JP4197486B2 - 原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路 - Google Patents

原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路 Download PDF

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Description

本発明は、原子炉の熱出力の制御及び原子炉の停止に使用する制御棒を原子炉内に対して挿入または引抜するための制御棒駆動コイルの電流制御を行う原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路に関するものである。
この種の装置において、原子炉制御棒の原子炉内への挿入または引抜は、制御棒駆動軸の軸方向に順々に並んだ多数の溝を固定つかみラッチでつかんで支持し、この支持された制御棒駆動軸の溝を可動つかみラッチでつかみかつ所望の方向に送り出し、送り出す時は固定つかみラッチは開放状態にされ、送ったら固定つかみラッチが次の溝をつかんで制御棒駆動軸を支持する、という動作を繰り返して行い、固定つかみラッチは固定つかみ駆動コイルで、可動つかみラッチは可動つかみ駆動コイルと昇降磁極コイルで駆動されていた(例えば特許文献1参照)。
特開昭60−33085号公報
一般に従来の原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路は、サイリスタによる3相半波位相制御としているため、電流および電圧の時間に対する変化率を制限するためのリアクトル、抵抗、コンデンサおよび3相電源の位相を検出するための変圧器、偏差信号と位相信号からサイリスタのゲートに信号を与える点弧回路が必要であるなど、部品点数の削減にあたり制約事項が多いという問題点がある。これに加え、入力電源回路に対してもインダクタンスの制限値や直流偏磁対策が必要となるなど、設備の合理化にあたっては制約事項が多い等の問題点があった。
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、制約事項が少なく設備の合理化が容易な原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路を提供することを目的とする。
この発明は、外部からの3相交流電力を直流電力に変換する3相全波整流器と、この3相全波整流器の出力側の正極ラインと負極ラインの間に接続され、制御棒駆動用コイルへの電流を制御する絶縁ゲート型トランジスタによる電圧可逆チョッパ回路と、パルス幅変調方式により上記電圧可逆チョッパ回路の絶縁ゲート型トランジスタへゲート信号を供給する電流制御用信号発生手段と、を備え、複数の上記制御棒駆動用コイルに対して1つの上記電圧可逆チョッパ回路が接続された、上記制御棒駆動用コイルのうちの制御棒駆動機構のそれぞれ固定つかみラッチ又は可動つかみラッチを駆動する固定つかみ駆動コイル又は可動つかみ駆動コイルのための電流制御回路と、1つの上記制御棒駆動用コイルに対して1つの上記電圧可逆チョッパ回路が接続された制御棒駆動用コイルのうちの制御棒を昇降させるための昇降磁極コイルのための電流制御回路と、を備えたことを特徴とする原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路にある。
この発明では、3相交流を全波整流して直流に変換し、電圧可逆チョッパ回路の絶縁ゲート型トランジスタのスイッチング制御を電流制御回路内部のパルス幅変調回路によって制御し制御棒駆動コイルの電流を制御するようにしたため、従来は必要であった電源位相検出回路、位相制御回路、電流制限用リアクトル、電圧制限用回路、3相交流入力回路に対するインダクタンス制限と直流偏磁対策が不要となる。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。図1において、3相全波整流器100は外部からの交流電力である3相交流(電力)入力を直流に変換し、これの出力側の正極ライン1と負極ライン2の間には、電圧可逆チョッパ回路を構成する絶縁ゲート型トランジスタ104と逆流防止用のダイオード114との直列回路と、逆流防止用のダイオード115と絶縁ゲート型トランジスタ105との直列回路、およびエネルギー吸収コンデンサ106とがそれぞれ接続されている。絶縁ゲート型トランジスタ104は制御棒駆動用コイル101の通電電流をスイッチング制御し、絶縁ゲート型トランジスタ105はコイル通電電流を遮断するとき、制御棒駆動用コイル101の蓄積エネルギー放出を正極ライン1側へ切り替える。エネルギー吸収コンデンサ106は制御棒駆動用コイル101の通電電流を遮断するときにコイルに蓄積されたエネルギーを吸収する。
またトランジスタ104とダイオード114の接続点と、ダイオード115とトランジスタ105との接続点と、の間には、制御棒駆動用コイル101の通電電流の逆流防止用のダイオード102、制御棒駆動機構の固定つかみラッチ、可動つかみラッチ(共に図示せず)を駆動する固定つかみ又は可動つかみ駆動コイル(制御棒駆動用コイル)101および制御棒駆動用コイル101の通電電流を検出するための電流検出用の抵抗103からなる直列回路が複数、並列に接続されている。
電流制御用信号生成部107は、フィードバックのための各電流検出用の抵抗103からの電圧の信号を入力すると共に外部の電流指令信号生成装置(図示せず)から電流指令信号を得て、これに従い絶縁ゲート型トランジスタ104のためのスイッチング周期を演算してゲートインターフェイス回路108にスイッチング信号を出力する。ゲートインターフェイス回路108は電流制御用信号生成部107で生成したスイッチング信号を例えばフォトダイオード等を使用して電気的に絶縁して、電圧可逆チョッパ回路の絶縁ゲート型トランジスタ104、105のゲートに信号を与える。
電流制御用信号生成部107、ゲートインターフェイス回路108および電圧可逆チョッパ回路部分(104、114、105、115)からなる部分では、例えば電流制御用信号生成部107に内蔵する発振回路(図示せず)に基づきパルスを発生し、これによる電圧可逆チョッパ回路を用いたパルス幅変調方式により固定つかみ又は可動つかみ駆動コイル(制御棒駆動用コイル)101の電流を制御する。
このように、3相交流を全波整流して直流に変換し、絶縁ゲート型トランジスタのスイッチング制御を電流制御回路内部のパルス幅変調回路よって制御し棒駆動コイルの電流を制御するようにしたため、従来は必要であった電源位相検出回路、位相制御回路、電流制限用リアクトル、電圧制限用回路、3相交流入力回路に対するインダクタンス制限と直流偏磁対策が不要となる。
実施の形態2.
図2はこの発明の実施の形態2による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。図2において、上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する(以下同様)。この実施の形態では、制御棒駆動用コイル101(固定つかみ又は可動つかみ駆動コイル)の通電電流を検出するためにホール素子203を設けた。このように、ホール効果を利用した電流検出器を使用しているため、制御棒駆動用コイル101の通電電流を導電部と非接触で検出することができる。
制御棒駆動用コイルの通電電流測定時に、コイルに直列に接続した抵抗の電圧を有接触で測定すると、計測時の作業ミスでコイル通電部を地絡させる可能性があるが、制御棒駆動用コイルの通電電流検出を、ホール効果を利用した電流検出器(ホール素子203)により行うことにより、非接触で検出することを可能としたことにより、作業ミスによる回路地絡の可能性が低減する。
実施の形態3.
図3はこの発明の実施の形態3による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。図3の電流制御回路は、固定つかみ駆動コイル、可動つかみ駆動コイルおよび昇降磁極コイルからなる制御棒駆動用コイルのうち制御棒を昇降駆動させる昇降磁極コイルのための回路であり、昇降磁極コイル301、302、303を個々に制御できるように電圧可逆チョッパ回路部分においてそれぞれの昇降磁極コイル301、302、303に対する絶縁ゲート型トランジスタ(305、306、607)と逆流防止用のダイオード(315、316、317)との直列回路が設けられている。電流検出用のホール素子203はそれぞれの昇降磁極コイル301、302、303で共用している。
図3の昇降磁極コイルのための電流制御回路では、3個の絶縁ゲート型トランジスタ305、306、607のうちのいずれか1個が選択されてコイルの通電電流を制御行うため、このように構成することにより回路が、固定つかみ駆動コイルおよび可動つかみ駆動コイルの電流制御回路と同一の部品で形成でき、適用部品を共用化できる。
すなわち従来、昇降磁極コイルのための電流制御回路では、グループ単位で3相半波整流回路を共用しているため、大電流を通電する電力用半導体素子が必要であり、固定および可動つかみ駆動コイルの電流制御回路と部品を共用化できなかったが、このように昇降磁極コイル毎に個別に電圧可逆チョッパ回路を設置することにより、固定つかみ駆動コイルおよび可動つかみ駆動コイル用の回路と併せて電流制御回路を標準化したことにより、部品共有化ができ、ひいては予備品数量を低減できる。
実施の形態4.
図4はこの発明の実施の形態4による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。図4の電流制御回路は図2の回路に以下の点が追加されている。リレー410は外部電源である3相交流入力の遮断を検出する。抵抗407はエネルギー吸収コンデンサ106に蓄積されたエネルギーを消費するもので、絶縁ゲート型トランジスタ408は抵抗407をエネルギー吸収コンデンサ106に接続するためのものである。ゲートインターフェイス回路108は上記実施の形態と同様に電流制御用信号生成部107で生成したスイッチング信号を電気的に絶縁して絶縁ゲート型トランジスタ104のゲートにゲート信号を与えるとともに、リレー410が3相交流入力において外部電源遮断を検出したときに遮断検出信号として絶縁ゲート型トランジスタ408を閉とするゲート信号を与える。絶縁ゲート型トランジスタ408が閉じることによりエネルギー吸収コンデンサ106に抵抗407が接続され、これに蓄積されたエネルギーを消費する。
図4に示す回路では、リレー410で外部電源遮断を検出した場合に自動でエネルギー吸収コンデンサ106を放電させ抵抗407で消費させるため、保守時に感電する危険性が低い。
すなわち、制御棒駆動用コイル101の電流を遮断したときコイルに蓄積されたエネルギーを吸収するための大容量コンデンサが必要であり、従ってこれを吸収するエネルギー吸収コンデンサ106の静電容量は大きくコンデンサの放電に時間がかかるため、保守時に感電する危険性があったが、このように外部電源遮断を検出し、自動でコイルのエネルギー吸収用コンデンサ106の両極間に抵抗407を接続してコンデンサを放電させる制御回路を設けたので、保守時に作業員が感電する危険性が低減する。
実施の形態5.
図5はこの発明の実施の形態5による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。図5の電流制御回路は図4の回路に以下の点が追加されている。制御棒駆動用コイル101の通電電流を遮断としたときにコイルに蓄積されたエネルギーを吸収するエネルギー吸収コンデンサ106には、コンデンサの電圧を検出するための抵抗508が並列に接続されており、電流制御用信号生成部107は上記実施の形態と同様な動作を行うと共に、抵抗508からの検出信号を受け、これが所定値を超えた場合にゲートインターフェイス回路108を介して絶縁ゲート型トランジスタ408を閉とするゲート信号を与える。絶縁ゲート型トランジスタ408が閉じることによりエネルギー吸収コンデンサ106に抵抗407が接続され、これの蓄積されたエネルギーを消費する。なお、リレー410がない場合でもこの実施の形態は実施可能である。
図5に示す回路では、エネルギー吸収コンデンサ106の電圧からエネルギーの蓄積度をモニタし、これが所定値を超えた場合に自動でエネルギー吸収コンデンサ106を放電させ抵抗407で消費させるため、エネルギー吸収用コンデンサ106の容量を小さくできる。
すなわち、制御棒駆動用コイル101の電流遮断時にコイルに蓄積されたエネルギーを吸収するためのエネルギー吸収用コンデンサ106は大容量であり、定期取替が必要となるため、保守時の作業量が多くなっていたが、抵抗407による放電回路をエネルギー吸収用コンデンサ106の電圧に応じて動作させる制御回路を設置することにより、コイルエネルギーの吸収をエネルギー吸収用コンデンサ106のみによらずに、抵抗407でも消費することが可能となるため、エネルギー吸収用コンデンサ106の静電容量を小さくして定期取替を不要とすることが可能となる。
実施の形態6.
図6はこの発明の実施の形態6による電流制御回路の制御盤の構成を示す図である。ユニット601〜603は固定つかみ駆動コイル1グループ分の上記実施の形態の電流制御回路(例えば電圧可逆チョッパ回路、電流制御用信号発生部、ゲートインターフェイス回路、制御用の絶縁ゲート型トランジスタ、ダイオード等の部分)を収納した回路ユニットであり(SGはステーショナリグリッパの意味)、ユニット604〜606は同様に可動つかみ駆動コイル1グループ分の電流制御回路を収納した回路ユニット(MGとはムーバブルグリッパの意味)、ユニット607〜610は昇降磁極コイル3個分の電流制御回路を収納した回路ユニット(LIFTは昇降の意味)、またカードフレーム611はユニット共通で必要な信号を生成および処理する回路を収納したカードフレームユニットであり、ユニット612、613は制御回路を駆動する直流安定化電源装置を収納した電源ユニット、変圧器614〜616は上記ユニットの電力回路に電源を供給する変圧器(トランス)ユニットであり、これらが制御盤600の中に引き出し可能に収納(出し入れ可能の意味)されている。回路ユニット、カードフレームユニット、電源ユニット、変圧器ユニットと同種のものが同一形状の筐体(ケース)にそれぞれまとめられている。
図6に示す原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の制御盤の構造においては、故障が発生したときユニット単位で交換することが可能である。また、ユニットは固定つかみ駆動コイル制御回路(601〜603)と可動つかみ駆動コイル制御回路(604〜606)、昇降磁極コイル制御回路(607〜610)、2つの電源ユニット(612,613)で同一、3つの変圧器ユニット(614〜616)もそれぞれ同一であるため、3種の回路ユニットと1種の変圧器ユニット、2種のカードユニットを保有することで故障時の予備品への取替えによる復旧が可能である。
すなわち従来、電流制御回路の制御盤の構造は盤筐体の裏面パネルに部品を取り付ける構造であるため、故障が発生したときに部品を取り替えることが困難であったが、上記のように電流制御回路を機能単位でそれぞれに標準化した引き出し可能なユニットに分散して実装することにより、装置の稼動中に故障が発生した場合においてもユニット単位で交換できるため、故障時の対応作業が容易となり、復旧時間を短縮できる。
実施の形態7.
図7はこの発明の実施の形態7による電流制御回路の制御盤の特に制御盤内のユニットの構成を示す図である。この実施の形態では、制御盤600に格納された1グループ分の制御棒駆動用コイルの電流制御回路を実装した回路ユニット620に、電流制御回路と制御棒駆動用コイル(図示せず)を接続するコネクタ703を設けた。模擬負荷体702は制御棒駆動用コイルの電気的パラメータを模擬する装置であり、どのようなもので構成されていてもよい。
図7に示す構造では、定期検査における機能確認時に実機の制御棒駆動用コイルを解線し、代わりに模擬負荷体702を接続し、試験完了後再び実機の制御棒駆動用コイルを接続する、という一連の作業をコネクタ703への制御棒駆動用コイルと模擬負荷体702の切り替え接続により行うことができる。
すなわち従来、制御棒駆動用コイルのケーブルとの接続部が端子台であるため、定期検査時の機能試験において模擬負荷コイルとの接続時に多くの解結線作業が必要になり点検時の作業量が多かったが、制御棒駆動用コイルとの接続部をコネクタ703として、機能検査時の模擬負荷コイルすなわち模擬負荷体702との解結線をコネクタ703で行うことにより、作業時間を短縮できる。
実施の形態8.
図8はこの発明の実施の形態8による電流制御回路の制御盤の特に制御盤内のユニットの構成を示す図である。図8の(b)はこの実施の形態による回路ユニット621を示し、図8の(a)は回路ユニット621に設けられた手動スイッチ808の例えば図2の回路上での位置を示す。この実施の形態では図8の(a)に示すように、外部の電流命令信号生成装置からの入力を切離し通電命令固定とする手動スイッチ808を、図8の(b)に示すように回路ユニット801に外部から操作可能なように設けた。
すなわち従来、装置の運転中に故障が発生したとき、制御棒を落下させずに修理可能とするため、故障していない制御棒駆動用コイルに電源供給するためのバックアップ用電源装置を設置しており物量削減と省スペース化において制約があったが、固定および可動つかみ駆動コイルを収納した回路ユニットに外部の電流命令とは無関係に通電状態固定とする手動スイッチを設置することにより、外部の電流命令とは無関係に手動で通電状態を維持できる。
実施の形態9.
図9はこの発明の実施の形態9による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。図9において、電動機Mと発電機Gからなる電動発電機900は制御棒駆動用コイルの電源である。制御盤901は2台の電動発電機を同期運転する。トリップ遮断器902は制御棒駆動用コイルの電源を遮断とすることにより原子炉をトリップさせる。制御盤903は制御棒駆動用コイルの電流制御回路の回路ユニットを格納し、開閉器904は制御盤903中の固定つかみ駆動コイルの電流制御回路の回路ユニットへの電源供給の開閉を行い、開閉器905は同様に可動つかみ駆動コイルの電流制御回路の回路ユニットへの電源供給の開閉を行い、開閉器906は昇降磁極コイルの電流制御回路の回路ユニットへの電源供給の開閉を行い、これらの開閉器904〜906は分電盤907に格納されている。そして制御盤903内の各ユニットはケーブル908により電源供給を受けている。
図9に示す構造では、固定つかみ、可動つかみ、昇降磁極のそれぞれに対する電源を分電盤で開閉できる。
すなわち従来、制御棒駆動用コイルへの電源からの給電はバスダクトにより供給しているため、電源布設工事において手間を要し、また、固定つかみ駆動コイル、可動つかみ駆動コイル、昇降磁極コイルのそれぞれの電源に対する開閉器はこのバスダクトに設置しているため、開閉器が盤の上部に設置されることになり、電源開閉作業に手間を要していたが、固定つかみ駆動コイル、可動つかみ駆動コイルおよび昇降磁極コイルの各電源を開閉する分電盤を設置するようにしたことにより、電源の接続にバスダクトを適用せずケーブルを適用するため電源工事における作業性が向上する。また、固定つかみ駆動コイル、可動つかみ駆動コイルおよび昇降磁極コイルの電源の開閉を分電盤で行えるため、定期検査における電源隔離および復旧時の作業性が向上する。
なお本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組み合わせ等も全て含み、相当の効果が得られる。
この発明の実施の形態1による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態2による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態3による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態4による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態5による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態6による電流制御回路の制御盤の構成を示す図である。 この発明の実施の形態7による電流制御回路の制御盤の特に制御盤内のユニットの構成を示す図である。 この発明の実施の形態8による電流制御回路の制御盤の特に制御盤内のユニットの構成を示す図である。 この発明の実施の形態9による原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路の構成を示す図である。
符号の説明
1 正極ライン、2 負極ライン、100 3相全波整流器、101 制御棒駆動用コイル、102,114,115,315〜317 ダイオード、103,508 抵抗、104,105,305〜307 絶縁ゲート型トランジスタ、106 エネルギー吸収コンデンサ、107 電流制御用信号生成部、108 ゲートインターフェイス回路、203 ホール素子、301〜303 昇降磁極コイル、401 リレー、600,901,903 制御盤、601〜610 回路ユニット、611 カードフレームユニット、612,613 電源ユニット、614〜616 変圧器ユニット、620,621 回路ユニット、702 模擬負荷体、808 手動スイッチ、900 電動発電機、902 トリップ遮断器、904〜906 開閉器、907 分電盤、908 ケーブル。

Claims (8)

  1. 外部からの3相交流電力を直流電力に変換する3相全波整流器と、
    この3相全波整流器の出力側の正極ラインと負極ラインの間に接続され、制御棒駆動用コイルへの電流を制御する絶縁ゲート型トランジスタによる電圧可逆チョッパ回路と、
    パルス幅変調方式により上記電圧可逆チョッパ回路の絶縁ゲート型トランジスタへゲート信号を供給する電流制御用信号発生手段と、
    を備え
    複数の上記制御棒駆動用コイルに対して1つの上記電圧可逆チョッパ回路が接続された、上記制御棒駆動用コイルのうちの制御棒駆動機構のそれぞれ固定つかみラッチ又は可動つかみラッチを駆動する固定つかみ駆動コイル又は可動つかみ駆動コイルのための電流制御回路と、1つの上記制御棒駆動用コイルに対して1つの上記電圧可逆チョッパ回路が接続された制御棒駆動用コイルのうちの制御棒を昇降させるための昇降磁極コイルのための電流制御回路と、を備えたことを特徴とする原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路。
  2. 上記制御棒駆動用コイルの電流をホール素子により非接触で検出する電流検出手段を備え、上記電流制御用信号発生手段が、上記電流検出手段からの検出信号および外部からの電流指令信号に従いパルス幅変調方式により上記電圧可逆チョッパ回路の絶縁ゲート型トランジスタへゲート信号を供給することを特徴とする請求項1に記載の原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路。
  3. 上記3相全波整流器の出力側の正極ラインと負極ラインの間に接続され、上記制御棒駆動用コイルの通電電流を遮断するときのコイルに蓄積されていたエネルギーを吸収するエネルギー吸収コンデンサと、
    上記3相全波整流器の出力側の正極ラインと負極ラインの間に接続され、上記エネルギー吸収コンデンサに蓄積されたエネルギーを消費する抵抗とスイッチからなる直列回路と、
    上記3相交流電力の遮断を検出した時に検出信号を発生する手段と、
    を備え、上記3相交流電力の遮断の検出信号により上記直列回路のスイッチが閉じることを特徴とする請求項1又は2に記載の原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路。
  4. 上記エネルギー吸収コンデンサの電圧を検出する手段を備え、
    上記電流制御用信号発生手段が、上記エネルギー吸収コンデンサの電圧が所定値を超えた時に上記直列回路のスイッチを閉じる信号を発生することを特徴とする請求項3に記載の原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路。
  5. 上記電流制御回路を含む原子炉制御棒駆動用の回路が、制御盤に引き出し可能に設けられた複数のユニットに機能単位でそれぞれに標準化されて分散して実装されたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれ1項に記載の原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路。
  6. 上記制御棒駆動用コイルへの電流を制御する上記電圧可逆チョッパ回路を実装した上記ユニットが、原子炉制御棒駆動時に外部の上記制御棒駆動用コイルとの接続を行うと共に機能検査時に外部の模擬負荷コイルとの接続を行うコネクタを備えたことを特徴とする請求項5に記載の原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路。
  7. 上記制御棒駆動用コイルへの電流を制御する上記電圧可逆チョッパ回路を実装した上記ユニットが、外部からの電流指令信号とは無関係に手動で通電状態を維持する手動スイッチを備えたことを特徴とする請求項5又は6に記載の原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路。
  8. 上記制御盤とこれの電源との間に、固定つかみ駆動コイル、可動つかみ駆動コイルおよび昇降磁極コイルのための上記電流制御回路のためのぞれぞれの開閉器を格納した分電盤がケーブルにより接続されていることを特徴とする請求項5ないし7のいずれか1項に記載の原子炉制御棒駆動用コイルの電流制御回路。
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