JPH0695150B2 - 磁気機構の作動を制御する方法および装置 - Google Patents

磁気機構の作動を制御する方法および装置

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JPH0695150B2
JPH0695150B2 JP61098414A JP9841486A JPH0695150B2 JP H0695150 B2 JPH0695150 B2 JP H0695150B2 JP 61098414 A JP61098414 A JP 61098414A JP 9841486 A JP9841486 A JP 9841486A JP H0695150 B2 JPH0695150 B2 JP H0695150B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ 本発明はステッピングタイプの磁気機構に関し、特に、
磁気ジャッキタイプの制御棒駆動機構に関する。
市販の原子炉は代表的には１つまたはいくつかグループ
をなす中性子吸収制御棒を炉心に入れたり炉心から出し
たり移動させることによって制御されている。その制御
棒を駆動するために種々の電気機械装置が使用されまた
は提案されているが、今日、最も頻繁に使用されている
のは２つのタイプである。第１のタイプでは、制御棒駆
動シャフトはその上方部に沿って伸びる複数のノッチを
有している。複数のラッチ部材は順次、ノッチを係合
し、保持し、上昇（または降下）し、そして再係合し、
炉心に関して垂直に制御棒を引きぬく（または挿入す
る）よう作動される。他のタイプでは、制御棒駆動シャ
フトの上方部はナットと嵌め合い係合状態に螺合されて
いて炉心に関して制御棒を昇降させるよう連続して回動
される。制御棒駆動機構のいずれのタイプにおいても、
ラッチ部材またはナットの回動の連続作用は電磁誘導装
置によってステップ状に行なわれる。
一般に制御棒の移動により炉心の反応度は顕著な変化を
生じ、総出力レベルは増減され、炉心内の個々の燃料棒
によって発生される局部的な出力に影響を与えることが
できる。制御棒位置指示の制度は原子炉を合法的に運転
できる最大出力レベルの重要な決定要素である。さら
に、制御棒が炉内の正確な位置および互いの正確な位置
決めを確実にするに十分精度よく制御できない場合、発
電プラントの運転に著しい制限が法的に果せられてい
る。このように、原子力プラントのオペレータは、すべ
て標準の環境条件の基で、信頼性があって頑丈であり、
その上最大精度を維持するような制御棒駆動システムを
設備することを強く奨励している。
上述のタイプの電気機械装置は複雑なタイミング体系を
要し、校正、保守および設定点決定についての多方面に
わたる要求がある。しかし、細心の注意を払っても、発
電プラントのオペレータは、制御棒の実際の位置が完璧
に動作した駆動機構がとるべき位置からかなり相違した
場合に、貴重な時間をむだにし、かなりの出費を受ける
ことになる。たとえば、位置指示は代表的にはラッチコ
イルに現われた電気パルス信号から取っている。ラッチ
がコイルの作用にもかかわらず動かなかったとすれば、
棒が静止している時でさえも、オペレータの位置指示は
棒位置増加を示すこととなる。これが連続プラント運転
の期間にわたって蓄積されると、それでもそのような偶
然の誤動作により、制御システムの信頼性、通常は発電
プラント運転の信頼性を低下させていた。
米国特許第4,125,432号明細書の“原子炉制御棒駆動機
構”は前述の駆動機構の改良を開示したもので、制御棒
グリッパラッチの実際の機械的運動は制御監視論理にて
検出利用されている。先のシステムは棒運動に影響を与
えるラッチ運動動作電流の検出を頼みにしている。本質
的には上記米国特許の方法はラッチアーマチュアを動作
させる駆動コイルの電流を検出し、次いでそのコイル電
流の波形をラッチが休息状態にある時のコイルの少なく
とも１つの波形特性と比較するステップを包含してい
る。ここに、ラッチ動作の開始はコイル波形の静止ラッ
チ波形特性からの偏移から明らかにされ、ラッチ動作の
終了の検出は静止ラッチ波形特性に似たコイル波形の再
開始から明らかである。
前記米国特許の教示から利用できる制御システムの多く
の改良点はその時に認められた。コイル寿命はラッチを
動作開始させるに必要な電流にピーク電流を制限できる
ので改良され、このようにして過度のラッチの摩耗およ
びコイルの消失が防止される。実際のラッチ運動を直接
監視することによって、個々の動きが累積されて炉心内
の実際の棒の位置を決定することができる。また、初期
故障は、駆動電圧の印加とラッチが動いたことの指示の
受信との間の経過時間が識別された制限を越えたかどう
かを判断することによって検出することができる。最後
に、１つのラッチが所望どうりに動くことに失敗したこ
との指示は駆動機構に関連する他のラッチの作動を妨げ
るようにし、これによって制御棒をいつでも指示するこ
とを保証するのに使用することができる。
従来技術に関する多くの利点は前記米国特許に記載の発
明から理論的には利用可能であるが、実際上の改良は容
易ではない。２つの重要な違いがある。第１に、コイル
電流波形を比較しようとする“特性波形”は各駆動機構
におけるコイルの種類ごとに独特なもので機構によって
も相違する。１つの原子炉はそのような機構を100個ま
で有することがある。また、機構の機械的構成要素とし
ての“特性波形”の適時変化は摩耗及び温度変化によっ
て影響される。改良に対する第２の障害は、コイルに関
連する電流波形の検出および正確な表示に関する電磁妨
害（EMI）の影響である。コイル波形を正確に定める困
難さは、基準として役立つ多数の一定変化および複雑に
異なった“特性波形”と結合されて、前記米国特許に記
載のすべての利点が達成できるような経済性のよい制御
棒駆動および監視システムの設計にかなりの障害を与え
ていた。
前記米国特許に記載の発明から利用できる利点の１つ
は、しかし、Southern California Edison CompanyのSo
ngs Unit2および３に、およびFlorida Power＆Light Co
mpanyのSt.Lucie Number2Unitに使用するために、本出
願人によって開発されたグリッパ・エンゲージメント・
モニタ（GEM）の形で実施されている。GEM回路はグリッ
パコイル電流波形を電気的に監視することによって上部
および下部グリッパの機械的動きを検出し、２つのグリ
ッパの１つが常に制御棒を係合するようなグリッパ連動
装置を与えている。グリッパの係合失敗が検出される
と、他方のグリッパの正規の解放が妨げられる。そのよ
うな失敗のとき、制御棒タイマ盤のプログラムされた運
転シーケンスは中断され、オペレータは修正作用が必要
であることを認識する。GEM回路はコントローラとして
使用されるのではなく特定の機能不全（たとえばラッチ
の係合失敗）をオペレータに通知するための単なる保護
装置として使用されている。
制御棒監視システムに比して控えめな改良がなされたGE
M回路は利用できるが、前記米国特許の発明から得られ
る利点のほとんどを与えるものではない。典型的な原子
炉のための複数の制御棒駆動機構と関連された多数およ
び多種の電流波形に関して上記した問題、さらにはEMI
の影響はGEM回路によっても克服されていない。ハード
ワイヤード（演算増幅器）回路によって、GEMは、ラッ
チ動作の間に非常に明白な形の不規則さ、すなわちグリ
ッチ（円滑な動作を妨げる異常または望ましくない特性
を意味する）、を有するコイル電流波形を発生させる所
望のラッチ動作の集合部分に対してだけラッチ係合を検
出する。これら波形のタイプはラッチ係合と関連される
が、制御棒リフティング、またはラッチプルダウン動作
とは関連されない。その動作も全ラッチシーケンスサイ
クルの間に実行するのに必要なものである。このよう
に、GEM回路は、タイミング制御を改良し全制御棒駆動
システムと関連されたすべてのコイルの満足的な動作を
監視するのには使用できない。
したがって、前記米国特許の発明はこれがなされた時の
従来の状態にて重要な利点があり、それから利用できる
利点のいくつかを実施してGEM回路の土台を与えるもの
であるが、完全なおよび経済性のよい実施が増々必要と
されるのである。
［発明の要約］ 本発明は米国特許第4,125,432号明細書に記載の技術の
大幅な拡張および改良に向けられ、そこに記載の多くの
利点を達成することが証明される。基本的に、本発明
は、ラッチアーマチュアが休息状態にあるときのコイル
回路の電流レベルの波形を電流特性の波形と比較して、
その電流波形がアーマチュア休息時の波形の形から外れ
ているかどうかを指示することである。実時間波形と比
較される“特性波形”を極端に多く記憶しておくという
よりは、本発明はコイル作動パルスの初期部分の間に検
出した実際の波形を表すデータ値を特性波形として使用
している。
装置例においては、本発明は、特定の作動パルスの駆動
電圧の印加の間に、ラッチ作動回路中の電流レベルの時
間依存波形を表すデータ値を連続発生する手段を包含す
る。この装置はまた、アーマチュアまたはラッチが問題
の臨界位置に達するまでの間波形の値限界特性を表すよ
うなデータ値を選択し記憶する手段を包含する。最新に
発生されたデータ値を値限界と比較して、最新に発生さ
れたデータ値がその値限界を越えた時制御信号を発生す
る手段を備えている。図示の例では、データ値はパルス
状駆動電圧の印加の間、あらかじめ決めた複数の時間に
おける波形の時間出力を表している。好適には、臨界位
置へのラッチ動作の指示は、波形時間導関数の代数値
（正負の符号をもった値を意味する）がラッチに関連し
たコイルへの駆動電圧の印加の間に規則的な時間間隔で
計算された導関数の最小代数値をあらかじめ定めた設定
点だけ越えた時決められる。
本発明の方法例は、関連するアーマチュアラッチをあら
かじめ定めた初期位置からあらかじめ定めた最終位置へ
動かすに十分な駆動電圧をコイル両端に発生させ、その
駆動電圧によってコイル内に発生された電流波形を検出
するステップを包含する。電流波形の時間導関数は駆動
電圧の印加の間に複数の時間点の夫々にて連続的に監視
される。電流波形の時間導関数の最小代数値は連続的に
記憶される。次いで現在の代数値、すなち電流波形の実
時間導関数が記憶、比較されて、現在値と記憶値との間
の代数差が所定の設定点を越えた時制御信号が発生され
る。
図示の例では、波形データ値は電流波形のディジタル表
現から発生され、あらかじめ定めた複数の時間間隔の夫
々に渡るディジタル化表現を平均化する手段から発生さ
れる。また好適には、まえの波形のディジタル化表現に
関してディジタル化表現の偏移の大きさを制限する手段
が包含される。これらのいずれの特徴も実時間データ値
と記憶データ値とを比較するために使われるデータ値に
対してEMIの影響を最小化することに寄与している。特
に、駆動電圧を発生するのに三相電源を使用する時、た
とえ三相電源が不平衡になっても、あらかじめ選択した
時間間隔に渡ってディジタル化波形を平均化することに
よって適度な精度は維持される。
このように、本発明は全体の信頼性を改善した制御棒駆
動システムを与えるものである。与えられた制御棒駆動
機構のすべてのコイルのタイプに関連したラッチ動作を
積極的に検出する能力は前記米国特許に記載の改善され
た電圧パルスおよびタイミングシーケンスの利点をすべ
て実現させている。コイルおよび電子部品の寿命は向上
し、本設計に必要な電気機械的な回路およびリンクに対
する手動調整の数を大幅に減らすことができる。制御棒
位置およびそれによる反応度制御はより正確に判断する
ことができ、ユニットの運転の融通性を増すことができ
る。さらに、シーケンシャルコイル作動およびラッチ移
動をより正確に計時する能力はシャフト駆動速度の増加
を可能にする。また、コイル電流のタイミングおよび大
きさは、プラントトリップの間にあらかじめ釈放されて
いた制御棒の再係合および初期リフティングのような特
殊な環境に調整させることができる。
［好適な実施例の説明］ 本発明は、記載が以下にて参照される米国特許第3,626,
493号、同第3,765,585号、同第4,125,432号明細書のよ
うな多くの先願米国特許において一般的に記載された機
械的動作を有するタイプの、制御棒駆動機構およびシス
テムとした好適な実施例について詳述されよう。
第１図は、一連の等間隔に隔てられたノッチ12を有し、
上部ラッチまたグリッパ14,14′および下部ラッチまた
はグリッパ16,16′によって係合された駆動シャフト10
を示している。第１図(a)は駆動シャフト10とともに、
任意のノッチN1を係合している上部ラッチ14,14′およ
びノッチN2とと同じ高さにある下部ラッチ16,16′を示
している。本発明は、駆動シャフト10を原子炉の炉心内
で上下方向に信頼性をもって正確に移動させるようにし
たラッチ14,16のシーケンシャル動作の監視および制御
のための装置および方法に向けられる。しかし、電気機
械装置の技術に熟知した者には明らかなように、ここに
説明した装置および方法は同様のステップ様機能が実行
される多種多様の他の装置に利用される。
第１図、第２図および第３図は一緒に見ると、制御棒駆
動シャフト10を移動させる作用の電気機械的シーケンス
を示している。本発明によれば、第２図に表されたシー
ケンシャル作用の好適なタイミングは、第３図に略示し
たコイル駆動回路内に発生された電気信号を正確に解釈
することにより、ラッチおよびコイルの摩耗を最小とし
ながら、高精度および高信頼性をもって達成される。１
つの駆動シャフト10は２ペアのラッチ14,14′および16,
16′だけを有しているので、駆動シャフトの前進は代表
的には５つの異なったタイプのラッチ作動を要し、それ
らの夫々は第３図に示したコイル作動回路によって説明
することができる。
第１図および第２図を参照すれば、時間ゼロにおいて、
高電圧Ｈがリフトコイル18に供給される。これは上部ラ
ッチ14の上部グリッパコイル20の単なる保持効果を補足
するものであり、時間ゼロにてシャフト10の静止重量を
支えている。高いステップ電圧によりリフトコイル18内
に十分な電流が確立されると、上部ラッチ14は上方に移
動し、ノッチN1および駆動シャフト10の全体も上方に移
動する。この位置は第１図(b)に示してあり、この動作
は第２図にＡ−Ｂを付した時間間隔の間で生じる。期間
Ａ−Ｂの間、駆動機構の他のコイルは次ぎの状態を有す
る。すなわち、上部グリッパコイル20は低、すなわち
“保持”電圧Ｌに励磁され、プルダウンコイル22は電圧
Ｏに消磁され、負荷送りコイル24は０に消磁され、下部
グリッパコイル26も消磁されている。
ラッチ14の作動は、電圧源30、代表的には三相電源と、
スイッチ32と、回路等価抵抗RLと、誘導コイル装置とを
有するコイル回路28によって第３図に略示してあり、こ
れによって上部ラッチ14は上部グリッパコイル20の磁界
内にアーマチュアとして位置されているのでラッチ14は
コイルを介して十分な電流Icを流した時駆動シャフト10
の隣接するノッチ12に向かって内側へ動く。ラッチ14は
代表的にはコイル20が非励磁時に駆動シャフト10から十
分離れるようばねによって機械的にバイアスがかけられ
ている。リフトコイル18およびプルダウンコイル22は下
部ラッチ16に対して上部ラッチ14を上下方向に移動させ
るように配置されている。コイルの配置および駆動機構
の機械的部材との相互作用の詳細は前記参照した米国特
許に見られる。
しかし、本発明の十分な理解のためには、当業者は、第
２図に示したコイルの夫々が励磁または消磁を要求され
ると、それを介して電流Icが流れ、励磁コイル両端には
電位差Vcが発生することを理解しておくだけでよい。
第２図に示したタイミングシーケンスに関し、次の約25
0ミリ秒のところでは同時に下部グリッパコイル26を励
磁して係合させ、下部ラッチ16を対向するナッチN3と係
合するよう動かし、リフトコイル18の電圧をリフト機能
というよりは保持に相当する中間レベルＬまで減らす。
これは第１図(c)に示してあり、その時間間隔は第２図
にＢ−Ｃで示してある。
一度、下部ラッチ16が十分に係合されてから電圧が低レ
ベルまで下がると、駆動シャフト10の重量または負荷
は、第２図に時間間隔Ｃで示したように、負荷送りコイ
ル24を励磁することによって下部ラッチまで送られる。
負荷が送られ下部ラッチ16によって保持されたことが確
認されると、リフトコイル18および上部グリッパコイル
20は消磁され、プルダウンコイル22が励磁されて上部ラ
ッチ14を１つのノッチ位置相当量だけ下方に引張る。こ
れは第２図の時間間隔Ｄ−Ｅで生じ、その結果の上部お
よび下部ラッチ14,16の関係は第１図(d)および(e)に示
される。上部グリッパコイル20は次いで励磁されてラッ
チ係合を第１図(f)に示したようにし、このため、その
瞬間、上部ラッチ14および下部ラッチ16の双方は制御棒
駆動シャフト10を係合、支持する。これは第２図の時間
間隔Ｆで示される。第２図に示した時間間隔Ａの間、負
荷送りコイル24は消磁され、上部グリッパコイル20を除
く他のすべてのコイルもそうである。上部ラッチ14およ
びリフトコイル18は時間間隔Ａ−Ｂに示した作動に待機
させられ、シャフトリフティングサイクルが繰り返され
る。
第２図を調査することで理解されるように、各種コイル
作動のタイミングは負荷が上部および下部ラッチの間で
送られる時特にそれら作動の時間点にてきわどいもので
ある。タイミングのきわどさにつながる他の要因は２つ
の励磁電圧状態、つまり高および低状態の使用である。
高状態は所望どうりに係合およびリフトするのに使わ
れ、低状態は単にラッチを所定位置に保持するために使
用されるのである。これは、米国特許第4,125,432号明
細書に記載のように、コイルおよびラッチの寿命を延ば
すことが望まれているものである。実際、後述するよう
に、高および低の作動状態と関連されたコイル電流は５
つのタイプのコイルそれぞれに相違し、ほとんどの電流
は制御棒を単に保持するというよりは実際に動かすため
のリフトコイル18に必要とされる。
本発明の装置および方法は、実際にラッチ部材14,16が
対向するノッチ12を十分に係合したか、さもなければ所
望どうりに動いた時を判断する改良された技術に向けら
れる。その時、要求時に棒が動かない、または最悪の状
況下で不注意にも棒が落下するという誤動作が生じる危
険のない制御信号がコイルの活動を開始するのに送出さ
れる。
第4a図はスイッチ32が閉成した時から一定の励磁状態の
時間間隔におけるコイル18〜26の両端のコイル電圧34
（Vc）を示している。第4b図はスイッチが閉成してから
のコイル電流36を示し、電流Icは関連するアーマチュア
またはラッチ14の移動を生じさせるには不十分なもので
あるとしている。本発明の基礎は、米国特許第4,125,43
2号によってカバーされたもののほかに、ラッチ14が第
１の、すなわち初期の位置から第２の位置へ、たとえば
完全釈放と完全係合との間を動いた時の電流波形に関す
る影響である。
第５図はラッチ部材14が駆動シャフト10に向かってマイ
ナス（−）方向に動いたときのグリッパコイル20に関連
した波形偏移または“グリッチ"38を示している。同様
に、反転された“グリッチ"40はラッチ14がばね（図示
しない）の作用によってコイルの方へ引張り戻された時
に生じる。第５図に示したコイルの波形は単に図式的な
ものである。実際のところ、少しもラッチが移動しない
ことに関連した第4b図に示した波形も、ラッチの付勢お
よびそれによる作動を表している第５図に示した波形
も、特定の駆動機構内の特定のコイルについてまさに一
定ではない。時間、摩耗、および温度の影響によりそれ
らの特性は変化するものである。さらに、システムへの
EMIの導入によって実時間波形をさらに変形してしま
う。
第６図は好適な実施例と関連した５つのタイプのコイル
に流れるコイル電流の全体的な形状の差および正規化し
た振幅を極めて一般的な方法にて示している。最大振幅
を有する電流はリフトコイル18と関連され、第６図に符
号ILCで示してある。電圧が減少される前のピーク電流
は約30アンペアに達するまで許容され、第２図に示した
電圧パルスタイミングによって安定した電流が保持され
る。グリッチ38′は第５図に示したものと比べて全くゆ
っくりしており、その波形の傾斜（瞬間変化率を意味す
る）は決して負になることはない。上部および下部グリ
ッパコイルと関連した波形はそれぞれIUGおよびILGで示
してある。これらの波形もグリッチパターン38も第５図
に示したものに似ている。IPDで示したプルダウンコイ
ルと関連した波形はリフトコイルよりはグリッパコイル
と関連した波形により似かよっているが一般には高い振
幅を有し、グリッチ38″に関連したより丸みのあるこぶ
を有している。負荷送りコイルの電流波形ILTはリフト
コイルの波形の振幅を大幅に下げたものによく似ている
が、そのグリッチ38は同じスケールでは見分けること
は難しい。
“非動作”および“動作中”の波形の独特の組合せは１
つの駆動機構内の１つのコイルでさえも容易に確かめる
ことができない状況では、当技術者が全部で約500個の
コイルを有する原子炉制御棒駆動システムにおいて個々
のコイルごとの時間依存および事象依存特性が必要な監
視および制御システムを実施することをきらっているこ
とは驚くにあたらない。
本発明によれば、コイルの電流レベルの波形をアーマチ
ュアが休息している時のコイルの特性である波形と比較
するという新技術が提供される。第7a図および第7b図は
第６図に示した上部グリッパコイルの波形IUGとリフト
コイルの波形ILCとの興味深い部分を拡大したものであ
る。第7a図において、グリッチ38は全く明白であり、波
形の傾き、すなわち偏移がゼロの点42を通っている。波
形のこの部分はアーマチュアがその第１の位置、すなわ
ち静止位置から動き始めた情報を与えているところであ
るが、より重要な情報は点44に現れていることが分か
る。これは静止アーマチュアを表している基本波形の再
確立を示し、アーマチュアまたはラツチがその第２位置
にて十分に係合したことを確証するものである。第7b図
では、波形の相当する点は、それぞれ42′および44′で
示したアーマチュアの初期の静止位置と最終の静止位置
との間の波形の傾斜の非常にゆっくりとした変化のた
め、一層認別が困難であることがわかる。
各電圧パルスのところで発生された実時間電流波形を完
全な基準または特性波形と比較するというよりは、本発
明は駆動電圧30（第３図参照）の印加の間の回路28内の
電流レベルの時間依存波形を表すデータ値を連続的に発
生する手段および方法を提供するものである。好適な実
施例によれば、これらデータ値は駆動電圧の印加の間の
複数の時間点の夫々における時間依存電流波形の時間導
関数（すなわち瞬間変化率）を表している。第7a図にお
いて、各導関数は波形傾斜M1，M2，・・・M6・・・Mnで
示してある。同様に、波形の小部分を示した第7b図で
は、傾斜M6′およびMn′は第7a図のそれぞれ点42および
44に相当する点42′および44′に示されている。
本発明は、好適には第14図に示したタイプのマイクロコ
ンピュータベースのシステムで実施されるのがよい。そ
のブロック図の詳細は後述するが、本目的のために、そ
のシステムは駆動電圧によって各コイル回路に発生され
た時間依存電流波形を検出する電流検出手段44と、信号
処理手段46とを包含し、その信号処理手段46は好適には
マイクロプロセッサベースの制御ユニット48内の、好適
には駆動電圧の印加の間複数のあらかじめ定めた時間の
それぞれにおける電流波形をディジタルの形に表現する
手段と、あらかじめ選択された複数の時間間隔のそれぞ
れに渡ってディジタル化表現を平均化する手段とを包含
するのがよいと理解すべきである。制御ユニット48はア
ーマチュアがその臨界位置、たとえば十分に係合した位
置にまだ到達していない間の波形の値限界特性を表して
いるデータ値の１つを選択して格納する。マイクロプロ
セッサはまた最新に発生されデータ値を値限界と比較し
て、その最新発生データ値が値限界を越えた時制御信号
50を発生する。この制御信号50は出力ポート52を介して
通過し、これによって第２図に示したように、コイル電
圧のタイミングおよびシーケンシングが実行される。
本発明の基礎は、第６図に示したタイプの一般的波形が
多種であり、それら全波形に見られるグリッチ38が広範
囲であるにも拘わらず、初期の休息位置から最終の休息
位置へのラッチ部材14,16の実際の動きの確認がそのよ
うな動きの前後の波形導関数を比較することによって達
成できることを発見したことにある。特に第7a図および
第7b図に示した波形の最初の電流増加に沿って、導関数
M1−M7は代数値すなわち正負の符号をもった値として減
少し、しばしば第7a図のグリッチ38におけるM6又はM7の
ように負になったり、しばしば第7b図に見られるように
ゼロに近づくことさえもないことがある。グリッチまで
およびグリッチの間の波形の形状に関係なく、ラッチの
最終位置が44,44′に確立されると、波形導関数はその
波形の前の地点における波形導関数の最小値より常に代
数的に大きい。
このように、本発明は、連続して、導関数M1，M2，・・
・M6をたどって記憶し、最小値を有する導関数を値限界
として選択し、波形導関数の実時間、つまり現在の値を
記憶した値限界と連結的に比較する。第7a図を参照すれ
ば、最初に記憶された導関数値はM1，ついでM2，そして
M6，M7，・・・Mnとなる。MnがたとえばM7を越えると、
係合の確認が発生し、次の制御信号が発生される。同じ
ような工程が第7b図に示した波形ILCに関してもなされ
る。
第8a図および第8b図は特定のコイル作動パルスがある時
の波形導関数の現在値と記憶された最小値との好適な比
較方法をさらに詳細に示している。最終位置に到達する
アーマチュアまたはラッチに相当する波形傾斜は常に正
の値を有することにしてあるので、比較メモリに格納さ
れた最小導関数値は、実際の最小導関数値が負の値であ
るときでもゼロの値に制限しておくものとし、これによ
り比較が容易となる。これは第8a図に図示的に示してあ
る。このため、第7a図の傾斜M6およびM7に相当する記憶
された導関数値はゼロである。ラッチ係合の早まった指
示が生じないようにするため、傾斜のあらかじめ定めた
設定点値Spが実時間傾斜Mnとの比較の前に最小記憶値に
加えられる。Mnがその最小記憶値と設定点との代数和を
越えると、制御信号が発生される。第8a図においては最
小記憶値はゼロ、第8b図においては最小記憶値はゼロよ
り大きいのが見られる。
第９図はラッチ係合の早すぎる指示を防ぐためにさらに
改善した技術を示している。第7a図おび第7b図に示した
ように、非常に控えめに選択した設定点傾斜を記憶値に
加える代わりに、より小さな設定点値を選択するが導関
数の実時間値は第９図に傾斜Mn-2，Mn-1およびMnとして
示した３つの連続した時間間隔での比較について最小値
プラスより小さな設定点を越えなければならない。
本発明の本質的な特徴を第１図ないし第９図を参照して
述べたが、実際の好適な実施のためには、多種の潜存的
なエラー発生源を説明すべきである。第１のエラー発生
源は三相電圧源30が不平衡になって来た時現れる。この
点まで説明したように本発明を実施する技術は、たとえ
ば第７図および第８図に示した粗波形が低振幅正弦成分
を有することを考慮するだけでなくその正弦成分が実際
上振幅および周波数において変化することを考慮すべき
である。第10図および第11図はこれらエラー発生源を考
慮した技術を示している。
第10a図は平衡三相駆動電圧源に関連したコイル電流Ic
を示し、第10b図は平衡が崩れた三相電源の最悪の情況
を示している。これらの波形部は上述の粗波形の任意の
部分に見られるものである。原子力プラントに最も共通
した電源は180サイクル／秒の三相電源電圧である。こ
の情況において、好適な技術は電流波形をディジタル化
し、平均傾斜すなわち平均時間導関数を決定することで
あることがわかる。
第11a図および第11b図は好ましい平均化技術をいかに実
施しているかを示している。波形のアナログからディジ
タルの変換は0.5ミリ秒の間隔で行なわれるが、粗波形
の導関数の値は16ミリ秒の間隔で平均波形振幅間の差を
とることによって決定され、ここで、その平均振幅値の
夫々は８ミリ秒の時間間隔に渡って振幅値を平均化する
ことにより決定される。第11a図および第11b図を比較し
てわかるとおり、この平均化技術は好ましくは平衡のと
れた三相情況にあるか平衡の崩れた三相情況にあるかど
うかで波形の分担に重みをかけている。実際には、平均
時間導関数は平衡のとれた三相電源の周期の３倍に等し
い時間間隔の間に決定される。
他のエラー発生源はEMIから発生したスプリアス振幅信
号から生じる。第12図はそのようなスプリアスデータの
影響を最小化する技術を示している。電流波形は0.5ミ
リ秒の間隔でディジタル化されるが、このような間隔ご
とに検出された値が波形導関数の計算に使用される前に
チェックが行なわれて、その値が前のデータの上下のあ
らかじめ決められた範囲または帯域に入っていることを
確かめるのである。たとえば時間T1において、振幅は12
アンペアである。このとき±４アンペアの帯域が次の時
間点T2のために確立され、T2での測定振幅は８〜16アン
ペアの範囲Ｒに入っていなければならないか、さもなけ
ればすぐ前の時間点に相当するデフォルト値ID、すなわ
ち12アンペアが選定される。帯域を満たす別の技術も使
用することができ、たとえば電流波形に特定の正弦形状
を仮定し適当な範囲を有する正弦帯域の重畳するように
する。いずれにしても、測定はコイル電流粗波形の導関
数の決定にスプリアス信号の過剰な重みをかけないよう
にして取るべきである。
また、波形導関数の計算にスプリアス信号を含ませない
ようにするとした他の測定も採用することができる。た
とえば、第５図によれば、波形測定値はコイル電流Icが
あらかじめ定めた最小値IMを越えるまで導関数の計算に
含ませないようにするか、または最小時間TMが経過する
までは全く電流値を含まないようにする。
システム動作への雑音の混入を最小にすることで重要と
思われる本発明の他の特徴はコイル電流信号を監視する
のにホール効果センサの使用である。これらセンサは制
御論理用電源のEMIの激しいコイル電源からの固有の絶
縁を与えるものである。コイルは位相点孤式シリコン制
御整流素子を介して整流された半波とする交流240ボル
トで動作する。適当なホール効果センサとしてたとえば
Texas Instruments CompanyのモデルTL173Cが利用でき
る。これらは磁束が集中するところ（たとえばフェライ
トコアの中）に配置すべきであり、各コイルの電源リー
ド線の１つのまわりにも設置される。
本発明の好適なハードウェアを第14図を参照してさらに
詳述する。ブロック図は第２図に示したタイミング図表
に従って作動される５つのコイルタイプを有する単一制
御要素駆動機構のための制御機能である。各コイルまた
はコイル回路タイプには、関連する検出手段44がある
（すなわち、上部グリッパコイル20、下部グリッパコイ
ル26、リフトコイル18、負荷送りコイル24およびプルダ
ウンコイル22のそれぞれに別々のホール効果センサがあ
る）。センサ信号は、マルチプレクサ装置60およびアナ
ログ・ディジタル変換器62から成る信号処理手段46に入
る前に普通のフィルタ56および増幅器58を通る。ディジ
タル化された波形はマイクロプロセッサ制御ユニット48
によってアクセスされるデータバス64に入れられる。好
ましくは、第７図ないし第12図に関して説明した方法ス
テップのすべてはマイクロプロセッサによって実行され
るが、いくつかの機能、特に雑音フィルタに関する機能
は信号処理装置46にて実行することができる。発振器6
6、外部タイマ68、それにプログラマブル読取り専用メ
モリユニット70は普通の方法にてマイクロプロセッサ48
と相互作用して、データバス64、アドレスバス72および
制御バス74とのマイクロプロセッサの相互作用のための
基準である共通な実時間フレームを確立する。好適な実
施例では、第２の発振器76およびウオッチドッグタイマ
78はあらかじめ定めた時間周期の間に終了させることに
失敗したマイクロプロセッサベースのあらゆる動作を捕
らえるためにランダムアクセスメモリユニット80と相互
作用している。
本発明のウオッチドッグタイマ78は好ましくはタイムア
ウトした時棒の落下の可能性を避けるため制御信号が上
部および下部グリッパの両方に保持電流を供給開始する
ようプログラムされている。この電流のレベルは係合し
たグリッパを保持するだけのもので釈放されたグリッパ
を係合するものではないので、このときマイクロプロセ
ッサ48はグリッパが実際に係合されていることを判断し
なければならない。これはグリッパコイルを順次励磁し
ラッチ係合に相当する波形を探すことによって達成され
る。このようにしてグリッパの係合を判断することによ
って、マイクロプロセッサの内部状態フラグはウオッチ
ドッグタイマがタイムアウトした時に存在する初期条件
の実際の組合せにリセットすることができる。これによ
り制御棒を落下させることなく自動リセットをなすこと
ができる。
第２図に関連して前述したように、各種コイルへの電圧
信号のタイミングおよび順序は前の時間間隔の間に要求
された作用が実際に行なわれたことを確認することに基
づいている。本発明によれば、そのような確認はコイル
電流の実時間導関数と電圧パルスの間に発生された電流
波形のより早い時期の部分に関連した最小導関数との比
較によりマイクロプロセッサ48内で決定される。マイク
ロプロセッサ48は信号を制御バス74を介して入出力ポー
ト52に送り、コイルへの駆動電圧を制御する。マイクロ
プロセッサによって保証される各種制御作用は、リフト
コイル高電圧（LH）、リフトコイル低電圧（LL）、負荷
送りコイル高電圧（LTH）、負荷送りコイル低電圧（LT
L）、プルダウンコイル高電圧（PDH）、上部グリッパ高
電圧（UGH）、上部グリッパ低電圧（UGL）、下部グリッ
パ高電圧（LGH）、下部グリッパ低電圧（LGL）を含む。
また、パルスカウント信号がプラントコンピュータに送
られて特定の制御棒が移動完了（LHL）したことを指示
し、ウオッチドッグがタイムアウト時に故障保持シーケ
ンス84が作動される。
高レベルの制御が制御棒駆動レベルに与えられると、代
表的な原子炉ユニットに関して与える約100個の制御棒
の集合部分および関連する駆動機構の動きが調整されて
いると理解すべきである。この高レベル制御は普通のも
ので本発明の一部を成すものではない。しかし、高レベ
ルの制御論理およびシステムは従来のものであるが、本
発明は、個々の制御要素駆動機構の比較的エラーのない
動作のため高い信頼性および精度をもって主制御器を運
転できるものである。
本発明の別な実施例を第13a図および第13b図に示す。第
13a図はローラナットタイプの制御棒駆動機構の正面図
である。リードねじ駆動シャフト86は同期リング88と、
セグメントアーム90と、ローラナット92とによって囲ま
れている。第13a図に示した係合位置において、セグメ
ントアームの下方位置は、セグメントアーム90がシャフ
ト86を中心として回転されると、ローラナットが回転し
てこれに螺合されたシャフトを進めるよう、ローラナッ
ト92を担持している。圧縮ばね94および枢動ピン96は棒
が逃げようとする時計画的釈放を助力するものである。
セグメントアーム90はこの上のステンレス鋼磁気ロータ
98と、アーム90のまわりに隔置された複数の誘導または
ステータコイル100との間でタイミングのとられた電気
機械的相互作用によって回転される。
第13b図はセグメントアームロータ98とコイル100との間
の空間的な関係を平面で示している。注意深くタイミン
グのとられたシーケンスをもってコイルを励磁すること
により、ロータおよびローラナットは時計方向または反
時計方向に回転させられ、アームの上方部分にかかる半
径外方向の力がシャフトに対するローラナットの係合を
維持している。
当事者によって認識されるように、固定コイル100に関
するロータ98の動きは本発明に従って使用できるタイプ
の電流波形を発生させ、監視または制御機能を実行す
る。さらに認識されるように、本発明は原子力制御棒駆
動機構と関係した用途に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
第１図は制御棒駆動シャフトおよび関連する上部および
下部ラッチを制御棒を長手方向に進めるに要する順次係
合、保持、リフトおよびプルダウン動作に従って示した
図、第２図は第１図に示したようなラッチに磁気的に結
合された誘導コイルに供給される駆動電圧パルスを示し
た代表的なタイミング図、第３図は１つの制御棒駆動機
構と関連された代表的には５つの作動コイルの１つにつ
いての駆動電圧源と、誘導コイルと、ラッチアーマチュ
アと、誘導電流との関係を示した混成回路を示す図、第
4a図および第4b図はラッチ動作が生じない場合で第３図
の回路に示したスイッチが閉成したときの電圧および電
流波形図、第５図は第３図に示したラッチの係合及び釈
放に関連した代表的なグリッパコイルの電流波形図、第
６図はコイルが５個のタイプの代表的制御棒駆動機構が
作動したときの相対的粗波形を示す図、第7a図および第
7b図はグリッパコイルおよびリフトコイルそれぞれに電
圧が印加されたときいかにして波形導関数があらかじめ
選択された時間に決定されるかを示した図、第8a図およ
び第8b図はグリッパコイルおよびリフトコイルそれぞれ
に対しラッチまたはアーマチュアが所望の臨界位置まで
移動したときの波形部分の波形導関数の決定を示した
図、第９図は設定点によって調整されたときの最小値よ
り上の波形導関数の値の増加が所望の最終位置までのラ
ッチ動作の真の指示であることを確認する好適な方法を
示した図、第10a図および第10b図はそれぞれ平衡のとれ
たおよび平衡のとれない三相電源から結果する第５図な
いし第９図に示したタイプの粗波形をなす電流をスケー
ルを違えて示した図、第11a図および第11b図はそれぞれ
電源が平衡のとれたおよび平衡のとれない三相である時
コイル電流波形の時間平均データ値を得る好適な方法を
示した図、第12図は電流波形をディジタル化する好適な
方法により雑音のために直前の値から偏移したデータ値
をいかにして調整するかを示した図、第13a図および第1
3b図は棒がリードねじ駆動シャフトを中心としてローラ
ナットを回動することによって進められるようにした電
気機械制御要素駆動システムを示した図、第14図は本発
明の好適な実施例の基本的なハードウェア構成要素を示
すブロック図である。 10……駆動シャフト、12……ノッチ、14,14′……上部
ラッチ、16,16′……下部ラッチ、18……リフトコイ
ル、20……上部グリッパコイル、22……プルダウンコイ
ル、24……負荷送りコイル、26……下部グリッパコイ
ル、28……コイル回路、30……電圧源、32……スイッ
チ、44……電流検出手段、46……信号処理手段、48……
マイクロプロセッサ、52……入出力ポート、56……フイ
ルタ、58……増幅器、60……マルチプレクサ装置、62…
…アナログ・ディジタル変換器、64……データバス、66
……発振器、68……外部タイマ、70……プログラマブル
読取り専用メモリユニット、72……アドレスバス、74…
…制御バス、76……発振器、78……ウォッチドッグタイ
マ、80……ランダムアクセスメモリ。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】駆動シャフトを中心として配置された複数
    の磁気コイルと、制御信号によりタイミングが検出され
    るあらかじめ定めたシーケンスで前記磁気コイルによっ
    て作動されて前記駆動シャフトの凹部に係合しこのシャ
    フトに長手方向運動または回転運動を与える複数の可動
    ラッチとを有するステッピングタイプ磁気機構の作動を
    制御する方法において、前記磁気コイルのうちの第１の
    コイルと関連する第１のラッチをあらかじめ定めた初期
    位置からあらかじめ定めた最終位置へ動かすに十分な駆
    動電圧を前記第１のコイルの両端に発生させ、前記駆動
    電圧によって前記第１のコイルに発生された時間依存電
    流波形を検出し、前記駆動電圧の印加の間複数の時間点
    のそれぞれにおける時間の関数とした電流である前記電
    流波形の時間導関数を連続監視し、前記電流波形の時間
    導関数のうちの最少代数値を記憶し、電流波形の現在の
    時間導関数の代数値を前記記憶した値と比較し、現在値
    と記憶値との代数差があらかじめ定めた設定点を越えた
    時前記制御信号を発生して前記シーケンスで前記磁気コ
    イルのうちの他のコイルを作動し始めるようにした、磁
    気機構の作動を制御する方法。
  2. 【請求項２】磁気機構のコイルのそれぞれについてあら
    かじめ定めたシーケンスで繰り返して前記駆動シャフト
    に長手方向運動または回転運動を与えるステップを更に
    包含する特許請求の範囲第１項記載の方法。
  3. 【請求項３】制御信号を発生するステップは現在の電流
    波形の時間導関数と同じ電流波形導関数の最小代数値と
    の比較を３つの連続した時間間隔で行った後にのみ行う
    ようにした特許請求の範囲第２項記載の方法。
  4. 【請求項４】磁気コイルとこのコイルのまわりの磁界の
    変化に応答して動くことができる隣接のアーマチュアと
    を有し、さらにそのアーマチュアをあらかじめ定めた初
    期位置からあらかじめ定めた最終位置へ動かすに十分な
    大きさの三相交流電圧信号を前記コイルに与える電源を
    有するタイプのステッピングタイプ磁気機構の作動を制
    御する方法において、コイル両端に駆動電圧を発生さ
    せ、前記駆動電圧によってコイルに発生された電流波形
    を検出し、位相が平衡状態にある時の三相電源の周波数
    の少なくとも４倍の割合で電流波形をディジタル化して
    ディジタル化電流振幅値を得、前記電圧の印加の間あら
    かじめ選択した時間間隔のディジタル化振幅を平均化し
    て前記電流波形の平均時間導関数を決定し、前記波形の
    時間導関数の最小代数値を連続的に記憶し、前記波形の
    時間導関数の現在値を前記記憶した値と連続的に比較
    し、前記現在の時間導関数の代数値があらかじめ定めた
    設定点だけ前記記憶した導関数の代数値を越えた時制御
    信号を発生するようにした、磁気機構の作動を制御する
    方法。
  5. 【請求項５】平衡のとれた三相電源電圧は180サイクル
    ／秒であり、電流振幅をディジタル化するステップは0.
    5ミリ秒間隔で実行される、特許請求の範囲第４項記載
    の方法。
  6. 【請求項６】各平均導関数が計算される時間は平衡のと
    れた三相電源の周期の３倍に等しい、特許請求の範囲第
    ５項記載の方法。
  7. 【請求項７】電流波形の導関数は16ミリ秒の実時間間隔
    の間に計算される、特許請求の範囲第５項記載の方法。
  8. 【請求項８】電圧を印加する手段と、この電圧手段に接
    続されその電圧手段によって電圧が印加された時に電流
    を流すことができその電圧の印加によって磁界を発生さ
    せる回路と、この磁界に応答して第１の静止位置から第
    ２の静止位置へ動くようになっているアーマチュアと、
    回路を流れる電流を検出して電流の流れる量を表す出力
    を発生させる検出手段と、この検出手段の出力を受ける
    よう接続され回路の電流レベルの波形をアーマチュアが
    休息位置にある時の回路の特性である波形と比較すると
    ともにアーマチュアが休息位置にある時の回路の波形特
    性の形状から電流波形が偏移しているかどうかを指示し
    この指示によってアーマチュアの動作を監視または制御
    する手段とを包含する装置において、回路の電流レベル
    の波形をアーマチュアが休息位置にある時の回路の特性
    である波形と比較する前記手段は、前記電圧の印加の間
    回路の電流レベルの時間依存波形を表しかつ電圧の印加
    中のあらかじめ定めた複数の時間における波形の時間導
    関数であるデータ値を連続的に発生する手段と、アーマ
    チュアが監視しようとした位置に達していない間は連続
    的に発生されたデータ値の中の波形の時間導関数の最小
    代数値である前記波形の値限界特性を表すように前記デ
    ータ値の１つを選択して記憶する手段と、最新発生デー
    タ値の代数値と前記値限界とを比較する手段と、その最
    新発生データ値の代数値が値限界を越えた時アーマチュ
    アの動作のための監視または制御信号を発生する手段と
    を包含する、磁気機構の作動を制御する装置。
  9. 【請求項９】データ値は電圧印加中のあらかじめ定めた
    時間の夫々を中心としたあらかじめ定めた時間間隔の間
    における波形の平均時間導関数を表したものとした、特
    許請求の範囲第８項記載の装置。
  10. 【請求項１０】データ値を連続的に発生させる手段は電
    圧印加中のあらかじめ定めた複数の時間の夫々における
    電流波形をディジタル的に表現する方法と、あらかじめ
    定めた複数の時間間隔の夫々の間にディジタル化表現を
    平均化する手段とを包含する、特許請求の範囲第８項記
    載の装置。
  11. 【請求項１１】ディジタル化表現を平均化する手段は前
    の波形のディジタル化表現に関するどのディジタル化表
    現をもその偏移の大きさを制限する手段を包含する、特
    許請求の範囲第10項記載の装置。
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