JP5784478B2

JP5784478B2 - 原子炉の加圧器のヒータ制御システム

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Publication number: JP5784478B2
Application number: JP2011276655A
Authority: JP
Inventors: 友則平山; 豊彦清原; 義雄川崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2031-12-19
Also published as: JP2013127387A

Description

この発明は、加圧水型原子炉等で使用される加圧器のヒータ制御システムに関するものである。

加圧水型原子炉の運転時に高温の一次冷却水を未飽和状態に維持し原子炉容器内の水位を所定水位に保持する加圧器は、その約１／３が水、残りの約２／３が水蒸気であり、水の中に電熱ヒータが設けられており、蒸気系統の圧力が下がると所望の蒸気圧まで上げる指令により電熱ヒータへの通電制御が行われ電熱ヒータへの供給電力を増加して蒸気を発生させて所望の蒸気圧まで上げる制御が行われる。

ここで、加圧器の電熱ヒータの従来におけるヒータ制御装置について説明する。
図４は加圧器の電熱ヒータの従来におけるヒータ制御装置の一例を示す図であり、三相交流電源１から各相の可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔを介して加圧器の電熱ヒータ２に給電される。

加圧器の電熱ヒータの従来におけるヒータ制御装置は、図４に示すように、可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔ、出力電力計測回路４、比較器８、ゲートパルス発生器９、引算器１２、積分器１３、及び三角波発生回路１４から構成されている。

可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔは、その可制御スイッチング素子としてサイリスタが使用される。サイリスタは加圧器の電熱ヒータ２をＯＮ／ＯＦＦ制御する可制御スイッチング素子である。
出力電力計測回路４は、電熱ヒータ２への出力電力を計測する。
比較器８は、「積分器１３の出力＞三角波発生回路１４の出力」の時にゲートパルス発生器９にゲートパルス発生指令を出す。
引算器１２は、出力指令設定器６の出力信号から出力電力計測回路４の出力信号を引き算する。
積分器１３は、引算器１２の出力を或る時定数で積分する。
三角波発生回路１４は、間欠制御周期の三角波信号を発生する。

次にヒータ制御装置の全体の動作を説明する。
出力指令設定器６の出力信号から出力電力計測回路４の出力信号を引算器１２で引き算し、その結果を積分器１３で積分することにより、例えば出力指令設定器６の出力信号値に対し、出力電力計測回路４の出力信号値が低い場合、積分器１３の出力は時間の経過と共に増大してゆく。比較器８は、この積分器１３の出力と三角波発生回路１４の出力とを比べゲートパルス発生指令を作るので、時間の経過と共に、サイリスタのＯＮ時間が増大することになる。その結果、加圧器の電熱ヒータ２の出力電力も増大し、出力電力計測回路４の出力信号も大きくなる。最終的には、出力指令設定器６の出力信号と出力電力計測回路４の出力信号とが同じになると、積分器１３の出力が一定値となり、平衡状態となる。

原子炉の加圧器のヒータ制御システムが掲載された特許文献ではないが、参考までの特許文献として特許文献１がある。

特開２００５−１５０５５０号公報（図１及びその説明）

図４に示す従来の原子炉の加圧器のヒータ制御装置では、出力指令設定器６からの蒸気系統の圧力低下に基づく出力指令の変化に対し、加圧器の電熱ヒータ２の出力電力の応答を速くするには、前記積分器１３の時定数を短くする必要があるが、短くし過ぎると、出力指令に対し、実際の電熱ヒータ２の出力電力がオーバーシュートしたり、振動したりするようになる。従って、図４に示すような従来の加圧器の電熱ヒータ２のヒータ制御装置では、制御応答速度をあまり速くすることはできなかった。従って、原子炉の蒸気系統の圧力が下がった場合、早期に所期の蒸気圧に戻すまでに時間がかかり、また、加圧器の時定数が小さい例えば船舶用等の小型原子炉には不向きであった。
そこで、安定した信頼性の高い原子炉の運転に資するため、また、加圧器の時定数が小さい小型原子炉にも適応するように、前記制御応答速度を早くすることができるようにすることが好ましい。

この発明は、前述のような実情に鑑みてなされたもので、原子炉の加圧器のヒータ制御装置の制御応答速度を早くし、ひいては原子炉の加圧器の電熱ヒータの出力電力の応答を速くすることができるようにすることを目的とするものである。

この発明に係る原子炉の加圧器のヒータ制御システムは、原子炉の加圧器の電熱ヒータの出力電力を、出力電力指令に基づいて可制御スイッチングユニットをＯＮ／ＯＦＦ制御することによって制御する原子炉の加圧器のヒータ制御システムにおいて、
前記電熱ヒータの出力電力のフィードバック信号を入力とする積分器の出力と出力電力指令とを比較し、前記出力電力指令と前記積分器の出力との大きさの関係が前記出力電力指令＞前記積分器の出力である期間において前記可制御スイッチングユニットをＯＮとし、前記出力電力指令＜前記積分器の出力である期間において前記可制御スイッチングユニットをＯＦＦとする間欠制御を行うものである。

この発明は、原子炉の加圧器の電熱ヒータの出力電力を、出力電力指令に基づいて可制御スイッチングユニットをＯＮ／ＯＦＦ制御することによって制御する原子炉の加圧器のヒータ制御システムにおいて、
前記電熱ヒータの出力電力のフィードバック信号を入力とする積分器の出力と出力電力指令とを比較し、前記出力電力指令と前記積分器の出力との大きさの関係が前記出力電力指令＞前記積分器の出力である期間において前記可制御スイッチングユニットをＯＮとし、前記出力電力指令＜前記積分器の出力である期間において前記可制御スイッチングユニットをＯＦＦとする間欠制御を行うので、原子炉の加圧器のヒータ制御装置の制御応答速度を早くし、ひいては原子炉の加圧器の電熱ヒータの出力電力の応答を速くすることができる効果がある。

この発明の実施の形態１を示す図で、原子炉の加圧器のヒータ制御装置の回路構成の一例を示す図である。この発明の実施の形態１を示す図で、図１における電源１の電圧波形及び電熱ヒータ２の出力電圧波形（抵抗負荷である電熱ヒータ２の出力電流波形）を例示する図である。この発明の実施の形態２を示す図で、原子炉の加圧器のヒータ制御装置の回路構成の他の例を示す図である。従来の原子炉の加圧器のヒータ制御装置の回路構成の一例を示す図である。

実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を図１及び図２により説明する。図１は加圧水型原子炉の加圧器の電熱ヒータのヒータ制御装置の一例を示す図であり、三相交流電源１から各相の可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔを介して加圧器の電熱ヒータ２に給電される。

図１に例示するように、本実施の形態１におけるヒータ制御装置は、可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔ、出力電力計測回路４、リセット回路付き積分器５、引算器７、比較器８、ゲートパルス発生器９、及びリセットタイミング発生回路１０から構成されている。

三相ＲＳＴの各相に設けられた可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔは、その可制御スイッチング素子として例えばサイリスタが使用される。サイリスタは加圧器の電熱ヒータ２をＯＮ／ＯＦＦ制御する可制御スイッチング素子である。
各相の可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔは、何れも、図示のように可制御スイッチング素子と、可制御スイッチング素子に並列接続のフライホイールダイオードと、ノイズ吸収回路とで構成されている。

出力電力計測回路４は、電熱ヒータ２への出力電力を計測する。
リセット回路付き積分器５は、出力電力計測回路４の出力信号を積分する。リセット回路付き積分器５の積分時定数は、定格出力時に間欠制御周期時間で出力が丁度１００％となるように調整されている。また、リセット回路付き積分器５はリセット信号が入力されると、その出力がゼロにリセットされる。
出力指令設定器６は、原子炉の加圧器の電熱ヒータ２への出力電力を指令する出力電力指令の設定器である。

引算器７は、出力指令設定器６の出力信号からリセット回路付き積分器５の出力信号を引き算する。
比較器８は、引算器７の出力が正の時、即ち「出力指令設定器６の出力信号＞リセット回路付き積分器５の出力信号」の時、にゲートパルス発生回路９にゲートパルス発生指令を出す。
ゲートパルス発生回路９は、各相の可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの各可制御スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御する信号を発生する。

リセットタイミング発生回路１０は、間欠制御周期毎に、リセット回路付き積分器５のリセット信号入力端子へのリセット信号を、例えば０．８秒周期で発生する。

次に本実施の形態１における原子炉の加熱器のヒータ制御装置の全体の動作を説明する。
出力電力計測回路４の出力信号をリセット回路付き積分器５で間欠制御周期毎に積分した結果を、出力指令設定器６の出力信号から引算器７で引き算し、その結果が正であれば、即ち「出力指令設定器６の出力信号＞間欠制御周期毎のリセット回路付き積分器５の出力信号」であれば、各相の可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの各可制御スイッチング素子を、電源１電圧ゼロの時点でＯＮ、引算器７で前記引き算をした結果が負であれば、各相の可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの各可制御スイッチング素子を、電源１電圧ゼロの時点でＯＦＦにする制御を行う。
リセットタイミング発生回路１０が発生する例えば０．８秒周期のリセット信号によってリセットされるリセット回路付き積分器５の出力と、出力指令設定器６の出力とを比較して各相の可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの各可制御スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、基準となる出力指令値がステップ状に変化する出力指令設定器６の１周期後の出力指令値に対しての制御応答を速める。
その結果、間欠制御周期で、原子炉の加熱器の電熱ヒータ２の出力電力を、出力設定器６で設定された電力指令値に制御できることになり、制御応答速度を早くすることができ、従来装置のように原子炉の蒸気系統の圧力が下がった場合、早期に所期の蒸気圧に戻すまでに時間がかかり、また、加圧器の時定数が小さい例えば船舶用等の小型原子炉には不向きである等の課題を解決でき、安定した信頼性の高い原子炉の運転に資することができ、また、加圧器の時定数が小さい小型原子炉にも適用することができる。
ここで、前記「制御応答速度」とは、出力設定器６からの出力設定信号（出力電力指令）のステップ状の変化に対し、電熱ヒータ２の実際の出力電力（出力電力計測回路４で計測された電力）が出力設定信号値に対する或る決められた割合に達するまでの時間で定義され、例えば、出力電力指令が０→１００％にステップ状に変化したとき、前記実際の出力電力が定格の９０％になるまでの時間等である。

また、前記「間欠制御」とは、各相の可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの各可制御スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を間欠制御で行うことであり、例えば図２に例示のように、間欠制御周期（例えば０．８秒）毎に電源１の電圧周期何波分ＯＮ／ＯＦＦするか出力設定器６で設定して間欠制御する。
本実施の形態１における原子炉の加熱器の電熱ヒータ２の通電制御は、各相の可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの各可制御スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を間欠制御で行い、しかも、各可制御スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御は位相制御せずに、電源電圧のゼロ点でＯＮ／ＯＦＦするので、電熱ヒータ２の出力電圧も電源１の電圧波形そのままの正弦波であり、電源ほか周辺機器に悪影響を及ぼす高調波、ノイズ等を発生しない。

前述の実施の形態１は、前述のように、原子炉の加圧器の電熱ヒータの出力電力を、出力電力指令に基づいて可制御スイッチングユニットをＯＮ／ＯＦＦ制御することによって制御する原子炉の加圧器のヒータ制御システムにおいて、可制御スイッチングユニットを所定の間欠制御周期で前記ＯＮ／ＯＦＦ制御をし、前記電熱ヒータの出力電力のフィードバック信号を入力とする積分器の出力と出力電力指令とを比較し、前記出力電力指令と前記積分器の出力との大きさの関係が前記出力電力指令＞前記積分器の出力である期間のみ前記可制御スイッチングユニットをＯＮとするものであり、前記間欠制御の周期で前記積分器がリセットされるものである。

実施の形態２．
以下この発明の実施の形態２を図３により説明する。
本実施の形態２は、前述の実施の形態１に信号反転回路１１を付加し、この信号反転回路１１で引算器７の出力信号の極性を反転させてリセット回路付き積分器５に入力しリセット回路付き積分器５の初期値とする事例である。

本実施の形態２の原子炉の加圧器のヒータ制御装置は、実施の形態１と同様に周期０．８秒の前述の間欠制御方式であり、電源１の周波数が６０Ｈｚの場合は、各相の可制御スイッチングユニット３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの各可制御スイッチング素子を電源１電圧のゼロ点でＯＮ／ＯＦＦできるタイミングは、間欠制御１周期間に４８回ある。

実施の形態１の原子炉の加圧器のヒータ制御装置では、電熱ヒータ２の出力電力が出力指令設定器６の出力信号（電力指令値あるいは基準となる電力設定値）を超えたことを引算器７で検出して比較器８及びゲートパルス発生器９を介して前記可制御スイッチング素子をＯＦＦにするようにしてあるが、サイリスタ等の前記可制御スイッチング素子が実際にＯＦＦするのは、前記間欠制御１周期の１／４８のタイミングのみであり、その分遅れが生じ出力が過大（所期の出力を超過）となることから、より安定した信頼性の高い原子炉の運転に資するため、また、加圧器の時定数が小さい小型原子炉にもより適応するように、出力が過大とならないようにすることがより好ましい。

そこで、本実施の形態２では、引算器７の出力、即ち前記出力電圧超過分を信号反転回路１１を介して次回制御周期のリセット回路付き積分器５の初期値としてセットするようにすることで、つまり、積分器の初期値として前記積分器の前記リセットのタイミング時点の前記積分器の出力と前記出力電力指令との差の出力を積分器の初期値としてセットすることで、前記出力電圧の超過が発生しても次の間欠制御周期で補正することができ、全体としてより正確な出力電力制御が可能となる。

なお、本実施の形態２において、前述の説明内容以外については、前述の実施の形態１と同様であるので、その説明は割愛する。

なお、説明の便宜上、本実施の形態１及び２における制御回路方式はディスクリート回路で説明したが、同等の機能を有するCPUでのS/W処理やASICでのH/Wで実現しても同等の効果を生じることは言うまでもない。
また、可制御スイッチング素子はサイリスタで例示しているが、IGBT、MOSFETやGTO、或いはその組み合わせによる構成でも同様の効果を奏する。
また、制御系の構成は、本発明の実施の形態１及び２の説明のために必要な最小限の機能のみを記入してあり、電力変換器として具備すべき機能は省略している。また記載の定数等も一例であり、この値にとらわれるものではないことは言うまでもない。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することができる。
なお、各図中、同一符合は同一または相当部分を示す。

１三相交流電源、
２原子炉の加圧器の電熱ヒータ、
３Ｒ，３Ｓ，３Ｔ可制御スイッチングユニット、
４出力電力計測回路、
５リセット回路付き積分器、
６出力指令設定器、
７引算器、
８比較器、
９ゲートパルス発生器、
１０リセットタイミング発生回路、
１１信号反転回路。

Claims

原子炉の加圧器の電熱ヒータの出力電力を、出力電力指令に基づいて可制御スイッチングユニットをＯＮ／ＯＦＦ制御することによって制御する原子炉の加圧器のヒータ制御システムにおいて、
前記電熱ヒータの出力電力のフィードバック信号を入力とする積分器の出力と出力電力指令とを比較し、前記出力電力指令と前記積分器の出力との大きさの関係が前記出力電力指令＞前記積分器の出力である期間において前記可制御スイッチングユニットをＯＮとし、前記出力電力指令＜前記積分器の出力である期間において前記可制御スイッチングユニットをＯＦＦとする間欠制御を行うことを特徴とする原子炉の加圧器のヒータ制御システム。
請求項１に記載の原子炉の加圧器のヒータ制御システムにおいて、前記間欠制御の周期で前記積分器がリセットされることを特徴とする原子炉の加圧器のヒータ制御システム。
請求項１または２に記載の原子炉の加圧器のヒータ制御システムにおいて、前記可制御スイッチングユニットが電源電圧のゼロ点でＯＮ／ＯＦＦされることを特徴とする原子炉の加圧器のヒータ制御システム。
請求項１から３のいずれか１項に記載の原子炉の加圧器のヒータ制御システムにおいて、前記間欠制御の周期での前記積分器のリセットのタイミング時点の前記積分器の出力と前記出力電力指令との差の出力を積分器の初期値としてセットすることを特徴とする原子炉の加圧器のヒータ制御システム。