JP2000121768A

JP2000121768A - 原子炉の制御棒制御装置

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Publication number: JP2000121768A
Application number: JP10315427A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Arita; 節男有田; Takehiko Seiji; 岳彦清治; Kazumi Yanagibashi; 和美柳橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-10-19
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】制御棒駆動源に適用した誘導電動機の発生ト
ルクを常にマグネットカップリングのトルク以下にし、
一方、負荷トルクより高く制御し、マグネットカップリ
ングのすべりをなくし、制御棒の位置を正確に計測し、
監視することにある。【解決手段】制御棒６の駆動源に誘導電動機７を連結
し、誘導電動機をオンオフ制御により駆動して制御棒を
原子炉内に挿入／引抜して原子炉出力を制御する原子炉
の制御棒制御装置において、誘導電動機の回転駆動力を
制御棒に伝達するマグネットカップリング１２と、予め
定めた所定時間パルス発振回路１３Ｅのパルス信号のデ
ューティ比を変えて誘導電動機をオンオフ制御し、誘導
電動機に印加する交流電圧の平均電圧を変更する電圧変
更手段１３Ｂ，Ｃ，Ｆを備え、誘導電動機の起動時に、
誘導電動機の発生トルクをマグネットカップリングのト
ルク以下に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子力発電所に設
置される原子炉の制御棒制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】改良型沸騰水型原子力発電所（ＡＢＷ
Ｒ）では、出力制御を行う制御棒の動作を電動駆動で行
う。原子炉の出力制御は、この制御棒の動作により行わ
れる。この制御要求の一つとしては、運転員の制御棒停
止要求に基づき、できる限り遅れ時間がなく、停止する
必要がある。制御棒の動作は、中央制御室制御棒操作監
視盤からの動作指令により、制御棒動作手順に基づき行
われる。制御棒の動作は、ステップモータあるいは誘導
電動機によって行われる。誘導電動機については、ディ
テンドトルクはほぼ０に等しく、固定側の電流を０とし
ても回転子は回る。そのため、誘導電動機を停止させる
ためには、外部から摩擦等によって止める制動ブレーキ
が必要になる。制御棒は炉内に設けられ、誘導電動機は
炉外に設置され、駆動軸が両者を結合している。炉内は
一次冷却水が侵されているため、駆動軸の一部にシール
部材が設けられる。シール部で一次冷却水を完全にシー
ルすることは不可能であり、若干の漏洩を許容してい
る。この漏洩を防止することも目的に、マグネットカッ
プリングを用いることが検討されており、特開平８−８
２６９０号公報に記載されている。誘導電動機の回転力
は駆動軸の途中に設置されたマグネットカップリングを
介して制御棒に伝達される。マグネットカップリング
は、制御棒の駆動軸の下部に設置され、被駆動側の第１
マグネットと、この第１マグネットの外側に一次冷却水
隔壁を隔てて誘導電動機軸に設けた駆動側の第２マグネ
ットを備えたものである。

【０００３】

【発明が解決しょうとする課題】誘導電動機の回転子を
自由に回転できるようにして、軸に機械的負荷をかける
と、回転子は発生したトルクによって回転速度が次第に
上昇する。それに伴って、回転磁界との相対速度、従っ
て、２次電圧及び２次電流の大きさが減少し、トルクが
減少する。発生トルクが負荷トルクと丁度平衡する速度
Ｎで回転を続けることになる。この回転磁界と回転子と
の相対速度（Ｎ_O−Ｎ）と、磁界の同期速度Ｎ_Oとの比Ｓ
をすべりといい、百分率（Ｓ＝（Ｎ_O−Ｎ）／Ｎ_O）で表
される。静止の場合は、Ｓ＝１、同期速度ではＳ＝０で
ある。トルクはすべりＳに比例するため、起動開始時の
トルクは高く、定格回転速度時のトルクは低下する。こ
のように、誘導電動機起動時のトルクは定格トルクより
高く最大となる、この起動時の最大トルクがマグネット
カップリングのトルクより高いと、以下の問題を生じ
る。原子力プラント運転においては、制御棒を駆動する
際、制御棒の位置を正確に計測し、監視する必要があ
る。制御棒駆動源に誘導電動機を適用した際、誘導電動
機の回転力によって制御棒が駆動されるため、この回転
量を計測して制御棒位置を正確に計測している。これ
は、絶対位置測定ではなく相対位置測定であるが、定期
検査時に絶対位置と等しくなるように相対位置が校正さ
れる。計測手段としては、レゾルバ発信機やシンクロ発
信機等が使用される。マグネットカップリングは、制御
棒の駆動軸の下部に設置され、被駆動側の第１マグネッ
トと、この第１マグネットの外側に一次冷却水隔壁を隔
てて誘導電動機軸に設けた駆動側の第２マグネットを備
えたものである。つまり、炉内の一次冷却水がマグネッ
トカップリングによって隔離されている。このため、制
御棒位置手段は、計測信号の取り出し、保守等を考慮す
ると、マグネットカップリングに対して誘導電動機側に
設置されることになる。上述したように、制御棒位置測
定は相対位置検出であるため、制御棒駆動において、誘
導電動機のトルク、特に起動開始時のトルクがマグネッ
トカップリングのトルクより高くなると、マグネットカ
ップリングを構成する第１マグネットと第２マグネット
間にすべりが発生し、制御棒の絶対位置と制御棒位置検
出器の出力である相対位置が異なってしまい、制御棒の
位置を正確に計測し、監視することができなくなる、と
いう問題を生じる。

【０００４】本発明の課題は、上述の点に鑑み、制御棒
駆動源に誘導電動機を適用してマグネットカップリング
を介して制御棒を駆動する場合に、制御棒の位置を正確
に計測し、監視し、誘導電動機の発生トルクをマグネッ
トカップリングのトルク以下となるように制御する原子
炉の制御棒制御装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、制御棒の駆動源に誘導電動機を連結し、誘導電動機
をオンオフ制御により駆動して制御棒を原子炉内に挿入
／引抜して原子炉出力を制御する原子炉の制御棒制御装
置において、誘導電動機の回転駆動力を制御棒に伝達す
るマグネットカップリングと、誘導電動機に印加する交
流電圧の平均電圧を変更する電圧変更手段を備え、誘導
電動機の起動時に、交流電圧の平均電圧を変更し、誘導
電動機の発生トルクをマグネットカップリングのトルク
以下に制御する。ここで、電圧変更手段は、予め定めた
所定時間パルス信号のデューティ比を変えて誘導電動機
をオンオフ制御するパルス発振回路を有し、誘導電動機
に印加する交流電圧の平均電圧を変更する。ここで、電
圧変更手段は、誘導電動機の回転速度を検出する回転速
度判定回路を有し、誘導電動機の回転速度に応じて誘導
電動機に印加する交流電圧の平均電圧を変更する。ここ
で、電圧変更手段は、誘導電動機の起動時には誘導電動
機の固定巻線をＹ結線とし、予め定めた運転速度あるい
は運転時間に達したとき、誘導電動機の固定巻線をΔ結
線とする開閉手段を有し、誘導電動機の回転速度に応じ
て誘導電動機に印加する交流電圧の平均電圧を変更す
る。ここで、電圧変更手段は、パルス信号のデューティ
比が異なる第１のパルス発振回路と第２のパルス発振回
路を有し、原子炉の制御棒の挿入と引抜のとき、第１の
パルス発振回路と第２のパルス発振回路を切り替えて誘
導電動機に印加する交流電圧の平均電圧を変更する。ま
た、制御棒の駆動源に誘導電動機を連結し、誘導電動機
をオンオフ制御により駆動して制御棒を原子炉内に挿入
／引抜して原子炉出力を制御する原子炉の制御棒制御装
置において、誘導電動機の回転駆動力を制御棒に伝達す
るマグネットカップリングと、誘導電動機に印加する交
流電圧を制御する第１の半導体スイッチング素子と、制
御棒の駆動を停止させる電磁ブレーキに印加する電圧を
制御する第２の半導体スイッチング素子と、誘導電動機
の起動時に、第１の半導体スイッチング素子により所定
時間のみ交流電圧をチョッピングし、または、所定の回
転速度以上となるまで交流電圧をチョッピングして誘導
電動機に印加する平均電圧を制御して供給し、その後は
チョッピングを停止して交流電圧を連続して供給する手
段と、誘導電動機の停止時に、第２の半導体スイッチン
グ素子により電磁ブレーキを作動させる電圧を供給する
手段を備える。また、制御棒の駆動源に誘導電動機を連
結し、誘導電動機をオンオフ制御により駆動して前記制
御棒を原子炉内に挿入／引抜して原子炉出力を制御する
原子炉の制御棒制御装置において、誘導電動機の回転駆
動力を制御棒に伝達するマグネットカップリングと、誘
導電動機と制御棒の駆動を停止させる電磁ブレーキに供
給する電力を制御する半導体スイッチング素子を備え、
誘導電動機にはコイルを介して電力を供給する。ここ
で、予め定めた所定時間パルス信号のデューティ比を変
えて誘導電動機をオンオフ制御するパルス発振回路、ま
たは、誘導電動機の回転速度を検出する回転速度判定回
路を有し、誘導電動機に印加する交流電圧の平均電圧を
変更する電圧変更手段を備える。また、制御棒の駆動源
に誘導電動機を連結し、誘導電動機をオンオフ制御によ
り駆動して制御棒を原子炉内に挿入／引抜して原子炉出
力を制御する原子炉の制御棒制御装置において、誘導電
動機の回転駆動力を制御棒に伝達するマグネットカップ
リングと、誘導電動機に印加する交流電圧を制御する第
１の半導体スイッチング素子と、制御棒の駆動を停止さ
せる電磁ブレーキに印加する電圧を制御する第２の半導
体スイッチング素子を備え、誘導電動機にはコイルを介
して電力を供給する。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。各図の番号の等しい部分は相
当部を示す。図１は、本発明の一実施形態として、制御
棒駆動源として誘導電動機を用いた原子力の制御棒制御
装置の構成を示す。本実施形態において、制御される対
象となる原子炉５内には、冷却水１７に浸された状態
で、燃料棒１６が間隔をあけて複数設置されている。燃
料棒１６の間の空間には、挿抜自在に制御棒６が複数本
配置されている。各制御棒６は、それぞれ誘導電動機７
により、制御棒駆動機構１８を介して昇降されて燃料棒
１６の間の空間に挿抜される構造となっている。また、
制御棒駆動機構１８の長手方向、すなわち、制御棒６の
昇降方向に沿って、制御棒６の変位を検出する制御棒位
置検出器８と、誘導電動機７及びこれを停止させるため
の制動ブレーキ１５とが配置されている。誘導電動機７
の軸は結合器２０を介して制御棒の駆動軸に接続されて
いる。結合器２０としては歯車や電磁クラッチなどがあ
る。また、本実施形態において用いられる制御系として
は、制御棒６の操作を行うための機器を有し、中央制御
室に設けられた制御棒操作監視盤１と、誘導電動機７及
び電磁ブレーキ１５の動作を制御するための機器を有す
る制御棒駆動補助盤３と、中央制御室からの制御棒動作
指令内容と現在の制御棒の状態とを比較し、制御棒６の
動作が必要な場合、制御棒駆動補助盤３に動作指令を出
力する制御棒位置伝送補助盤２と、制御棒位置伝送補助
盤の指令を受けて、半導体スイッチング素子４Ｂをオン
オフして電磁ブレーキ１５に供給する整流器４Ａからの
電源を開閉ブレーキ電源装置４を有する。

【０００７】制御棒操作監視盤１は、運転員が操作およ
び監視するための入出力機器（図示せず）と、原子力発
電所での複数の制御棒の引抜、挿入の手順、動作量を予
め決めた制御棒動作手順を記憶する制御棒動作手順記憶
部１１と、入力指令９と制御棒動作手順と比較し、入力
指令に問題がなければ、引抜／挿入指令を制御棒位置伝
送補助盤２に伝える制御棒操作回路１０とを有する。入
出力機器には、制御棒の座標表示を行うための表示装置
と、座標選択ボタンと、制御棒動作モード、挿入、引抜
等の操作指令ボタンの指示入力器とがある。運転員は、
これらの機器により動作を指令する。その信号は、制御
棒操作回路１０に送られる。しかし、ここでもし誤った
制御棒が選択されて、制御棒が引抜かれら場合には、原
子炉の熱的余裕を逸脱し、危険な状態になりかねない。
そこで、制御棒動作手順記憶部１１には、予め制御棒の
引抜、挿入の手順、動作量を決めた制御棒動作手順を記
憶している。従って、複数の制御棒を動作する時、選択
された複数の制御棒が誤りなく動作すべき座標の制御棒
であるか、また、動作量が規定値を越えていないかを常
に監視している。制御棒位置伝送補助盤２は、制御棒位
置検出器８からの信号と制御棒操作監視盤１（中央制御
室）からの信号とが入力され、駆動指令である制御棒引
抜／挿入指令を制御棒駆動補助盤３に出力する。この制
御棒位置伝送補助盤２は、制御棒停止移動量記憶手段２
１、励磁遮断目標位置作成手段２２、励磁遮断目標位置
判定手段２３、制御棒位置判定手段２４、駆動中目標位
置設定手段２５、駆動指令遮断手段２６、移動加算量記
憶手段２７、保持手段２８、目標位置判定手段２９、自
己制御棒位置検出手段３０から成り、各々の制御棒位置
検出器８からの信号と制御棒操作監視盤１（中央制御
室）からの信号をもとにして、制御棒位置が励磁遮断目
標位置作成手段２２から出力する引抜／挿入の目標値ま
で達していなければ、制御棒引抜／挿入指令を制御棒駆
動補助盤３に出力する。一方、動作している制御棒の位
置が励磁遮断目標位置作成手段２２から出力する引抜／
挿入の目標値と一致した場合は、制御棒引抜／挿入指令
の出力を遮断する。制御棒駆動補助盤３は、誘導電動機
７及び電磁ブレーキ１５に供給する電力をオン／オフす
る半導体スイッチング素子１３Ｂと、引抜か挿入かを示
す信号に応じて誘導電動機７の回転方向を決める制御棒
動作方向切換回路１３Ａに出力すると共に、指令を受け
て、半導体スイッチング素子１３Ｂのオンオフ制御を行
うための誘導電動制御回路１３とを有する。半導体スイ
ッチング素子としては、トランジスタ、サイリスタ等で
ある。また、制御棒駆動補助盤３内には、誘導電動機７
の駆動源であるＡＣ電源が入力され、半導体スイッチン
グ素子１３Ｂおよび制御棒動作方向切換回路１３Ａを介
して誘導電動機７および電磁ブレーキ１５に電力が供給
される。例えば、引抜の場合、誘導電動機制御回路１３
は、誘導電動機７の駆動を引抜方向とする切替指令を制
御棒動作方向切換回路１３Ａに出し、さらに、電源オン
とする指令を半導体スイッチング素子１３Ｂに出力す
る。これにより誘導電動機７及び電磁ブレーキ１５に電
圧が供給され、電磁ブレーキ１５のブレーキ力が解除さ
れ、誘導電動機７は制御棒６の引抜側に回転する。これ
により制御棒６は引抜かれる。ここでは、電磁ブレーキ
１５は供給電力オンでブレーキ力を解除するものとして
いる。これにより、誘導電動機７及び電磁ブレーキ１５
への電力を供給する動力ケーブルを共有化させることが
でき、約２００本ある制御棒に対して動力ケーブルを大
幅に削減できる。なお、この点が重要でない場合には、
電磁ブレーキ１５に別装置から独立に電力を供給するよ
うにしてもよい。また、誘導電動機制御回路１３におい
て、１３Ｃはタイマ、１３Ｄは切換スイッチ、１３Ｅは
パルス発振回路、１３Ｆは位相検出回路を表わす。

【０００８】次に、本実施形態の動作について説明す
る。まず、原子力発電所における発電メカニズムについ
て説明する。原子炉圧力容器５内の燃料（ウランやプル
トニウム）が核反応を起こすと、その時に発生する熱を
炉内に満たされた冷却水１７が吸収することにより、冷
却するは沸騰する。沸騰した冷却水は、蒸気１７Ａを発
生し、その蒸気はタービン（図示せず）に送られる。発
電はそのタービンが回転することに行われる。このよう
な構成で燃料の核反応を起こすための制御は、制御棒６
の引抜／挿入により行われる。すなわち、制御棒６が挿
入状態にあれば、核反応のために必要な中性子は制御棒
に吸収されるため、核反応が進まず、従って、蒸気は発
生しない。一方、制御棒６が引抜かれると、核反応は進
み、冷却水が沸騰することにより、蒸気が発生する。

【０００９】次に、制御棒の動作制御について説明す
る。まず、制御棒引抜時の動作について、図１を参照し
て説明する。制御棒の操作は、中央制御室の制御棒操作
監視盤１で行う。制御棒操作監視盤１では、運転員によ
る引抜制御棒座標および制御棒動作モード（連続、ノッ
チ、ステップ）の指定、引抜指令といった制御棒動作指
令９の入力を受け入れる。その信号は、制御棒操作回路
１０に伝えられる。制御棒操作回路１０では、入力指令
と制御棒動作手順とを比較し、入力指令に問題がなけれ
ば、制御棒引抜のための指令を制御棒位置伝送補助盤２
内の励磁遮断目標位置作成手段２２に伝える。制御棒停
止移動量記憶手段２１には、誘導電動機７への電力供給
を遮断する指令が半導体スイッチング素子１３Ｂに出力
されてから制御棒６が停止するまでに移動する制御棒移
動量が記憶されている。励磁遮断目標位置作成手段２２
は、制御棒操作回路１０から出力される引抜目標位置を
受信すると、制御棒停止移動量記憶手段２１に記憶され
ている制御棒移動量を基に、引抜目標位置に対してこの
制御棒移動量だけ手前の目標位置を作成する。この作成
された引抜目標位置が最終的には誘導電動機７への電力
供給を遮断し、かつ、電磁ブレーキ１５を作動させる制
御棒位置になる。この結果、制御棒は、誘導電動機７へ
の電力供給が遮断し、かつ、電磁ブレーキ１５が作動し
てから制御棒停止移動量記憶手段２１に記憶されている
制御棒移動量だけ移動して目標とする位置に停止するこ
とになる。励磁遮断目標位置作成手段２２で作成された
引抜目標位置は励磁遮断目標位置判定手段２３に出力さ
れる。制御棒位置判定手段２４は、各々の制御棒の位置
検出器８からの出力信号を受信し、駆動方向（この場
合、引抜方向）に対して先頭の制御棒位置を検出する。
駆動中目標位置設定手段２５は制御棒位置判定手段２４
によって判定された先頭の制御棒位置と移動加算量記憶
手段２７に記憶されている移動加算量を入力し、これら
を加えて駆動中の目標位置を作成する。移動加算量記憶
手段２７に記憶されている移動加算量とは、誘導電動機
７への電力供給を遮断する指令を半導体スイッチング素
子１３Ｂに出力してから制御棒が停止するまでに移動す
る制御棒移動量あるいはそれ以上の値である。つまり、
現在の先頭の制御棒位置にこの移動加算量を加えて駆動
中の目標位置とすために、駆動によって先頭の制御棒位
置が変われば、それに伴って駆動中の目標位置も更新さ
れることになる。駆動中目標位置設定手段２５の出力信
号は励磁遮断目標位置判定手段２３と保持手段２８に出
力される。励磁遮断目標位置判定手段２３は、励磁遮断
目標位置作成手段２２の出力と駆動中目標位置設定手段
２５の出力を比較し、一致すると、保持手段２８に入力
される駆動中目標位置設定手段２５の出力を保持させる
ための保持指令信号を出力する。保持手段２８は、励磁
遮断目標位置判定手段２３からの保持指令信号が入力さ
れるまでは、駆動中目標位置設定手段２５からの出力信
号をそのまま目標位置判定手段２９に出力する。自己制
御棒位置検出手段３０は駆動される自己の制御棒の位置
を検出するものである。目標位置判定手段２９は、保持
手段２８からの出力信号と自己制御棒位置検出手段３０
からの制御棒位置とを比較し、一致すると、誘導電動機
７への電力供給を遮断し、かつ、電磁ブレーキ１５を作
動させるために、駆動指令遮断手段２６に駆動指令遮断
信号を出力し、半導体スイッチング素子４Ｂに信号を出
力する。駆動指令遮断手段２６は、駆動指令遮断信号を
入力すると、励磁遮断目標位置作成手段２２から出力さ
れる引抜指令（引抜方向、駆動オン）の制御棒駆動補助
盤３への出力を遮断する。また、半導体スイッチング素
子４Ｂは、電磁ブレーキ１５に供給する電力を遮断す
る。これにより制御棒の駆動が遮断され、制御棒が目標
位置に停止することになる。目標位置判定手段２９は、
保持手段２８からの出力信号と自己制御棒位置検出手段
３０からの制御棒位置と比較するが、一致するまでは励
磁遮断目標位置作成手段２２からの駆動指令を制御棒駆
動補助盤３へ出力させるための信号を駆動指令遮断手段
２６に出力する。なお、複数の制御棒を駆動する際に駆
動方向に対して先頭の制御棒位置を基にして移動目標位
置を設定して駆動させることは、負荷条件（例えば、制
御棒駆動機構１８のボール・スクリューナットとの嵌合
の度合、駆動履歴、経年変化等）によって各制御棒間に
わずかな位置ずれが生じていたとしても、停止時には目
標位置を大きく超えて停止する制御棒が存在しないよう
にするためである。さらに、駆動中目標位置設定手段２
５において、制御棒位置判定手段２４によって判定され
た先頭の制御棒位置と移動加算量記憶手段２７に記憶さ
れている移動加算量を加えて駆動中の目標位置を作成す
ることにより、現在位置に対して大きな移動目標量を与
えることがないため、これらの手段に異常が発生しても
制御棒を誤って大きく移動させることがない。

【００１０】誘導電動機制御回路１３は、指令が引抜か
挿入かを調べ、引抜であることを示す信号（切替指令）
を制御棒動作方向切換回路１３Ａに出力すると共に、指
令を受けて、半導体スイッチング素子１３Ｂをオンする
ための信号（オン指令）が出力される。これと同時に制
御棒位置伝送補助盤２からの指令より電磁ブレーキ１５
に電圧が供給され、電磁ブレーキ１５のブレーキ力が解
除され、誘導電動機７は制御棒６の引抜側に回転する。
その際、誘導電動機起動時の高トルクを低減するため
に、以下の制御がなされる。上記オン指令は切替スイッ
チ１３Ｄとタイマ１３Ｃに出力される。タイマ１３Ｃは
誘導電動機起動時の所定期間のみ切替スイッチ１３Ｄを
パルス発振回路１３Ｅ側に切替えさせ、その後切替スイ
ッチ１３Ｄを誘導電動機制御回路１３側に切替えさせる
ものである。パルス発振回路１３Ｅはパルス信号を出力
するが、パルス信号の周波数は位相検出回路１３Ｆによ
って決定づけられる。つまり、誘導電動機７に印加する
交流電圧に同期したパルス信号がパルス発振回路１３Ｅ
から出力されることになる。パルス発振回路１３Ｅから
出力されるパルス信号が誘導電動機起動時の所定時間に
半導体スイッチング素子１３Ｂに出力されることにな
る。パルス発振回路１３Ｅから出力されるパルス信号の
デューティ比は、タイマ１３Ｃからパルス発振回路１３
Ｅに入力される信号によって上記の所定期間で変化し、
時間経過に従って半導体スイッチング素子１３Ｂをオン
している期間が長くなるようになっている。タイマ１３
Ｃによって決定される上記の所定期間が経過すると、切
替スイッチ１３Ｄが誘導電動機制御回路１３側に切替わ
るために、半導体スイッチング素子１３Ｂにはオン信号
のみが印加されることになる。つまり、半導体スイッチ
ング素子１３Ｂは誘導電動機起動時の所定期間にパルス
発振回路１３Ｅから出力されるパルス信号に従って交流
電圧をチョッピングし、このチョッピングした交流電圧
を誘導電動機７に印加し、その後は正弦波の交流電圧を
そのまま印加する。誘導電動機７の発生トルクは、すべ
りＳに比例するため、起動開始時のトルクは高く、定格
回転速度時のトルクは低下する。さらに、誘導電動機７
のトルクは印加する交流電圧の２乗にも比例する。この
ために、上述のように、誘導電動機起動開始時に誘導電
動機７に印加する交流電圧をチョッピングして、その平
均電圧を低下させることにより、誘導電動機起動開始時
の最大トルクを抑制させることが可能になる。この結
果、誘導電動機７の発生トルクを常にマグネットカップ
リング１２のトルク以下にし、負荷トルクよりは高くす
ることが可能となり、マグネットカップリング１２の第
１マグネットと第２マグネット間にすべりが発生するこ
とがなく、制御棒の絶対位置と制御棒位置検出器の出力
である相対位置が常に一致し、制御棒の位置を正確に計
測し監視することができる。なお、誘導電動機制御回路
１３は、停止指令を受けると、半導体スイッチング素子
１３Ｂをオフとすることにより、誘導電動機７への電力
供給が遮断され、誘導電動機７の励磁が解除されると共
に、ブレーキ電源装置４によって電磁ブレーキ１５のブ
レーキ力が働き、制御棒６を目標位置に停止させる。

【００１１】上述の制御に基づく誘導電動機７への印加
電圧と発生トルクの関係を図２に示す。ただし、誘導電
動機７への印加電圧は一相分のみを示す。（ａ）は制御
棒位置伝送補助盤２からの駆動指令に従い、時刻ｔ₁で
誘導電動機制御回路１３がタイマ１３Ｃ及び切替スイッ
チ１３Ｄに出力した誘導電動機７への駆動指令である。
タイマ１３Ｃは、この指令を入力すると、（ｂ）に示す
ように所定時間Ｔだけのパルスを出力する。切替スイッ
チ１３Ｄはタイマ１３Ｃからのパルスに従い所定時間Ｔ
だけパルス発振回路１３Ｅからのパルス信号を半導体ス
イッチング素子１３Ｂに出力するようにスイッチを切替
える。パルス発振回路１３Ｅからのパルス信号は、
（ｄ）に示すように、（ｃ）の交流電圧に同期したパル
スを発生し、かつ、パルス信号のデューティ比は、上記
の所定期間Ｔ内で変化し、時間経過に従ってオンの期間
が長くてオフの期間が短くなっている。このパルス信号
が半導体スイッチング素子１３Ｂに出力されることによ
り、誘導電動機７への印加電圧は（ｅ）（一相分のみ表
示）のように所定期間Ｔまでは交流電圧がチョッピング
された電圧、つまり平均電圧を低下させた電圧となり、
その後は連続した交流電圧となる。この結果、（ｆ）に
示すように、誘導電動機起動開始時の最大トルクが抑制
され、誘導電動機７の発生トルクを常にマグネットカッ
プリング１２のトルク以下にし、負荷トルクよりは高く
することが可能になる。なお、図１及び図２では、パル
ス発振回路１３Ｅからのパルス信号のデューティ比を変
更するようにしたが、誘導電動機７のトルク変動が大き
くなければ、予め定めた一定のデューティ比として、誘
導電動機起動開始時の最大トルクを抑制し、誘導電動機
７の発生トルクを常にマグネットカップリング１２のト
ルク以下にすることが可能である。

【００１２】マグネットカップリングの概略構成を図３
に示す。マグネットカップリングは、制御棒の駆動軸の
下部に設置され、制御棒側の被駆動軸１２Ａ、これに取
り付けられた第１マグネット１２Ｂ、この第１マグネッ
ト１２Ｂの外側に一次冷却水隔壁１２Ｃを隔てて、誘導
電動機側の駆動軸１２Ｅに第２マグネット１２Ｄが取り
付けられた構成となっている。炉内の一次冷却水が一次
冷却水隔壁１２Ｃによって誘導電動機側と隔離されてい
る。詳細は特開平８−８２６９０号公報に記載されてい
る。

【００１３】図４は、本発明の他の実施形態を示す。図
１の実施形態と異なる点は、誘導電動機７の回転速度に
よって誘導電動機トルクを制御することであり、これに
よって、誘導電動機７の発生トルクを常にマグネットカ
ップリング１２のトルク以下にし、負荷トルクより高く
するようにしている。具体的には、図１のタイマ１３Ｃ
に代えて誘導電動機回転速度判定回路１３Ｇを備え、誘
導電動機回転速度判定回路１３Ｇは、位置検出器８から
の出力信号をもとに誘導電動機７の回転速度を判定す
る。さらに、誘導電動機制御回路１３から半導体スイッ
チング素子１３Ｂをオンするための信号（オン指令）が
出力されると、誘導電動機起動時に誘導電動機７の回転
速度が所定以上になるまでは、パルス発振回路１３Ｅか
らのパルス信号を半導体スイッチング素子１３Ｂに出力
するように切替スイッチ１３Ｄに切替指令を与える。こ
の結果、誘導電動機起動時に誘導電動機７の回転速度が
所定以上になるまでは、パルス発振回路１３Ｅからのパ
ルス信号が半導体スイッチング素子１３Ｂに出力され、
チョッピングした交流電圧が誘導電動機７に印加され、
誘導電動機起動時の最大トルクを抑制し、誘導電動機７
の回転速度が所定以上になった後には、正弦波の交流電
圧が印加される。これにより、本実施形態では、誘導電
動機７の発生トルクを常にマグネットカップリング１２
のトルク以下にし、負荷トルクより高くすることができ
る。また、例えば、負荷条件の影響で負荷トルクが変動
して回転速度が所定時間で上昇することができなくなっ
ても、誘導電動機７の発生トルクを常にマグネットカッ
プリング１２のトルク以下にできる特徴がある。なお、
図４では、位置検出器８からの出力信号をもとに誘導電
動機７の回転速度を判定したが、専用の回転速度計を制
御棒駆動機構１８に取付け、その出力で誘導電動機７の
回転速度を判定するようにしてもよい。

【００１４】図５は、本発明の他の実施形態を示す。図
１及び図４の実施形態と異なる点は、誘導電動機起動開
始時にチョッピングした交流電圧を誘導電動機７に印加
して、誘導電動機起動開始時の最大トルクを抑制するの
ではなく、誘導電動機起動時には誘導電動機７の固定巻
線をＹ結線とし、予め定めた回転速度あるいは運転時間
になったら、Δ結線とすることにより、誘導電動機起動
時の印加電圧を低下させて誘導電動機７の発生トルクを
抑制し、誘導電動機７の発生トルクをマグネットカップ
リング１２のトルク以下にしたものである。図５は、図
１の実施形態に対して変形例として示し、相当部は省略
している。誘導電動機７は、固定子巻線７Ａ、７Ｂ、７
Ｃのみを示し、制御棒駆動補助盤３’は誘導電動機制御
回路１３、タイマ１３Ｃ’、制御棒駆動方向切換回路１
３Ａ、開閉手段１３Ｂ’から成る。開閉手段１３Ｂ’は
３台のスイッチが連動して動作する、いわゆる３連スイ
ッチである。共通接点ｃは通常ＮＣ接点に接続し、切換
時にＮＯ接点に接続される。タイマ１３Ｃ’は、誘導電
動機７の駆動指令を誘導電動機制御回路１３から入力す
ると、所定時間まで開閉手段１３Ｂ’の共通接点ｃはＮ
Ｃ接点に接続し、その後ＮＯ接点に切り換わる。この所
定時間とは、図２の（ｂ）と同じである。従って、この
所定時間までの固定子巻線７Ａ、７Ｂ、７Ｃの端点ａ、
ｂ、ｃは互いに接続された状態になる。つまり、固定子
巻線７Ａ、７Ｂ、７ＣはＹ結線の状態になり、この状態
で誘導電動機７が起動することになる。上記所定時間経
過後には、開閉手段１３Ｂ’の共通接点ｃがＮＯ接点に
切り換わる。この結果、固定子巻線７Ａ、７Ｂ、７Ｃは
Δ結線の状態になる。起動時には、固定子１相の巻線に
加わる電圧は線間電圧の１／√３となる。誘導電動機７
のトルクは印加する交流電圧の２乗に比例するため、起
動時の誘導電動機７のトルクはΔ結線で起動する場合の
１／３に減少し、固定子巻線７Ａ、７Ｂ、７ＣをΔ結線
の状態にした時には、定格回転速度あるいはそれに近い
値であるため、誘導電動機７のトルクは十分に低くなっ
ている。以上のように、本実施形態は、固定子巻線の結
線構成を変えて誘導電動機起動開始時に固定子巻線への
印加電圧を低下させ、これにより、誘導電動機７の発生
トルクを抑制し、誘導電動機７の発生トルクをマグネッ
トカップリング１２のトルク以下にすることができる。
また、本実施形態では、誘導電動機起動時に交流電圧を
チョッピングしないため、チョッピングによる電力消費
がなく、開閉手段１３Ｂ’を必要以上に大容量のものに
する必要がない。なお、図５では、タイマ１３Ｃ’によ
って開閉手段１３Ｂ’を切り換えたが、図４のように誘
導電動機回転速度判定回路１３Ｇによって開閉手段１３
Ｂ’を切り換えてもよい。

【００１５】図６は、本発明の他の実施形態を示す。、
これまでの実施形態と異なる点は、誘導電動機７及び電
磁ブレーキ１５への電力供給を制御する半導体スイッチ
ング素子１３Ｂから、誘導電動機７にはコイルＬを介し
て電力を供給する構成としたことである。誘導電動機制
御回路１３は、指令が引抜か挿入かを調べ、引抜である
ことを示す信号（切替信号）を制御棒動作方向切換回路
１３Ａに出力すると共に、指令を受けて半導体スイッチ
ング素子１３Ｂをオンとする。これにより、誘導電動機
７及び電磁ブレーキ１５に電力が供給され、電磁ブレー
キ１５のブレーキ力が解除され、誘導電動機７は制御棒
６を引抜く方向に回転する。ここで、誘導電動機７には
コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３を介して電力が供給する構成と
しているため、誘導電動機７の固定子巻線には制御棒駆
動補助盤３からの供給電圧より低い電圧が印加されるこ
とになる。これにより、これにより誘導電動機７の発生
トルクを抑制し、誘導電動機７の発生トルクをマグネッ
トカップリング１２のトルク以下にすることが可能であ
る。本実施形態では、誘導電動機７及び電磁ブレーキ１
５への電力供給を制御する半導体スイッチング素子１３
Ｂから、誘導電動機７にはコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３を介
して電力を供給する構成としたことにより、制御棒駆動
補助盤３と制御棒駆動機構１８側間の電力ケーブル本数
を３本と少なくすることができ、制御棒本数が約２００
本と多いため、経済的効果が大きい。なお、図１及び図
４の実施形態において、図１及び図４のブレーキ電源装
置に代えて、図６に示す電磁ブレーキ１５への電力供給
方式を採用してもよい。

【００１６】図７は、本発明の他の実施形態を示し、図
６の実施形態に対する変形例である。図１と同様に電磁
ブレーキ１５を直流電圧駆動としている。直流電圧駆動
の電磁ブレーキにすることにより、交流電源駆動のもの
よりブレーキ応答時間を短縮し、負荷変動の影響をより
受けなくすることが可能になる。

【００１７】図８は、本発明の他の実施形態を示し、図
１の実施形態に対する変形例である。図１とは、制御棒
駆動補助盤３のみが異なるため、この部分のみを示す。
本実施形態は、誘導電動機起動時に誘導電動機７に印加
する平均電圧を制御棒６の駆動方向に応じて変更して、
誘導電動機起動開始時の最大トルクをよりきめ細かく抑
制するものである。タイマ１３Ｃは、図１と同様であ
り、誘導電動機起動時の所定期間のみ切替スイッチ１３
Ｄをパルス発振回路１３Ｅ１あるいはパルス発振回路１
３Ｅ２側に切替えさせ、その後切替スイッチ１３Ｄを誘
導電動機制御回路１３側に切替えさせる。パルス発振回
路１３Ｅ１とパルス発振回路１３Ｅ２は、パルス信号の
デューティ比が異なり、パルス発振回路１３Ｅ２のパル
スのデューティ比が高い（論理“１”の期間が長い）。
パルス発振回路１３Ｅ１が制御棒引抜用のものであり、
パルス発振回路１３Ｅ２が制御棒挿入用のものである。
制御棒６は、制御棒駆動機構１８に対して鉛直方向にあ
るため、制御棒挿入時には負荷トルクが制御棒引抜時に
比べ大きくなる。このため、制御棒引抜時より制御棒挿
入時の、誘導電動機起動時のトルクを大きくして駆動方
向によって異なる負荷トルクより高くするようにし、か
つ、常にマグネットカップリング１２のトルク以下にす
る。その他の部分は図１と同様である。また、本実施形
態では、図８のタイマ１３Ｃを図４の誘導電動機回転速
度判定回路１３Ｇに変更することにより、誘導電動機７
の挿入あるいは引抜の回転速度に応じた誘導電動機起動
時のトルク制御が可能になる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
誘導電動機のトルクは、印加する交流電圧の２乗に比例
するために、その平均電圧を低下させることにより、誘
導電動機の発生トルクをマグネットカップリングのトル
ク以下にすることができる。また、誘導電動機の回転速
度に応じて変化する誘導電動機の発生トルクを制御する
ことにより、誘導電動機の発生トルクをマグネットカッ
プリングのトルク以下にすることが可能になる。また、
誘導電動機起動時には誘導電動機の固定巻線をＹ結線と
し、予め定めた運転速度あるいは運転時間に達したと
き、△結線とすることにより、誘導電動機起動時に発生
する高トルクを抑制して、誘導電動機の発生トルクをマ
グネットカップリングのトルク以下にすることが可能に
なる。また、制御棒の挿入と引抜で、誘導電動機へ印加
する交流電圧の平均電圧を変更することにより、制御棒
の挿入と引抜で負荷トルクが異なるが、この負荷トルク
に応じて誘導電動機起動時に発生する高トルクを抑制し
て、誘導電動機の発生トルクをマグネットカップリング
のトルク以下にすることができる。また、誘導電動機に
コイルを介して電力を供給する構成とすることにより、
誘導電動機への印加電圧をコイルにより低下させること
ができ、誘導電動機の発生トルクをマグネットカップリ
ングのトルク以下にすることができる。この結果、誘導
電動機の発生トルクを常にマグネットカップリングのト
ルク以下に制御し、一方、負荷トルクよりは高くするこ
とが可能になり、マグネットカップリングの第１マグネ
ットと第２のマグネット間にすべりが発生することがな
く、制御棒の絶対位置と制御棒位置検出器の出力である
相対位置が常に一致し、制御棒の位置を正確に計測し、
監視することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である原子力の制御棒制御
装置の構成図

【図２】本発明の誘導電動機への印加電圧と発生トルク
の関係図

【図３】本発明のマグネットカップリングの概略構成図

【図４】本発明の他の実施形態

【図５】本発明の他の実施形態

【図６】本発明の他の実施形態

【図７】本発明の他の実施形態

【図８】本発明の他の実施形態

【符号の説明】

１…制御棒操作監視盤，２…制御棒位置伝送補助盤，
３、３’…制御棒駆動補助盤，４…ブレーキ電源装置，
４Ｂ…半導体スイッチング素子，６…制御棒，７…誘導
電動機，７Ａ、７Ｂ、７Ｃ…固定子巻線，８…位置検出
器，１２…マグネットカップリング，１３…誘導電動機
制御回路，１３Ａ…制御棒動作方向切換回路，１３Ｂ…
半導体スイッチング素子，１３Ｂ’…開閉手段，１３
Ｃ、１３Ｃ’…タイマ，１３Ｄ、１３Ｈ…切換スイッ
チ，１３Ｅ、１３Ｅ１、１３Ｅ２…パルス発振回路，１
３Ｆ…位相検出回路，１３Ｇ…誘導電動機回転速度判定
回路，１５…電磁ブレーキ，１８…制御棒駆動機構，Ｌ
１、Ｌ２、Ｌ３…コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柳橋和美茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内Ｆターム(参考） 2G075 AA04 BA07 CA25 DA20 FA20 FC04 GA28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御棒の駆動源に誘導電動機を連結し、
前記誘導電動機をオンオフ制御により駆動して前記制御
棒を原子炉内に挿入／引抜して原子炉出力を制御する原
子炉の制御棒制御装置において、前記誘導電動機の回転
駆動力を前記制御棒に伝達するマグネットカップリング
と、前記誘導電動機に印加する交流電圧の平均電圧を変
更する電圧変更手段を備え、前記誘導電動機の起動時
に、前記交流電圧の平均電圧を変更し、前記誘導電動機
の発生トルクを前記マグネットカップリングのトルク以
下に制御することを特徴とする原子炉の制御棒制御装
置。
【請求項２】請求項１において、前記電圧変更手段
は、予め定めた所定時間パルス信号のデューティ比を変
えて前記誘導電動機をオンオフ制御するパルス発振回路
を有し、前記誘導電動機に印加する交流電圧の平均電圧
を変更することを特徴とする原子炉の制御棒制御装置。
【請求項３】請求項１において、前記電圧変更手段
は、前記誘導電動機の回転速度を検出する回転速度判定
回路を有し、前記誘導電動機の回転速度に応じて前記誘
導電動機に印加する交流電圧の平均電圧を変更すること
を特徴とする原子炉の制御棒制御装置。
【請求項４】請求項１において、前記電圧変更手段
は、前記誘導電動機の起動時には、前記誘導電動機の固
定巻線をＹ結線とし、予め定めた運転速度あるいは運転
時間に達したとき、前記誘導電動機の固定巻線をΔ結線
とする開閉手段を有し、前記誘導電動機の回転速度に応
じて前記誘導電動機に印加する交流電圧の平均電圧を変
更することを特徴とする原子炉の制御棒制御装置。
【請求項５】請求項１において、前記電圧変更手段
は、パルス信号のデューティ比が異なる第１のパルス発
振回路と第２のパルス発振回路を有し、原子炉の制御棒
の挿入と引抜のとき、前記第１のパルス発振回路と第２
のパルス発振回路を切り替えて前記誘導電動機に印加す
る交流電圧の平均電圧を変更することを特徴とする原子
炉の制御棒制御装置。
【請求項６】制御棒の駆動源に誘導電動機を連結し、
前記誘導電動機をオンオフ制御により駆動して前記制御
棒を原子炉内に挿入／引抜して原子炉出力を制御する原
子炉の制御棒制御装置において、前記誘導電動機の回転
駆動力を前記制御棒に伝達するマグネットカップリング
と、前記誘導電動機に印加する交流電圧を制御する第１
の半導体スイッチング素子と、前記制御棒の駆動を停止
させる電磁ブレーキに印加する電圧を制御する第２の半
導体スイッチング素子と、前記誘導電動機の起動時に、
前記第１の半導体スイッチング素子により所定時間のみ
前記交流電圧をチョッピングし、または、所定の回転速
度以上となるまで前記交流電圧をチョッピングして前記
誘導電動機に印加する平均電圧を制御して供給し、その
後は前記チョッピングを停止して前記交流電圧を連続し
て供給する手段と、前記誘導電動機の停止時に、前記第
２の半導体スイッチング素子により前記電磁ブレーキを
作動させる電圧を供給する手段を備えることを特徴とす
る原子炉の制御棒制御装置。
【請求項７】制御棒の駆動源に誘導電動機を連結し、
前記誘導電動機をオンオフ制御により駆動して前記制御
棒を原子炉内に挿入／引抜して原子炉出力を制御する原
子炉の制御棒制御装置において、前記誘導電動機の回転
駆動力を前記制御棒に伝達するマグネットカップリング
と、前記誘導電動機と前記制御棒の駆動を停止させる電
磁ブレーキに供給する電力を制御する半導体スイッチン
グ素子を備え、前記誘導電動機にはコイルを介して電力
を供給することを特徴とする原子炉の制御棒制御装置。
【請求項８】請求項７において、予め定めた所定時間
パルス信号のデューティ比を変えて前記誘導電動機をオ
ンオフ制御するパルス発振回路、または、前記誘導電動
機の回転速度を検出する回転速度判定回路を有し、前記
誘導電動機に印加する交流電圧の平均電圧を変更する電
圧変更手段を備えることを特徴とする原子炉の制御棒制
御装置。
【請求項９】制御棒の駆動源に誘導電動機を連結し、
前記誘導電動機をオンオフ制御により駆動して前記制御
棒を原子炉内に挿入／引抜して原子炉出力を制御する原
子炉の制御棒制御装置において、前記誘導電動機の回転
駆動力を前記制御棒に伝達するマグネットカップリング
と、前記誘導電動機に印加する交流電圧を制御する第１
の半導体スイッチング素子と、前記制御棒の駆動を停止
させる電磁ブレーキに印加する電圧を制御する第２の半
導体スイッチング素子を備え、前記誘導電動機にはコイ
ルを介して電力を供給することを特徴とする原子炉の制
御棒制御装置。