控制棒驱动机构的分段非线性动态特性

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1、控制棒驱动机构的分段非线性动态特性沈小要（国家核电技术公司上海核工程研究设计院，上海２００２３３）摘要：控制棒驱动机构是核电厂中的重要安全设备，其动态特性是研究和设计该机构的关键．首先建立控制棒驱动机构的磁路和电路方程．然后基于控制棒驱动机构动态提升过程分析，将运动过程分为３个阶段，并分别推导出各阶段的磁路－电路－机械运动耦合方程．采用解析解和数值仿真两种方法相结合，求解了控制棒驱动机构分段的非线性方程．最终得出动态过程中电流、电磁力、衔铁速度、衔铁位移和衔铁加速度等一系列反应控制棒驱动机构动态特性的参数随时间的变化曲线，并得到了实验验证．关键词：

2、控制棒驱动机构；动态特性；分段非线性；解析解；数值仿真中图分类号：ＴＬ３５１文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－５５８１（２０１１）０４－０４１０－０６ＳｔｕｄｙｏｎｓｅｇｍｅｎｔａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｒｏｄｄｒｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍＳＨＥＮＸｉａｏ－ｙａｏ（ＳｈａｎｇｈａｉＮｕｃｌｅａｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｔａｔｅＮｕｃｌｅａｒＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃ

3、ｔ：Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｒｏｄｄｒｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ（ＣＲＤＭ），ａｋｅｙｓａｆｅｔｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｓ，ｓｅｃｕｒｅａｃｒｕｃｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｄｅｓｉｇｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｒｅｌｅｖａｎｔｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｃｉｒ－ｃｕｉｔｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｍｏｔｉｏｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｓｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｉｎｔｏｔｈｒｅｅｓｔａｇｅｓｂａｓｅｄｏｎｄｙｎａｍｉｃｌｉｆｔｉｎｇ

4、ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎｓａｒｅｄｅｄｕｃｅｄｆｏｒｅａｃｈｓｔａｇｅ．Ｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｔｈｅａｎａ－ｌｙｔｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｗｉｔｈｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆＣＲＤＭａｒｅｓｏｌｖｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｕｃｈｔｉｍｅ－ｂａｓｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｓｔｈｅｃｏｉｌｃｕｒｒｅｎｔ，ｍａｇｎｅｔｉｃｆｏｒｃｅ，ｍａｇｎｅｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｖ

5、ｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｒｅｕｓｅｄｆｏｒｄｙ－ｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙａｔｔａｉｎｍｅｎｔａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｒｏｌｒｏｄｄｒｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｓｅｇｍｅｎｔａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ；ａｎａｌｙｔｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ控制棒驱动机构（ＣＲＤＭ）是控制核反应堆反应性的关键设备，在核电厂各类工况下能否保持其应有的功能将直接关系到核电厂的可运行性和安全性．我国的控制棒驱动机构基本上采

6、用磁力提升步跃式．通过磁力改变或保持控制棒在堆芯垂直方向上的高度，实现反应堆的启停，并在反应堆正常运行中调节或维持堆芯的功率水平以及在事故工况下快速停堆．鉴于控制棒驱动机构在核电厂中的重要作用，已有大量的工作研究、设计和计算控制棒驱动机构的工作原理和工作特性．吕玲玲等［１］以及朱京昌等［２］采用磁路定理对控制棒驱动机构进行了设计计算，以克服控制棒组件等的重力和摩擦力等阻力所需的电磁提升力为基础，导出磁路总的磁动势等，计算出所需的线圈匝数和电功率等设计参数，加以开展试验验证，该方法在控制棒驱动机构的早期设计中发挥了重要作用，但该方法也有不足之处，只是

7、静态计算，实际上，电磁机构衔铁的运动过程中只存在动态吸力而不存在静态吸力，只有动态过程才能表征电磁系统动作时的真实过程．王赤虎等［３］采用商业有限元分析软件ＡＮ－ＳＹＳ对控制棒驱动机构的电磁场进行了分析，分别计算提升磁路、保持磁路和传递磁路等磁路的磁力线分作者简介：沈小要（１９８０－），男，高级工程师，工学博士．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｘｙ＠ｓｎｅｒｄｉ．ｃｏｍ．ｃｎｍａｇｎｅｔｉｃｌｏｏｐｏｆｔｈｅｌｉｆｔｉｎｇｃｏｉｌ第４期沈小要：控制棒驱动机构的分段非线性动态特性４１１布、磁感应强度分布和衔铁所受电磁力．本文从控制棒驱动机构的理论模型出发，针对

8、控制棒驱动机构的动态特性展开研究．首先推导了控制棒驱动机构的磁路和电路方程，然后将动态过程分为３个阶段，并分别建立每个阶段