张雄林，孙广明，张文娟

（中国兵器工业第58研究所四川绵阳621000）

控制棒冗余供电系统是为核反应堆控制棒驱动机构的电磁阀提供驱动电源，以完成控制棒的提升、保持、下插等动作，实现对反应堆反应性以及功率特性的控制功能，其准确性及可靠性决定了反应堆控制的实时性和准确性，关系到反应堆的正常运行和安全。控制棒冗余供电系统对输入电源的可靠性、安全性和有效性以及电源输出高精度恒流质量要求极高，通常采用冗余设计来提高系统的可靠性和可用性[1-3]。

1 硬件设计

控制棒冗余供电系统将两路交流220 V转换成多路高精度恒流源为控制棒驱动电磁阀供电。两路交流实现无缝切换，交流切换时保证控制棒驱动电磁阀状态不发生变化。具体工作原理为，两路交流电分别送到两个供电电源，两路供电电源产生两组与交流隔离的直流电源，并联形成控制母线为控制器供电，每个供电电源都能单独提供控制器所需的功率。

每个控制器实现对应的电磁阀所需要的恒流特性供电。供电电源、控制器都有单独的控制接口和报警接口，接口采用干接点的方式实现，控制干接点闭合时表示开机，断开时表示关闭，报警节点闭合时正常，断开时表示有报警。控制棒冗余供电系统有综合信息处理单元采用双冗余CAN总线方式实时采集所有供电电源、控制器的信息及工作状态，通过两路双冗余RS422串口上报[4-10]。

图1 控制棒冗余供电系统原理框图

1.1 冗余供电电源

供电电源由交流EMI滤波、AC/DC功率因数校正、三路DC/DC、监控控制与显示组成。

图2 供电电源原理图

EMI滤波电路由共模电感、差模电感、X电容、Y电容等多级滤波器组成，在理论设计的基础上确定电感、电容的参数，滤波器内有放电设计，防止滤波电容残留电对人体产生伤害。

AC/DC功率因数校正电路提高交流输入功率因数，减小输入电流的谐波分量，为高频变换电路提供稳定的直流高精度。

DC/DC功率因数校正电路在脉宽调制驱动信号的控制下，将功率因数校正后的直流电压变成变成低杂音、低电磁干扰的高质量的直流电压输出，为控制器提供相应的操作电源并完成与交流输入之间的隔离。采用先进的零电压、零电流技术，降低开关管的电压、电流应力和开关损耗，提高整机可靠性和效率，减少电磁干扰。供电电源为所有控制器体用三路功率、控制所需的电源，避免在每个控制器分别产生电源而带来的干扰，利于电磁兼容[11-15]。

1.2 控制器组成

控制器由恒流变换、恒流控制、监控、控制与显示组成恒流变换电路将供电电源提供的直流电压源变换成电磁阀所需要的高质量的恒流源。在恒流控制的调整下，采用有源调整的方式将直流电压源调整为恒流源。

恒流控制部分采用成熟的单元电路，电流取样器精度为0.5%，温漂50PPM。恒流控制器件基准温温漂0.2 V/℃，噪声小于80 nV，确保电磁阀恒流控制精度实时跟踪负载电流，保证输出的恒流精度，并对恒流变换电路提供保护，及向监控电路提供相应的信号，以确保控制柜的安全运行及各种电气功能的完成。接受上级的开关机控制，和故障报警上报。

图3 控制器组成框图

图4 恒流变换原理图

1.3 综合信息处理单元

综合信息处理单元基于自主可控计算机进行二次开发，其功能为：采集供电电源模块、控制器模块的工作状态、产生报警信号，记录并上传给上级系统。对上级系统提供2个双冗余RS422串口。

图5 综合信息处理单元原理

2 软件设计

控制棒冗余供电系统软件模块主要包括状态监测、参数设置、数据处理3部分。状态监测模块将通讯系统要求的电压、电源温度等信息上传给上位机，若存在问题则进行故障报警；参数设置模块为上位机提供RS422协议、Modbus-RTU协议使用到的通讯速率、校验方式等参数的设置；数据处理模块为内部及外部通讯提供统一的发送及接收数据消息的接口，并根据要求提供数据打包、解析等功能。

图6 数据交互流程图

3 性能验证试验

依据负载特性模拟制了电感负载进行实际测试，负载如图7所示，测试波形如图8所示，线实测恒流精度小于2 mA。电流上升时间约为37 ms与仿真一致图如图9所示。测试条件，供电电压350 V，电感量32 H，电阻710 Ω，最大电流250 mA，最小电流150 mA[16-17]。

图7 试验用电感

4 结束语

控制棒冗余供电系统输出直流电压为0～400 V，恒流精度要求为±5 mA之内，传统控制电路上使用的采样电路存在误差较大，即存在恒流控制参数不一致性的问题，这给生产和使用带来极大的不便。因此，采取了高精度恒流控制技术措施，并对电源模块进行标准化设计，使模块的输出满足精度要求并满足之间的通用性和互换性要求，同时在通讯部分采用了冗余的通讯设计，避免数据通讯中断的情况发生，提高了冗余供电系统监测的可靠性，从而提高了核反应堆的安全性。通过大量试验数据表明，该控制棒冗余供电系统工作稳定，高精度恒流源输出质量高，符合核反应堆控制棒冗余供电系统的要求。

图8 实测电压、电流波形

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