, überprüft und gegebenenfalls kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die jeweilige Kalibrierposition dadurch definiert ist, dass sich der Steuerstab (8) im Übergangsbereich von einer zu einem Spulenpaar (z. B. C₁) gehörigen Raumzone (z. B. Z₁) zu einer zum nächsten Spulenpaar (z. B. C₂) gehörigen Raumzone (z. B. Z₂) befindet, so dass der Einfluss des Steuerstabes (8) auf die induktive Kopplung von Primärspule und Sekundärspule bei diesen beiden Spulenpaaren (z. B. C₁ und C₂) im Wesentlichen gleich stark ist.
Vorrichtung zur Ermittlung der aktuellen Position eines durch einen elektrischen Steuerstabantrieb (10) entlang eines Stellweges verschiebbaren Steuerstabes (8) in einem Kernreaktor (2), • die ein induktives Sensorsystem (22) mit einer Mehrzahl von über den Stell weg verteilt angeordneten Spulenpaaren (C₁ bis C₁₂) mit je einer mit Wechselspannung beaufschlagbaren Primärspule und einer induktiv mit der Primärspule gekoppelten Sekundärspule aufweist, wobei die induktive Kopplung des jeweiligen Spulenpaares (C₁ bis C₁₂) durch die Stellung des Steuerstabes (8) beeinflusst wird, und wobei eine Auswerteeinheit (24) vorgesehen ist, die anhand der an den Sekundärspulen abgegriffenen Sekundärspannungen (U₁ bis U₁₂) einen ersten Positionskennwert für den Steuerstab (8) bestimmt, • deren Steuerstabantrieb (10) einen für Wechselstrombetrieb ausgelegten Synchronmotor (12) mit einem rotierend gelagerten Läufer umfasst, wobei eine Auswerteeinheit (24) vorgesehen ist, die während eines Verstellvorganges den zeitlichen Verlauf der an den Synchronmotor (12) angelegten Betriebsspannung (U_M) misst und daraus den vom Läufer seit Beginn des Verstellvorganges überstrichenen Gesamtdrehwinkel ermittelt, und wobei die Auswerteeinheit (24) bei bekannter Ausgangsposition des Steuerstabes (8) anhand des ermittelten Gesamtdrehwinkels einen zweiten Positionskennwert für den Steuerstab (8) bestimmt, und • wobei die Auswerteeinheit (24) mit Hilfe von mechanischen oder optischen Drehzahlgebern den Motorlauf auf das Auftreten von Schlupf überwacht und bei festgestelltem Schlupf des Synchronmotors (12) die Anzeige des aus der Messung der Betriebsspannung des Synchronmotors (12) abgeleiteten zweiten Positionskennwertes bis zu einer Neukalibrierung unterdrückt, und • die eine Anzeigeeinheit (28) zur Anzeige mindestens eines der beiden so ermittelten Positionskennwerte und/oder eines aus beiden Positionskennwerten abgeleiteten dritten Positionskennwertes aufweist.