压水堆核电厂热力循环系统数字化改造.docx
- 文档编号:17072614
- 上传时间:2023-07-21
- 格式:DOCX
- 页数:35
- 大小:511.16KB
压水堆核电厂热力循环系统数字化改造.docx
《压水堆核电厂热力循环系统数字化改造.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《压水堆核电厂热力循环系统数字化改造.docx(35页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
压水堆核电厂热力循环系统数字化改造
本科生毕业设计
论文题目
:
压水堆核电厂热力循环系统数字化改造
姓名
:
陈雯
学号
:
1020220113
班级
:
10202201班
年级
:
2010级
专业
:
测控技术与仪器
学院
:
核工程与地球物理学院
指导老师
:
徐哈宁(讲师)
完成时间
:
2014年6月10日
作者声明
本人以信誉郑重声明:
所呈交的学位毕业设计(论文),是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的,没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。
文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出,不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
对本设计(论文)的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本毕业设计(论文)引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业设计(论文)成果归东华理工大学所有。
特此声明。
毕业设计(论文)作者(签字):
签字日期:
年月日
本人声明:
该学位论文是本人指导学生完成的研究成果,已经审阅过论文的全部内容,并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。
学位论文指导教师签名:
年月日
压水堆核电厂热力循环系统的数字化改造
陈雯
DigitalModificationofThermodynamicCycleSystemofPWRNuclearPowerPlant
Wen,Chen
摘要
发展核电是我国能源规划的极其重要部分,无论对近期和将来补充或替代常规能源都是十分重要的措施。
社会对于核专业学生的需求量也越来越大。
教学模具是帮助学生理解内部运行原理的一种重要的教学辅助。
而我校现有的压水堆核电厂热力循环系统的教学模具已损坏。
因此改造该压水堆核电厂热力循环系统的教学模具以适用于我校项目研发和教学实验是一种迫切需要。
改造内容的核心部分是设计新的LED控制器,使各回路的LED灯带可以依次点亮产生流水效果。
本文设计的LED控制器分为三个模块:
时钟脉冲发生器电路、计数分频器电路和LED驱动电路。
时钟脉冲发生器电路的主要功能就是产生时钟信号,计数分频电路是对时钟信号进行计数和分配,依次轮流输出高电平,驱动LED灯带工作。
实验证明:
本文设计的LED控制器纯数字电路具有:
性能稳定灵活性高、设计方法简单易行、使用效果良好、LED灯带的驱动能力强、LED灯带能够产生流水效果,且流水速度易调节,并已在核工程技术系实验教学中得到应用。
关键字:
LED控制器;时钟脉冲发生器;计数分频器;LED驱动
ABSTRACT
Developingnuclearpower,eitherassupplementorreplaceofconventionalenergysourcesfornowandever,isanextremelyimportantpartofourenergyplan.Sothereisanincreasingcallfornuclearmajors.Teachingmoldsareakindofteachingaidswhicharedesignedtohelpstudentsunderstandabstractandcomplicatedprinciplesofinternaloperation.TheteachingmoldforthermodynamiccyclesystemofPWRnuclearpowerplantwasdamaged.Thustransformingittosuitprojectresearchandteachingexperimentshasbecomeanurgentneed.
ThecorecontentofthetransformationistodesignnewtypeofLEDcontroller,thatallLEDropelightsineachcircuitwillbelitupwithwater-flowingeffects.ThispaperpresentedanadvancedLEDdrivecontrollerwhichiscomposedbythreemodules:
aclockpulsegeneratorcircuit,afrequencydividingcircuitandaLEDdrivingcircuit.Themainfunctionoftheclockpulsegeneratorcircuitistogenerateclocksignal,afrequencydividingcircuittocountanddistributeclocksignaltoputouthighrotationtodrivethecircuit.
ThisLEDcontrollermadeuseofpuredigitalcircuitandbyexperimentithasbeenprovedtoownstableperformanceandhighflexibility.Thisdesignmethodissimplebutpracticalandcangetfavorableresults.LEDropelightscanbedrivenwithstrongcapability,andcanproducewater-flowingeffects,moreoverthespeedoftheeffectiseasytoadjust.
KeyWords:
LEDcontroller;clockpulsegenerator;frequencydivider;LEDdriver
目录
绪论1
1.1课题背景及意义1
1.2课题的主要内容2
2LED驱动电路的基本原理3
2.1LED的基础知识3
2.1.1LED的概念和结构3
2.1.2LED的主要特性3
2.2LED驱动介绍5
2.2.1LED驱动的特点5
2.2.2LED驱动的类型5
2.3LED驱动器的介绍8
2.3.1驱动器的作用8
2.3.2电源变换的必要性8
2.3.3驱动器的分类9
2.4驱动电路中LED的连接形式9
2.5LED灯带的介绍12
3压水堆核电厂热力循环系统电路的改造及其可行性分析14
3.1压水堆核电厂热力循环系统改造前的控制器原理以及不足14
3.1.1改造前的控制器介绍14
3.1.2原控制器原理分析14
3.1.3原控制器的不足14
3.2设计新的LED灯带控制器的方案15
3.3CD40106和CD4017的介绍16
3.3.1CD40106的介绍16
3.3.2CD4017的介绍17
3.4LED灯带控制器不同模块的介绍17
3.4.1时钟脉冲发生器电路18
3.4.2计数分频器电路18
3.4.3LED驱动电路19
3.5元器件选择20
3.6各电路模块的仿真图20
3.6.1时钟脉冲发生器-计数分频器电路模块仿真结果21
3.6.2LED驱动模块仿真22
4压水堆核电厂热力循环系统改造测试结果15
4.1模型整体结构图15
4.2第一回路测试结果15
4.3第二回路测试结果16
4.4第三回路测试结果16
4.5整体流水灯测试结果16
总结与展望15
致谢28
参考文献29
绪论
1.1课题背景及意义
在发达国家,核电已有几十年的发展历史,核电已成为一种成熟的能源。
中国的核工业也已有40多年发展历史,建立了从地质勘察、采矿到元件加工、后处理等相当完整的核燃料循环体系,已建成多种类型的核反应堆并有多年的安全管理和运行经验,拥有一支专业齐全、技术过硬的队伍。
核电站的建设和运行是一项复杂的技术。
中国已经能够设计、建造和运行自己的核电站。
发展核电是我国能源规划的极其重要部分,无论对近期和将来补充或替代常规能源都是十分重要的措施。
核电站的设计,建造和运行是一项综合性的工程。
反应堆是核电站的关键设计,链式裂变反应就在其中进行。
反应堆种类很多,核电站中使用最多的是压水堆。
压水堆中首先要有核燃料。
核燃料是把小指头大的烧结二氧化铀芯块,装到锆合金管中,将三百多根装有芯块的锆合金管组装在一起,成为燃料组件。
大多数组件中都有一束控制棒,控制着链式反应的强度和反应的开始与终止。
压水堆以水作为冷却剂在主泵的推动下流过燃料组件,吸收了核裂变产生的热能以后流出反应堆,进入蒸汽发生器,在那里把热量传给二次侧的水,使它们变成蒸汽送去发电,而主冷却剂本身的温度就降低了。
从蒸汽发生器出来的主冷却剂再由主泵送回反应堆去加热。
冷却剂的这一循环通道称为一回路,一回路高压由稳压器来维持和调节。
压水堆核电站原理即是:
由原子核反应堆释放的核能通过一套动力装置将核能转变为蒸汽的动能,进而转变为电能。
完成整个能量转化的动力装置由一回路系统,二回路系统及其他辅助系统和设备组成。
由于反应堆一回路系统往往带有一定剂量的放射性,因此从反应堆出来的冷却剂一般不宜直接送入汽轮机,所以压水堆核电站比火电站多一套动力回路。
该动力回路即常规岛二回路系统。
二回路系统由蒸汽发生器二次侧、汽轮机、发电机、冷凝器、凝结水泵、给水泵、给水加热器和中间汽水分离再热器等设备组成。
核电站的二回路系统和普通火电站的动力回路相似,二回路中蒸汽发生器的给水吸收了一回路传来的热量变成高压蒸汽,然后推动汽轮机,带动发电机发电。
作功后的乏气在冷凝器内冷却而凝结成水,再由给水泵送至加热器,加热后重新返回蒸汽发生器,再变成高压蒸汽推动汽轮发电机作功发电;这样构成第二个密闭循环回路。
1.2课题的主要内容
核工程与核技术是我校所属具有核科学与技术特色的一门专业,培养的目标:
核工程与核术专业培养从事核工程与核技术研究、设计、应用和管理的专门人才。
本专业培养的人才应具有良好的数理基础、扎实的专业知识和熟练的专业技能,能够适应核工程与核技术各个方向发展的基本需要,同时应该具有较好的人文社会科学和管理知识,较高的道德素质和文化素质,身心健康,全面发展,讲究团队合作精神,不怕困难,勇于承担责任,为国家的经济建设和国防建设事业服务。
主干课程:
原子核物理、核辐射测量原理、核电子学与核仪器、核反应堆物理分析、反应堆热工水力学、辐射剂量与防护、核数据处理、核动力系统与设备。
在反应堆热工水力学的这门课程中,压水堆核电厂热力循环系统的学习又是其中重中之重。
为了方便教学,使得学生们对于压水堆核电厂热力循环系统的运行情况有更好的理解,学校购买了这个典型的压水堆核电厂热力循环模拟系统的教学模具。
为使它真实地展示蒸汽在各个回路中的流通状况,该系统采用LED灯带的流水效果来模拟核电站的能量流转。
然而在一次搬运过程中,该模具受到了损坏,无法进行正常的演示。
而另一方面,课堂教学又迫切需要模具的辅助,所以对该压水堆核电厂热力循环模拟系统的教学模具的维修成了摆在我们前面的问题。
模具损坏的状况是LED灯不转,电机不转,LED控制器被损坏,且我们在维修的过程中发现它的电路布局也比较杂乱。
我们决定对它进行一定的改造以使模具重新正常工作。
改造的内容如下:
(1)自行设计新的LED灯带控制器代替原来的控制器;
(2)重新布局原来杂乱的电路,使新的电路更加简明清晰;
(3)维修原来不转的电机,使电机恢复正常工作;
(4)换新的LED灯带,使得根据要求,电机转动的过程,加上LED控制,能清晰看到同步。
2LED驱动电路的基本原理
2.1LED的基础知识
2.1.1LED的概念和结构
LED是英文lightemittingdiode(发光二极管)的缩写。
它是半导体二极管的一种,即一种将电能转化成光能的半导体发光显示器件。
发光二极管的内部结构主要由PN结芯片,电极和光学系统构成。
LED芯片结构一般为,芯片两端是金属电极(阳极和阴极),底部是衬底材料,在基片上通过外延工艺生长一定厚度的N型层、发光层和P型层当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
发光二极管的反向击穿电压约5伏。
它的正向伏安特性曲线很陡,使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
限流电阻R可用下式计算:
R=(E-UF)/IF式中E为电源电压,UF为LED的正向压降,IF为LED的一般工作电流。
光的强弱与电流有关。
2.1.2LED的主要特性
(1)电气特性
由于LED的核心是一个PN结,因此它具有半导体二极管的电气特性,具有非线性和单向导电性,只有给LED外加一个正向偏置电压,LED才会导通而发光。
如下图2-1所示,当外加电压V<-
,LED呈现高阻抗,不会发光;当外加电压V>
时,LED进入正向工作区,通过LED的电流与外加电压呈直属关系;当LED反向偏置时,则进入反向截至去区,只有一个很小的电流通过LED,LED不发光,此时的反向拐点电压
为反向击穿电压,此时的电流为Ir为反向电流;当外加电压V<-
时,LED则进入反向击穿区,反向电流急剧增大。
根据LED伏安特性,可归纳出主要电气特性参数为以下:
正向工作电流I:
LED在正常发光时的正向电流值。
普通LED灯10到20mA,而大功率白光为0.35到1.5A;
正向工作电压:
LED通过正向电流I时在其两个电极之间产生的电压降。
普通小功率为1.4到2.8V;
反向电压及反向电流:
为LED通过规定反向电流时在两极间所产生电流,一般不大于10uA。
图2-1I-V特性曲线
(2)光学特性
LED的光学特性涉及光谱、光度和色温等方面的要求。
LED的用途不同,其对光学特性的要求也就不同,对于照明用LED,色温和显色这两个参数非常重要了。
这里我们就照明用LED的参数进行研究:
色温
:
光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同,称黑色体的温度为光源的色温
。
若光源发出的光与黑体在某一温度的颜色最接近,黑体此时的温度称为该光源的相关色温;
显色指数Ra:
是人造光源显色性的评价指标,它反映了光源的光照射到物体上所产生的客观效果和对物体真是色彩的显现程度。
Ra值范围为0到100,Ra值越大,光源的显色性则越好。
Ra为80到100时,光源的显色性优良;
纯度P:
样品颜色接近主波长光谱色的程度就表示该样品颜色的纯度。
(3)热学特性
与传统光源一样,LED在工作时也会产生热量。
当PN结加上正向电压时,势垒降低,P区的空穴载流子向N区扩散,N区的电子向P区扩散,空穴与电子在PN结相遇复合,从而释放能量。
这些能量一部分以光能的形式而发光,另外一部分则以热能的形式释放出来。
随着LED芯片结温的升高,PN结的内部电子和空穴浓度、禁带宽度及电子迁移率等微观参数都会发生变化,从而影响LED的光电参数。
LED的热学性能主要指结温和热阻:
结温与最高结温:
LED的PN结温度简称结温,LED的最高结温是指LED的PN结所能承受的最高临界温度。
LED的最高结温与LED所使用的半导体材料和封装结构、封装材料有关,这个温度通常为120到150℃.一旦LED的PN结温度超过最高温度这个极限值,将导致LED永久失效;
热阻:
一般是指LED的PN结到壳体表面之间的热阻,它等于PN结和壳体表面之间温度差与产生这个温度的热耗散功率之比,单位为K/W或℃/W。
热阻是表征LED散热性能好坏的参数。
2.2LED驱动介绍
如果把LED产品比如整个“人”,那么LED就是整个LED产品的“灵魂”,LED驱动电路则是整个LED产品的“身体”,对LED产品的质量起着至关重要的作用。
LED驱动,简单来说就是给LED提供正常的工作条件如电流,电压等的电路,是LED正常工作必不可少的条件,好的驱动电路能够随时保护LED。
2.2.1LED驱动的特点
(1)LED的光输出与LED电流关系密切,所以,在LED输入电压,电流等因素变化的情况下,LED的电流也要可控;
(2)LED的串并联方式,当LED的个数发生变化时,驱动电路的电流也会发生变化,同时要注意,驱动电路中的限流电阻也需要调整;
(3)要根据不同的实际情况采用不同的LED驱动拓扑结构。
驱动固定的阵列形式一般采用简单结构的LED驱动电路。
若要驱动一定范围可变阵列形式则要采取具有反馈功能的驱动电路;
(4)LED驱动电路要具有良好的散热特点以及需要保持较低的自身功耗;
(5)应用LED驱动集成电路时,不要超出其极限参数,避免损坏LED;
(6)LED驱动电源的设计和它的驱动方式都要根据实际需要来选择,避免损坏LED。
2.2.2LED驱动的类型
LED驱动一般分为三类:
(1)电阻驱动:
简单的就是利用电压源通过串联一个电阻,为LED提供所需工作电流,只要工作电压保持恒定,LED就可以发出稳定强度的光。
通过调节电阻的阻值,改变LED的驱动电流。
如果电压源电压,电流允许,则LED驱动电路还可以驱动多只LED,如图2-2所示:
图2-2电阻串并联驱动
(2)恒流驱动:
恒流驱动电路通常采用恒流驱动集成电路或者恒流二极管恒流驱动具有一下一些特点:
恒流驱动电路输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化,负载阻值小,输出电压就低,负载阻值越大,输出电压也就越高;
恒流电路不怕负载短路,但严禁负载完全开路;
恒流驱动电路驱动LED是较为理想的,但相对而言价格较高;
应注意所使用最大承受电流及电压值,它限制了LED的使用数量。
恒流驱动又可以分为总电流恒流分路模式﹑并联分路恒流模式和串联恒流模式,下面分别介绍各种恒流驱动模式的特点:
总电流恒流分路模式LED驱动芯片通过检测输出总电流保持提供的总电流恒定,镇流电阻用来均衡各路电流。
其缺点是效率不高,难以做到各路电流完全匹配。
如图2-3所示:
图2-3总电流恒流分路模式
并联分路恒流如下所示:
驱动芯片提供多路恒流,由芯片检测并且调节各路电流以致均衡。
其优点是效率高,缺点是芯片需要很多端口,每一个并行的分路都需要一个反馈检测端口。
如图2-4所示:
串联恒流如下所示:
驱动芯片只需提供一路电流,所有的LED串联连接,可以保证电流稳定,并且各LED上电流一致。
但是如果串联很多LED,必须要输出较高电压。
当前常见芯片主要工作在这种模式下。
如图2-5所示:
图2-4并联分路恒流模式图2-5串联恒流模式
(3)稳压驱动:
稳压驱动电路通常采用稳压集成电路或者稳压二极管,如图2-6所示:
图2-6恒压驱动模式
稳压驱动具有如下一些特点:
当稳压电路中的各项参数确定以后,输出的电压是固定的,而输出的电流却随着负载的增减而变化;
稳压电路不怕负载开路,但严禁负载完全短路;
以稳压驱动电路驱动LED,每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均;
亮度会受整流而来的电压变化影响。
2.3LED驱动器的介绍
2.3.1驱动器的作用
LED驱动器是由驱动电路组成的器件,本质上是经过变换的电源,是一种专为LED供电的特种电源。
驱动器具有如下的特点:
简单的电路结构,较小的占用体积以及较高的转换频率。
电路的输出电参数(电流,电压)与被驱动的LED的技术参数匹配,满足LED的要求,具有较高精度的恒流控制,合适的限压功能,对于多路输出,每一路输出都能够单独控制。
驱动电路具有线性度较好的调光功能,以满足不同应用场合对LED发光亮度调节的要求,在异常状态(LED开路,短路,驱动电路故障)时,电路能够对电路本身,LED和使用者都有相应的保护作用。
驱动电路工作时,对其他电路的正常工作干扰少,满足相关的电磁兼容性要求。
2.3.2电源变换的必要性
要正确使用LED就必须要了解LED的特性。
LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件。
正是这个特点,就需要用直流电流或者单向脉冲电流给LED供电。
LED是具有PN结结构的半导体器件,具有势垒电势,就形成了导通门限电压,加在LED上的电压值超过这个门限电压时LED才会充分导通。
LED的门限电压一般在2.5V以上,正常的管压降为3-4V。
LED的电流-电压特性是非线性的,流过LED的电流在数值上等于供电电源的电动势减去LED的势垒电势后再除以回路的总电阻(电源内阻,引线电阻和LED体电阻之和)。
因此,流过LED的电流和加在LED的光通量的比值也是非线性的。
LED的光通量随着流过LED的电流增加而增加,越到后来光通量增加得越少。
因此,应该使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作。
LED的PN结温度系数是负,温度升高时LED的势垒电势降低。
由于这个特点,必须采用限流措施,否则随着LED工作时温度的升高,电流会越来越大,以至于损坏LED。
因此,要用LED作为照明光源就要解决电源变换的问题。
LED驱动电路应该具有直流控制、高效率、PWM调光、过电压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用等特点。
2.3.3驱动器的分类
LED驱动器种类繁多,也有多种分类方式,按电路结构方式分,有如下一些种类:
(1)电阻、电容降压方式:
通过电容降压,在闪动使用时,由于充放电的作用,通过LED的瞬间电流极大,容易损坏芯片。
易受电网电压波动的影响,电源效率低、可靠性低;
(2)电阻降压方式:
通过电阻降压,受电网电压变化的干扰较大,不容易做成稳压电源,降压电阻要消耗很大部分的能量,所以这种供电方式电源效率很低,而且系统的可靠也较低;
(3)常规变压器降压方式:
电源体积小、重量偏重、电源效率也很低、一般只有45%~60%,所以一般很少用,可靠性不高;
(4)电子变压器降压方式:
电源效率较低,电压范围也不宽,一般180~240V,波纹干扰大;
(5)RCC降压方式开关电源:
稳压范围比较宽、电源效率比较高,一般可以做到70%~80%,应用也较广。
由于这种控制方式的振荡频率是不连续,开关频率不容易控制,负载电压波纹系数也比较大,异常负载适应性差;
(6)PWM控制方式开关电源:
主要由四部分组成,输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分。
PWM开关稳压的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下,控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节主电路开关器件导通的脉冲宽度,使得开关电源的输出电压或电流稳定(即相应稳压电源或恒流电源)。
电源效率极高,一般可以做到80%~90%,输出电压、电流稳定。
一般这种电路都有完善的保护措施,属高可靠性电源。
2.4驱动电路中LED的连接形式
在实
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 压水堆 核电厂 热力 循环系统 数字化 改造