基于高精度恒流源的控制棒冗余供電系統(tǒng)

張雄林，孫廣明，張文娟

（中國兵器工業(yè)第58研究所四川綿陽621000）

控制棒冗余供電系統(tǒng)是為核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電磁閥提供驅(qū)動電源，以完成控制棒的提升、保持、下插等動作，實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)堆反應(yīng)性以及功率特性的控制功能，其準(zhǔn)確性及可靠性決定了反應(yīng)堆控制的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，關(guān)系到反應(yīng)堆的正常運(yùn)行和安全?？刂瓢羧哂喙╇娤到y(tǒng)對輸入電源的可靠性、安全性和有效性以及電源輸出高精度恒流質(zhì)量要求極高，通常采用冗余設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)的可靠性和可用性[1-3]。

1 硬件設(shè)計(jì)

控制棒冗余供電系統(tǒng)將兩路交流220 V轉(zhuǎn)換成多路高精度恒流源為控制棒驅(qū)動電磁閥供電。兩路交流實(shí)現(xiàn)無縫切換，交流切換時保證控制棒驅(qū)動電磁閥狀態(tài)不發(fā)生變化。具體工作原理為，兩路交流電分別送到兩個供電電源，兩路供電電源產(chǎn)生兩組與交流隔離的直流電源，并聯(lián)形成控制母線為控制器供電，每個供電電源都能單獨(dú)提供控制器所需的功率。

每個控制器實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的電磁閥所需要的恒流特性供電。供電電源、控制器都有單獨(dú)的控制接口和報(bào)警接口，接口采用干接點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)，控制干接點(diǎn)閉合時表示開機(jī)，斷開時表示關(guān)閉，報(bào)警節(jié)點(diǎn)閉合時正常，斷開時表示有報(bào)警。控制棒冗余供電系統(tǒng)有綜合信息處理單元采用雙冗余CAN總線方式實(shí)時采集所有供電電源、控制器的信息及工作狀態(tài)，通過兩路雙冗余RS422串口上報(bào)[4-10]。

圖1 控制棒冗余供電系統(tǒng)原理框圖

1.1 冗余供電電源

供電電源由交流EMI濾波、AC/DC功率因數(shù)校正、三路DC/DC、監(jiān)控控制與顯示組成。

圖2 供電電源原理圖

EMI濾波電路由共模電感、差模電感、X電容、Y電容等多級濾波器組成，在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上確定電感、電容的參數(shù)，濾波器內(nèi)有放電設(shè)計(jì)，防止濾波電容殘留電對人體產(chǎn)生傷害。

AC/DC功率因數(shù)校正電路提高交流輸入功率因數(shù)，減小輸入電流的諧波分量，為高頻變換電路提供穩(wěn)定的直流高精度。

DC/DC功率因數(shù)校正電路在脈寬調(diào)制驅(qū)動信號的控制下，將功率因數(shù)校正后的直流電壓變成變成低雜音、低電磁干擾的高質(zhì)量的直流電壓輸出，為控制器提供相應(yīng)的操作電源并完成與交流輸入之間的隔離。采用先進(jìn)的零電壓、零電流技術(shù)，降低開關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力和開關(guān)損耗，提高整機(jī)可靠性和效率，減少電磁干擾。供電電源為所有控制器體用三路功率、控制所需的電源，避免在每個控制器分別產(chǎn)生電源而帶來的干擾，利于電磁兼容[11-15]。

1.2 控制器組成

控制器由恒流變換、恒流控制、監(jiān)控、控制與顯示組成恒流變換電路將供電電源提供的直流電壓源變換成電磁閥所需要的高質(zhì)量的恒流源。在恒流控制的調(diào)整下，采用有源調(diào)整的方式將直流電壓源調(diào)整為恒流源。

恒流控制部分采用成熟的單元電路，電流取樣器精度為0.5%，溫漂50PPM。恒流控制器件基準(zhǔn)溫溫漂0.2 V/℃，噪聲小于80 nV，確保電磁閥恒流控制精度實(shí)時跟蹤負(fù)載電流，保證輸出的恒流精度，并對恒流變換電路提供保護(hù)，及向監(jiān)控電路提供相應(yīng)的信號，以確保控制柜的安全運(yùn)行及各種電氣功能的完成。接受上級的開關(guān)機(jī)控制，和故障報(bào)警上報(bào)。

圖3 控制器組成框圖

圖4 恒流變換原理圖

1.3 綜合信息處理單元

綜合信息處理單元基于自主可控計(jì)算機(jī)進(jìn)行二次開發(fā)，其功能為：采集供電電源模塊、控制器模塊的工作狀態(tài)、產(chǎn)生報(bào)警信號，記錄并上傳給上級系統(tǒng)。對上級系統(tǒng)提供2個雙冗余RS422串口。

圖5 綜合信息處理單元原理

2 軟件設(shè)計(jì)

控制棒冗余供電系統(tǒng)軟件模塊主要包括狀態(tài)監(jiān)測、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理3部分。狀態(tài)監(jiān)測模塊將通訊系統(tǒng)要求的電壓、電源溫度等信息上傳給上位機(jī)，若存在問題則進(jìn)行故障報(bào)警；參數(shù)設(shè)置模塊為上位機(jī)提供RS422協(xié)議、Modbus-RTU協(xié)議使用到的通訊速率、校驗(yàn)方式等參數(shù)的設(shè)置；數(shù)據(jù)處理模塊為內(nèi)部及外部通訊提供統(tǒng)一的發(fā)送及接收數(shù)據(jù)消息的接口，并根據(jù)要求提供數(shù)據(jù)打包、解析等功能。

圖6 數(shù)據(jù)交互流程圖

3 性能驗(yàn)證試驗(yàn)

依據(jù)負(fù)載特性模擬制了電感負(fù)載進(jìn)行實(shí)際測試，負(fù)載如圖7所示，測試波形如圖8所示，線實(shí)測恒流精度小于2 mA。電流上升時間約為37 ms與仿真一致圖如圖9所示。測試條件，供電電壓350 V，電感量32 H，電阻710 Ω，最大電流250 mA，最小電流150 mA[16-17]。

圖7 試驗(yàn)用電感

4 結(jié)束語

控制棒冗余供電系統(tǒng)輸出直流電壓為0～400 V，恒流精度要求為±5 mA之內(nèi)，傳統(tǒng)控制電路上使用的采樣電路存在誤差較大，即存在恒流控制參數(shù)不一致性的問題，這給生產(chǎn)和使用帶來極大的不便。因此，采取了高精度恒流控制技術(shù)措施，并對電源模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，使模塊的輸出滿足精度要求并滿足之間的通用性和互換性要求，同時在通訊部分采用了冗余的通訊設(shè)計(jì)，避免數(shù)據(jù)通訊中斷的情況發(fā)生，提高了冗余供電系統(tǒng)監(jiān)測的可靠性，從而提高了核反應(yīng)堆的安全性。通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該控制棒冗余供電系統(tǒng)工作穩(wěn)定，高精度恒流源輸出質(zhì)量高，符合核反應(yīng)堆控制棒冗余供電系統(tǒng)的要求。

圖8 實(shí)測電壓、電流波形

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