автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимизация режимов работы шагового электромагнитного привода кластеров атомного реактора

На правах рукописи

Фурсов Евгений Анатольевич

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ШАГОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА КЛАСТЕРОВ АТОМНОГО РЕАКТОРА

Специальность 05.09.03 - электромеханические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2003

а

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Терехов Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор Юньков Михаил Григорьевич, кандидат технических наук, профессор Грехов Виктор Петрович.

ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС».

Защита состоится « 26 » сентября 2003 г. в 16 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «___»_2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 Канд. техн. наук, доцент

/

м к лУ

ж

Цырук С. А.

^ооЗ-А

(О/Ю

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В ближайшее время в Российской Федерации предусмотрено интенсивное развитие атомной энергетики. В период до 2010 г. доля вырабатываемой электроэнергии на АЭС составит около 25% общего объема ее производства. Большая часть этой электроэнергии будет вырабатываться ядерными реакторами на тепловых нейтронах с водным замедлителем и водным теплоносителем - водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР).

Одним из наиболее важного оборудования АЭС с ВВЭР является электропривод поглощающих стержней - кластеров. По сути, электроприводы кластеров являются органами регулирования тепловой мощности атомного реактора. От того насколько качественно и надежно привод выполняет свои функции, зависит качество и безопасность работы реактора в целом. В настоящее время наибольшее применение получили безредукторные электроприводы двух типов - линейный шаговый привод и шаговый электромагнитный привод (ШЭМП), имеющие свои достоинства и недостатки. Достоинства ШЭМП: достаточная простота и надежность конструкции, сниженные токи магнитов, четкая фиксация шага обуславливают перспективность применения данного типа привода. Тенденция развития современных реакторов направлена на существенное увеличение срока службы применяемого оборудования, что повышает требования к приводам кластеров.

При отсутствии методического обеспечения проектирование ШЭМП приводило к необходимости к создания опытных образцов и их многочисленными испытаниями на стендах. Такой подход требует значительных финансовых и временных затрат.

Помимо шагового режима работы ШЭМП для повышения качества и безопасности работы атомного реактора требуется автоматизация технологических режимов с автоматическим регулированием приводами кластеров тепловой мощности.

В соответствии с изложенным задача оптимизации шагового и многошагового режимов работы является актуальной, решение которой имеет важное технико-экономическое значение.

Пелью работы является оптимизация ШЭМП в его режимах отработки шага и технологических перемещений кластеров атомного реактора.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

- разработка расчетной модели ШЭМП в

- оптимизация режима отработки приводом шага на основе старт - стопного режима с фаззи - регулятором;

- разработка расчетной модели И1ЭМП при отработке технологического режима;

- синтез регулятора нейтронного потока в системе ШЭМП кластера;

- автоматизация работы ШЭМП при выравнивании энерговыделения по высоте активной зоны; '

- практическая реализация системы управления привода с предложенными алгоритмами оптимизации отработки шага и технологического перемещения кластера. ' - ■

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использования методов теории электропривода и автоматического управления с аппаратом передаточных функций для линеаризованного объекта. Результаты теоретических исследований' проверялись с помощью компьютерного моделирования с использованием математического программного пакета МайаЬ с приложением БтиНпк.

Научная новизна проведенных исследований и разработок заключается в разработке расчетных математических моделей ШЭМП для выполнения оптимизации его режимов работы. '

' Разработана методика оптимизации отработки шага ШЭМП с использованием фаззи - регулятора, минимизирующего удары при отработке шага вверх и вниз, также снижающая вероятность срыва шага.

Предложен дополнительный контур автоматического регулирования приводом аксиального энергораспределения, который обеспечивает высокое качество маневра мощностью. 1 '

Практическая ценность и реализация работы.

Значительное снижение (до 4 раз) ударов в режимах отработки приводом шага, в результате его оптимизации, что повышает срок службы ШЭМП.

Автоматизация работы привода в процессе маневра мощности, за счет введения дополнительного контура регулирования, обеспечивая высокуй точность регулирования мощности, облегчает труд оператора, оставляя за ним лишь функцию наблюдения с возможностью вмешаться в процесс, что повышает надежность процесса маневра мощностью.

Модернизация данного типа электропривода для реализации полученных в работе практических результатов относится только к Доработке' системы управления при сохранении силовой части электропривода, что не потребуем больших материальных и временных затрат.

Аппробация работы. Содержание работы доложено и обсуждено

На Восьмой Международной конференции студентов и аспирантов МЭИ «Радиоэлектроника, электротехника, энергетика» (г. Москва, март 2001 г.).

На научно-технической конференции молодых специалистов ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» (г. Подольск Московской обл., январь 2003 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в четырех печатных трудах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 21 наименований. Ее содержание изложено на 126 страницах машинописного текста, включая 61 рисунок, 3 таблицы и 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель работы и основные задачи исследований.

В первой главе дано описание особенностей электропривода кластера атомного реактора. Рассмотрены условия эксплуатации электропривода и систематизированы требования к нему. Приведен сравнительный анализ различных типов электроприводов кластеров. Подробно проанализированы конструктивные особенности шагового электромагнитного привода кластера.

Перемещение регулирующих органов выполняют с помощью электроприводов кластеров по сигналам, формируемым в системе, осуществляющей управление технологическими процессами и аварийную защиту реактора (СУЗ). В активную зону электроприводами (5) вводятся регулирующие органы - кластеры (3) (рис.1). Положение регулирующих органов определяет уровень нейтронного потока, а значит тепловую и соответственно электрическую мощность реактора. В зоне отражателя (2) размещаются детекторы плотности потока нейтронов (4). Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) (1) образуют активную зону, которая размещена в отражателе, уменьшающем утечку нейтронов из активной зоны.

вход теплоносителя 3 Рис.1. Основные элементы реактора типа ВВЭР.

В процессе эксплуатации электропривод кластера подвержен воздействию многих факторов. К этим факторам относятся: воздействия теплоносителя, температуры, давления, ионизирующих излучений, вибрации, трение. Конструкция привода должна учитывать влияние этих факторов и обеспечить надежное перемещение кластера с требуемой скоростью, точностью и обеспечить аварийный ввод кластера в активную зону.

Скорость перемещения кластера должна быть такой, чтобы обеспечить необходимое качество автоматического регулирования мощности при ожидаемых возмущениях по нейтронному потоку. Привод должен перемещать кластер в направлении увеличения или уменьшения нейтронного потока приблизительно со скоростью:

где:

- Ь - длина активной зоны, мм;

- ^рт(И!- максимальное значение относительного нейтронного потока;

- Б - коэффициент, отражающий нейтронный поток в рабочей точке по сравнению со средним нейтронным потоком, определяется по расчетной кривой зависимости относительного нейтронного потока от положения кластера (рис.14).

Важным требованием к электроприводу кластера является обеспечение ввода кластера в активную зону из любого положения при срабатывании систем защиты (за время 1<4 е.).

Точность перемещения кластера определяется величиной погрешности Д, так как выбеги после исчезновения сигнала управления вызовут заметные отклонения нейтронного потока, а значит и мощности реактора. В этом случае допускаемая погрешность положения кластера, мм, А = (2Х/(^тю))-10-5.

При дискретном перемещении шаг привода не должен превышать погрешность Д. Привод обычно воспринимает различные внешние усилия, действующие на кластер в реакторной установке (воздействие потока теплоносителя, вибрации и т.п.). Возникающие под действием этих усилий перемещения не должны превышать долей д.

В связи с особенностями эксплуатации электропривода кластера возможно значительное изменение нагрузки привода. Это связано с изменением трения между кластером и каналом ТВЭЛ Электропривод должен обеспечить надежное перемещение кластера с требуемой скоростью при заданном диапазоне нагрузки в течение всего срока службы.

Для компенсации изменений температуры в обмотке двигателя электропривод должен иметь систему поддержания тока на требуемом уровне.

На ядерных реакторах водо-водяного типа применяются 3 типа электроприводов:

- редукторный привод непрерывного действия;

- линейный шаговый привод;

- шаговый электромагнитный привод.

Преимущества шагового электромагнитного привода кластера в отсутствии механических передач, простой эксплуатации и высокого срока службы (30 лет) обусловили его достаточно широкое применение на современных реакторах.

ШЭМП представляет собой электромагнитный механизм (рис. 2), обеспечивающий вертикальное возвратно - поступательное шаговое перемещение или удержание штанги поз.7, сцепленной с кластером. На корпусе под давлением расположены 3 электромагнита постоянного тока: тянущий поз.2, запирающий поз.З и фиксирующий поз.4. Шаг вверх и шаг вниз выполняется в соответствии с.циклограммами токов.

Режим перемещения привода обеспечивается подачей импульсов тока, коммутируемых в определенной последовательности по принципу времени на катушки электромагнитов привода, в результате чего, связанная с якорем ЗМ и ТМ подвижная защелка поз.5 перемещает штангу, а фиксирующая защелка, связанная с якорем ФМ, поз.6 удерживает её между перемещениями. Режим стоянки привода обеспечивается подачей тока на фиксирующий электромагнит, в результате чего связанная с подвижным полюсом магнита фиксирующая защелка обеспечивает удержание штанги. В режиме аварийной защиты все три электромагнита обесточены, защелки открыты, и штанга имеет возможность свободного падения.

Проведенный анализ функционирования шагового электромагнитного привода показал, что ШЭМП является достаточно перспективным типом при-

Рис.2 Шаговый электромагнитный привод.

- ь -

вода, выполняющего функции основного регулирующего органа тепловой мощности атомного реактора, а предложенные диаграммы детального описания режима отработки шага дают основание для получения расчетной модели и точного математического описания перемещения кластера шаговым электромагнитным приводом.

Вторая глава посвящена оптимизации шагового режима работы ШЭМП. Для исследуемого типа электропривода предложен метод фаззи-управления токами магнитов в старт-стопном режиме отработки шага

Анализ конструктивного исполнения и кинематики привода ШЭМ позволил разработать функциональную расчетную модель привода при перемещении кластера на 1 шаг вверх или вниз (рис. 3). Данная модель позволяет функционально объединить два электромагнита, тянущий и запирающий, в один экви- 1 валентный - тянущий эквивалентный электромагнит (ТЭМ), а систему с защелками и фиксирующим магнитом заменить эквивалентным стопорным электромагнитом (СМ). Данный электромагнит работает вхолостую, вдвигая и выдвигая свой якорь со штоком'и удерживает вес подвижной части привода выдвинутой частью якоря - штоком. Система управления (СУ) формирует в определенной последовательности по принципу времени необходимый ток ТЭМ (1тэм)-Под действием силы электромагнитного притяжения (^Эм), создаваемой катушкой ТЭМ на величину ха перемещается якорь с жестко связанным с ним кластером. После отработки шага якорь упирается в пружину и начинает её поджимать. В этот момент по принципу времени от системы управления подается ток на стопорный Магнит (1см)' Под действием силы электромагнитного притяжения (^т), создаваемой Катушкой СМ перемещается якорь с жестко связанным с ним штоком. После снятия питания с ТЭМ якорь с кластером опускается на шток. При шаге вниз снимается питание с СМ и якорь с кластером под действием результирующей силы от электромагнитной силы демпфирования, развиваемой ТЭМ и силой тяжести своего веса (О) опускается на величину х0, при этом отсутствует демпфирование механического удара пружиной как при' шаге вверх. Также на якорь с кластером влияет сила трения (Рс), направленная всегда против движения. На основании разработанной функциональнбй расчетной модели привода циклограммы токов для шага вверх и вниз преобразуется к виду, приведенному на рис. 4 и 5.

:м

к >.

итшн

~ Т 3*'

^ I

4. ■

1

™ !

якорь-*-кщтео I

; |ГС 0'Ре:,)

Рис. 3. Функциональная расчетная модель привода.

Ноенобсчие "екгрэ"сг- ч га А Ис<о§ное ГОСПОЖИ 1= Поддач 1 Зтк С4! г-— £ 1 ^ 6 С

Экб^олеиткьш ТЗМ 1тэм !тэм

Сггопсрню СИ 1 СМ' - Чж

Вреия влечения чочпла цикла с М 0?9 Ь 0 65 Г> 0 75 0 9е и

Рис.4 Упрощенная циклограмма токов при шаге вверх.

>

Ни)мекс5е*ие ¿ч^-ромсг-И1.ГГС Ток А 1 £ 1 1 В* юн»' 13-1 (СМ б<ло^ен'* Опк 1счен> е СМ % 2. ? £ Дечлфирсбоние ТЗМ поЗечце к/юстер<. ОНИ /Юченае о % 1-11 | | бммн.е 0" = §

Тчнуцц.^ 1с ЬиЫ/РгШЧЫи ЭМ 1т> (ТЭК 1тзк>

1Л1С 1рныи 1ГМ 11.М - 'т

Б^ я ючеч я „п на^с само с М 0 33 и 0.5 '5 1Ы 1

Рис.5 Упрощенная циклограмма токов при шаге вниз. На основании функциональной расчетной модели привода была составлена система дифференциальных уравнений, описывающая работу привода на каждом интервале времени шага вверх (I) и вниз (2). -для шага вверх:

-10' м(кх) -0-¥с=тх для х <х0п ?;<7 < 0;

V Рзм(ъх)-0-сх-рх-Рс =тх для л: >х<) и ^ < ?< (1)

X =0, ДЛЯ ^ И / >?з при Х=Х0.

-для шага вниз: Х = 0, ДЛЯ И Ш4при х=х0; I -С-Рс =тх, для13<1<и; (2)

РЭм д (г, х) - <? - ^ = /их, для .

где: х - скорость кластера, м/с; х - перемещение кластера, м; х0 - величина ' шага привода, м; Рэи(1,х)~ электромагнитная сила притяжения, Н; в - вес перемещаемых частей: якорь ТЭМ + кластер, Н; с-х - сила упругости пружины, Н; » с- коэффициент жесткости пружины, Н/м; р-х - сила вязкого трения в пружине, Н; р - коэффициент вязкого трения, Н-с/м; ¥ЭМц(1,х) - электромагнитная сила демпфирования, развиваемая тянущим магнитом, Н; Рс - сила трения, Н.

Рис.6 Структурная схема ШЭМП в шаговом режиме. На основании системы дифференциальных уравнений была составлена структурная схема привода'в шаговом режиме (Рис. 6). ЗТ (задатчик тока) по принципу времени, в соответствии с циклограммой токов) формирует токи питания магнитов 1згзи, /зм, которые поступают на вход контура тока (№ю{р) - передаточная функция контура тока). Контур тока предусмотрен для стабилизации токов (т.к. от них зависят тяговые усилия магнитов) при изменении сопротивления магнитов и формирования форсированного напряжения для компенсации инерционности магнитов. Блок НЭ1- нелинейный элемент описывает аппроксимированную зависимость электромагнитной силы от тока и положения. НЭ2 - нелинейный элемент характеризующий срабатывание якоря СМ в зависимости от тока. На выходе блока сила стопорения ¥Т (0, которая уравновешивает электромагнитную силу притяжения и нагрузку привода, так, что: х = 0 при ус-

ловии I <11 и г > при х=х0 для шага вверх и К13 и при х=х0 для шага вниз. Также для шага вверх при х>х0 добавляется колебательное звено.

На рис.7 показаны некоторые результаты моделирования отработки приводом шага вверх и вниз.

Рис.7. Позиционирование ШЭМП (а1-перемещение кластера при шаге вверх,м; а2 - скорость кластера при шаге вверх, м/с; 61-перемещение кластера при шаге вниз, м; 62 - скорость кластера при шаге вниз, м/с).

По результатам моделирования видно, что в процессе отработки шага якорь двигателя накапливает значительную кинетическую энергию. Останов привода осуществляется механическим взаимодействием якоря ТЭМ с демпфирующей пружиной (шаг вверх) и об шток якоря СМ (шаг вниз). Такие ударные воздействия ведут к износу оборудования, возникновению колебаний, снижению срока службы привода.

В теории электропривода существуют различные методы управления, используемые для гашения колебаний, механических ударов. Для данного типа электропривода может быть применен т.н. старт - стопный метод управления

для остановки якоря двигателя без колебаний с минимальным перерегулированием. Если в определенный момент времени отключить ток тянущего магнита, то запасенная на участке разгона кинетическая энергия израсходуется на преодоление результирующего момента сил тяжести и трения. Однако, практическая реализация старт - стопного метода управления магнитами в таком виде представляет определенные трудности. В процессе работы реактора может возникнуть дополнительное трение между кластером и каналами тепловыделяющих элементов, куда он заводится. Это увеличивает нагрузку привода. Анализ результатов работы действующих реакторов показал, что сила трения изменяется в пределах 3 -4 раз, и может достигать около 15% от общей нагрузки привода. При таких изменениях нагрузки точно настроить старт-стопный режим для всего диапазона нагрузки не представляется возможным, т.к. момент отключения тока тянущего магнита требуется изменять в зависимости от нагрузки. Решить эту задачу можно путем введения в конструкцию привода датчика положения шага и регулирования токами магнитов привода в функции перемещения кластера.

В автоматизированном электроприводе находят достаточно широкое применение регуляторы типов: П, ПД, ПИД и т.д. Однако, такие регуляторы реализуют линейные алгоритмы с неизменными параметрами, и которые оказываются недостаточно эффективными в системе с нелинейностями и изменяющимися параметрами. Поэтому для данного типа электроприводов представляется целесообразным в качестве регулятора тока использовать фаззи -регулятор, построенный на принципах нежесткой (фаззи) логики, позволяющий реализовать достаточно простым логическим способом необходимый для требуемого качества процесса нелинейный алгоритм. Рассмотрим применение фаз-зи-управления в составе системы управления шагового электромагнитного привода кластера атомного реактора (рис.8).

Ы>-

111

ьЕН

ФР;

ЦАГ

зт 1 пэм 1

Дп

, (У)

Ц-чз-

X ¡11-

1 1+

•ш

Рис. 8. Структурная схема ШЭМП с фаззи - регулятором. Система управления технологическими режимами формирует команду на перемещение кластера вверх Б (больше) или вниз М (меньше). При отсутствии команд Б или М привод остается в статическом положении, т.е. удерживает

кластер на данном уровне. Функциональный преобразователь (ФП) в зависимости от команды на перемещение (Больше или Меньше) вырабатывает задание на перемещение вверх хзад в-или вниз хзаЛ1м- Сигнал обратной связи, снимаемый с датчика положения (ДП), сравнивается с заданием, разность сигналов Ах дифференцируется, т.е. получается скорость изменения отклонения. Эти два сигнала поступают на вход двухканального фаззи - регулятора (ФР), который вырабатывает необходимый ток тянущего магнита при движении вверх (ФРб) или вниз (ФРМ). Синтез фаззи регулятора для данного типа электропривода можно выполнить итерационным способом в 5 этапов (Рис.9). Следует отметить, что данный синтез можно использовать как для шага вверх, так и для шага вниз, разными будут алгоритмы, заложенные в фаззи - регуляторах.

Рис.9 Структурная схема синтеза фаззи регулятора.

Проведенные исследования позволили разработать 2 алгоритма: для шага вверх и вниз соответственно. Алгоритм фаззи-регулятора- зависимость выходного тока управления от ошибки и скорости представлен на рис.10. Результат моделирования режима шага вверх с фаззи-управлением магнитами привода представлен на рис. И - для максимальной нагрузки и на рис. 1"2 - для минимальной нагрузки. Из графиков видно, что независимо от нагрузки шаг привода выполняется с минимальным перерегулирЬванием и скорость удара по сравнению с исходной конструкцией снижена в 2 раза. Кинетическая энергия,. Таким образом, кинетическая энергия удара в режиме фаззи - управления

образом, кинетическая энергия удара в режиме фаззи - управления снижена в 4 раза. Также шаг привода для обоих режимов выполняется менее чем за 0,3 с, т.е. укладывается в существующую циклограмму. Введение обратной связи по положению позволяет снизить вероятность срывов' (невыполнение шага) при увеличении трения в каналах ТВЭЛ.

в) , в)

а - перемещение кластера; б - скорость кластера; в - ток ТЭМ. • Рис.11 Рис.12 , .

Шаг привода вверх при Шаг привода вверх при

максимальной нагрузке минимальной нагрузке.

Полученные алгоритмы фаззи-управления можно использовать для любого класса электропривода данного типа. Потребуется только настройка параметров фаззи-регулятора.

-15В третьей главе рассматриваются вопросы оптимизации многошагового режима работы ШЭМП при отработке технологических режимов реактора в направлении автоматизации некоторых технологических процессов. Анализ системы регулирования нейтронного потока позволил разработать упрощенную структурную схему системы регулирования нёйтронного потока электроприводом кластера (Рис.13). Состоящую из пропорционально-дифференциального регулятора нейтронного потока, релейного элемента, привода ШЭМП, нелинейного элемента, нелинейный элемент, характеризующий нелинейную зависимость (рис.14) относительного нейтронного потока от положения кластеров регулирующей группы (Н), фактический уровень нейтронного потока Ыср связан со значением Ымгн передаточной функцией инерционного звена, которое учитывает эффект запаздывания нейтронов, инерционность датчиков нейтронного контроля и дискретность системы управления ШЭМП.

Рис. 13. Упрощенная структурная схема привода при регулировании нейтронного потока.

Учитывая временные интервалы (до нескольких часов) режимов маневра мощностью в структурной схеме принято допущение, что дискретность ШЭМП по времени (0,3 с.) при отработке шага не оказывает влияния на качество регулирования нейтронного потока. Поэтому для дальнейшего моделирования представляется возможным дискретностью привода по времени пренебречь, и представить привод интегральным звеном к/р, где к - шаг привода, со звеном квантования, которое учитывает дискретность привода по уровню.

3600 3150 2800 2450 2100 1750 1400 1050 700 350 0

К ММ

Рис.14. Зависимость интенсивности относительного нейтронного потока от положения регулирующего кластера.

При регулировании нейтронного потока реактора посредством приводов кластеров следует также учитывать изменение нейтронного потока, вызванного температурным эффектом (N„„,0 и ксеноновым отравлением (1Чхе)- Данные факторы являются возмущающими воздействиями в контуре регулирования нейтронного потока. Особенность температурного эффекта заключается в изменении температуры теплоносителя при маневре мощностью, при этом у теплоносителя меняется свойство поглощения нейтронов в зависимости от направления изменения температуры. При изменении нейтронного потока реактора баланс между образующимся и выгорающим Хе-ксеноном нарушается, достигая стационарных состояний через несколько часов. Особенно ксеноновая нестабильность мешает подъему мощности, активно поглощая нейтроны. Поэтому при разработке расчетной модели ШЭМП следует особо учитывать качество отработки приводом возмущающих воздействий.

Структурная оптимизация регулятора нейтронного потока проводилась с П - пропорциональным, ПД - пропорционально дифференциальным регулятором потока показала, что наиболее оптимальным является ПД - регулятор. Определение оптимальных параметров указанного регулятора может быть подобрано моделированием на расчетной модели.

На рис. 15 показан режим маневра мощностью 100°/о-80%-100% с учетом ксеноновых возмущений.

N. %; Н, см.

ксеноновых возмущений (расчетный) Н - положение кластеров; N - нейтронный поток.

По моделированию видно высокое качество поддержания приводом ШЭМП заданного нейтронного потока (80%) в автоматическом режиме при накоплении ксенона после снижения мощности, а также значительное перерегулирование (до 15%) по нейтронной потоку при увеличении мощности. Для избежания этого на действующих установках оператор заранее задает команды на перемещение кластера вниз, тем самым препятствуя повышению мощности

сверх заданной. Управление вручную требует от оператора большого внимания и напряжения и качество такого управления определяется «человеческим фактором». Поэтому введение автоматического управления по офсету является важной задачей в проблеме повышения качества и надежности работы реакторной установки. Рассмотрим режим маневра мощностью 100%-80%-100% по графикам действующего реактора (рис. 16).

№

Ъ

Г

к

— гм

— 209

— Я» Г ит ^

— 299 £

— »5

— 2Н

— »3

ПИЛЯ»

Рис.16 Режим маневра мощности 100%-80%-100% с учетом ксеноновых возмущений (экспериментальный).

Управление по офсету предлагается реализовать введением в систему управления приводом дополнительного релейного регулятора (РР) и логического блока (ЛБ). Тогда структурная схема преобразуется к виду, показанному на рис. 17. Особенность данной структурной схемы состоит в разделении нейтронного потока в верхней и нижней половине зоны, что позволит получить значения офсета. При маневре мощностью до 80% кластер не должен опускаться ниже половины зоны, поэтому нейтронный поток в, нижней половине зоны взят за постоянную величину. Принцип работы логического блока (ЛБ) заключается в следующем. Каждому маневру мощности соответствует заданное значение офсета, например при работе на 100% АОзад=-2,2%, а при маневре 80% АОзад=-27,8%. ЛБ.в зависимости от уровня мощности вырабатывает задание по офсету которое сравнивается с фактическим значением, разница поступает на вход релейного регулятора (РР) офсета, который включается (вырабатывает команду - 1 или Меньше) в случае увеличения офсета выше значения которое позволит выполнить ваполнить маневр без перерегулирования с достаточным быстродействием.

РЭ

Рис. 17 Структурная схема ШЭМП с контуром по офсету.

На рис. 18 представлено расчетное моделирование режима маневра 100%-80%-100% с внутренним контуром по офсету при'уставке релейного регулятора офсета -2,5%. N. %; Н, см.

Рис. 18 Режим маневра мощности 100%-80%-100% с учетом ксеноновых возмущений и внутренним контуром по офсету (расчетный).

Сравнивая графики расчетного моделирования с экспериментальным» можно сделать вывод, что динамика режим маневра мощностью в автоматическом режиме соответствует динамике экспериментального режима с участием оператора.

В четвертой главе обоснована практическая реализация разработанных алгоритмов управления по оптимизации ШЭМП и автоматизации его работы в технологических режимах на основе дополнительных технических средств по отношению к действующей системе управления. Предложен вариант прого-аммной реализации корректирующего фаззи-регулятора на языке СИ.

Формирование токов электромагнитов происходит в плате регулятора тока. Данную плату предлагается доработать, включив в неё двухканальный фаз-зи - регулятор и аналого-цифровой преобразователь на входе которого сигнал ошибки с датчика положения. Проверка дискретности по времени показала, что

время выполнения одного цикла вычислений не превышает_мс при использовании ПЭВМ с процессором Intel Pentium с тактовой частотой 133 МГц. То

есть выполнение программы фаззи-регулятора займет промежуток в _раз

меньший, чем постоянная контура тока.

При отработке технологического режима систему управления нейтронным потоком по каналу ШЭМП предлагается ввести контур регулирования по аксиальному офсету. В качестве датчика аксиального офсета используются т.н. датчики постоянной зарядки (ДПЗ), расположенные по высоте активной зоны. Принцип действия^ которых основан на генерации электрического тока в зависимости от уровня нейтронов, падающих на пластины родия. Сигналы с датчиков ДПЗ преобразуются в ЦАПе и поступает на центральную ЭВМ оператора. После математических вычислений значение аксиального офсета выводится на экран. При введении контура по аксиальному офсету значение офсета поступает преобразуется в ЦАПе и поступает на вход цифрового реле, которое вырабатывает команду М, или 0. Оператор имеет возможность в любой момент времени вмешаться в процесс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено исследование шагового электромагнитного привода поступательного движения в направлений повышения надежности и качества отработки дискретного шага и многошаговых технологических перемещений кластеров атомного реактора. Получены нижеследующие основные результаты работы.

1. Для исследуемого безредукторного шагового электромагнитного привода (ШЭМП) обоснована расчетная модель, положенная в основу моделирования шаговых режимов. Обоснована необходимость оптимизации шагового режима ШЭМП для снижения ударов в его подвижной части, что важно для повышения срока службы привода.

2. Предложен способ формирования старт - стопного режима ШЭМП с изменяющимся моментом нагрузки с использованием датчика положения шага и фаззи - управления. Разработан алгоритм фаззи - регулятора минимизирующего удары при отработке шага и исключающие срывы шага.

3. Предложена и обоснована упрощенная расчетная модель ШЭМП при регулировании нейтронного потока реактора.

4. Синтезированный пропорционально - дифференциальный регулятор потока с оптимальной настройкой позволяет получить плавные режимы отработки приводом задающих и возмущающих воздействий без перерегулирования в системе регулирования нейтронного потока.

■20- Р 10910

5. Предложенный дополнительный контур регулирования приводом неравномерного энергораспределения обеспечивает высокое качество маневра мощностью полностью в автоматическом режиме. При этом на оператора возлагается только функция наблюдения за процессом регулирования с возможностью при необходимости в него вмешаться.

6. ■ Для реализации разработанного алгоритма фаззи - регулятора на основе

микро - контроллера составлена программа на языке СИ. Выполненное исследование дает основание для технически и экономически эффективной модернизации ШЭМП с сохранением его конструктивной силовой части на основе только разработанных дополнений к существующей сис-темё управления.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Фурсов Е.А. Расчетная модель электропривода кластера атомной станции при отработке шага // Электропривод и системы управления: Труды МЭИ(ТУ). Вып. 677. -М.: Издательство МЭИ, 2001.-С. 100-111.

2. Фурсов Е.А. Электропривод поглощающих стержней, регулирующий энергетический уровень реактора // Электропривод и системы управления: Труды МЭИ(ТУ).Вып. 678. -М. ¡Издательство МЭИ, 2002.-С. 89-96.

3. Фурсов Е.А. Терехов В.М. Расчетная модель многодвигательного привода кластеров атомного реактора // Восьмая Междунар. науч.-техн. конф, студентов и аспирантов по радиоэлектронике, электротехнике и энергетике: Тез. докл.: М.: Издательство МЭИ., 2002. - Т.2.-С.102-103.

4. Фурсов Е.А. Оптимизация режимов работы шагового электромагнитного привода кластеров атомного реактора // Промышленная энергетика. -2003.-№5.-С. 33-37.

Подписано в печать /4 ¿''¿".Зак.^^Тир. / &

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) '

Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Особенности электропривода кластера атомного реактора.

1.1 Условия эксплуатации электропривода.

1.2 Требования к электроприводу.

1.3 Основные типы электроприводов кластеров.

1.4 Конструктивные особенности шагового электромагнитного привода кластера.

1.5 Выводы.

ГЛАВА 2. Оптимизация шагового режима ШЭМП.

2.1 Расчетная модель ШЭМП для режима отработки одного шага.

2.2 Динамические показатели ШЭМП в режиме отработки шага.

2.3 Оптимизация токового управления ШЭМП.

2.4 Оптимизация старт-стопного режима ШЭМП на основе фаззи-у правления.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3. Автоматизация многошаговых режимов работы ШЭМП при отработке технологических режимов реактора.

3.1 Особенности работы ШЭМП при отработке многошагового режима.

3.2 Составление расчетной модели ШЭМП при отработке многошагового технологического режима.

3.3 Отработка многошагового технологического режима с внутренним контуром по аксиальному офсету.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4. Практическая реализация.

4.1 Составление принципиальной схемы ШЭМП с многоканальным фаззи-регулятором.

4.2. Программная реализация фаззи - регулятора тока.

4.3. Практическая реализация контура по аксиальному офсету.

4.4. Выводы.

В настоящее время в Российской Федерации уделяется большое внимание развитию атомной энергетики. Многие российские организации принимают участие в строительстве атомных блоков нового поколения, как в России, так и за рубежом: в Иране, Китае, Индии. Основная задача, стоящая перед разработчиками оборудования для АЭС, является повышение технических характеристик и сроков службы, при обеспечении высочайшего уровня безопасности на всех этапах жизнедеятельности проектируемого оборудования.

В качестве основного канала регулирования тепловой мощности атомного реактора, с водой под давлением, используется перемещение поглощающих стержней в активной зоне (рис.1), перемещая стержни можно изменять тепловыделение в активной зоне. Группа поглощающих стержней объединяется в т.н. кластер. В современном реакторе используется более ста кластеров. Каждый кластер жестко сцеплен с валом электропривода. По сути, электроприводы кластеров являются органами регулирования тепловой мощности атомного реактора. Помимо работы в режиме регулирования тепловой мощности электропривод должен обеспечить быстрый ввод кластера в активную зону в случае аварийной ситуации в реакторе. От того насколько качественно и надежно привод выполняет свои функции, зависит качество и безопасность работы реактора в целом.

1 - тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ);

2 - активная зона;

3 - группа поглощающих стержней - кластер;

4 - привод поглощающих стержней + * ♦ вход теплоносителя 3

Рис. 1 Основные элементы атомного реактора с водой под давлением. В настоящее время в реакторах с водой под давлением применяется 3 типа электроприводов [1]:

- редукторный привод с реактивным двигателем (РРД);

- линейный шаговый привод (ЛТТТП);

- шаговый электромагнитный привод (ШЭМП).

Рис.2 Количество атомных реакторов с различными типами электроприводов кластеров (на февраль 2003 г.).

Каждый из этих электроприводов обладает определенными достоинствами и недостатками. Опыт эксплуатации данных типов электроприводов показал, что наиболее оптимальным по уровню заложенных конструкционных решений, надежности, удобству эксплуатации является шаговый электромагнитный тип привода. Благодаря своим эксплуатационным достоинствам ШЭМП нашел достаточно широкое применение на современных реакторах (рис.2). Этот привод является объектом исследования в данной работе.

Тенденция развития современных реакторов направлена на увеличение срока службы оборудования (до 50-60 лет) и на повышение уровня автоматизации всех технологических режимов, выполняемых электроприводами кластеров [2]. Для дальнейшего повышения надежности и срока службы ШЭМП следует смягчить процесс жесткой механической фиксации шага, тем самым снизить ударные явления в режиме отработки приводом шага. В настоящее время отсутствует методическая разработка по детальному анализу режимов работы ШЭМП, что существенно повышает временные затраты на проектирование приводов данного типа. Для повышения качества и безопасности работы реактора требуется автоматизация технологических режимов с автоматическим регулированием приводами кластеров тепловой мощности. В существующих установках оператор принимает участие в формировании команд на движение электропривода кластера в некоторых режимах, например при выравнивании энерговыделения по высоте активной зоны.

На основании изложенного актуальна задача оптимизации шагового электропривода кластера как в режимах отработки одного шага, так и в технологических режимах перемещения кластеров. Целью оптимизации является повышение качества отработки приводом шага с минимизацией ударов и повышение уровня автоматизации процесса регулирования приводом мощности реактора с минимизацией влияния человеческого фактора на данный процесс. Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

- разработка расчетной модели ШЭМП в режиме отработки шага;

- оптимизация режима отработки приводом шага на основе старт - стопного режима с фаззи - регулятором;

- разработка расчетной модели ШЭМП при отработке технологического режима;

- синтез регулятора нейтронного потока в системе ШЭМП кластера;

- автоматизация работы ШЭМП при выравнивании энерговыделения по высоте активной зоны;

- практическая реализация системы управления привода с предложенным алгоритмом оптимизации отработки шага и технологического перемещения кластера.

-71. Особенности электропривода кластера атомного реактора.

4.4. Выводы.

Предложена практическая реализация разработанного алгоритма управления по оптимизации шагового режима И1ЭМП на основе дополнительного по отношению к действующей системе управления многоканального микро - контролера, АЦП для обработки сигнала с датчика положения.

Составлена программа фази-алгоритма управления для шага вверх на базе языка С++. Время выполнения полного цикла программы составляет

Предложена практическая реализация разработанного алгоритма управления по оптимизации шагового режима ШЭМП на основе дополнительного по отношению к действующей системе управления многоканального микро - контролера, АЦП для обработки сигнала с датчика положения.

-116-Заключение.

Проведено исследование шагового электромагнитного привода поступательного движения в направлении повышения надежности и качества отработки дискретного шага и многошаговых технологических перемещений кластеров атомного реактора. Получены нижеследующие основные результаты работы.

1. Для исследуемого безредукторного шагового электромагнитного привода (ШЭМП) обоснована расчетная модель, положенная в основу моделирования шаговых режимов. Обоснована необходимость оптимизации шагового режима ШЭМП для снижения ударов в его подвижной части, что важно для повышения срока службы привода.

2. Предложен способ формирования старт - стопного режима ШЭМП с изменяющимся моментом нагрузки с использованием датчика положения шага и фаззи - управления. Разработан алгоритм фаззи - регулятора минимизирующего удары при отработке шага и исключающие срывы шага.

3. Предложена и обоснована упрощенная расчетная модель ШЭМП при регулировании нейтронного потока реактора.

4. Синтезированный пропорционально - дифференциальный регулятор потока с оптимальной настройкой позволяет получить плавные режимы отработки приводом задающих и возмущающих воздействий без перерегулирования в системе регулирования нейтронного потока.

5. Предложенный дополнительный контур регулирования приводом неравномерного энергораспределения обеспечивает высокое качество маневра мощностью полностью в автоматическом режиме. При этом на оператора возлагается только функция наблюдения за процессом регулирования с возможностью при необходимости в него вмешаться.

6. Разработанного алгоритма фаззи - управления предлагается реализовать на основе многоканального фаззи - контроллера с программой на языке СИ.

1. И .Я. Емельянов, В.В. Воскобойников, Б.А. Масленок. Основы конструирования исполнительных механизмов управления ядерных реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 232 с.

2. Денисов В.П., Драгунов Ю.Г. Реакторные установки ВВЭР для атомных электростанций. М.: ИздАТ, 2002. - 480 с.

3. Эксплуатационные режимы АЭС с ВВЭР-1000 / Ф.Я. Овчинников, В.А. Вознесенский, В.В. Семенов и др. М.: Энергоатомиздат, 1992.-416 с.

4. Гордон А.В., Сливинская А.Г. Электромагниты постоянного тока. М.: Государственное энергетическое издательство. 1960. - 446 с.

5. Постоянные магниты: Справочник / А.Б. Альтман, Э.Е. Берниковский, А.Н. Герберг и др.; Под ред. Ю.М. Пятина. М.: Энергия, 1980. - 488 с.

6. А. Гультяев. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows. СПб.: КОРОНА-принт. 1999г.

7. Теория автоматического управления; Под ред. А.В. Нетушила. М.: Высшая школа. 1976 Ч.З - 430 с.

8. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. М.: Энергоатомиздат. 1987. 230 с.

9. Ключев В.И. Теория электропривода. -М.: Энергоатомиздат. 1998. 560с. Ю.Поливанов К.М. Теоретические основы электротехники. - М.: Энергия.1965. 4.1. - 1965.

10. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями /. Ивоботенко Б.А, Рубцов В.П., Садовский JI.A. и др.; Под общ. ред. Чиликина. М.Г М.: Энергия, 1971.-624 с.

11. Ивоботенко Б.А., Прытков В.Г. Старт стопный шаговый привод // Научно-техн. конф. по итогам НИР на 1966-1967, Тез. докл. - М., изд. МЭИ, 1967.

12. Ратмиров В.А., Ивоботенко Б.А. Шаговые двигатели для систем автоматического управления. М.: Госэнергоиздат, 1962.

13. Zadeh. Fuzzy Sets // Information and Control. 1965, №8,C. 6W8.

14. Терехов В.М. Алгоритмы фаззи регуляторов в электротехнических системах // Электричество. - 2001. - №12. - С. 55-63.

15. Владимирова Е.С. Синтез фаззи регулятора для позиционных и следящих приводов // Электротехника. - 2000. - №9. - С. 9-14.

16. Емельянов И.Я., Ефанов А.И., Константинов J1.B. Под общ. ред. акад. H.A. Доллежаля. Научно-технические основы управления ядерными реакторами. М.: Энергоиздат. 1981. - 360 с.

17. Подшибякин М.А., Коноплев Н.П. и др. Методика и результаты тестирования программного обеспечения АСУТП с ВВЭР // II Всероссийская научно-техн. конф. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР. 19-23 ноября 2001 г. Тез. докл. - Подольск. 2001 - Т1. -319 с.

18. Харрер Дж. Техника регулирования ядерных реакторов. М.: Атомиздат. 1967. 494 с.

19. Саркисов A.A. Пучков В.Н. Физика переходных процессов в ядерных реакторах. М.: Энергоатомиздат. 1983. - 232 с.

20. Владимирова Е.С. Реализация фаззи управления для позиционных и следящих электроприводов // Четвертая международная конференция по электротехнике, электромеханике и электротехнологии МКЭЭ-2000: Тез. докл. - М., 2000. - С. 201-202.