JP5275274B2 - Electromagnetic pump system and compensation power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原子炉システムなどに好適な電磁ポンプシステムと、電磁ポンプシステムなどに好適な補償電源装置に関する。 The present invention relates to an electromagnetic pump system suitable for a nuclear reactor system and the like, and a compensation power supply apparatus suitable for an electromagnetic pump system and the like.
導電性を有する金属ナトリウムなどを冷却材とする高速増殖炉などの原子炉システムにおいて、冷却材を循環させるために、たとえば機械式ナトリウムポンプが従来から使用されている。この機械式ナトリウムポンプの駆動源としては、他の汎用ポンプと同様に誘導電動機が採用されており、その運転制御方法は確立されている。 In a nuclear reactor system such as a fast breeder reactor that uses conductive sodium metal as a coolant, for example, a mechanical sodium pump has been conventionally used to circulate the coolant. As a drive source of this mechanical sodium pump, an induction motor is employed as in the case of other general-purpose pumps, and its operation control method has been established.
運転中の原子炉において異常が発生した場合、制御棒が原子炉炉心に急速に挿入される原子炉スクラムが発生するため、炉心出入口での冷却材に過渡的な温度差が生じ、炉心周辺の構造材に大きな衝撃を与える場合がある。また、スクラム後に炉心のナトリウム温度が高くなりすぎると、燃料被覆管が破損し、放射線が炉外に漏洩する場合がある。 When an abnormality occurs in an operating reactor, a reactor scram is generated in which control rods are rapidly inserted into the reactor core, resulting in a transient temperature difference in the coolant at the core entrance and exit. The structure material may be subjected to a large impact. In addition, if the sodium temperature in the core becomes too high after scram, the fuel cladding may be damaged and radiation may leak out of the reactor.
このような熱過渡現象を緩和して構造材および燃料の健全性を維持するために、循環ポンプは、冷却材の流れが急激に停止することなく徐々に減速していくようにする機能、つまりフローコーストダウン特性を持たせることが望ましい。循環ポンプに機械式ポンプを適用した場合、機械式ポンプでは、誘導電動機の回転子が保持する慣性力やその回転軸に一体的に取り付けたフライホイールなどの慣性力によって、電源遮断後もポンプインペラをしばらくの間、回転させることにより、フローコーストダウン特性を得ている。 In order to mitigate such thermal transients and maintain the soundness of the structural material and fuel, the circulation pump has a function that gradually reduces the flow rate of the coolant without suddenly stopping, that is, It is desirable to have a flow coast down characteristic. When a mechanical pump is applied to the circulation pump, the pump impeller after the power is shut off due to the inertial force retained by the rotor of the induction motor and the inertial force such as the flywheel integrally attached to the rotating shaft. The flow coast down characteristic is obtained by rotating for a while.
一方、従来の機械式ナトリウムポンプに代えて、最近は電磁ポンプが採用されることが多くなってきた。この電磁ポンプは、液体金属ナトリウムが電気の良導体であることを利用し、電流が流れる導体を磁界中に置くと、この磁界強度に比例してその直角方向に力を受けるという原理に基づき、金属ナトリウム冷却材を移送するものである。 On the other hand, in place of the conventional mechanical sodium pump, an electromagnetic pump has recently been increasingly employed. This electromagnetic pump uses the fact that liquid metal sodium is a good electrical conductor, and when a conductor through which current flows is placed in a magnetic field, it receives a force in the direction perpendicular to the magnetic field strength. It transports sodium coolant.
この電磁ポンプは従来の機械式ナトリウムポンプと比較して、冷却材流量を容易に加減できることや、完全に密封とすることができること、および小型であるため設置場所についての制約を受けないこと、さらに可動部分がなく保守補修が容易であること、また高い吐出圧力を得ることができることなどの優れた特長を有している。 Compared with conventional mechanical sodium pumps, this electromagnetic pump can easily adjust the coolant flow rate, can be completely sealed, and is small so that it is not restricted by installation location. It has excellent features such as no moving parts, easy maintenance and repair, and high discharge pressure.
従来、比較的小容量の電磁ポンプにおいては、電磁ポンプに変圧器を直結して一定流量運転を行なうか、あるいは、電磁ポンプに誘導電圧調整器のような可変変圧器機能をもつ電気機器を直結して電圧制御によって流量制御を行なっている。 Conventionally, in a relatively small capacity electromagnetic pump, a transformer is directly connected to the electromagnetic pump for constant flow operation, or an electric device having a variable transformer function such as an induction voltage regulator is directly connected to the electromagnetic pump. Thus, the flow rate is controlled by voltage control.
また、特許文献1に開示されているように、電磁ポンプにインバータを直結して、電圧を一定にし、周波数のみを変化させて流量制御をすることが知られている。さらに、特許文献2にあるように、可変変圧器とインバータの電源により、電圧と周波数を共に可変として流量制御を行なうことも知られている。
Further, as disclosed in Patent Document 1, it is known to control the flow rate by directly connecting an inverter to an electromagnetic pump, making the voltage constant, and changing only the frequency. Furthermore, as disclosed in
電磁ポンプは回転部分を有していないため、原子炉スクラム時などで駆動電源が遮断された場合には、従来の機械式ポンプと異なり運動エネルギーを保存することは不可能であり、このため冷却材の流量が急激に減少するという特性がある。 Since electromagnetic pumps do not have rotating parts, kinetic energy cannot be stored unlike conventional mechanical pumps when the drive power is cut off during a reactor scram. There is a characteristic that the flow rate of the material rapidly decreases.
したがって、原子炉に電磁ポンプを採用した場合に、異常発生時における熱過渡に支障なく対応するためには、炉心構造材の設計基準に大幅に余裕をもたせる必要があり、このため過大な設計基準を採用するという課題があった。また上記熱過渡を緩和するフローコーストダウン特性を付与させるためには、なんらかのエネルギー蓄積手段を装備する必要性があり、経済的で効果的な手段の開発が要望されていた。 Therefore, when an electromagnetic pump is used in a nuclear reactor, it is necessary to allow a considerable margin in the design standards for core structural materials in order to respond to thermal transients in the event of an abnormality without any problem. There was a problem of adopting. In addition, in order to impart flow coast down characteristics that alleviate the thermal transient, it is necessary to equip some energy storage means, and development of an economical and effective means has been demanded.
前記従来の技術においては、フローコーストダウン時の高速増殖炉の主循環ポンプに適用する電磁ポンプに要求される減衰出力特性を得るために補償電源装置に制御回路を使用している。しかし、制御回路は安全機能を確保するための冗長化(多様化・多重化)が困難であり、必要な信頼性確保に課題があった。 In the prior art, a control circuit is used in the compensation power supply device in order to obtain the attenuation output characteristic required for the electromagnetic pump applied to the main circulation pump of the fast breeder reactor during the flow coast down. However, it is difficult to make the control circuit redundant (diversification / multiplexing) for ensuring the safety function, and there is a problem in ensuring the necessary reliability.
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、外部からの制御なしに要求電気出力特性を得ることができる高信頼性の補償電源装置、および、かかる補償電源装置を利用した電磁ポンプシステムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a highly reliable compensation power supply device capable of obtaining required electrical output characteristics without external control, and an electromagnetic wave using such a compensation power supply device. An object is to provide a pump system.
上記目的を達成するために、本発明に係る補償電源装置の一つの態様は、磁気軸受機能を有するとともに、磁気軸受機能を喪失したときに機械軸受機能を発揮できるように構成された軸受と、前記軸受によって回転可能に支持されたシャフトと、前記シャフトに固定された励磁機回転子コイルと、前記励磁機回転子コイルに対向して静止配置された、永久磁石を用いた励磁機固定子と、前記シャフトに固定されて、前記励磁機回転子コイルに発生した交流電流を直流に整流する回転整流器と、前記シャフトに固定されて、前記回転整流器からの直流電流が供給される同期機回転子コイルと、前記同期機回転子コイルに対向して静止配置されて外部交流電源および外部交流受電機器に並列に接続される同期機固定子コイルと、前記シャフトに固定された複数個のフライホイールと、を有し、前記複数個のフライホイールのうちの少なくとも1個のフライホイールが前記シャフトに着脱可能であり、前記外部電源の喪失時に、出力調整用の制御回路を用いずに、所定の特性の電気出力を出せるように構成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, one aspect of a compensation power supply apparatus according to the present invention has a magnetic bearing function and a bearing configured to exhibit a mechanical bearing function when the magnetic bearing function is lost , A shaft rotatably supported by the bearing, an exciter rotor coil fixed to the shaft, and an exciter stator using a permanent magnet, which is stationaryly disposed facing the exciter rotor coil; A rotary rectifier fixed to the shaft and rectifying an alternating current generated in the exciter rotor coil into a direct current, and a synchronous machine rotor fixed to the shaft and supplied with a direct current from the rotary rectifier a coil, said is still arranged to face the synchronous machine rotor coil synchronous machine stator coils connected in parallel to an external AC power supply and an external AC powered devices, solid to the shaft A plurality of flywheels, wherein at least one flywheel of the plurality of flywheels is detachable from the shaft, and a control circuit for adjusting output when the external power source is lost It is characterized in that an electric output having a predetermined characteristic can be output without using the .
また、本発明に係る電磁ポンプシステムは、外部交流電源に接続される電磁ポンプと、前記外部交流電源および前記電磁ポンプに並列に接続される補償電源装置とを備えた電磁ポンプシステムであって、前記補償電源装置は、磁気軸受機能を有するとともに、磁気軸受機能を喪失したときに機械軸受機能を発揮できるように構成された軸受と、前記軸受によって回転可能に支持されたシャフトと、前記シャフトに固定された励磁機回転子コイルと、前記励磁機回転子コイルに対向して静止配置された、永久磁石を用いた励磁機固定子と、前記シャフトに固定されて、前記励磁機回転子コイルに発生した交流電流を直流に整流する回転整流器と、前記シャフトに固定されて、前記回転整流器からの直流電流が供給される同期機回転子コイルと、前記同期機回転子コイルに対向して静止配置されて外部交流電源および電磁ポンプに並列に接続される同期機固定子コイルと、前記シャフトに固定された複数個のフライホイールと、を有し、前記複数個のフライホイールのうちの少なくとも1個のフライホイールが前記シャフトに着脱可能であり、前記外部電源の喪失時に、出力調整用の制御回路を用いずに、所定の特性の電気出力を出せるように構成されていること、を特徴とする。
また、本発明に係る補償電源装置の他の一つの態様は、軸受と、前記軸受によって回転可能に支持されたシャフトと、前記シャフトに固定された励磁機回転子コイルと、前記励磁機回転子コイルに対向して静止配置された、永久磁石を用いた励磁機固定子と、前記シャフトに固定されて、前記励磁機回転子コイルに発生した交流電流を直流に整流する回転整流器と、前記シャフトに固定されて、前記回転整流器からの直流電流が供給される同期機回転子コイルと、前記同期機回転子コイルに対向して静止配置されて外部交流電源および外部交流受電機器に並列に接続される同期機固定子コイルと、前記励磁機固定子と励磁機回転子コイルとの間に静止配置されて、外部交流電源に接続される磁束調整コイルと、を有する。
The electromagnetic pump system according to the present invention is an electromagnetic pump system including an electromagnetic pump connected to an external AC power supply, and a compensation power supply device connected in parallel to the external AC power supply and the electromagnetic pump, The compensation power supply device has a magnetic bearing function, a bearing configured to exhibit a mechanical bearing function when the magnetic bearing function is lost, a shaft rotatably supported by the bearing, and the shaft A fixed exciter rotor coil, an exciter stator using a permanent magnet, which is stationaryly disposed opposite to the exciter rotor coil, and a fixed to the shaft, the exciter rotor coil A rotary rectifier that rectifies the generated alternating current into direct current, a synchronous machine rotor coil that is fixed to the shaft and supplied with direct current from the rotary rectifier, Serial are still arranged to face the synchronous machine rotor coil comprises a synchronous machine stator coils connected in parallel to the external AC power supply and electromagnetic pump, and a plurality of flywheel fixed to the shaft, At least one flywheel of the plurality of flywheels can be attached to and detached from the shaft, and when the external power source is lost, an electric output having a predetermined characteristic can be output without using an output adjustment control circuit. It is comprised as follows.
Another aspect of the compensation power supply apparatus according to the present invention includes a bearing, a shaft rotatably supported by the bearing, an exciter rotor coil fixed to the shaft, and the exciter rotor. An exciter stator using a permanent magnet, which is stationaryly arranged facing the coil, a rotary rectifier fixed to the shaft and rectifying an alternating current generated in the exciter rotor coil into a direct current, and the shaft Fixed to the synchronous machine rotor coil to which the direct current from the rotary rectifier is supplied, and stationaryly opposed to the synchronous machine rotor coil and connected in parallel to the external AC power source and the external AC power receiving device. A synchronous machine stator coil, and a magnetic flux adjusting coil that is stationaryly disposed between the exciter stator and the exciter rotor coil and is connected to an external AC power source.
本発明によれば、外部からの制御なしに要求電気出力特性を得ることができる高信頼性の補償電源装置、および、かかる補償電源装置を利用した電磁ポンプシステムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the highly reliable compensation power supply device which can acquire a request | requirement electrical output characteristic without control from the outside, and the electromagnetic pump system using such a compensation power supply device can be provided.
[第1の実施形態]
本発明に係る電磁ポンプシステムの第1の実施形態について、図1および図2を参照して説明する。図1は第1の実施形態の電磁ポンプシステムの電気的構成を示す模式図である。図2は図1の電磁ポンプシステムにおける補償電源装置の機械的構造を示す模式的縦断面図である。
[First Embodiment]
A first embodiment of an electromagnetic pump system according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic diagram showing an electrical configuration of the electromagnetic pump system of the first embodiment. FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view showing a mechanical structure of a compensation power supply device in the electromagnetic pump system of FIG.
この電磁ポンプシステムは、たとえば、金属ナトリウムなどの導電性冷却材を用いた高速増殖炉などの原子炉システムにおいて、冷却材を循環させるためのものである。電磁ポンプシステムは、電磁ポンプ10と、補償電源装置11と、遮断器12と、インバータ13を含む。電磁ポンプ10は界磁巻線14を有し、この界磁巻線14は、遮断器12およびインバータ13を介して外部三相交流電源15に接続されている。
This electromagnetic pump system is for circulating a coolant in a nuclear reactor system such as a fast breeder reactor using a conductive coolant such as metallic sodium. The electromagnetic pump system includes an
インバータ13は、外部三相交流電源15の周波数を変換するためのものであって、交流・直流変換部と直流交流・変換部とを備えている。
The
補償電源装置11は、軸受(後述)と、この軸受によって回転可能に支持されたシャフト17とを有する。このシャフト17に、励磁機回転子コイル18と、回転整流器19と、同期機回転子コイル20とフライホイール21が取り付けられて、これらが一体で回転するように構成されている。
The compensation
励磁機回転子コイル18に対して非接触で対向する静止側に励磁機固定子22が配置されている。励磁機固定子22は、永久磁石23と励磁機固定子コイル24を有する。励磁機固定子コイル24は、第1の制御電源25を介して外部三相交流電源15に接続されている。励磁機回転子コイル18と励磁機固定子22などにより、励磁機が構成されている。
An
同期機回転子コイル20に対して非接触で対向する静止側に同期機固定子コイル(電気子コイル)26が配置されている。同期機固定子コイル26は、電磁ポンプ10の界磁巻線14と遮断器12とを接続する配線から分岐して接続されている。同期機回転子コイル20および同期機固定子コイル26などにより同期機が構成されている。
A synchronous machine stator coil (electron coil) 26 is arranged on the stationary side facing the synchronous
図示の例では、シャフト17は、二つのラジアル軸受27と一つのスラスト軸受28によって水平に支持されている。ラジアル軸受27とスラスト軸受28はいずれも磁気軸受構造になっている。 In the illustrated example, the shaft 17 is horizontally supported by two radial bearings 27 and one thrust bearing 28. Both the radial bearing 27 and the thrust bearing 28 have a magnetic bearing structure.
ラジアル軸受27としては、シャフト17側にラジアル軸受永久磁石29が取り付けられ、このラジアル軸受永久磁石29の半径方向外側で非接触で対向する位置の静止側にラジアル軸受巻線30が配置されている。ラジアル軸受巻線30には図示しない電力が供給されて磁力が発生し、ラジアル軸受永久磁石29との間の相互作用によってシャフト17が浮上した状態で支持されている。
As the radial bearing 27, a radial bearing
スラスト軸受28としては、シャフト17側に、半径方向および周方向に延びる鍔状のスラスト軸受ガイド31が取り付けられ、このスラスト軸受ガイド31を軸方向の両側から非接触ではさむようにスラスト軸受巻線32が静止配置されている。スラスト軸受巻線32には図示しない電力が供給されて磁力が発生し、スラスト軸受ガイド31との間の相互作用によってシャフト17の軸方向移動が抑制されるようになっている。 As the thrust bearing 28, a hook-shaped thrust bearing guide 31 extending in the radial direction and the circumferential direction is attached to the shaft 17 side, and the thrust bearing winding 32 is sandwiched between the thrust bearing guide 31 from both sides in the axial direction without contact. Is stationary. Electric power (not shown) is supplied to the thrust bearing winding 32 to generate a magnetic force, and the axial movement of the shaft 17 is suppressed by the interaction with the thrust bearing guide 31.
つぎに、第1の実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of the first embodiment will be described.
通常運転時には、外部三相交流電源15から、インバータ13および遮断器12を介して三相交流電流が電磁ポンプ10の界磁巻線14に供給され、電磁ポンプ10によって、液体金属などの導電性流体(図示せず)が駆動される。
During normal operation, a three-phase alternating current is supplied from the external three-phase alternating
また、外部三相交流電源15からインバータ13および遮断器12を介して三相交流電流が同期機固定子コイル26に供給され、さらに、外部三相交流電源15から第1の制御電源25を介して励磁機固定子コイル24に三相交流電流が供給される。
Further, a three-phase AC current is supplied from the external three-phase
励磁機固定子コイル24に交流電流が供給されることによって回転磁界が形成され、励磁機回転子コイル18に誘導電圧が励起される。励磁機回転子コイル18で励起された電圧は回転整流器19によって直流に変換され、同期機回転子コイル20で磁束を形成する。
When an alternating current is supplied to the
一方、同期機固定子コイル26には外部三相交流電源15から供給された電流により磁束が形成される。同期機固定子コイル26と同期機回転子コイル20の磁束の磁性の反発力または吸引力によって回転力が生じ、シャフト17が回転を始める。
On the other hand, a magnetic flux is formed in the synchronous
始動後、シャフト17の回転速度が第1の所定回転速度にまで上昇した後に、励磁機固定子コイル24への給電を停止し、励磁機固定子22の永久磁石23で形成される磁束と、励磁機回転子コイル18の回転によって励磁機に誘導電圧を誘起し、同期機回転子コイル20で磁束を形成して、同期機のトルクを発生させてシャフト17の回転速度を上昇させる。回転速度の上昇に伴い、永久磁石23によって励磁電力が生じるようになるため、シャフト17の回転速度が第2の所定回転速度まで上昇した後は励磁を停止する。
After starting, after the rotational speed of the shaft 17 has increased to the first predetermined rotational speed, the power supply to the
通常運転時には、シャフト17は所定の一定回転速度を維持している。 During normal operation, the shaft 17 maintains a predetermined constant rotational speed.
ここで、外部三相交流電源15が何らかの故障または事故によって瞬時に停止した場合を想定する。この場合、外部三相交流電源15から電磁ポンプの界磁巻線14および同期機固定子コイル26への電力供給は停止する。しかし、補償電源装置11のフライホイール6の慣性モーメントにより、シャフト17の回転は瞬時には停止せず、徐々に減速しながらしばらくの間はある程度の回転が継続する。
Here, it is assumed that the external three-phase
このとき、励磁機固定子22の永久磁石23は外部三相交流電源15がなくても磁束を発生するので、励磁機回転子コイル18に誘起電圧が誘起される。励磁機電流は、回転整流器19によって直流に変換され、同期機回転子コイル20に励磁電圧が誘起される。同期機回転子コイル20は回転しているので、同期機固定子コイル26に誘起電圧が生じ、同期機固定子コイル26から電磁ポンプ10の界磁巻線14に電力を供給することができる。すなわち、この実施形態では、通常運転時にフライホイール21を回転させることによって運動エネルギーを蓄えておき、電源喪失事故時に、運動エネルギーを電気エネルギーに変換してこの電気エネルギーを電磁ポンプ10に供給することによって、電磁ポンプ10の瞬時停止を避け、電磁ポンプ10がある程度駆動されながら時間をかけて徐々に停止するような運転することができる。
At this time, since the
原子炉の冷却材を駆動するための電磁ポンプにあっては、安全上の要求として、外部電源が喪失した場合に、図3の点線40に示すように、指数関数的に流量が減少することが求められている。このような流量の減少過程はフローコーストダウンと呼ばれる。図3の点線40に示すフローコーストダウンを電磁ポンプ10によって実現するためには、電磁ポンプ10の界磁巻線14に、図3の実線41に示す電磁ポンプ電圧の変化が必要である。しかも安全上の要求として、外部電源喪失に、特別の制御回路を用いずに、図3の特性を実現することが求められている。
In the electromagnetic pump for driving the coolant of the nuclear reactor, as a safety requirement, when the external power source is lost, the flow rate decreases exponentially as shown by the dotted
この実施形態では、このような安全上の要求を満足することができる。その理由をつぎに説明する。 In this embodiment, such a safety requirement can be satisfied. The reason will be described next.
上記フローコーストダウン特性を得るために、電磁ポンプ10の界磁巻線14の入力電力は指数関数的に減少させる必要がある。この入力電力を得るためには電磁ポンプ10の電圧は周波数のほぼ2乗に比例した値であることが必要である。
In order to obtain the flow coast down characteristic, the input power of the field winding 14 of the
外部三相交流電源15喪失後、補償電源装置11の回転エネルギーは電磁ポンプ10に電気エネルギーを供給することにより減少する。
After the loss of the external three-phase
励磁機の誘起電圧は回転数に比例するので、その電圧によって流れる励磁機回転子コイル18の電流すなわち励磁機の電機子電流Ifは、励磁機回転子の回転数(シャフト17の回転速度)nの減少にほぼ1次で比例して減少していくことになる。
Since the induced voltage of the exciter is proportional to the number of revolutions, the current of the
If=a×n (aは比例定数) ・・・(1)式
そしてこの励磁電流Ifが同期機励磁電流となり、同期機磁束Bfは励磁電流Ifに1次比例する。
If = a × n (a is a proportionality constant) (1) This excitation current If becomes the synchronous machine excitation current, and the synchronous machine magnetic flux Bf is linearly proportional to the excitation current If.
Bf=b×If (bは比例定数) ・・・(2)式
その結果、同期機磁束密度Bfは回転数nに1次比例して減少することになる。
Bf = b × If (b is a proportionality constant) (2) As a result, the synchronous machine magnetic flux density Bf decreases linearly with the rotational speed n.
Bf=b’×n (b’は比例定数) ・・・(3)式
一方、同期機の誘導電圧Vgは、同期機磁束φの時間変化に比例する。
Bf = b ′ × n (b ′ is a proportional constant) (3) On the other hand, the induction voltage Vg of the synchronous machine is proportional to the time change of the synchronous machine magnetic flux φ.
Vg=c×dφ/dt (cは比例定数) ・・・(4)式
この同期機磁束φの時間変化は同期機磁束密度Bfと回転数nの積に比例する。
Vg = c × dφ / dt (c is a proportional constant) (4) The time change of the synchronous machine magnetic flux φ is proportional to the product of the synchronous machine magnetic flux density Bf and the rotational speed n.
dφ/dt=c’×Bf×n (c’は比例定数) ・・・(5)式
(4)式に(5)式を代入すると
Vg=c× c’×Bf×n ・・・(6)式
(6)式に(3)式を代入すると
Vg=c×c’×b’×n×n
=e×n×n (eは比例定数) ・・・(7)式
すなわち、同期機磁束密度Bfの大きさが回転数nに比例して減少し、同時に同期機磁束φの時間変化も回転数nに比例して減少することから、同期機の誘導電圧Vgは回転数の2乗に比例して小さくなることになる。
dφ / dt = c ′ × Bf × n (where c ′ is a proportional constant) (5) Formula When substituting Formula (5) into Formula (4), Vg = c × c ′ × Bf × n ( 6) Expression When Expression (3) is substituted into Expression (6), Vg = c × c ′ × b ′ × n × n
= E × n × n (e is a proportional constant) (7) That is, the size of the synchronous machine magnetic flux density Bf decreases in proportion to the rotational speed n, and the time change of the synchronous machine magnetic flux φ also rotates at the same time. Since it decreases in proportion to the number n, the induced voltage Vg of the synchronous machine decreases in proportion to the square of the rotational speed.
Vg=e×n2
以上より、フライホイール21の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す際、フライホイール21の回転数のほぼ2乗に比例した同期機の電圧が生じることがわかる。電磁ポンプ10の電圧と流量は比例するため、同期機で発電された電圧が電磁ポンプ10に供給されることで電磁ポンプ10の流量は回転数のほぼ2乗に比例して減少することになる。
Vg = e × n 2
From the above, it can be seen that when the rotational energy of the
フライホイール21の重量および大きさを調整することで、フローコーストダウン特性のグラフの傾きと同期機で発電される電圧の傾きを一致させることができる。
By adjusting the weight and size of the
本実施形態により、要求される電磁ポンプ10のフローコーストダウン特性に応じた補償電源11の電気出力を、出力調整用の制御回路などを使用しないで得ることができる。よって、制御回路の故障によるプラント停止が起こらないため、原子炉システムの信頼性および経済性を向上させることができる。
According to this embodiment, it is possible to obtain the electrical output of the
また、この実施形態によれば、補償電源装置11を始動させるために、励磁機固定子コイル24を励磁機固定子22の永久磁石23とは別に設置するため、ブラシを使用しない。そのため、メンテナンス性および信頼性を向上させることができる。
Further, according to this embodiment, since the
また、この実施形態によれば、シャフト17の回転支持に磁気軸受を使用するので、摩擦がほとんど発生せず、従来の機械式軸受で摩擦熱を冷却するために必要とされた大規模な潤滑油系などの補機設備(オイルユニット、ギア装置、ポニーモーターなど)が不要となる。よって、補機設備の不具合による原子力機器停止のリスクを大幅に低減し、信頼性を向上させることができる。また、補機設備のメンテナンスが不要となるため、経済性を向上させることができる。 In addition, according to this embodiment, since the magnetic bearing is used to support the rotation of the shaft 17, almost no friction is generated, and the large-scale lubrication required for cooling the frictional heat by the conventional mechanical bearing is performed. Auxiliary equipment such as oil (oil unit, gear unit, pony motor, etc.) is not required. Therefore, it is possible to greatly reduce the risk of nuclear equipment stoppage due to a failure of auxiliary equipment and improve reliability. Further, since maintenance of auxiliary equipment is not required, the economy can be improved.
[第2の実施形態]
本発明に係る電磁ポンプシステムの第2の実施形態について、図4を参照して説明する。図4は第2の実施形態の電磁ポンプシステムの電気的構成を示す模式図である。ここで、第1の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。この実施形態では、励磁機固定子22の永久磁石23と励磁機回転子コイル18の間の静止側に磁束調整コイル45が設置されている。磁束調整コイル45は、第2の制御電源46を介して外部三相交流電源15に接続されている。その他の構成は第1の実施形態と同様である。
[Second Embodiment]
A second embodiment of the electromagnetic pump system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing an electrical configuration of the electromagnetic pump system of the second embodiment. Here, the same or similar parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In this embodiment, a magnetic
この実施形態で、補償電源装置11の始動後、シャフト17の回転数が上昇して所定の回転数に達した後、外部三相交流電源15から第2の制御電源46を介して磁束調整コイル45に交流電流を通電する。これによって、励磁機固定子22の永久磁石23で形成される磁束と逆向きの磁束を発生させて、合成磁場を小さくすることができる。これによって、運転している同期機の励磁電流を調整することができ、同期機の運転効率を最適化することができる。磁束調整コイル45が何らかの理由で機能喪失した場合においても、励磁機固定子22の永久磁石23によって引き続き運転は可能である。
In this embodiment, after the compensation
外部三相交流電源15喪失時においては、磁束調整コイル45に電流が流れなくなり、永久磁石23と逆向きの磁束が消失するため、瞬時に永久磁石23のみからなる大きさの磁束となる。よって、外部三相交流電源15喪失時に励磁機で要求される大きさの電流を流すことができる。
When the external three-phase
[他の実施形態]
以上説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。
[Other Embodiments]
The embodiments described above are merely examples, and the present invention is not limited to these.
たとえば、上記実施形態では、補償電源装置11は原子炉システムの電磁ポンプ10に利用するものとして例示したが、他の用途の電磁ポンプやその他の種々の交流受電機器の補償電源装置として利用できる。
For example, in the above-described embodiment, the compensation
また、上記実施形態の補償電源装置11は磁気軸受を使用しているが、この磁気軸受の代わりに機械式軸受を使用することも可能である。そのようにすることで、磁気軸受用の制御回路が不要となり、本補償電源装置には制御回路を全く使用しないことになる。そのため、信頼性が向上し、安全系に適用可能な補償電源装置として使用することができる。ただし、機械式軸受を使用するため、メンテナンスは必要となる。
Moreover, although the compensation
また、補償電源装置において、磁気軸受のみを使用した構成ではなく、外部三相交流電源喪失などによる磁気軸受の機能喪失時に備えて、磁気軸受と機械式軸受の両方を設置する構成とすることもできる。その場合、通常時は磁気軸受を使用するため、制御回路を必要とするが、外部三相交流電源喪失時においては、磁気軸受を使用せず、機械式軸受を使用する。よって、電源が落ちたときに制御回路は使用しないため、安全系への適用が可能であり、信頼性を向上させることができる。 In addition, the compensation power supply apparatus may be configured not to use only magnetic bearings, but to install both magnetic bearings and mechanical bearings in case of loss of magnetic bearing functions due to loss of external three-phase AC power. it can. In that case, since a magnetic bearing is normally used, a control circuit is required. However, when an external three-phase AC power supply is lost, a magnetic bearing is not used but a mechanical bearing is used. Therefore, since the control circuit is not used when the power is turned off, it can be applied to a safety system and the reliability can be improved.
磁気軸受と機械式軸受の両方を設置した場合に、磁気軸受が機能停止した場合、シャフトは浮上することができず、回転しながら機械式軸受で支持される。よって、シャフトと機械式軸受の接触面で摩擦が生じ、回転エネルギーは減少する。磁気軸受がタッチダウンした場合においても要求された出力電圧を確保するため、シャフトと機械式軸受の材料として、接触面は摩擦係数が小さく、強度が十分な材料を使用するのが好ましい。これによって、フローコーストダウンに必要な電気出力を確保することができ、信頼性向上させることができる。 If both the magnetic bearing and the mechanical bearing are installed and the magnetic bearing stops functioning, the shaft cannot float and is supported by the mechanical bearing while rotating. Therefore, friction occurs at the contact surface between the shaft and the mechanical bearing, and the rotational energy decreases. In order to ensure the required output voltage even when the magnetic bearing is touched down, it is preferable to use a material having a low friction coefficient and sufficient strength as a material for the shaft and the mechanical bearing. As a result, the electrical output required for the flow coast down can be secured, and the reliability can be improved.
また、上記実施形態の補償電源装置において、シャフト17は水平に延びているものとしたが、シャフト17は水平でなくてもよく、たとえば鉛直に延びていてもよい。その場合は、スラスト軸受に回転体の荷重がかかり、ラジアル軸受には回転体の荷重がかからないので、軸受の設計は上記実施形態とは当然に異なる。 Moreover, in the compensation power supply apparatus of the said embodiment, although the shaft 17 shall be extended horizontally, the shaft 17 may not be horizontal, for example, may be extended vertically. In that case, since the load of the rotating body is applied to the thrust bearing and the load of the rotating body is not applied to the radial bearing, the design of the bearing is naturally different from the above embodiment.
上記実施形態では補償電源装置11を始動するために励磁機固定子コイル24および第1の制御電源25を設けるものとしたが、これらをなくして、スリップリングとブラシ(図示せず)を用いて始動することも可能である。その場合、シャフト17にスリップリングを設け、このスリップリングに、外部三相交流電源15から整流装置(図示せず)を通して交流を直流に変換した電力が供給されたブラシを接触させる。それによって、同期機回転子コイル20に電流を流し、磁束を形成する。以降は第1の実施形態の起動方法と同じである。回転後はスリップリングからブラシを切り離す。
In the above embodiment, the
また、スリップリングおよびブラシは使用せず、シャフトにポニーモーターを接続して、補償電源装置を始動させることも可能である。 Further, it is also possible to start the compensation power supply apparatus by connecting a pony motor to the shaft without using a slip ring and a brush.
前記実施形態ではシャフト17にフライホイール21を取り付けて、これを回転することによって大きな回転エネルギーを保持することができるようにした。フライホイール21は回転体全体の回転モーメントを大きくするために用いられるものであるが、シャフト17およびこれと一体に回転する回転体全体の回転モーメントを十分に大きなものとすれば、必ずしも特別のフライホイール21を取り付けなくてもよい。このようにフライホイール21を取り付けない構成にすれば、部品数が減少して構成が簡素化するので好ましい。
In the said embodiment, the
なお、同期機回転子コイル20に励磁電流が通電されることによって同期機回転子コイル20の温度が上昇することがあるので、同期機回転子コイル20の回転半径を大きくすることは冷却性能向上にとって好ましく、それと同時に回転モーメントを大きくする効果も得られる。
In addition, since the temperature of the synchronous
さらに、シャフト17取り付けられるフライホイール21は1個とは限らず、複数個としてもよい。また、フライホイール21を着脱可能としてフライホイール21の貯蔵回転エネルギーを調整できるようにしてもよい。これによって、補償電源装置11から供給する電源の特性曲線の傾きを変更することができる。フライホイール21の個数を調整することで電源の特性曲線が変更できるため、補償電源装置11を必要とする任意の原子力機器に適用することができ、拡張性が高い。
Furthermore, the number of
10 電磁ポンプ
11 補償電源装置
12 遮断器
13 インバータ
14 界磁巻線
15 外部三相交流電源
17 シャフト
18 励磁機回転子コイル
19 回転整流器
20 同期機回転子コイル
21 フライホイール
22 励磁機固定子
23 永久磁石
24 励磁機固定子コイル
25 第1の制御電源
26 同期機固定子コイル
27 ラジアル軸受
28 スラスト軸受
29 ラジアル軸受永久磁石
30 ラジアル軸受巻線
31 スラスト軸受ガイド
32 スラスト軸受巻線
45 磁束調整コイル
46 第2の制御電源
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記軸受によって回転可能に支持されたシャフトと、
前記シャフトに固定された励磁機回転子コイルと、
前記励磁機回転子コイルに対向して静止配置された、永久磁石を用いた励磁機固定子と、
前記シャフトに固定されて、前記励磁機回転子コイルに発生した交流電流を直流に整流する回転整流器と、
前記シャフトに固定されて、前記回転整流器からの直流電流が供給される同期機回転子コイルと、
前記同期機回転子コイルに対向して静止配置されて外部交流電源および外部交流受電機器に並列に接続される同期機固定子コイルと、
前記シャフトに固定された複数個のフライホイールと、
を有し、
前記複数個のフライホイールのうちの少なくとも1個のフライホイールが前記シャフトに着脱可能であり、
前記外部電源の喪失時に、出力調整用の制御回路を用いずに、所定の特性の電気出力を出せるように構成されていることを特徴とする補償電源装置。 A bearing configured to have a magnetic bearing function and to exhibit a mechanical bearing function when the magnetic bearing function is lost ;
A shaft rotatably supported by the bearing;
An exciter rotor coil fixed to the shaft;
An exciter stator using a permanent magnet, which is stationaryly arranged opposite to the exciter rotor coil;
A rotary rectifier fixed to the shaft and rectifying an alternating current generated in the exciter rotor coil into a direct current;
A synchronous machine rotor coil fixed to the shaft and supplied with a direct current from the rotary rectifier;
A synchronous machine stator coil that is stationaryly arranged opposite to the synchronous machine rotor coil and connected in parallel to an external AC power source and an external AC power receiving device;
A plurality of flywheels fixed to the shaft;
Have
At least one flywheel of the plurality of flywheels is detachable from the shaft;
A compensation power supply device configured to output an electrical output having a predetermined characteristic without using an output adjustment control circuit when the external power supply is lost .
前記補償電源装置は、 The compensation power supply device
磁気軸受機能を有するとともに、磁気軸受機能を喪失したときに機械軸受機能を発揮できるように構成された軸受と、 A bearing configured to have a magnetic bearing function and to exhibit a mechanical bearing function when the magnetic bearing function is lost;
前記軸受によって回転可能に支持されたシャフトと、 A shaft rotatably supported by the bearing;
前記シャフトに固定された励磁機回転子コイルと、 An exciter rotor coil fixed to the shaft;
前記励磁機回転子コイルに対向して静止配置された、永久磁石を用いた励磁機固定子と、 An exciter stator using a permanent magnet, which is stationaryly arranged opposite to the exciter rotor coil;
前記シャフトに固定されて、前記励磁機回転子コイルに発生した交流電流を直流に整流する回転整流器と、 A rotary rectifier fixed to the shaft and rectifying an alternating current generated in the exciter rotor coil into a direct current;
前記シャフトに固定されて、前記回転整流器からの直流電流が供給される同期機回転子コイルと、 A synchronous machine rotor coil fixed to the shaft and supplied with a direct current from the rotary rectifier;
前記同期機回転子コイルに対向して静止配置されて外部交流電源および電磁ポンプに並列に接続される同期機固定子コイルと、 A synchronous machine stator coil that is stationaryly arranged opposite to the synchronous machine rotor coil and connected in parallel to an external AC power source and an electromagnetic pump;
前記シャフトに固定された複数個のフライホイールと、 A plurality of flywheels fixed to the shaft;
を有し、 Have
前記複数個のフライホイールのうちの少なくとも1個のフライホイールが前記シャフトに着脱可能であり、 At least one flywheel of the plurality of flywheels is detachable from the shaft;
前記外部電源の喪失時に、出力調整用の制御回路を用いずに、所定の特性の電気出力を出せるように構成されていること、 When the external power supply is lost, it is configured so that an electrical output having a predetermined characteristic can be output without using an output adjustment control circuit.
を特徴とする電磁ポンプシステム。 Features an electromagnetic pump system.
前記軸受によって回転可能に支持されたシャフトと、
前記シャフトに固定された励磁機回転子コイルと、
前記励磁機回転子コイルに対向して静止配置された、永久磁石を用いた励磁機固定子と、
前記シャフトに固定されて、前記励磁機回転子コイルに発生した交流電流を直流に整流する回転整流器と、
前記シャフトに固定されて、前記回転整流器からの直流電流が供給される同期機回転子コイルと、
前記同期機回転子コイルに対向して静止配置されて外部交流電源および外部交流受電機器に並列に接続される同期機固定子コイルと、
前記励磁機固定子と励磁機回転子コイルとの間に静止配置されて、外部交流電源に接続される磁束調整コイルと、
を有する補償電源装置。 A bearing,
A shaft rotatably supported by the bearing;
An exciter rotor coil fixed to the shaft;
An exciter stator using a permanent magnet, which is stationaryly arranged opposite to the exciter rotor coil;
A rotary rectifier fixed to the shaft and rectifying an alternating current generated in the exciter rotor coil into a direct current;
A synchronous machine rotor coil fixed to the shaft and supplied with a direct current from the rotary rectifier;
A synchronous machine stator coil that is stationaryly arranged opposite to the synchronous machine rotor coil and connected in parallel to an external AC power source and an external AC power receiving device;
A magnetic flux adjusting coil that is stationaryly disposed between the exciter stator and the exciter rotor coil and connected to an external AC power source;
Compensating power supply having.
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