（电力电子与电力传动专业论文）直流供电逆变系统及其在纸机中的应用.pdf

t h ei n v e r t e rs y s t e ms u p p u e db yd i r e c t c u r r e n tp o w e ra n dt h ea p p l i c 棚o ni n 脚e rm a c m n e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n i q u eo fe l e c t r o na n dm i c r o - e l e c t r o n ， t h eh i g hv o l t a g ea n dg r e a tc u r r e n ts w i t c ha p p a r a t u sd e l e g a t e db ys c rh a sb e e n s u c c e e d l ys t u d i e da n dg o tb r o a da p p l i c a t i o n a f t e rc o m i n g i n t ot h e2 1c e n t u r y , t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i ct e c h n i q u ew i nb em o r ea n dm o r eb r o a d n ep a p e r w i l lm a i n l yd i s c u s st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nd r i v es y s t e m w h o s ep o w e rs u p p l i e db yd i r e dc u r r e n t ，1 1 l ep a p e rm a c h i n ei sac e r t a i ns p e e ds y s t e m , i t sl o a da n ds p e e di sb a s i c i n v a r i a b l e ，a n dt h e m o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r r e q u i r e ss p e e dl o n g t i m e s t a b i l m a t i o na n ds h o tt i m ed y n a m i ce o m c b a c k , t h et r a d i t i o n a lp a p e rm a c h i n e s m o s t l ya d o p tt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nd r i v es y s t e mw h o s ep o w e rs u p p l i e db y a c w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp a p e rm a k i n gi n d u s t r yi no u rc o u n t r y , t h e g r e a tm o d e lp a p e rm a c h i n e sh a v eb e e nm o r ea n dm o r e ，t h e yn e e dh i g h e r d e m a n dt os p e e dc o n t r o l ，s ot h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nd r i v es y s t e mw h o s e p o w e rs u p p l i e db yd c h a sb e e na d o p t e d n es y s t e mi sm a i n l ym a d eu pw i t h r e c t i f i c a t i o n ，i n v e r t e ra n do t h e ra s s i s t a n tu n i t ，r e c t i f i c a t i o na n di n v e r t e ru n i ta r e r eo ft h ew h o l es y s t e m t h es y s t e mi sm a i n l ym a d eu pw i t hr e c t i f i c a t i o n , i n v e r t e ra n do t h e ra s s i s t a n tu n i t , r e c t i f i c a t i o na n di n v e r t e ru n i ta r ec o r eo ft h e w h o l es y s t e m t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h es y s t e m ss t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c ，a n d t h et h e o r ya n da c t u a l i z ew a y so fs p e e dc h a i na n dl o a dd i s t r i b u t i o na r ea l s o i n t r o d u c e d t h e na n a l y z e sp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e ro fs o m ek i n d so fr e c t i f i c a t i o n d r c u i t ，c a l c u l a t e sp a r a m e t e ro ft h r e e p h a s eh a l f - b r i d g es c r r e c t i f i c a t i o nd r c u i t u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n t oa s s u r ei n v a r i a b l e n e s so fd e f e r e n td cv o l t a g ea n d c r e d i b l ew o r ko fs c r ，i ti sn e c e s s a r yt od e s i g nas a f ec o n t r o lc i r c u i t ，o nt h eb a s e o fa n a l y s i st oc o n t r o lc i r c u i ti nc o m m o nu s e ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dd i g i t a l c o n t r o lc i r c u i tb y8 9 c 5 1c o n t r o l l e ra st h ec o r eo ft h ew h o l es y s t e m ，t h ec o n t r o l c i r c u i tg a i n sv o l t a g es i g n a lf r o mf a n - o u t ，t h e nf o r m sc o n t r o lw a r pw i t ht h e p r e s e n tv o l t a g e ，b yd i g i t a lp i da d j u s t i n gt oa s s u r eo u t p u tv o l t a g ei n v a r i a h l e n e s s b yi n c e p t i n gp u l s es i g n a lf r o ms y n c h r o n i z a t i o nt r a n s f o r m e r , s t a r t u pi n s i d e i n t e r r u p t ，p r o d u c et h r e ed i s c r e p a n c y1 2 0 0p u l s es i g n a l ，t h ep u l s es i g n a ld r i v e t h r e es c r b yt h ep u l s et r a n s f o r m e r , t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r o c r e a n tr e a s o no f o v e r v o l t a g ea n do y e r c u r r e n t ，d e s i g n sn e c e s s a r yp r o t e c t i v ec i r c u t f h a a l l yt h e p a p e rd i s c u s s e se l e c t r o d y n a m i cf o r c e ，h a r m o n yw a v ec o n t r o la n d p o w e rf a c t o r e t c a c c o r d i n gt or e s e a r c ho fp o w e rs u p p l ya n ds a f eo p e r a t i o no fc o m m o n d c - b u s ，a n ds oo n ，i tp r o v i d e sb a s i so ft h e o r ya n do r i g i n a lt e c h n o l o g yt ot h e d e s i g na n de x p l o i t a t i o no fp a p e rm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mw h i c hh a si n d e p e n d e n t k n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h t 、 k e y w o r d s ：t h y r i s t o r , c o m m u t a t e du n i t ，s i n g l em i c r o - c o m p u t e r , h a r m o n i c r e s t r a i n t i l l 直流供电逆变系统及其在纸机中的应用 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本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。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 幺丝垒 日 期：至q qz 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：强锈翰导师签日期：2 0 0 7 年6 月 直流供电逆变系统及其在纸机中的应用 l 绪论 造纸术是我国古代四大发明之一，纸张的出现为传播、保存和发展人类的 文明做出了重要贡献。造纸业是一个历史悠久的传统产业，也是一个经久不衰、 持续发展的现代化工业，科技发展和时代进步并没有使纸张的需求量下降，反 而使对高档纸张的需求越来越大另外，纸张作为一种特殊的材料，还广泛的 应用于社会的很多领域l l i 。在造纸的过程中，纸机的速度控制是造纸过程中的 一个关键环节，其控制的好坏将直接影响纸的产量和质量，所以，纸机速度的 控制历来是厂家十分关注的问题 1 1 纸机变频传动控制的方式 造纸机是一种负载基本恒定、转速恒定的稳速系统，其最大的特点是要求 速度长期稳定，同时要求动态恢复时问尽可能短，因此，纸机传动系统要求的 是高稳定性和快速动态响应。纸机变频传动国外始于8 0 年代中期，国内大约 在9 0 年代初期，变频器技术的推广应用在风机、水泵、冶金等领域取得了显 著的经济效益，在某些机械行业也发挥了重要作用。 1 1 1 纸机交流供电变频传动1 2 1 啪 在9 0 年代初期，由于变频器自身及应用水平的局限。多数纸机采用交流 供电变频传动方式这时一台电动机连接相应功率的单台变频器，输入的为交 流电，由电位器、可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c lc o n t r o l l e r ) 或者 通讯网络来控制变频器的频率，从而改变变频器的输出电压来实现电动机速度 的改变其原理图如图i - 1 所示 图1 - 1 交流供电变额传动系统原理 f i 9 1 1p r i n c i p l eo fv a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v es y s t e mb ya c 在这种传动方式中，电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在 频率减少的瞬间，电机的同步转速小于转子转速时，转子电流的相位几乎 陕西科技大学硕士学位论文 改变了1 8 0 0 ，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成 了制动转矩t 。，使得电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机的再 生能量p 经过续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无 法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分能消耗 电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成泵升电压”，使得直流电压玑升 高。过高的玑会使各部分器件受到损害，使得变频器发生频繁的跳闸、停机， 影响生产，且调试和停机时间较长、设备停车速度较慢这时，为了消耗再生 能量，需要给整个系统配上庞大的制动电阻群，增加了系统成本 1 1 2 纸机直流供电逆变传动系统 对于频繁启动、制动或四象限运行的电机而言，如何处理制动过程不仅 影响系统的动态效应，而且还有经济效益的问题。于是，回馈制动成为人们讨 论的焦点本课题所研究的直流供电变频传动系统就是为了有效地解决此问题 而提出的一种先进的控制方式，这套系统又称为公共直流母线 ( c o m m o n d c b u s ) 系统或多电机传动系统，其结构图如图1 2 所示。因其通 过整流单元可将交流电能转换成直流电能，再通过两根公共的直流母线进行传 输，然后可经过挂在公共直流母线上的多个逆变器将直流电能变换成交流电能 后供给交流电机。 三相进线3 伏 图1 - 2 直流供电的变频传动系统 f i g l 2d r i v es y s t e ms u p p l i e db yd c 这种结构简化了总的安装，所以有许多优点：节省连接导线，节省花费， 在没有外加的再生和制动单元时，能量可以通过公共直流母线循环流动，减少 了元件数量和增加了稳定性，节省了空间。因此而在电力电子技术基础上发展 起来的多电机传动控制技术无疑具有巨大的技术、经济效益。现在正被得到广 泛的应用i 1 。 1 , 1 3 纸机直流供电逆变传动系统的优点 2 直流供电逆变系统及其在纸机中的应用 纸机直流供电逆变系统具有以下显著的优点： ( 1 ) 纸机直流供电逆变系统采用集中整流技术使得所有逆变器的直流母线电压一 样，而且由于母线容量大，直流电压比单台变频器的母线电压更加稳定，使逆变器系统 的抗干扰性能提高，并且使该系统的谐波得到有效控制； ( 2 ) 纸机直流供电逆变系统提高系统功率因数，可达9 5 以上，降低电网谐波电流， 提高系统用电效率； ( 3 ) 纸机直流供电逆变系统使用的是逆变器，整流部分由原先的各个变频器的整 流单元变为公共整流单元，使结构紧凑，从而提高了整体设备的可靠性； ( 4 ) 直流供电逆变系统应用在造纸机生产线上，能使电机回馈的能量先回馈到直流 母线上供其他的运转电机使用，只有当回馈能量大于其他运转电机要求的能量时，多余 的能量才回馈到电网或消耗在制动单元上，可以避免因某一台变频器电压过高，而发生 变频跳闸、停机的现象，这在调试、生产中将大大减少试机和停机时间； ( 5 ) 赢流供电逆变系统设备结构紧凑，工作稳定，在系统中省去了大量的制动单 元、制动电阻等外围设备，只在考虑到紧急停车时，在公共直流母线上加上了统一的制 动单元，所以节省了占地面积和设备维护量，减少了设备故障点，提高了设备的整体控1 制水平 1 2 本课题的意义和任务 目前，我国正在积极建设节约型社会，本课题所研究的直流供电变频传动 系统，可以将处于发电状态的电机所产生的能量通过直流母线巡回流动，其他 电机可以利用这部分能量，可以实现了电机四象限运行，所以大大节约了能量。 另外，直流供电逆变系统省去了大量的制动单元、制动电阻等外围设备，整体结构 紧凑，可以节省空间。所以现在直流供电变频传动系统正被广泛运用于造纸、 冶金等行业。本课题选此来进行研究，具有很大的实际意义。 所要研究的的内容包括： ( 1 ) 目前国内所用的直流供电逆变系统主要以国外产品为主，而国内自己的 产品用得较少，通过本课题的研究来消化和吸收国外的先进技术，并对其中的 技术问题进行分析，为使国内的产品达到国际先进水平提供必需的理论知识 ( 2 ) 整流单元主电路的选择。通过对三相整流电路输出电流、电压波形的比 较和分析，结合实际情况选择主电路的类型，以及给定条件下各元件参数的计 算。 ( 3 ) 控制电路的设计。针对选定的主电路，设计出完整的控制电路，以配合 主电路的正常工作。 ( 4 ) 保护电路的设计。大功率的电子元器件在工作时，保护电路是必不可少 3 陕西科技大学硕士学位论文 的，比如过电压、过电流保护。本课题要分析过电压、过电流产生的原因以及 保护电路的措施和构成。 ( 5 ) 对电路中的谐波进行分析，要分析谐波产生的途径和消除谐波的办法 4 直流供电逆变系统及其在纸机中的应用 2 纸机直流供电逆变传动系统的构成 2 1 直流供电逆变传动系统的结构哺1 直流供电逆变传动系统主要由辅助控制单元( a c u ) 、进线单元( i c u ) 、供 电单元( d s u 、t s u 、l s u l 、动态制动单元( d b u ) 、逆变传动单元( d r i v es e c t i o n ) 、 控制单元组成。a c u 为传动和进线单元中的辅助设备提供电源。2 4 v 电源掉电 时发出急停功能。可选的a c 电压表和电流表，接地监测和电弧监测都位于辅 助控制单元内i c u 为电源电缆进入进线单元并连接到供电单元，5 2 5 k v a 以内 的供电单元可置于进线单元内部。根据电网条件选择接触器或空气断路器，接 地开关、r f i 滤波器( 1 0 0 0 a 以内) 和顶部进线为可选配置。d b u 为制动斩波器 单元或同步并联的制动斩波器单元，连接到监控系统的控制板，用于侦测系统 的状态和处理并联斩波器的同步。独立的制动电阻，用于释放制动能量，当直 流中间回路的电压超过预置值时，制动斩波单元控制制动电阻连接到直流母线 的两极。每一个逆变器都有一个传动控制单元( d c u ) ，它包括应用和电机控制 器( a m c ) 和标准i i o 板。标准传动控制单元( d c u ) 位于柜体的侧面，简化了维 护工作逆变器内部有电容器，用以消除直流母线的电压波动它通过熔断器 和直流母线连接。带充电回路的熔断隔离开关及其配套电路作为可选件，用于 从直流母线上分断含有最多三台逆变器模块的传动单元根据用户的要求， 可以选择多种i 0 扩展模块，用于控制系统的监视和控制功能其中供电单元 和逆变单元是其核心。系统结构上都采用了如图2 1 的形式： 图2 1 直流供电变频传动系统结构 f i 9 2 is t r u c t u r eo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nd r i v es y s t e mw i t hd c 系统将输入的交流电能经过整流后转换成一定功率的直流电形成公共直 流母线，多个电机通过逆变器直接接在公共直流母线上，通过控制器p l c 来 5 陕西科技大学硕士学位论文 调节每个逆变器的输出频率，进而改变每个逆变器的输出电压来调节电机的速 度。目前a b b 公司和西门子公司分别推出了自己的多传动控制系统，其中 s i e m e n s 公司采用6 s e 7 0 系列逆变器，a b b 公司采用变频器采用a c s 8 0 0 m u l t id r i v e 产品。 2 2 直流供电逆变系统的整流单元 直流供电逆变系统的整流单元有三种方式：二极管整流单元( d s u ) 、晶 闸管供电单元o s u ) 和i g b t 供电单元( i s u ) l j ，这三种单元可以将交流电转换 成一定功率的直流电。 2 2 1 二极管供电单元( d s u ) 二极管供电单元( d s u ) 的主要元件是一个六脉波的半控整流桥，上半桥 为3 个晶闸管，下半桥为3 个二极管，其具体结构如图2 2 所示触发脉冲的 控制有两种模式：充电模式和正常模式刚开始启动时整流单元为充电模式， 当直流母线上的电压达到一定值以后，装置自动切换到正常模式。在充电模式 下，每个1 2 0 0 的周期内，就发出一个单脉冲在正常模式下，每1 2 0 0 的周期 触发晶闸管两次，触发角是0 0 ，表明整流桥按照六脉冲二极管桥的模式工作 d s u 整流单元仅对交流电压整流，它不能将制动能量回馈给电网，直流母线上 的多余能量只能通过在直流母线配置一个制动单元和制动电阻将能量释放，当 单位时间内直流母线上的回馈能量太多，而电压达到一定的阀值后，制动单元 工作，将多余的能量通过制动电阻消耗，所以d s u 是一种不可逆供电单元。 如果电网对谐波的要求较高，二极管供电单元可以配置成十二脉波或二十四脉 波的传动系统，消除有关阶次的谐波。这种供电单元价格较便宜，一般用于回 馈能量不多、起停速度要求不快的场合 正柝 一f 一f ? zz土z 一一 z王zz i 电抗嚣 r 1 图2 - 2 二板管供电单元( d s u ) 主电路 f i 9 2 2 m a i nc i r c u i to fd i o d ec o m m u t a t eu n i t 2 2 2 晶闸管供电单元( t s u ) 晶闸管( t s u ) 供电单元的主要元件是两个六脉波晶闸管桥，其结构如图 2 3 所示一组正桥为整流单元，一组反桥为逆变单元。在纸机正常工作状态 6 直流供电逆变系统及其在纸机中的应用 时正桥工作，反桥处于封锁状态当个别传动点要求快速停止，其将制动能 量输送到直流母线上，能量由其它点使用，不会使直流母线电压升高产生逆 变。当全线紧急停车时，所有传动点紧急制动，制动能量都回馈直流母线， 引起直流母线电压升高，正桥处于封锁状态，反桥开始逆变，并通过自藕变 压器向电网回馈能量在同一时刻，正桥和反桥只有一个桥导通，否则引起 逆变颠覆，损坏电源单元，所以t s u 是一种可逆供电单元。 图2 - 3 晶闸管可逆电路 f i 9 2 - 3c i r c u i to ft h y r i s t o rw i t ht w or e v e r s eb r i d g e s 2 2 3i g b t 供电单元( i s u ) i g b t 供电单元( i s u ) 的功率器件为可控的绝缘门极双极型晶体管i g b t 。 六个i g b t ，六个续流二极管，三个直流电容组成一个i g b t 供电模块k 其结 构见图2 4 所示为了满足大功率输出，i g b t 供电模块可以并接成较大的结 构。 j 挖：t 岛 lli ：岳 雠 碎t 降碎。 与 l 一 图2 - 4i g b t 供电单元主电路 f i 9 2 4m a i nc i r c u i to fi g b tc o m m u t a t eu n i t 2 3 直流供电逆变系统的逆变单元 2 3 1 逆变单元与变频器的区别和联系 在传统的纸机变频单传动中，多使用变频器，将三相交流电输入到变频器 7 陕西科技大学硕士学位论文 内部，在变频器内经过整流后再逆变成交流电，然后输出到电机上，通过改变 频率来控制电机的速度。 在直流供电逆变传动控制中，已经由整流单元将三相交流电变化成一定功 率的直流电，所以只需逆变器即可。逆变器与变频器的主要区别是逆变器比变 频器少了整流单元和充电控制单元，即变频器去掉整流模块和充电控制回路就 是逆变器两者的区别和联系如下图2 5 所示1 7 1 可控蔓鼍簟舟蔓童骱 图2 - 5 变频器和逆变器的区别和联系 f i 9 2 5c o m p a r s i o no fi n v e r t e ra n df r e q u e n c yc o n v e r t e r 2 3 2 逆变单元的结构 逆变单元把电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，以满 足电机平滑调速的目的逆变器的原理框图如图2 6 所示：逆变单元通过l + 、 l 两端子直接连接在上述经过整流以后的公共直流母线上，将直流电源逆变以 后变为三相交流电从u 2 t 1 、v 2 t 2 、w 2 t 3 输出给电机。 图2 6 逆变单元结构 f i 9 2 - 6s t r u c t u r eo fi n v e r t e ru m i t 2 3 3 逆变单元在直流供电逆变系统中的结构 8 | 1 9 1 8 直流供电逆变系统及其在纸机中的应用 在实际使用中，由于逆变单元和变频器相比较是去掉了变频器的整流部 分，造纸机工作状况比较复杂，在调试检修时经常需要接通和断开逆变器，所 以必须要配置充电控制回路。如果没有充电回路，当一台逆变器断电后，其不 能直接接入直流母线，必须将电源柜停止，所有逆变器断电后重新上电配有 充电回路的逆变器控制结构如下图2 7 所示，当合上空气开关后，经过充电电 阻r 给逆变器充电，当充电结束后逆变器输出控制信号使接触器吸合，完成充 电过程控制。 图2 7 逆麦器的结构 f i 9 2 - 7s t r u c t u r eo fi n v e r t e ru m i t 2 4 直流供电逆交系统的特殊问题 2 4 1 直流供电单元的启动与停止控制 在对整流单元的启动和停止控制中，及时加入不同触发角的脉冲是关键， 这主要由触发电路根据同步变压器获得的电压信号产生相应时间间隔的触发 脉冲当需要启动直流供电单元时，则触发角从2 7 0 。变到0 。，使得直流母线上 的电压逐步升高，而要停止直流供电单元时，则触发角从0 。变到2 7 0 。，到达 2 7 0 0 时使得直流母线上电压降为零而且一般为了保证接在直流母线上的逆变 器正常工作，直流母线上的电压值不能立即上升到最大值，而要逐步上升，这 一般要延迟1 0 s 以上的时间。 2 4 2 直流供电逆变系统减速、停车( 降频) 过程中的能量分析 1 降频时实现发电制动的机理 由感应电动机的稳态等值电路可知： 9 陕西科技大学硕士学位论文 夸赤 【嘭) 2 + t 2 弘e 施 - 貉眈) 2 + 工驴 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中： 式一一转子电流； 或一一转子电动势； 一，j 一一转子等值电阻； t 一一转子等值电抗。 在电动状态下，s 0 ，由式( 2 - 2 ) 可知，缟必在o 9 0 。之间，丘滞后e 一 个小于9 0 。的角。当快速降频时，由于机械惯性的作用，若使s o ，则9 0 。 妒2 1 8 0 。由于仍角的不同，使感应电机定子功率因数角竹也不同在电动 状态下。o 9 0 。，定子端吸收有功功率；在发电状态下，9 0 。 is 2l 。从式( 2 - 2 ) 、 ( 2 - 3 ) 可知，s ，笠，从电磁转矩的物理表达式可知，有时 候会导致t 3 t 2 。 直流供电逆变系统及其在纸机中的应用 图2 8 发电制动时静特性 f i g2 - 8s t a t i cc h a r a c t e r i s t i cd u r i n gb r a k i n ga n dg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y 应当注意的是，如果降频幅度十分小，与原频率相差无几，将可能一直运 行在第一象限，即保持在电动状态，而不进入发电状态因此，制动过程中， 必须合理的选择逆变器的起始制动频率以及制动过程中频率下降的速率。下降 速率过缓，平均制动转矩小，制动效果不佳；反之，则制动电流可能很大，但 制动效果却未必明显，且很容易导致直流侧过压保护动作这一点对转速闭环 变频调速系统的动态调试具有很大的参考价值。 2 起始制动频率 从图2 8 知，为保证降频后电机的起始制动工作点能交于第二象限静态特性 的直线段上，以获得大的制动转矩和小的转子电流，则应有is bi is 。b 喀 ls bi = i1 - f 1 ( 1 一s ) ，f 2i ( 2 - 3 ) 式中： s 一一a 点对应的静差率： s b 一一b 点对应的静差率； 所以，起始制动频率f 2 f l ( 1 s a ) ( 1 s 。b ) 。由此，当电机的参数及电动状 态下的转差率s a 、定子频率f l 已知时，可按照上式计算出起始制动时的逆变 器输出的频率。 2 4 3 直流供电逆变系统公共制动单元 在纸机电气传动控制系统的设计中，采取二极管不可控整流单元结构或可 控整流单元但没有回馈装置时，对于要求快速制动和大惯量的传动点，如压榨， 烘缸部等，在降频并进入回馈发电状态时，因整流桥中的电流不可逆，故产生 的功率无法反馈至电网。若中间直流环节无能量泄放回路，常导致逆变器的过 压保护动作。因此，需选用合适的制动单元与制动电阻以利于设备的正常运行。 1 1 陕西科技大学硕士学位论文 当部分传动点处于减速运行并进入回馈发电状态，若回馈能量超过电动状 态的所需能量时，为给剩余的能量一个流动去向，投资较经济的做法是选用公 共制动单元连接于公共直流母线上，消耗过剩的回馈能量，以防止公共直流母 线的电压过度升高，造成系统故障停车。制动单元内有电子检测和控制回路， 它可以检测变频器直流回路电压，当该电压值超过阀值后，制动单元以斩波的 方式控制内部或外部的制动电阻并入直流电路，以能耗的方式将能量消耗在制 动电阻上，以达到制动和降低中间直流电压的目的。 大功率逆变器工作在回馈制动状态时，如果相邻的逆变器的容量比小于 1 1 0 ，则易引起能量向小容量逆变器涌流，而引起小容量逆变器过流跳闸因 此公共制动单元的控制由斩波器监控直流母线电压实现投入与退出。为了达到 能量的快速流动，制动电阻与斩波器组合使用，并分散布置。 公共制动单元的选择依据是，其容量等于三分之一的逆变器总容量为宜 因为公共直流母线和公共电容器可作为储能装置看待，它有一定的能量缓冲功 能，选择总容量的1 3 即可满足一般的制动需要 但是要为了获得较快的制动效果，选择电压等级为4 g o v 的4 x n b r a - 6 5 9 型斩波器与4 x ( 2 x s a f u r l 8 0 f 4 6 0 0 ) 电阻器配合使用可以得到最大短时功率 ( 1 分钟制动，9 分钟停止) 。 2 5 本章小节 本章主要对直流变频传动传动系统的结构进行了说明，并分析了三种整流 单元的构成以及对变频器和逆变器进行了比较，说明了在纸机速度控制中速度 链和负荷分配的原理和实现方法，最后对多传动系统的其他模块和功能作了简 要的说明 直流供电逆变系统及其在纸机中的应用 3 直流供电电路的分析 正如晶体管和集成电路等电子器件是模拟电路和数字电子电路的基础一 样，电力电子器件则是电力电子线路的基础。因而掌握各种常用电力电子器件 的特性和正确使用方法是我们分析电力电子技术的基础。 3 1 概述 整流电路泛指能够直接将交流电能转换为直流电能的电路，可从各种角度 对整流电路进行分类，主要分类方法有：按功率器件可分为不可控、半控、全 控三种；按电网相数可分为单相电路和多相电路；按主电路结构可分为桥式电 路和零式电路；按输出滤波可分为电压型和电流型电路；按工作范围可分为单 象限和多象限电路；按开关方式可分为硬开关和软开关电路。整流电路的主元 件在采用晶闸管时，其控制方式都采用相位控制，故这类整流电路又称之为相 控整流电路。按照电路中变流器件开关频率的高低，所有半导体变流电路可以 分为低频和高频两大类。前者指传统相控式整流电路，它是所以半导体变流电 路中历史最长、技术最成熟、应用最广泛的一种电路，而后者是指近年来才发 展起来的p w m 斩控式整流电路，是p w m 控制技术在整流领域的延伸，是所 有半导体变流电路中历史最短的一种新型电路。 传统相控式低频整流电路的优缺点： 相控式低频整流电路采用半控型功率器件作为开关，用相控方式实现电压 调节和电源换流，这种电路的优点是主电路结构简单，控制方便，由于使用较 早，技术成熟，晶闸管价格便宜，因而得到广泛应用，但也存在以下问题： ( 1 ) 网侧功率因数低； ( 2 ) 存在电流谐波对电网产生不良影响； ( 3 ) 由换流过程引起的电网电压波形畸变； ( 4 ) 调节快速性差 整流电路的理想状态是：1 、网侧功率因数a = 1 ，即网侧电流无畸变且与 电压同相；2 、负载侧电压u o = u o ( 电压型) 或输出电流f d ；1 0 ( 电流型) 3 、能 实现输出电压的快速调节4 、具有双向传动能量的能力 可以看出，传统相控式整流电路无法实现上述功能。实践证明，采用全控 型器件组成的p w m 斩控式整流器可以在不同程度上具备上述功能。为了满足 不同的要求，已发展多种p w m 控制的新型整流电路，并可大致分类如图3 - 1 。 陕西科技大学硕士学位论文 斩控式整流电路 图3 - 1p w m 控制的整流电路分美 f i 9 3 1t h es o r to fp w m r e c t i f i c a t i o nc i r c u i t s 3 2 直流供电逆交系统中的整流电路 整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，他将交流电变为直流电可 从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可 控、半控、全控三种；按交流相数可分为单相电路和多相电路；按电路结构可 分为桥式电路和零式电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又可分 为单拍电路和双拍电路 可控整流电路的主元件在采用晶闸管时，其控制方式都采用相位控制，故 这类整流电路又称之为相控整流 3 2 1 三相桥式全控整流电路 在实际中使用最多的是三相桥式全控整流电路其电路原理图如图3 6 所示习惯上将其中阴极连接在一起的3 个晶闸管v t l 、v t 3 、v t 5 称为共阴 极组；阳极连接在一起的3 个v t 2 、v t 4 、v t 6 称为共阳极组。此外，习惯上 1 4 直流供电逆变系统及其在纸机中的应用 希望晶闸管按从1 至6 的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序标号，即共阴 极组中与a 、b 、c 三相电源相接的3 个晶闸管分别为v t l 、v t 3 、v t 5 ，共阳极 阻中与a 、b 、c 三相电源相接的3 个晶闸管分别为v t 4 、v t 6 ，v t 2 按此编 号就可使导通的晶闸管依次为v t l 到v t 6 。自然换向时，每时刻导通的两个 晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低 的一个 v t l v t j v t ，d ， 。叵目7 。j i 。手；i vr v t 6v i2d 2 图3 - 2 三相全桥s c r 整流电路 f i 9 3 2t h r e e - p h a s es c r r e c t i f i c a t i o nc i r c u i t 在分析三相桥式全控整流电路时，假设将电路中的晶闸管换成二极管即相 当于晶闸管o = 0 。时的情形。此时，对于共阴极组的3 个晶闸管，阳极所接 电压最高的一个导通。而对于共阴极组的3 个晶闸管，则是阴极所接交流电压 值最低的一个导通。这样，任何时刻共阳极阻和共阴极组中各有1 个晶闸管处 于导通状态，施加予负载上的电压为某一线电压改变其触发角a 的值，就可 以改变输出电压的值输出波形如图3 3 ( 带电阻负载) 秽矿鬈丫y 丫 掇 、 濂,t i ： ：i | 1 面 - _ , i - ii 鞣 褴 骅辫 投“、j h ： 镞 皇 ； _ 磁 面 k拣移v 蟛! ) 6 0 。时，整流电压平均值为： 玑- 嚣届：s i n 删似) - 2 重i u ：【1 + 吒叫 叼 石，i ”l j l 输出电流平均值为；厶= 踢r ( 3 - 3 ) 3 2 2 三相桥式半控整流电路 在中等容量的整流装置或不要求可逆的电力拖动中，可采用比三相全控桥 更简单、经济的三相桥式半控整流电路。如图3 4 ，它由共阴极组接法三相 半波可控整流电路与共阳极接法三相半波不可控整流电路串联而成，因此它兼 有可控与不可控两者的特性。共阳极组三个整流二极管总是在自然换流点换 流，使电流换到电位更低的1 相中去；而共阴极组三个晶闸管则要在晶闸管触 发后才能换到阳极电位高的1 相中去。输出整流电压地的波形是两组整流电压 波形相加，改变共阴极组晶闸管的控制角口，可获得o 2 3 4u ：。的直流可调 电压。 图3 - 4 三相桥式半控整流图 f i 9 3 - 4t h r e e - p h a s es e m i c o n t r o l l a b l er e c t i f i c a t i o nc i r c u i t 1 ) 、电阻性负载： 当a = 0 。时，即触发脉冲在自然换流点出现，整流电压输出电压最大，其 数值为2 3 4 u 2 f ，ud 波形与三相全控桥a = 0 。时输出电压波形一样。如下 图3 5 ： 1 7 陕西科技大学硕士学位论文 图3 - 5 三相桥式半控整流s = 0 输出波形 f i 9 3 5w a v e - s h a p eo ft h r e e p h a s es e m i c o n t r o l l a b l er e c t i f i c a t i o nc i r c u i tw h i l ea = o 各晶闸管导通情况如表3 2 所示： 表3 - 2 各晶闸管导通情况 t a b l e 3 - 2o r d e ro fe v e r yt r a n s i s t o ro l l 时段i v 共阴极导 v t lv t lv t 3v t 3v t 5v t 5 通晶闸管 共阳极导d 3 d 3d 2d 2d ld 1 通二极管 输出电压c ，a - 如2u a 2- t ，o2u b - u =，c u - =，c 。珊 u du a b， c ，b c u b au c a = u c b 当a 6 0 。时：“，时，第一个触发脉冲使晶闸管导通，电源电压通过晶闸 管觑、d ：加于负载m t ：时，共阳极组二极管d ，自然换流t ，时，由于触 发脉冲还未出现，k b 不能导通，尉维持导通到“时刻，触发k b 管导通后使翩 承受反压而关断，电路转为船与岛导通，依此类推，负载也上得到的是三个 间隔波头缺角的脉动波形把u d 波形在c o t i c o t 4 其间的面积积分，输出电压 平均值为： u d = 1 1 7 u h ( 1 + c o s n ) 0 。4 6 0 。( 3 - 4 ) 当6 0 。 a 1 8 0 。时；平均电压为： u d = 1 1 7 u 2 ( 1 + c o s 口) 6 0 。 9 0 0 时，【，d j t 考虑( 1 5 2 倍) 的裕量： ( m ) = ( 1 5 2 ) k l ( 5 7 ) 式中k = i t ，( 1 。5 7 i 。) 一电流计算系数，可由电子手册查得。 计算得：t = 5 5 0 5 7 3 4 a l 取8 0 0 a 整流二极管的选择与计算与晶闸管相同，故可参照晶闸管的选择的计算 方法进行，这里不再重述。 此外，还需考虑以下几点： 当周围环境温度超过+ 4 0 。时，应降低元件的额定电流值。 当元件的冷却条件下低于标准要求时，也降低元件的额定电流值。 关键、重大设备，电流裕量可适当选择大些。 3 ) 晶闸管保护环节的设计与计算伫1 l ( 1 ) 过电压保护 设计要求：把操作过电压抑制在元件额定电压巩以下；把浪涌过 电压抑制在元件的断态和反向不重复峰值电压【，钿和，一以下。 a 、交流侧过电压保护措施 阻容保护即在变压器二次侧并联电阻r ( o ) 和电容c ( p f ) 进行保 陕西科技大学硕士学位论文 护。 对于单相电路： c 1 6 i 。s i u 2 计算得：c 1 = 2 7 4 旷 电容c 的耐压1 5 u 。 r 2 3 计算得：冠= 0 3 2 q 电阻功率( w ) 1 只( 3 4 ) 贮r i c = 2 无x 玑1 0 式中s 一变压器容量( v a ) ； 玑一变压器二次侧相电压有效值( v ) ： ，。一通过电阻的电流( a ) ； l 一变压器励磁电流百分数，l o 1 0 0 k v a 的变压器，对应的j 。= 1 0 一4 0 a ： 一变压器的短路比，1 0 1 0 0 k v a 的变压器