УСТРОЙСТВО АВАРИЙНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПРИ ЕЕ ОБЕСТОЧИВАНИИ Российский патент 2015 года по МПК H02K7/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам регулирования электроприводов, и может быть использовано для безаварийного выхода из рабочего режима главного циркуляционного насоса теплоносителя реакторной установки при аварийных режимах, связанных с отключением питающего напряжения электроустановок атомной электростанции.

Для исключения аварийных режимов непосредственно в реакторной установке, связанных с внезапным отключением напряжения питающей сети, необходимо обеспечить снижение частоты вращения главного циркуляционного насоса, содержащего установленный с ним на одном валу асинхронный электродвигатель, который подключен к трехфазной сети питания через управляемый преобразователь частоты, от рабочей установившейся частоты вращения до перехода на естественную циркуляцию за технологически заданное время (30÷50 сек) по линейному закону. Эта задача частично решается использованием главного циркуляционного насоса теплоносителя реактора с большими маховыми массами (Усов С.В. и др.; под ред.: Усов С.В. Электрическая часть электростанций. Ленинград, изд. «Энергетик», 1977. Стр.209).

Недостатками этого технического решения являются невозможность управления процессом снижения скорости вращения электродвигателя и необходимость увеличения массы электропривода. Увеличение собственной массы электропривода приводит к усложнению пуска и регулирования его скорости вращения в штатном режиме работы.

Известны элементы временной замены электрической сети для подключения к ним оборудования в момент отключения питающего напряжения, содержащие зарядный блок, аккумуляторную батарею, преобразователь и переключатель (Лунев К.В. Энциклопедический Фонд http://www.russika.ru/ef.php?s=3506).

Недостатком этого технического решения является необходимость постоянного обслуживания, малая долговечность и надежность, необходимость размещения аккумуляторов в специально оборудованном помещении, экологическая опасность. Не предусмотрена возможность управления процессом остановки (выключения) питаемого устройства.

Известно устройство временной замены электрической сети, содержащее установленные на одном валу электродвигатель, маховик и генератор. При наличии питающего напряжения электродвигатель вращает вал, маховик запасает кинетическую энергию, а при перерыве питания кинетическая энергия маховика обеспечивает питание потребителя (Авт. свид. СССР №278840, М. Кл. H02j 51/00. Опубл. 21.08.1970). По сравнению с аккумуляторными устройствами аварийного питания маховичные экологичны, стабильно работают в широком температурном диапазоне даже после тысяч циклов срабатываний, готовы к работе быстрее аккумуляторных батарей. Однако это техническое решение также не предусматривает возможности согласования генератора с регулируемым по скорости вращения асинхронным двигателем и возможность управления процессом его остановки.

Наиболее близким к предложенному техническим решением является устройство временной замены электрической сети, содержащее установленные на одном валу электродвигатель, маховик и синхронный генератор (Авт. свид. СССР №418936, М. Кл. Н02k 7/02, опубл. 05.03.1974).

Надежность работы этого устройства обусловлена тем, что ротор синхронной электромашины, который вращается маховиком, содержит постоянные магниты. Когда в сети пропадает напряжение, то вращающийся ротор индуцирует в статоре ток, который и питает потребителя. Т.е. никакого перерыва в подаче электропитания физически нет. Однако при переходе питания основного асинхронного двигателя привода циркуляционного насоса, питаемого в рабочем режиме от преобразователя частоты, к питанию от синхронного генератора в аварийных режимах возможны недопустимые броски тока в статорной обмотке основного двигателя, обусловленные неравенством частот, фазовых сдвигов и амплитуд напряжений, формируемых преобразователем частоты, питающим асинхронный двигатель, и синхронного генератора.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является расширение функциональных возможностей устройства аварийного охлаждения реакторной установки при ее обесточивании, обеспечение снижения частоты вращения главного циркуляционного насоса от рабочей установившейся частоты вращения до перехода на естественную циркуляцию за технологически заданное время по линейному закону при уменьшении собственной массы.

Для решения этой технической задачи предлагается устройство аварийного охлаждения реакторной установки при ее обесточивании, содержащее главный циркуляционный насос и установленный с ним на одном валу основной асинхронный электродвигатель, установленные на другом валу асинхронный электродвигатель, маховик и синхронный генератор, два преобразователя частоты, два датчика частоты, два датчика фазы, два датчика напряжения, управляемый возбудитель синхронного генератора, формирователь управляющего напряжения, комбинированный источник питания, логический блок, шесть сумматоров, три управляемых силовых ключа, пороговые блоки контроля уровня рассогласования фаз, напряжений и частот, блок контроля фазных напряжений силовой сети, шины питания основного асинхронного электродвигателя через первый управляемый силовой ключ подключены к выходу одного преобразователя частоты, вход комбинированного источника питания подключен к силовому выходу синхронного генератора, выходы комбинированного источника питания подключены к питающим входам формирователя управляющего напряжения и управляемого возбудителя синхронного генератора, выходы которого подключены к обмотке возбуждения синхронного генератора, силовой выход которого через второй силовой ключ подключен к шинам питания основного асинхронного электродвигателя, входы одних датчиков частоты, фазы и напряжения подключены к шинам питания основного асинхронного электродвигателя, входы других датчиков частоты, фазы и напряжения подключены к силовому выходу синхронного генератора, выходы одних и других датчиков частоты, фазы и напряжения подключены ко входам первого, второго и третьего сумматоров соответственно, выход первого сумматора подключен ко входу четвертого сумматора и через пороговый блок контроля уровня рассогласования частот - к первому входу логического блока, выход второго сумматора подключен ко входу пятого сумматора, к одному управляющему входу управляемого возбудителя синхронного генератора и через блок контроля рассогласования фаз - ко второму входу логического блока, выход третьего сумматора подключен к одному входу шестого сумматора и через блок контроля рассогласования напряжений - к третьему входу логического блока, четвертый вход которого подключен к выходу блока контроля фазных напряжений силовой сети питания, выход формирователя управляющего напряжения подключен к другому входу шестого сумматора, выход которого подключен к другому входу управляемого возбудителя синхронного генератора, выход логического блока соединен с пусковым входом формирователя управляющего напряжения и подключен к управляющим входам первого, второго и третьего управляемых силовых ключей, выход четвертого сумматора подключен к одному управляющему входу другого преобразователя частоты, выход пятого сумматора подключен к другому управляющему входу другого преобразователя частоты, вход другого преобразователя частоты через ключ подключен к силовой сети питания, а его выход через третий управляемый силовой ключ подключен к обмоткам асинхронного электродвигателя.

Источники информации, содержащие всю совокупность признаков заявляемого устройства, при проведении поиска по патентной и научно-технической литературе не обнаружены. Совокупность существенных признаков заявляемого устройства не следует явным образом из изученного уровня техники, имеет существенные отличия от рассмотренных аналогов. Предлагаемое устройство может быть изготовлено на имеющемся оборудовании с использованием современных функциональных узлов и применено при аварийных режимах, связанных с отключением питающего напряжения, например, для обеспечения выбега по заранее заданной программе главного циркуляционного насоса теплоносителя реакторной установки атомной электростанции. Поэтому заявитель считает, что заявляемое устройство соответствует критериям патентоспособности изобретения «новизна», «промышленная применимость» и «изобретательский уровень»,

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой, на которой показан пример использования предлагаемого устройства аварийного охлаждения реакторной установки для обеспечения выбега по линейному закону главного циркуляционного насоса теплоносителя реакторной установки атомной электростанции при аварийных режимах, связанных с отключением питающего напряжения электроустановок станции. Представленный пример не охватывает все возможные варианты изготовления и использования предлагаемого устройства в соответствии с изобретением.

На функциональной схеме обозначены главный циркуляционный насос 1 теплоносителя реактора атомной электростанции, установлений на одном валу с основным асинхронным двигателем 2, трехфазная силовая сеть 3 питания, один преобразователь 4 частоты, ключ 5, первый управляемый силовой ключ 6. асинхронный электродвигатель 7, другой преобразователь 8 частоты, второй управляемый силовой ключ 9, ключ 10, третий управляемый силовой ключ 11, датчики 12 и 13 частоты, датчики 14 и 15 фазы, датчики 16 и 17 напряжения, сумматоры 18-23, синхронный генератор 24, маховик 25, логический блок 26, управляемый возбудитель 27 синхронного генератора 24, комбинированный источник 28 питания, формирователь 29 управляющего напряжения, блок 30 контроля рассогласования фаз, блок 31 контроля рассогласования частоты, блок 32 контроля рассогласования напряжения, блок 33 контроля фазных напряжений трехфазной силовой сети 3 питания.

Устройство работает следующим образом.

Главный циркуляционный насос 1 теплоносителя реактора атомной электростанции в штатном режиме приводится во вращение основным асинхронным двигателем 2, который подключен к трехфазной силовой сети 3 питания через один преобразователь 4 частоты, ключ 5 и первый управляемый силовой ключ 6. В штатном режиме ключи 5 и 10, управляемые силовые ключи 6 и 11 замкнуты, управляемый силовой ключ 9 разомкнут.Асинхронный двигатель 7 вращает маховик 25 и вал синхронного генератора 24. Вход комбинированного источника 28 питания подключен к силовому выходу синхронного генератора 24 (эта связь не показана). Так как ротор синхронного генератора 24, который вращается маховиком 25, содержит постоянные магниты, то вращающийся ротор индуцирует в статоре ток, который и питает комбинированный источник 28 питания с момента включения асинхронного двигателя 7. Комбинированный источник 28 питания обеспечивает энергией управляемый возбудитель 27 и формирователь 29 управляющего напряжения в течение всего времени работы устройства вплоть до полной остановки маховика 25 и синхронного генератора 24. В штатном эксплуатационном режиме на входы одного 4 и другого 8 преобразователей частоты поступают от системы управления (не показана) сигналы задания выходных напряжений и частоты преобразователей 4 и 8 частоты (соответственно u_з1, f_з1, u_з2, f_з2), обеспечивающие основным асинхронным двигателем 2 рабочий режим насоса 1, а асинхронным двигателем 7 режим работы, при котором на выходе синхронного генератора 24 формируется напряжение, близкое (или равное) по амплитуде, частоте и фазовому сдвигу напряжению на обмотках статора основного асинхронного двигателя 2.

Датчики 12, 14 и 16 измеряют соответственно частоту, фазовый сдвиг и амплитуду напряжения на обмотках статора основного асинхронного двигателя 2, а датчики 13, 15 и 17 - частоту, фазовый сдвиг и амплитуду напряжения на обмотках статора синхронного генератора 24. Выходные сигналы датчиков 12-17 по каждой переменной сравниваются соответственно на первом 18, втором 19 и третьем 20 сумматорах. Результат сравнения (ошибка) по частоте Δf поступает на четвертый сумматор 21, сигнал с выхода которого обеспечивает коррекцию выходной частоты другого преобразователя 8, соответственно частоту вращения асинхронного электродвигателя 7 и синхронного генератора 24, подстраивая частоту его выходного напряжения к частоте напряжения на обмотках статора основного асинхронного двигателя 2. Коррекцию по напряжению обеспечивает сигнал сравнения (ошибка) по напряжению Δu, поступающий на шестой сумматор 23, где сравнивается с основным сигналом u_в задания возбуждения синхронного генератора 24. Сигнал сравнения (ошибка) по фазовому сдвигу Δφ напряжений на обмотках статоров основного асинхронного двигателя 2 и синхронного генератора 24 с выхода второго сумматора 19 поступает на пятый сумматор 22, сигнал с выхода которого обеспечивает коррекцию выходной фазы другого преобразователя 8 в соответствии с фазой основного асинхронного двигателя 2, и на систему фазового управления управляемого возбудителя 27. Сигналы ошибок Δf, Δu и Δφ поступают на блоки 30, 31, 32 контроля рассогласования, где сравниваются с допустимыми их уровнями, исходя из безопасности переключения питания основного асинхронного двигателя 2 от одного преобразователя 4 к синхронному генератору 24. При установившемся штатном режиме работы устройства все три сигнала ошибок приводятся в зону допустимых их значений (на выходе блоков 30, 31, 32 контроля рассогласования соответственно фаз, частот и напряжений поддерживаются логические уровни «1»). При аварийном отключении напряжения силовой сети 3 питания блок 33 контроля фазных напряжений силовой сети 3 питания формирует на выходе единичный сигнал и логический блок 26, реализующий логическую функцию «И», формирует сигнал разрешения на переключение питания основного асинхронного двигателя 2. Этот сигнал разомкнет управляемый первый силовой ключ 6 и замкнет второй управляемый силовой ключ 9, обеспечивая питание основного асинхронного двигателя 2 от синхронного генератора 24, а также разомкнет третий силовой ключ 11, отключая от силовой сети 3 питания асинхронный двигатель 7. Одновременно этот же сигнал поступит на вход формирователя 29 напряжения, обеспечивая управление возбуждением синхронного генератора 24 и, соответственно, напряжением на его выходе в соответствии с заранее заданным законом снижения скорости основного асинхронного двигателя 2 и приводимого им циркуляционного насоса 1, в данном случае по линейному закону.

Заявителем разработан и успешно испытан макет предлагаемого устройства. Предлагаемое устройство абсолютно экологично, стабильно работает в широком температурном диапазоне независимо от числа срабатываний.

Перечень позиций

Главный циркуляционный насос 1 теплоносителя реакторной установки атомной электростанции, основной асинхронный двигатель 2, трехфазная сеть 3 питания, преобразователь 4 частоты, ключ 5, ключ 6, приводной асинхронный двигатель 7, преобразователь 8 частоты, ключи 9-11, датчики 12 и 13 частоты, датчики 14 и 15 фазы, датчики 16 и 17 напряжения, сумматоры 18-23, синхронный генератор 24, маховик 25, логический блок 26, управляемый возбудитель 27 синхронного генератора 24, комбинированный источник питания 28, формирователь 29 управляющего напряжения возбуждения, блок 30 контроля рассогласования напряжения, блок 31 контроля рассогласования фазы, блок 32 контроля рассогласования частоты, блок 33 контроля фазных напряжений силовой сети.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам регулирования электропривода. Технический результат: обеспечение ограничения бросков тока в обмотках основного привода и формирование требуемой программы изменения частоты его вращения при возникновении аварийных режимов. Сигналы ошибок рассогласования напряжений, фаз и частот асинхронного электродвигателя и синхронного генератора поступают на блоки контроля рассогласования, где сравниваются с допустимыми уровнями, исходя из безопасности переключения питания основного асинхронного двигателя от преобразователя к синхронному генератору. При установившемся штатном режиме работы рассогласования напряжений, фаз и частот приводятся в зону допустимых значений и на выходе блоков контроля рассогласования соответственно напряжений, фаз и частот поддерживаются логические «1». При аварийном отключении напряжения питающей сети блок контроля фазных напряжений питающей сети сформирует на выходе единичный сигнал и логический блок, реализующий логическую функцию «И», сформирует сигнал разрешения на переключение питания защищаемого основного асинхронного двигателя, обеспечивая его питание от синхронного генератора. Одновременно этот же сигнал поступит на вход формирователя напряжения, обеспечивая управление возбуждением синхронного генератора и напряжением на его выходе в соответствии с заранее заданным законом снижения скорости асинхронного двигателя. 1 ил.

Устройство аварийного охлаждения реакторной установки при ее обесточивании, содержащее главный циркуляционный насос и установленный с ним на одном валу основной асинхронный электродвигатель, один преобразователь частоты, отличающееся тем, что в него введены установленные на другом валу асинхронный электродвигатель, маховик и синхронный генератор, другой преобразователь частоты, два датчика частоты, два датчика фазы, два датчика напряжения, управляемый возбудитель синхронного генератора, формирователь управляющего напряжения, комбинированный источник питания, логический блок, шесть сумматоров, три управляемых силовых ключа, пороговые блоки контроля уровня рассогласования фаз, напряжений и частот, блок контроля фазных напряжений силовой сети, шины питания основного асинхронного электродвигателя через первый управляемый силовой ключ подключены к выходу одного преобразователя частоты, вход комбинированного источника питания подключен к силовому выходу синхронного генератора, выходы комбинированного источника питания подключены к питающим входам формирователя управляющего напряжения и управляемого возбудителя синхронного генератора, выходы которого подключены к обмотке возбуждения синхронного генератора, силовой выход которого через второй силовой ключ подключен к шинам питания основного асинхронного электродвигателя, входы одних датчиков частоты, фазы и напряжения подключены к шинам питания основного асинхронного электродвигателя, входы других датчиков частоты, фазы и напряжения подключены к силовому выходу синхронного генератора, выходы одних и других датчиков частоты, фазы и напряжения подключены ко входам первого, второго и третьего сумматоров соответственно, выход первого сумматора подключен ко входу четвертого сумматора и через пороговый блок контроля уровня рассогласования частот - к первому входу логического блока, выход второго сумматора подключен ко входу пятого сумматора, к одному управляющему входу управляемого возбудителя синхронного генератора и через блок контроля рассогласования фаз - ко второму входу логического блока, выход третьего сумматора подключен к одному входу шестого сумматора и через блок контроля рассогласования напряжений - к третьему входу логического блока, четвертый вход которого подключен к выходу блока контроля фазных напряжений силовой сети питания, выход формирователя управляющего напряжения подключен к другому входу шестого сумматора, выход которого подключен к другому входу управляемого возбудителя синхронного генератора, выход логического блока соединен с пусковым входом формирователя управляющего напряжения и подключен к управляющим входам первого, второго и третьего управляемых силовых ключей, выход четвертого сумматора подключен к одному управляющему входу другого преобразователя частоты, выход пятого сумматора подключен к другому управляющему входу другого преобразователя частоты, вход другого преобразователя частоты через ключ подключен к силовой сети питания, а его выход через третий управляемый силовой ключ подключен к обмоткам асинхронного электродвигателя.