DE2855364C2 - Schnellabschaltbare Gleichspannungsversorgungseinrichtung für Sicherheitseinrichtungen in Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine schnellabschaltbare Gleichspannungsversorgungseinrichtung für Sicherheitseinrichtungen in Kernreaktoren, mit einer Speiscschaltung zur Erzeugung einer Gleichspannung aus der Netzwechselspaiinung, mit einer gesteuerten Wechselrichterschaltung, zur Errsugung einer Wechselspannung, die eine oberhalb der Netzfreqr.enz liegende Frequenz aufweist, aus der Gleichst ;nnung, mit einem nachgeschalteten Gleichrichtcrschallkreis und mit einer Steuerschaltung zur Steuerung der Arbeitsfolge der Wechselrichterschaltung und zu deren schnellem Abschalten.

Eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung dieser Art ist durch die FR-OS 22 46 098 bekannt. Diese Einrichtung für Haltemagnctspuicn in Kernreaktoren enthält einen Wechselrichter, mit dem Gleichstrom ir; Wechselstrom mit einer Frequenz von einigen Kilohertz umgesetzt wird, um nach Doppelgleichrichtung als pulsierender Gleichstrom den Haltemagnetspulen zugeführt zu werden. Dieser pulsierende Gleichstrom kann dort zu unerwünschten Erscheinungen führen, beispielsweise zur Anregung mechanischer Resonanzen oder zur Induktion von Sekundärspannung. Da die hier betrachteten Gleichspannungsversorgungseinrichtungen eine sehr schnelle Abschaltung — nämlich im Bereich von Millisekunden und darunter — ermöglichen sollen, kann keine Glättung der pulsierenden Gleichspannung mit Kondensatoren erfolgen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine schnellabschaltbare Gleichspannungsversorgungscinrichtung für Sicherheitseinrichtungen in Kernreaktoren zu schaffen, die einen möglichst geringen Wechselspannungsantcil an ihrem Ausgang aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß η gesteuerte Wechselrichierschaliiingen vorgesehen sind, wobei /; größer als 1 ist. daß die Steuerschaltung derart ausgelegt ist, daß die von den Wechselriehtcrschaltungen normalerweise abgegebenen Wechselspannungen um 180" In phasenverschoben sind, und daß der Gleichrichterschaltkreis die gleichgerichteten Wechselspannungen phasenrichtig addiert.

Durch diese Maßnahmen ergibt sich eine besser geglättete Gleichspannung als beim Stand der Technik. Für eine bevorzugte Ausführungsform werden zwei Wechselrichterschaltungen verwendet, so daß die Ausgangsspannungen um 90° phasenverschoben sind.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieies näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschema in Form einer Zwei-aus-Drei-Logik,
ίο F i g. 2 ein Blockschaltbild des Bauteils 10 von F i g. 1.

Fig.3 ein Schaltbild der Steuerschaltung 36 von Fig.2.

F i g. 4 ein Schaltbild einer der Wechselrichierschaltungen 28,28' von F i g. 2.

Fig.5 ein Schaltbild des Gleichrichterschaltkreises 32 von Fig. 2,

F i g. 6A bis 6E Zeitdiagramme der Wellenformen an verschiedenen Punkten der Schaltung der in F i g. 2 dargestellten Stromversorgungseinheit.
In Fig. 1 erkennt man, drei Gleichspannungsvcrsorgungseinrichtungen 10, die mit einem Verbraucher 12 durch drei Leitungen 14 in einer Zwei-aus-Drei-Logik verbunden sind.

Der Verbraucher 12 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Sicherheitsmagnet zur Halterung der Absorberstäbe eines Kernreaktors. Dieser Magnet ist so ausgebildet, daß r: die Absorberstäbe festhält, wenn zwei der drei Einrichtungen 10 in Betrieb sind, wogegen er das Herabfallen der Absorberstäbe bewirkt, wenn nur eine einzige der drei Einrichtungen in Funktion geblieben ist.

Der Netz-Strom, vorzugsweise Drehstrom, wird den

Einrichtungen 10 über ein Verteilungsnetz 16 zugeführt.

Die Einrichtungen 10 sind mit zwei Steuerleitungen 18 und 20 zum Ein- und Ausschalten verbunden, wobei die Steuerung über die Leitung 18 von der den Kernreaktor steuernden logischen Sicherheitsschaltung erfolgt und eine manuelle Steuerung über die Leitungen 20,20' und 20" erfolgt, welche es einer Bedienungsperson crmöglichen, jede Einrichtung 10 für sich zu becätigcn.

Gemäß Fig.2 umfaßt jede Glcichspannungsvcrsorgungseinrichiung eine Spciseschaltung 22 herkömmlicher Bauart zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, deren Ausgangsspannung stabilisiert ist, d. h. in einem bestimmten Bereich (beispielsweise ± 5%) durch ein Signal geregelt ist, das über eine Leitung 26 ankommt. Es ist zu bemerken, daß in der Speiseschaltung 22 eine besondere Sorgfalt auf die Isolierung des Transformators gerichtet werden muß und daß die maximal mögliche Ausgangsspannung auf den für die Regelung notwendigen Minimalwert begrenzt sein soll aus Gründen der Sicherheit, wie dies im folgenden noch genauer ausgeführt wird. Vorzugsweise ist die Speiseschaltung 22 mit einem Strombegrenzer oder einer Überstromsicherung versehen.

In dem dargestellten Beispiel ist die Spciseschaltung 22 über eine Leitung 24 mit zwei Wechselrichlerschaltungen 28,28' verbunden.

Die Ausgangsströme dieser beiden Wcchsclrichlcr-M) schaltungen 28, 28' speisen über Leitungen 30, 30' eine als Glcichrichtcrschalikreis wirkende Siimmie-rschal· lung 32. welche die Au.sgangslcilung 14 speist sowie über die Leitung 26 das Rcgelsignal und über eine Leitung 34 ein Bestätigungssignal liefert, das bestätigt, daß ein ordnungsgemäßer Betrieb vorliegt.

Die Einrichtung 10 umfaßt ferner eine Steuerschaltung 36 für die Wechselrichterschaltungen 28, 28'. Den Eingang der Steuerschaltung 36 bilden die beiden Stcu-

erleitungen 18, 20 sowie die Leitung 34. Den Ausgang der Steuerschaltung 36 bilden die beiden Leitungen 38, 38', über welche die Steuerschaltung 36 mit den Wechselrichterschaltungen 28 bzw. 28' verbunden ist.

Fig.4 zeigt das Schaltschema der Wechselrichterschaltung 28. Die Wechselrichterschaltung 28' ist identisch mit der Wechselrichterschaltung 28 ausgebildet.

Die Wechselrichierschaltung 28 besteht im wesentlichen in einer Parallelschaltung mit Freilaufdioden zur Energierückgewinnung, zwei steuerbaren Siliziumglcichrichtern (SCR) 40 und 42 sowie einem Transformator <4. Die Wechselrichterschaltung 28 arbeitet in der Weise, daß die Siliziumgleichrichter 40 und 42 abwechselnd über die Eingangsklemmen 46 bzw. 48 eingeschaltet werden. Das Einschalten des einen der beiden Gleichrichter bewirkt über einen Kondensator C· und eine Induktivität L das Abschalten des jeweils anderen, wobei auf diese Weise in den Sekundärwicklungen des Transformators 44 eine trapezförmige Welle erzeugt wird, deren Amplitude proportional dem Verhältnis der Windungszahl?! ist Diese trapezförmige Weüe ist in Fig.öA für das Ausgangssignal der Wechsrfrichterschaltung 28 und in Fig. 6B für das Ausgangssignal der Wechselrichterschaltung 28' dargestellt.

Die Dioden 50 und 52 sind Freilaufdioden zur Energicrückgewinnung. Die jeweils aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehenden Schaltungen R2-C4. Ri-C-f, Ra-Q, dienen zur Begrenzung der Geschwindigkeit der Kommutierung.

Der steuerbare Siliciumgleichrichter 54 hat die Aufgäbe, vermittels des Kondensators C» und der Induktivität L den steuerbaren Siliziumgleichrichter 42 am Ende des Zyklus abzuschalten, innerhalb dessen ein Abschaltungsbefehl gegeben wird bzw. die Notwendigkeit zur Abschaltung auftritt. Die von der Diode 56, dem Widerstand R, und dem Kondensator C₃ gebildete Schaltung hat die Aufgabe, eine Vorspannung an den Kondensator C2 zu legen.

Die Steuerelektrode des steuerbaren Siliziumgleichrichters 54 ist mit einer Klemme 58 verbunden und die Kathoden der drei steuerbaren Siliziumgleichrichter 40, 42 und 54 sind gemeinsam mit einer einzigen Klemme 60 verbunden. Die Sekundärwicklungen des Transformators 44 sind mit Klemmen 62,64,66 bzw.68 verbunden.

Die in Fig.5 dargestellte Summierschaltung 32 besteht im wesentlichen aus zwei Diodenbrücken zur Gleichrichtung der von den Transformatoren 44 und 44' der Wcchselrichterschaltungen 28,28' an den Klemmen 62, 64 und 62', 64' ankommender, Spannungen. Diese Brücken werden von den Dioden 70 und 72 sowie den steuerbaren Siliziumgleichrichtern 74 und 76 für die Wcchsclrich-.erschaltung 28 und von den Dioden 78 und 80 sowie den steuerbaren Siliziumgleichrichtern 82 und 84 für die Wechselrichterschaltung 28' gebildet. Man verwendet die steuerbaren Siliziumgleichrichter anstel-Ie von Dioden, um den Verbraucher anschließen zu können, wenn die beiden Dioden in Durchlaßrichtung arbeiten. Diese Verbindung erfolgt dadurch, daß man die Steueranschlüsse der steuerbaren Siliziumgleichrichter 74, 76,82 und 84 über die Widerstände /?,, R\a, An bzw. Ru und den steuerbaren Siliziumgleichrichter 86 speist. Damit der SCR 86 den für die Einschaltung der steuerbaren Siliciumgleichrichter erforderlichen Strom liefert, müssen an den Klemmen 66,68 und 66', 68' die von den Wechselrichterschaltungen 28 bzw. 28' kommenden t>5 Spannungen anliegen.

Die ,in den Klemmen 1/7 und 68' anliegende Spannung ermöglicht — über die Diode 88, den Widerstand Ai₄, den Kondensator C», die Zenerdiode Z_x und den Widerstand Ru — das Einschalten des SCR. 86, wenn an den Klemmen 66, 68 die richtige Spannung anliegt Im Falle eines Fehlens einer dieser beiden Spannungen erfolgt kein Anschluß des Verbrauchers.

Die Dioden 90,92 und 94,96 liefern über die Leitung 26 zur Speiseschaltung 22 gemäß F i g. 2 das zur Regelung der Speisespannung notwendige Signal.

Die Widerstände /?■>, R_b. Rj und R» haben die Aufgabe, ein nicht erwünschtes Einschalten der steuerbaren Siliziumgleichrichter zu verhindern. Um ein schnelles Abschalten zu erreichen, ist es nicht möglich, an dem der Leitung 14 entsprechenden Ausgang der Summierschaltung 32 Kondensatoren zu verwenden. Um die von der Gleichrichtung der Wechselspannung herrührenden Spitzen zu eliminieren, werden daher mehrere Wechselrichterschaltungen verwendet werden, die in geeigneter Weise untereinander phasenverschoben arbeiten derart, daß bei einer Summierung der verschiedenen gleichgerichteten Wechselspannung?·.'; die Spitzen

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform werden zwei Wechselrichterschaltungen 28 und 28' verwendet Die F i g. 4 zeigt zusätzlich auch die durch Gleichrichtung der Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 28 erhaltene Wellenform (Fig.6C) und die durch Gleichrichtung der Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 28' erhaltene Wellenform (Fig.6D) und schließlich die Wellenform der Ausgangsspannung der Summierschaltung 32 (F ι g. 6E), die der Summe der beiden gleichgerichteten Wechsclspannungen entspricht, wie dies bereits oben geschildert wurde.

Natürlich kann die Anzahl der Wechsclrichterschaltungen auch größer sein, wobei die Zahl durch wirtschaftliche Überlegungen und durch die geforderte Leistung bestimmt wird. Durch Erhöhen der Anzahl der Wechselrichterschaltungen erhöht man proportional dazu die verfügbare Ausgangsleistung oder umgekehrt bei gleicher Leistung kann man Bauteile mit einem geringe2n Wirkungsgrad verwenden, die preiswerter sind. Es versteht sich, daß die Phasenbeziehung zwischen den Spannungen der verschiedenen Wechselrichterschaltungen zu 180°In gewählt wird, wobei η die Anzahl der Wechselrichterschaltungen ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Wechsclrichterschaltungen vorhanden, so daß eine Phasenverschiebung von 90° zwischen den Ausgangsspannungen dieser beiden Wcchselrichterschaltungen besteht.

Die in F i g. 3 dargestellte Steuerschaltung 36 hat die Aufgabe, den Klemmer 46, 48, 58 und 60 der Wechsclrichterschaltung 28 und den entsprechenden Klemmen 46', 48' 58' und 60' der Wechsclrichtcrschaltung 28' die notwendigen Signale zuzuführen, um die an den Ausgängen der beiden Wechselrichterschaltungon 28 und 28' erforderliche Phasenverschiebung von 30° zu erhalten.

Die Arbeitsschritte laufen in der folgenden Weise ab: Bei abgeschalteter Schaltung und mit Signalen mit dem Pegel Null auf der Leitung 20 und einem Pegel Eins auf der Leitung 18 kommt kein Signal an den Klemmen 46, 48,58 und 46', 48' und 58' an. Wenn das Steuersignal auf der Leitung 20 den Pegel 1 annimmt, gibt die in F i g. 3 dargestellte Steuerschaltung die Einschaltsignalc an die steuerbaren Sili/.iumgleichrichter der Wechselrichter-Schaltungen 28, 28'. indem sie eine Impulsfolge an die Klemmen 46,46', 48,48'schickt.

Den Klemmen 58 und 58' wird kein Signal zugesandt.

Wenn der Steuerpegel auf der Leitung 20 wieder den Wert Null annimmt, beispielsweise infolge eines Abschaltbefehls von der Bedienungsperson, arbeitet die Einrichtung weiter bis die Impulsfolge an den Klemmen 46, 46', 48, 48' vollendet ist. worauf an den Steuereingangen 58, 58' der Abschaltgleichrichter 54 und 54' gleichzeitig Signale angelegt werden. Man kehrt somit zu dem Anfangszustand zurück, in dem kein Signal an den Klemmen 46,46',48,48', 58,58' der Wechselrichter-Schaltungen 28 bzw. 28' anliegt. Diese Folge ist notwen- in dig, um ein ordnungsgemäßes Arbeiten der Wcchselrichterschaltungcn zu garantieren.

Die logische Schaltung leitet die vereinfachten Zustandsgleichungen mit Bool'scher Algebra ab. Die Transistoren 98, 100, 102, 104, 106 und 108 haben die Aufga- n be, leistungsfähige Steuerimpulse zu erzeugen, die an die Klemmen 46, 48, 58 und 46', 48' und 58' über sechs Transformatoren UO, 112, 114, 116, 118 und 120 angelegt werden. Diese Transformatoren dienen entweder zum Abkuppeln oder zum Schließen der Steuereingänge der steuerbaren Siliziumgleiehrichier über äußerst niedrige Impedanzen, um auf diese Weise ein nicht beabsichtigtes Einschalten der Gleichrichter zu vermeiden.

Die Leitung 18 ist mit einer Recheneinrichtung verbunden, welche die gesamte Einrichtung sterert. Auf der Leitung 18 ist stets ein elektrisches Signal vorhanden, das nur dann verschwindet, wenn eine Abschaltung von den Überwachungseinrichtungen her gefordert wird. In diesem Fall verschwindet die Spannung auf der jo Leitung 18, so daiJ auch das Signal auf der Leitung 122 den Pegel Null annimmt, wodurch die Steuerschaltung 36 am Ende der laufenden Folge angehalten wird.

Eine Leitung 124 ist mit den Speiseklemmen der integrierten Schaltkreise verbunden. Infolgedessen wird nach einer kurzen, durch den Kondensator Ct und den Widerstand R^ bedingten Zeitspanne (etwa 2—3 Millisekunden) nach dem Verschwinden der Spannung auf der Leitung 18 auch die Speisung der Steuerschaltung 36 unterbrochen. Auf diese Weise erhält man eine wcilere Sicherheit, da man F.igcnschwingungcn der Schallung verhindert.

Wie bereits gesagt wurde, ist die Einrichtung zur Erzielung einer maximalen Sicherheit so aufgebaut, daß jeder Zwischenfall eine Abschaltung bewirkt und daß die Netzspannung nicht bis zum Verbraucher gelangen kann.

Durch geeignete Bemessung der Schaltungen ist es möglich, dem Verbraucher eine Spannung zu liefern, die doppelt oder dreimal so hoch wie die Anfangsspannung 5c ist.

Darüber hinaus gewährleistet die Einrichtung eine rasche Unterbrechung der Spannung (durch Unterbrechung der Schwingungen) und garantiert ferner, daß die Netzspannung, die eventuell am Ausgang der Speiseschaltung 22 vorhanden ist, nicht an den Verbraucher ankommen kann, da die Transformatoren 44 und 44'. die für die Frequenz de- Wechselrichter (ungefähr 1 kHz) dimensioniert sind, eine Kurzschlußschaltung für eine Spannung mit der Netzfrequenz darstellen. to

Bei geeigneter Bemessung erreicht man ferner, daß im Falle eines Kurzschlusses zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung der Transformatoren 44 bzw. 44' an dem Verbraucher eine Spannung ankommt, die praktisch der Ausgangsspannung der Speiseschäiiung 22 entspricht und die für eine Speisung des Verbrauchers ungenügend ist.

Anders gesagt bedeutet dies, daß jeder Fehler das Abschalten der Versorgungsspannung bewirkt: Ein eventueller Kurzschluß zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eines der Transformatoren 44 und 44' würde, selbst wenn man einen Kurzschluß der Primärspannung ausschließt, dazu führen, daß dem Verbraucher eine für seinen Betrieb ungenügende Spannung zugeführt wird.

Wenn man die Wechselrichterschaltungen mit einer ausreichend hohen Frequenz von ungefähr 1 kH/ betreibt, erhält man einerseits ein schnelles Abschalten, da das Abschalten innerhalb einer Periode erfolgt und andererseits die Gewißheit, daß eine eventuell mit der Neizfrcqucnz vorhandene Spannung, die durch den Transformator kurzgeschlossen wird, keine Ausgangsspannung erzeugen kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schnellabschaltbare Gleichspannungsversorgungseinrichtung für Sicherheilseinrichtungen in Kernreaktoren, mit einer Speiseschaltung zur Erzeugung einer Gieichspannung aus der Netzwechselspannung, mit einer gesteuerten Wechselrichterschaltung, zur Erzeugung einer Wechselspannung, die. eine oberhalb der Netzfrequenz liegende Frequenz aufweist, aus der Gleichspannung, mit einem nachgeschalteten Gieichrichtcrschaltkreis und mit einer Steuerschaltung zur Steuerung der Arbeitsfolge der Wechselrichterschaltung und zu deren schnellem Abschalten, dadurch gekennzeichnet, daß π gesteuerte Wechselrichterschaltungen vorgesehen sind, wobei η größer als 1 ist, daß die Steuerschaltung derart ausgelegt ist, daß die von den Wechselrichterschaltungen normalerweise abgegebenen Wechselspannungen um 180°In phasenverschoben sind, und daß der Gleichrichterschaltkreis die gleichgerichteten Wechselspannungen phasenrichtig addiert