Brevet FR2294516A1 — publié le 19760709

La présente invention concerne un dispositif électronique, à sécurité positive, de relais et de régulation de courant, utilisé notamment pour le contrôle du courant dans les bobines des électro-aimants maintenant en position les absorbants de sécurité d'un réacteur nucléaire. L'invention s'intègre notamment dans le système de protection d'un réacteur nucléaire.; dans ce système de sécurité, on désire faire chuter les absorbants de sécurité s'enfonçant dans le coeur du réacteur, lorsque certaines grandeurs physiques telles que la pression, la température ou le' flux neutronique s'écartent notablement de valeurs de références données à l'avance. Les absorbants de sécurité du réacteur sont maintenus en position haute par un dispositif électro-mécanique comportant des électro-aimants dont les bobines sont alimentées en courant lorsque ces absorbants de sécurité sont hors du coeur du réacteur. Il est indispensable que lorsque les valeurs des grandeurs physiques sont dans les limites de sécurité, le courant d'alimentation des bobines reste constant. La stabilité du courant traversant les bobines des électro-aimants maintenant en place les absorbants de sécurité est nécessaire pour la raison suivante : on utilise pour des ràisons de sécurité plusieurs bobines d'électro-aimant qui maintiennent en position haute un absorbant de sécurité d'un réacteur. Lorsqu'une des grandeurs physiques dépasse une valeur donnée, le courant est interrompu dans les bobines. Pour que l'absorbant de sécurité chute, il est nécessaire que le courant soit supprimé dans deux bobines sur trois par exemple (redondance 2/3j.Pour cela, le dispositif mécanique est conçu pour que, lorsque deux des bobines ne sont plus activées, la force de rappel ne soit plus suffisante pour maintenir en position l'absorbant de sécurité. Pour atteindre une excellente sûreté de fonctionnement, il faut que le courant dans chaque bobine soit étroitement contrôlé dans des limites précises, afin qu'un écart notable d'lntenslté de courant soit interdit, écart désastreux puisqu'il pourrait empêcher la chute de l'absorbant de sécurité, même lorsque deux bobines ne sont plus alimentées. I1 est de même nécessaire que les valeurs du courant ne fluctuent pas vers des valeurs trop basses, valeurs pour lesquelles l'absorbant chuterait pour l'interruption du courant dans une seule bobine. Les précautions extrêmes qu'il est nécessaire d'observer dans les systèmes de protection des réacteurs nucléaires imposent que les dispositifs électroniques de commande présentent une excellente sûretF de fonctionnement. Pour cela, il est avantageux de réaliser des systèmes de contrle à sécurité positive "intrinsbque". La notion de sécurité positive est bien connue des spécialistes confrontés au problème de sécurité ; c'est l'aptitude d'un matériel à évoluer dans le sens de l'initiation de l'action pour laquelle il a été conçu en cas de panne l'affectant. L'application à la commande d'arrêt d'urgence d'un réacteur nucléaire est présentée à titre d'exemple. Avec les matériels industriels d'usage courant, le taux de pannes "sures" est du même ordre de grandeur que le taux de pannes "non sûres". Le dispositif selon l'invention présente un taux de pannes "non sûres", notablement réduit, alors que le taux de pannes "sûres" reste du même ordre de grandeur. Les pannes "non sûres" sont les pannes ne conduisant pas à l'action de protection désirée en cas de dépassement du seuil pour l'une des grandeurs physiques du système de protection. En valeur absolue, le taux de pannes "non sûres" est selon i'invention environ 100 fois plus faible que pour les matériels industriels d'usage courant, ceci sans augmentation notable du court ou des dimensions de l'électronique. L'invention a pour objet un appareil de relais et de régulation de courant comprenant une entrée Ereliée à une source de courant périodique d'amplitude non nulle en marche normale cette entrée E est reliée en amont à des organes de commande délivrant un signal périodique, par exemple un signal rectangulaire d'amplitude non nulle lorsque les valeurs de grandeurs physiques assurant la sureté de l'installation telles que la pression, la température ou le flux neutronique ne dépassent pas certaines valeurs déterminées à l'avance. L'utilisation d'un signal périodique a de multiples avantages : il permet d'utiliser des transformateurs d'isolation pour isoler différentes parties du circuit. De plus, grâce au signal alternatif, il est possible de tester en permanence le dispositif à la fréquence dudit signal alternatif. Enfin, un signal continu (ou nul) sur l'entrée E peut avoir plusieurs causes : soit que l'une des grandeurs physiques dépasse la valeur limite de fonctionnement auquel cas il est indispensable d'arrêter le fonctionnement du réacteur en faisant chuter les absorbants de sécurité, soit qu'une panne se produise en amont de l'entrée E. Ce type'de sianal entraîne l'interruption du passage du courant alternatif et cette interruption se traduit par la chute des absorbants de sécurité ; ceci illustre la notion de sécurité "positive*. Ce même appareil comprend un régulateur statique d'intensite, à contre réaction de courant, dont l'entrée est reliée par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolation galvanique Ta, à l'entrée E. Ce régulateur fonctionne par modulation de la largeur des créneaux de tension délivrés par le secondaire du transformateur Ta. Le fonctionnement de ce régulateur statique de type classique à circuit magnétique, sera décrit par la suite.L'appareil selon l'invention comprend également une alimentation A délivrant une tension continue d'amplitude constante, reliée au dispositif, mais géométriquement séparée de celui-ci ; avantageusement un amplificateur de puissance relié au secondaire d'un transformateur Tb eie primaire dudit transformateur étant relié au régulateur d'lntensité), et à l'alimentation A, la sortie dudit amplificateur étant connectée au primaire d'un transformateur Tc ; enfin, un redresseur R est relié au secondaire du transformateur Tc et délivre un courant constant dans une impédance de charge, par exemple la bobine de l'électro-aimant, par des fils dont l'un d'eux passe à travers le régulateur statique d'intensité pour réaliser ia entre réaction de courant. L'alimentation A est, dans un mode de réalisation de l'invention, une batterie délivrant une tension de l'ordre d'une vingtaine de volts. Selon des variantes de l'invention, on interpose soit entre le- transformateur Ta et le régulateur d'intensité statique, soit entre le régulateur statique d'intensité et l'amplificateur de puissance, soit entre les deux, un amplificateur de tension. L'appareii selon l'invention comprend également un circuit utilisé pour la coupure rapide du courant dans i' im- pédance de charge. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur la figure 1, un schéma-bloc des différents éléments du dispositif électronique de l'invention, - sur la figure 2, un schéma électronique détaillé d'une réalisation du dispositif selon l'invention, - sur les figures 3a et 3b des diagrammes explicitant le fonctionnement du circuit régulateur de courant, - sur la figure 4, le schéma du circuit électronique de coupure rapide de courant, Sur la figure 1, on a représente un schéma-bloc du dispositif selon 1 tinvention. Sur 1 ventrée E est introduit le signal logique alternatif, par exemple sous forme de créneaux carrés d'amplitude non nulle. Ce signal provient d'un dispositif de commande alimenté par le résultat de mesure de grandeurs physiques, tel que décrit dans lesbrevets Un transformateur Ta isole l'entrée du reste du circuit, le secondaire 2 de ce transformateur étant relié à un amplificateur A1. Cet amplificateur A1 est alimenté par une alimentation A extérieure au circuit par l'intermédiaire des fils 4 et 6. Le signal ainsi amplifié en puissance est envoyé dans un transformateur d'isolation galvanique T'a dont le secondaire 8 est relié au régulateur statique d'intensité. La sortie de ce régulateur statique d'intensité est reliée à l'enroulement primaire 10 d'un transformateur Tb. Le secondaire 12 du transformateur d'isolation galvanique Tb est relié à un amplificateur de puissance A2.La tension de sortie, amplifiée apres passage dans l'amplificateur A2 est branchée aux bornes de l'enroulement primaire 14 d'un transformateur Tc dont un secondaire 16 est connecté à un redresseur R. A la sortie de ce redresseur R, le fil 18 revient vers le régulateur statique d'intensité pour réaliser la contre-réaction de courant, puis en ressort par le fil 20 pour aboutir à la borne 22. L'autre fil 24 sortant du redresseur R est relié à la borne 26. Entre les bornes 22 et 26, on place l'impédance de charge (non représentéej, par exemple la bobine d1alimenàtion d'un électro!aimant. L'amplificateur A2 est relié par les fils 28 et 30 à une alimentation A extérieure au circuit.Le circuit de consigne est réalisé par un enroulement 32 du secondaire du transformateur Tc relié à un redresseur R' délivrant à sa sortie une tension redressée. Cette tension, réglable par un circuit C, circuit de consigne, est introduite dans le régulateur statique d'intensité entre les fils 34 et 36 afin de fixer la valeur du courant de sortie alimentant 1 'impédance de charge. On introduit également un filtre passe-bas et un circuit de réarmement manuel 103 relié à l'alimentation A. Deux circuits de coupure rapide C1 et C2 sont disposés sur les fils 20 et 24. Cés deux circuits sont alimentés par des tensions redressées obténues par les redresseurs- 38 et 40 alimentés par les secondaires 42 et 44 du transformateur Ta. Sur la figure 2, on a représenté un schéma électronique détaillé d'une partie du dispositif de la figure 1. Des références identiques indiquent les mêmes organes que ceux représentés sur la figure 1. Sur Sur la figure 3, on a représenté les formes 'des tensions en différents points du circuit de la figure 2 et la courbe donnant l'inddetion magnétBque B en fonction du champ magnétique H dans les transducteurs T et T' représentés sur la figure 2. Sur la figure 2, l'amplificateur modulateur A1 est constitué de deux transistors alimentant le primaire du transformateur T'a, alimenté en puissance par l'alimentation A. -Le secondaire 56 du transformateur T'a est relié par l'intermédiaire des résistances 58 et 60 au primaire 10 du transformateur Tb. Le régulateur statique d'intensité comporte deux transducteurs T et T' dont les courbes de magnétisation sont indiquées sur la figure 3b. Les transducteurs sont constitués par des noyaux magnétiques entourés d'une part par les enroulements de polarisation 62 et 6Z dans lesquels passe un courant continu provenant, à travers le circuit C, du redresseur R', formé par un pont à quatre diodes, et d'autre part par les enroulements de commande 90 et 91 reliés au fil 18, branché à une borne du redresseur R formé d'un pont à quatre diodes.Les diodes 68 et 70 laissent passer le courant dans un sens donné dans l'enroulement de travail du transducteur T, ce dernier et les deux diodes en série étant branchés en parallèle sur le primaire 10 du transformateur Tb. De même, les diodes 72 et 74, laissant passer le courant de signe opposé à celui circulant dans les deux diodes 68 et 70 précédentes, sont reliées à l'enroulement de travail du transducteur T', les extrémités du circuit comprenant ces diodes étant reliées aux deux mêmes bornes que le circuit des deux diodes précédentes. La tension induite dans le primaire du transformateur Tb est telle que dessinée sur la courbe 76 de la figure 3a, alors que la tension induite dans le secondaire du transformateur T'a est représentée sur la courbe 58, ces deux courbes représentant les variations de la tension V en ordonnée en fonction du temps t en abscisse.L'amplificateur de puissance A2 relié au secondaire 12 du transformateur Tb, et alimenté par l'alimentation A, délivre une tension amplifiée au primaire du transformateur Tc. Cette tension est transmise au secondaire 16 du transformateur Tc pour être redressée et appliquée à l'impédance de charge située entre les bornes 22 et 26 par l'intermédiaire des enroulements du régulateur statique d'intensité. La bobine de l'électrp-aimant constituant l'impédance de charge dans une réalisation préférentielle de l'invention est représentée schématiquement en 80. Le circuit C comporte une diode Zenner fixant le potentiel entre les deux fils d'amenée du courant dans les enroulements 62 et 64 ces transducteurs T et T'. La résistance variable 82 permet de faire varier le courant traversant les enroulements 62 et 64. Les points désignés par les mêmes lettres sur les figures 3a et 3b correspondent aux mêmes points de fonctionnement. A l'instant t2 par exemple, correspondant au point C', le champ magnétique H vaut Ho et est du à la somme des ampèrestours circulant dans le circuit de polarisation et le circuit de commande ; l'induction magnétique dans le transducteur T' vaut B1. Lorsque la tension aux bornes de l'enroulement de travail du transformateur T' s'inverse, le point représentatif sur ia courbe d'aimantation passe de C' à D' à induction magnétique constante. De D' à E', la tension appliquée est constante et le point représentatif sur la courbe d'aimantation passe de D' à E', point où le noyau du transducteur est saturé. En ce point, l'in duction magnétique est fixée à la valeur B (en valeur abso max lue). Entre E' et A', le noyau étant saturé, l'enroulement de travail du transducteur T' entre les bornes 86 et 88 est en quasi court-circuit (la tension développée aux bornes de l'enroulement de travail est quasi nulle comme représenté sur la figure 3a. Durant l'alternance sulvante, le transducteur--T-entreXen Jeu puisque les diodes 62 et 70 conduisent ; le cbamp magnétique initial à la valeur --HOr car le-sens du-courant dans les enroulements de polarisation et de commande est contraire au sens des précédents (transducteur T'). Un cycle CDABC équivalent au précédent C'D'A'B'C' est parcouru.La valeur de l'induction B1 de départ est-réglée par le nombre d'ampères-tours dans les enroulements de polarisation et de commande tels que 62 et 90 On peut réguler cette valeur initiale, déterminant la durée de passage du courant entre to et tl, en contrôlant la valeur de ia résistance 82 qui fixe la valeur de la tension appliquée aux bornes de l'enroulement de polarisation 62 du transducteur T et 64 du transducteur T'. Les enroulements 62 et 90 sont parcourus par des courants circulant en sens inverse, ce qui fait que les ampères tours se soustraient les uns des autres On "oit également que le courant circulant dans la bobine d'électro-aimant 80 dépend de l'intervalle entre le point de saturation B x et max le point initial B1 de la figure 3b, puisque lorsque les trans .1 ducteurs T ou T' sont saturés, aucune tension n'est développée aux bornes du primaire et du secondaire du transformateur Tb, ni dans la partie aval du circuit. Le système est autostabilisant puisque, Si le courant sur la bobine d'électro-aimant baisse, le courant circulant dans la bobine 88 diminue, ce qui diminue également la valeur de l'ordonnée du point B , mais augmente par conséquent le temps de passage du courant dans le primaire 10 du transformateur Tb. On peut vérifier sur le schéma de la figure 2 que le dispositif est à sécurité intrinsèque, c'est-à-dire que dans le cas d'un mauvais fonctionnement de l'un quelconque des éléments du circuit, ce mauvais fonctionnement entraîne une panne sûre provoquant l'interruption du courant dans l'impédance de sortie 80 ; ce type de panne peut être soit l'interruption d'un câble, 1 'ouverture ou le court-circuit d'une diode, le courtcircuit d'un transistor, etc..- Le circuit de la figure 2 comporte également un circuit de réarmement 103 permettant, par l'intermédiaire de l'ln- terrupteur manuel 1-05, d'enclencher les deux interrupteurs 107 et 109, ce qui laisse circuler un courant dans les enroulements de polarisation et réamorce le circuit après une interruption. Sur la figure 4, on a représenté un dispositif de coupure rapide du courant, tel que le circuit C1 ou le circuit C2 de la figure 1. Ce circuit comporte sur le fil 20 avant la borne 22 un transistor 100 dont la base est polarisée par la tension issue d'un redresseur 40 alimenté par un secondaire 44 du transformateur Ta. La résistance 102 en parallèle vaut quelques centaines d'ohms. Le fonctionnement de ce circuit est le suivant : lorsqu'un signal est appliqué sur l'entrée E, un courant est engendré sur le secondaire du transformateur Ta qui polarise la base du transistor de façon à ce que celui-ci conduise. En cas d'interruption du courant dans le secondaire 44, le transistor 100 est bloqué et le courant doit s'écouier à travers la résistance 102 de grande valeur, ce qui a pour conséquence un temps de décroissance du courant proportionnei à L/R > beaucoup plus rapide. I1 a été vérifié que les dispositifs de coupure rapide ide redondance 1/2, permettent une décroissance de 90 % du courant initial dans un délai inférieur à 20 ms pour la valeur L de la self de la bobine. Le dispositif selon l'invention est un organe pré- sentant toutes les qualités de sécurité intrinsèque désirées, soit un taux de pannes non sures 100 fois plus faible que le taux de pannes sûres, dans l'absolu inférieur à 5.10-7 pannes par heure. REVENDICATIONS 1. Appareil à sécurité positive, ayant les fonctions de relais de commande et de régulation de courant, utilisé notamment pour la commande des absorbants de sécurité d'un réac- teur nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend - une entrée E reliée à une source de courant périodique, d'amplitude non nulle en marche normale, - un régulateur statique d'intensité à contre--réaction de courant, dont l'entrée est reliée par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolation galvanique Ta à l'entrée E, ledit régulateur fonctionnant par modulation de la largeur des créneaux de tension délivré par ledit transformateur Ta, les créneaux de tension modulés alimentant le primaire d'un transformateur Tb, - une alimentation A délivrant une tension continue, - un redresseur R relié au secondaire du transformateur Tb délivrant un courant constant dans une impédance de charge, par des fils de connexion dont l'un d'eux passe à travers le régulateur statique d'intensité pour réaliser la contre-réaction de courant. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un amplificateur de puissance relié au secondaire du transformateur Tb et à l'alimentation A, et dont la sortie est reliée au primaire d'un transformateur d'isolation galvanique Tc, le redresseur R étant alors relié au secondaire dudit transformateur Tc. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend - un amplificateur de tension disposé entre le transformateur d'isolation galvanique Ta et le régulateur statique d'intensité, - un amplificateur de tension disposé entre le régulateur statique d'intensité et l'amplificateur de puissance. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3 utilisé pour une coupure rapide du courant dans une impédance de charge selfique, caractérisé en ce qu'il comprend en série sur un fil au moins reliant le redresseur R à l'impédance de charge - un transistor dont l'émetteur et le collecteur sont reliés en série audit fii, - une résistance en parallèle avec ledit transistor, - une alimentation de tension continue constituée par un enroulement secondaire du transformateur Ta suivi d'un redresseur à diodes, ladite tension continue étant appliquée entre la base et l'émetteur dudit transistor. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'impédance de charge est constituée par le bobinage d'un électro-aimant maintenant en position les absorbants de sécurité d'un réacteur nucléaire. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le régulateur statique d'intensité comprend deux transducteurs T et T' dont les enroulements de commande sont alimentés en série avec l'impédance de charge, les enroulements de polarisation alimentés par une tension continue réglable, les enroulements de travail alimentes par le secondaire du transformateur Ta par l'intermédiaire de diodes, lesdites diodes laissant passer le courant dans un sens seulement dans le premier enroulement de travail et dans l'autre sens dans le second enroulement de travail, une première résistance située entre une extrémité de l'enroulement secondaire du transformateur Ta et le point de branchement des enroulements de travail des transformateurs T et T' et une seconde résistance disposée entre les mêmes points de branchement et le primaire du transformateur mb, un redresseur alimenté par l'enroulement secondaire du transformateur Tb et relié aux deux enroulements de polarisation pour fournir la tension continue réglable d'alimentation desdits enroulements de polarisation. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend, pour fixer la valeur de la tension dans les enroulements de polarisation, une diode Zener aiimentée par le redresseur R, placée en parallèle avec les enroulements de polarisation et une résistance réglable en série avec lesdits enroulements de polarisation, disposée entre le point de 3onction de ladite diode Zener et lesdits enroulements de polarisation.