负荷分配原理.docx

1.绪论纸是汉族劳动人民长期经验的积累和智慧的结晶，纸是用以书写、印刷、绘画或包装等的片状纤维制品。一般由经过制浆处理的植物纤维的水悬浮液，在网上交错的组合，初步脱水，再经压缩、烘干而成。中国是世界上最早发明纸的国家。根据考古发现，西汉时期(公元前206年至公元前8年)，中国已经有了麻质纤维纸。质地粗糙，且数量少，成本高，不普及。1798年法国人N.L.罗伯尔首次提出造纸机的构思,并取得政府的造纸机专利权,但他并未制成机器。英国人S.&H.福德里尼尔兄弟购得这项专利权后,交由B.唐金改进设计并试制，1803年成功地制作出第一台能抄纸的长网造纸机，又称福德里尼尔纸机。圆网成形器是英国人J.迪金森于1809年发明的。1820年T.B.克兰普顿首先用火加热铁板圆筒烘纸，直到1872年杰克逊发明了用虹吸管排除冷凝水的蒸汽加热烘缸。1828年寒丁发明了压辊。1863年贺立欧克 (Holyoke)纸厂发明了五辊超级压光机。前后用了近百年的时间逐步完善了圆网和长网纸机的机型。现代所有造纸机基本上属于这两个机型的范畴。现代的造纸工艺流程一般可分为原材料制成浆、浆纸的调制、对纸进行抄造、对纸进行加工等主要步骤。一般的造纸工艺流程如图1.1所示。图1.1 造纸流程（1）原材料制浆。造纸的第一步是把原材料制造成浆，而使用的原材料一般是木材，把原材料制造成浆的方法一般有三种，分别为化学法、机械法和半化学法。（2）调制造纸的第二步是调制，调制为造纸流程中的一个关键环节，纸张制造成功后的优劣与调制过程直接相关。纸的调制过程一般可分为散浆、打浆、加胶和充填这几个步骤。（3）纸的抄造纸的抄造就是把纸浆制造成纸张的过程，这是造纸的第三步。把稀纸料经过加工和脱水等一系列工作，制成成品纸，这是抄造部门的主要工作。纸的抄造的一般常见流程如下：1）纸料的筛选。这一过程主要是把调制好的纸料进行稀释，将其稀释到一定低的浓度，然后再用筛选设备进行筛选，将里面的杂物和还没有解离的纤维束筛选出来，除掉，才能保持制纸质量，保护相关设备不被损坏。2）网部。网部的主要作用是对流到网上的纸浆进行加工和处理，若纸浆从头箱流到循环的网上时，就对网上的纸料进行均匀的分布以及交织等处理工作。3）压榨部。压榨部的主要作用是将湿纸进行脱水处理，主要过程是把从网面移过来的湿纸引导两个滚辘间，这两个滚辘上都附有毛布，滚辘可对湿纸进行压挤，毛布对湿纸有吸水作用，当这两种物体都对湿纸作用时，不仅能脱水，而且还能改变纸质使其更紧密，提高纸的质量。4）干燥部。干燥部的主要作用是将压榨过的湿纸进行进一步的干燥。湿纸进行压榨后，其中的含水量仍然较高，这时候不能用机械力将多余水分进行压除，只能用热蒸汽对纸进行干燥处理，因此可将湿纸经过圆筒表面进行干燥，圆筒内有流通的热蒸汽。5）压光部。压光部的主要作用是对干燥后的纸进行压光，以提高纸的品质，并使纸页全幅保持一样的厚度，减少纸页的透气度。6）卷纸。主要由卷纸机将压光过后的纸幅卷起，将其卷成生产所需的纸卷。7）裁切、选别、包装。将已经卷好的纸卷进行裁切，再进行筛选，把有污点和破损的纸张选出来，最后进行生产所需的包装。随着我国工业的发展，人们生活水平的提高，纸在我们的生活中应用越来越广泛，已经成为不可替代的生活用品，比如书籍、报纸、作业纸、包装纸、卫生纸等等，在我们的生活中随处可见。除了生活用纸外，纸在其他领域也有广泛的应用，如工业用纸、农业用纸和医疗用纸等。从这些方面可知，纸在我们的日常生活中的影响越来越大，人们的生活早已离不开纸。人们对纸的需求量日益增长，对纸的种类需求也越来越多，从作业纸到书籍用纸，从包装纸到卫生纸，再到餐巾纸等，纸的种类真的是多种多样，这就导致对纸的生产工艺和生产质量有了更高的要求。本文针对纸机工艺与多电机传动系统的控制要求，提出了基于公共直流母线技术供电方式的纸机传动控制系统，并设计了基于直流母线的集中供电单元；同时，就纸机控制系统的主电路、相关功能实现、保护电路、谐波抑制、电动力等问题一一进行阐述。2.纸机传动系统2.1纸机传动控制概述纸机传动控制系统的发展是随着纸机机械结构发生变化和工作车速不断提高的前提下，逐步由模拟到数字再到全集成、全数字、全网络；由集中控制到分散控制再到全集中控制；由一般交流传动总轴传动到直流分部传动再到交流变频分部传动；由交流公共母线到直流公共母线；由基于PLC为控制中心到基于PCbased控制系统；由电机经减速机驱动传动分部到电机直接驱动传动分部的发展过程。约1960年起，可调直流电压的分部传动形似逐步应用到纸机电气传动控制系统中。直到1982年左右，模拟式速度调节器应用到直流传动中，该方式的控制精度，在稳定生产条件下约为最高转速的士01。到80年代中期，数字式调节器开始取代模拟式调节器应用到纸机传动中。由于纸机机械部件的原因，在稳态条件下，数字式调节器的精度仍限于最高车速的士O01左右。这些机械原因包括轴、轴连轴器、辊外壳的刚度，以及齿轮啮合和万象连轴器的间隙。在顺变条件下，精确度还受转矩、截面模量等参数的影响在80年代早期，欧洲和日本开发了交流变频分部传动装置，该技术在80年代中期成功引入美国，不仅适用于纸机和复卷机，还适用于涂布机等设备。国内纸机在90年之前，中高速纸机的电气传动控制系统以直流分部传动形式为主。到95年左右，交流变频分部传动控制系统开始在新纸机中占主导地位。在80年代，矢量变频技术已经比较成熟，为了适应大型多传动分部的机械设备的传动要求，以ABB、SIEMENS、AB等公司为代表的电气公司开始开发以公共直流母线为框架的集散控制系统应用于多传动控制系统。并在80年代开始逐步应用于多传动控制系统如轧钢、造纸、化纤等行业。1994年苏州紫兴纸业从ABB公司开始引进PPS200系统开始，到后来的引进的多台国外成套大型纸机，其电气传动控制系统几乎全采用基于公共直流母线的集散控制系统，经过多年的学习和理解直到1997年，由天津电气传动研究所开发的具有自主知识产权的基于公共直流控制的多传动控制系统第一次应用到轧钢厂，并取得了很好的效果。打破了基于公共直流母线多传动控制系统由外国公司垄断的局面。众所周知，直流调速控制简单，调速性能好，变流装置容量小，长期以来在调速传 动一直占统治地位。主要是由于直流调速控制理沦已经相当的成熟，而且直流调速的算法容易实现，直流调速系统的模型很容易建立，所以在直流调速系统中我们可以很容易的计算出各个环节的传递函数从而可以得出系统方程队但是，由于国产直流传动设备落后的工艺，所以故障率高、维护量大、附属设备多。目前造纸行业的主传动控制系统已基本采用了全数字交流变频传动控制技术，提高了电能的 使用效率，可靠性高，维护少，但维护费用上升。究其原因，至今半导体技术还不可能 对可关断器件实施可靠的低成本的保护，它的唯一保障措施只能靠关断基极来实现，因此，一旦线路或者元件故障往往造成功率器件损坏，而功率器件的成本占到变频器价格的以上，所以变频器维护费用高。另外，在变频调速下，当电动机进入发电制动 状态，整流桥两端直流电压上升，直流电流反向。由于变频系统输入直流电压为不可逆二极管整流，因此这种发电只能转化为电压升高，最终使系统眺闸。再生制动能量如不及时消耗，将会经常发生变跳闸、停机的现象，直接影响到正常生产。调速系统是工业自动化一个常见环节，和直流调速相比，异步电机变频传动其开环静差率己经较小，近似于直流带比例放大器的闭环水平，而且其稳定性决定于CPU晶振，所以在负载波动较小范围内，稳定性和抗干扰能力也大大优于直流传动系统I对于频 繁启动，制动或四象限运行的电机，通用变频器还不能实现能量回馈，为解决该问题，采用共用直流母线方式的多电机传动控制方案，而多传动系统中AC-DC变换单元的设计是关键之一。纸机变频传动两络化发展的同时，在配置结构上公共直流母线式供电方式也是一种发展趋势。公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中，釆用单独的整流义回馈装置为系统提供一定功率的直流电压，调速用逆变器直接挂在直流母线上。当系统工作在电动状态，逆变器从母线上获取电能；当系统工作在发电状态时，能量通过母线及回馈装置直接回馈到电网，以达到节能，提高设备运行可靠性，减少设备维护量和设备占地面积。2.2造纸机传动的要求造纸机传动装置的形式应按照生产品种，产量和质量来选择。按照网部结构的不同，可分为几种类型：长网类型、圆网类型、夹网类型、叠网类型、和带有饰面辊等特殊结构的造纸机等。为了能生产出质量标准较高的产品，纸机对电气传动系统提出如下的要求：1)车速要有较高的稳定裕度，总车速提升、下降要平稳。为了稳定纸页的定量和质量、减少纸幅断头，要求纸机稳速精度为士O05-001；2)有数字化串并联速度链调节，使各分部速度按比例协调控制并同步升、降速，速比可调、稳定。速差在一定范围内变化不引起纸页质量的突变。此时的速差对成纸来说，主要影响纸页的克重，误差应控制在O1以内保持纸张不被拉断。纸机各分部的速度必须是可以调节的，为4-10-15。为了生产较高质量的纸幅和减少断头率，还要保持各分部间速比的稳定；3)各分部点具有速度微升、微降功能，引纸操作时的紧纸、松纸功能；4)必要的显示功能，如线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等；5)主副分部间应能实现联动工作、负荷自动平衡调节。具有刚性联结或软联结的传动分部，如网部、压榨部、施胶部，能进行负荷动态调节。防止某点的速度发生变化而引起负荷在分部内动态转移，如不及时进行自动的调节(因为现在使用的变频器基本上都不具备长期四象限运行能力)，有的传动点负载可能超过它自身的功率范围引起过流，有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压，导致变频器过压而保护跳闸，甚至损坏变频器和撕坏毛布。同时在这些分部中，应具有单动、联动功能，并可以同时起动、停止；6)纸机为恒转矩负载，要选择具有恒转矩控制性能的变频器，并具有较高的分辨率，良好的通讯能力，并采用PLC作为控制单元，实现对整个控制系统的可靠、协调的控制，以满足纸机控制系统正常工作的需要。2.3造纸机传动方式一般来说，传统的造纸机采用的是机械总轴这种传动方式，这种传动方式的各个传动轴通过机械装置连接在共同的主传动轴上，传动轴就能跟随主传动轴同步运行，如图1.2所示。图1.2 机械总轴传动机械总轴传动方式采用单原动机传动，大多数用于中、低速的 中、小型纸机上。这种传动方式上的各分部间速比的调节比较简单，单纯的靠机械的方法来调节，可以借助锥形皮带轮或者无级变速的三角皮带轮来实现，也可借助差动机构来实现。在传动过程中，可以用两种方式中的一种来控制各个分部的启停，第一种方式是借助摩擦离合器来控制各个分部的启动和停止，第二种方式是借助电磁离合器来控制各个分部的启动和停止。这种传动方式比较落后，难以进行响应较快的各种控制，如张力控制，已经远远不能满足生产需求。现在大多数中大型造纸机采用的传动方式是分部传动，这种传动方式的各个个分部各采用一台电机进行控制，也可采用几台电机进行控制，驱动各分部的运行，如图1.3所示。图1.3分部传动在分部传动这种传动方式中，采用电气来进行调节，不仅能调节整个系统的车速，还能调节各个分部间的速比，用这个调节方法取代机械调节的方法，大大的简化了整个系统的装置。由于采用这种传动方式的各个分部传动依靠的是电气来实现各轴的同步运行的，所以又叫电气分轴传动。分部传动要比机械总轴传动简单的多，可以不用总轴、锥形皮带轮和皮带和离合器这些设备，大大的简化了传动过程所需的装置，运行也比机械总轴传动可靠的多。综合以上的两种传动方式的分析和对比，本设计采用的是分部传动这种传动方式。2.4纸机传动系统的主要控制方式造纸机传动控制系统是一种转速恒定、负载基本恒定的稳速系统，从控制特性上可分为速度控制、转矩控制、负荷分配控制三种基本控制方式，其控制要求为速度长期稳定，动态恢复时间尽可能短。纸机传动控制系统的主要控制系统有如下三种：1、全数字速度链控制：采用自动化控制级，以造纸机传动系统的第一个点为起点，逐级向后，在整个纸机中形成一个数字化的速度控制链。2、速度闭环控制：实现电机同步速度控制，采用直流或交流变频传动控制方案，交流母线(AC BUS)或直流母线(DC BUS)。根据项目的具体要求，采用光电编码器反馈方式，速度控制精度在0.1-0.001%。3、传动组间负荷分配控制：传动组间多电机的负荷平衡的控制，主从控制等，满足设备生产上对电机控制的要求，控制精度一般在2-5%。3.公共直流母线技术公共直流母线技术越来越广泛地应用于多电机传动系统中，在获得高精度调速系统的同时，将系统在制动过程中产生的再生能源加以合理利用和能量回收，取得较好的节能效果。公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中，采用单独的整流/回馈装置为系统提供一定功率的直流电源，调速用逆变器直接挂接在直流母线上。当系统工作在电动状态时，逆变器从母线上获取电能；当系统工作在发电状态时，能量通过母线及回馈装置直接回馈给电网，以达到节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护量和设备占地面积等目的。3.1公共直流母线控制系统的组成公共直流母线控制系统通常由整流/回馈单元、公共直流母线、逆变单元等组成。回馈单元可分为通过自耦变压器的能量回馈和不通过自耦变压器的能量回馈两种方式。通过自耦变压器的能量回馈可提高回馈支路中的电源电压，目的是在能量回馈过程中不必降低中间回路电压，使得逆变器能够获得一个较恒稳的直流电源；不通过自耦变压器的能量回馈实际上是保持系统一直处在回馈状态，在整流过程中依靠持续降低具有相角控制的中间回路的电压来实现。3.1.1整流/回馈装置整流/回馈单元把交流电源转换为电压稳定的直流电源，即使在逆变器能量回馈到电网时，该电压在规定范围内仍保持恒定。整流/回馈单元的功率部分一般由2个反并联晶闸管桥组成，可在输入端电网和逆变器中间回路之间整流和回馈。3.1.2逆变器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。逆变器系统的原理框图如图3.1所示。图3.1逆变器系统原理况图3.2直流公共母线变频驱动方案传统变频器，由于其自身整流半导体元件的电流单向流通的特性，使电机处于发电状态时所产生的能量，只能通过直流能耗制动单元，将能量已热的形式消耗在电阻上。在多电机传动系统的设计中，大都采用将多个变频器的直流侧正负端子分别连接在一起，形成直流公共母线变频驱动系统，驱动器之间相互传递能量。整流回馈单元采用通过自耦变压器的能量反馈方式。在回馈桥和电网间通过自耦变压器将回馈桥的输入电压升高20%，以实现没有电压降的回馈。回馈桥上没有较高电压时，中间回路电压通过相位角变化进行调整，中间回路电压由一个带微处理器的数字调节器自动调节。逆变器由中间回路直流电压利用脉冲宽度调制方法（PWM）生成一个交流变频系统，装置由内部闭环电子线路控制，功能由装置软件提供，采用无速度传感器的矢量控制模式。速度给定信号由PLC运算后通过DP网传给每套驱动装置，增加了系统的响应速度和控制精度及系统的抗干扰能力。3.3系统的优点公共直流母线系统是解决多电机传动技术的最优方案，很好地解决了多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾。在同一系统中，同一时刻不同装置可工作在不同的状态，整流回馈单元保证了公共直流母线电压的稳定供给，又将多余的能量回馈给电网，实现了再生能源的合理利用。公共直流母线系统设备结构紧凑，工作稳定。在多电机传动系统中省去了大量的制动单元、制动电阻等外围设备，节省了设备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制水平。4. 公共直流母线系统设计实现4.1公共整流单元的比较选择公共整流单元的选择原则是：根据纸机装备水平和工作特性以及纸厂资金状况，进行相应的设计和选择。有几种方案可以选择。(1)普通六脉波整流单元结构形式。该形式结构简单，投资少，但整流波形脉动大，产生的谐波大，对电网，及周围环境污染严重。(2)十二脉波整流单元结构形式。该投资大，但整流波形脉动小，谐波产生少。(3)六脉波整流、回馈单元结构形式。该结构形式能量可以回馈到电网，能量利用率高，但仍有谐波产生大的缺点。(4)十二脉波整流、回馈单元结构形式。该结构形式具有完善的谐波抑制能力和效率高的综合优点，是大型宽幅、高速纸机的最佳选择方案。但投资较大。换言之，整流单元可以是二极管晶闸管供电型式、晶闸管供电型式、IGBT模块供电型式。公共直流母线供电线路多种形式的对比如下：(5)采用二极管晶闸管的整流单元整流单元通过公共直流母线排向逆变器供电，所有逆变器的直流母线电压一样，并且比单台变频器的母线电压更加稳定。如果此时其中一个传动装置工作于发电状态，可通过中间回路与其他传动装置进行能量交换，在单个装置进行停车时也可使该装置所在的传动系统实现回馈制动，加快停车速度。但如须全线停车时加快停车速度，则须附加公共制动单元。传动控制系统传动单元采用ABB公司MultiDrive直流母线多传动系统，该系统由整流供电单元和逆变器组成，系统结构如下图41所示：该方案设备安装尺寸较小，初期投资较低，适用于无快速制动、无频繁正反转的小惯量系统。电源部分结构方式为半控不可逆供电单元(DSU)：(1)采用晶闸管一二极管整流单元不可逆半控供电单元，即采用晶闸管一二极管整流单元(DSU)。晶闸管二极管整流单元的主电路如图4.2所示：图4.1直流母线多传动系统结构图DSU的主要元件是两个六脉波的晶闸管二极管整流器，采用两个副边相位差30度的三相绕组变压器供电，晶闸管11，V13，V15，V21，V23，V25)周期性导通将交流电引入直流母线(+)端。二极管12，V14，V16，V22，V24，V26)周期性导通将交流电引入直流母线(-)端。在电流连续的工况下，每个晶闸管和二极管在每个周期都导通1200。晶闸管触发脉冲的控制有两种模式：充电模式和正常模式。接通交流电源的短时期内采用充电模式，此时中间直流电路电容处于充电状态，晶闸管的触发角从270度到0度。正常模式下，晶闸管触发角为0度时，晶闸管按二极管方式工作。图4.2晶闸管一二极管整流单元的主电路DSU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。这是考虑到不频繁制动的纸机传动系统，回收能量的实际价值比问题，通常把这部分能量加制动电阻消耗掉，而不采用回馈单元进行能量回收。(2)采用晶闸管正反桥的整湖回馈单元供电线路与(1)类似，仅把整流单元改为整湔回馈单元，有两个六脉波晶闸管桥，一组为正桥，一组为反桥，同时能将直流母线上的发电回馈能量送回电网，这样变频器系统能实现四象限运行发电回馈制动，提高了系统的动态性能和制动速度，可避免高速纸机断纸停车时废纸堆积。供电系统中回馈桥用自耦变压器与交流电网连接，可使回馈电压与电网电压匹配。该供电方案的缺点是设备安装尺寸较大，初期投资较高，适用于要求快速制动和大惯量系统，同时要求电网波动时不出现突升和突降。电源部分结构方式为晶闸管可逆供电单元(TSU)：当直流供电单元采用两组可控硅晶闸管(TSU)，一组正桥为整流单元，一组反桥为逆变回馈单元。晶闸管(TSU)供电单元的主要元件是两个六脉波晶闸管桥，正桥将三相交流电转换成直流电，然后通过中间单元将电能输送给逆变器。当需要将电机制动能量回馈电网时，反桥就会将直流电转换成交流电，送入电网1221，如图4.3所示。在电力变压器的容量较小、电缆较长、需要快速制动而且制动功率较大的情况下，使用自藕变压器可以提高反桥的电压，抑制供电电压的波动，提高反桥的环流能力。图4.3晶闸管可逆电路在正常工作状态时正桥工作，反桥处于封锁状态。即使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。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，损坏供电单元。由于使用了反桥回馈，就不再需要制动单元，而且因为实际的制动的功率一般比小，所以反桥的容量可以根据实际的制动功率灵活选择。(3)采用绝缘栅晶体管IGBT的整流，回馈单元(1SU)当直流供电单元采用IGBT的整流回馈单元(ISU)，它将三相交流电压整流为直流电压，省去公共制动单元，而实现能量的双向流动，是纸机传动控制系统中最为完善的主回路结构。在功率控制中，它将提供如同DTC技术在电机控制中那样稳定和可靠的性能。在无源模式中，变流器的工作方式与整流器相同。在有源模式中，控制IGBT以保持直流电压的恒定和线电流的正弦度。同时，控制系统提供接近1的功率因数。控制性能的优异是因为使用了和DTC技术相同的极快的控制技术。IGBT供电单元具有理想的控制性能，可以实现整流与逆变的自由转换，并且可以通过参数的设定提升电压。当线电压偏低时，ISU可以提高电机电压。功率因数为1的全能量回馈IGBT整流单元不需要功率因数补偿。由于使用DTC技术和LCL滤波技术，极大降低了谐波含量。但其使用的保护环节较多。二极管供电单元的输入桥包括三个晶体管和三个二极管。晶体管正半桥有微处理器控制，取代了电阻器充电回路，实现了对直流电容的可控充电。二极管供电单元的技术数据：输入电压选500V(380500士10)，直流输出电压：510-675士10(135x输入电压)。可选择ACN684 2120 5额定功率2120KW的供电模块两套使用。晶闸管供电单元有两个六脉波晶闸管桥，一组为正桥，一组为反桥。如果使用反桥就不需要制动单元，而且因为实际的制动的功率一般比小，所以反桥的容量可以更具实际的制动功率灵活选择。在电力变压器的容量较小、电缆较长、需要快速制动而且制动功率较大的情况下，使用自藕变压器可以提高反桥的电压，抑制供电电压的波动，提高反桥的环流能力。可选用CAN65421205额定功率2120KW的晶闸管整流桥，和CAN66421205额定容量为2120KW的晶闸管逆变桥。IGBT供电单元具有理想的控制性能，可以实现整流与逆变的自由转换。并且可以通过参数的设定提升电压。但其使用的保护环节较多。可选用CAN 634 2145 3额定容量为1900KW的IGBT供电模块。如果整流单元的器件选择IGBT组成，则整流单元为整流、回馈单元，可以省去公共制动单元，而实现能量的双向流动。是纸机传动控制系统中最为完善的主回路结构。对于该纸机的公共整流单元是选择两套2000A的整流单元，两端供电方式，减少由于控制柜较多，距离较大而带来的电压损失，提高供电效率。供电单元为二极管控制电子板如电源板SDCSPOW-1、控制板NDSC01；晶闸管供电模块的控制板是SDCSCON2、数字IO板SDCSIOB2X；IGBT供电模块的NAMC应用和电机控制板和输入输出板NIOC。这些控制板要仔细选择。对于容量较小的传动系统，考虑到回收能量的实际价值比问题，通常把这部分能量加电阻方式或定子加直流能耗制动方式消耗掉，但如果对于容量较大的传动系统，基于节能需要，希望能将这部分再生电能进行回收。由于直流母线上变频器的电容器并联，同样再生能量回馈引起的电容电压升高量比原单机工作时减小，因此电压值达到制动单元工作值的机会大大减少，消耗在制动电阻上的能量大大减少，而再生能量提供给下一台工作在电动状态的电机，使再生能量得以合理利用。因此，考虑到纸机传动系统在正常工作时均处于电动状态，只有在紧急情况下才要求全线紧急停车，像这样的事情一年也不会出现几次，紧急制动这部分能量回收意义并不大。所以电源部分采用半控不可逆晶闸管一二极管(DSU)供电方式，适当配置制动斩波器和制动电阻，采用能耗制动的方式吸收紧急制动产生的能量，同时对电源单元也是一种保护措施。在公共直流母线供电形式的实际应用中使用者还应注意以下问题：直流母线在布线是应采用平行的母排，在使用导线时应避免缠绕。多台逆变器采用一条直流母线供电时应按照靠近整流电源的逆变器功率最大且从大到小顺序排列。防止因逆变器的快熔在熔断瞬间出现过电压，在直流母线上应装有相应的自振荡二极管，二极管通常选用1000V，20-40A的快速二极管。4.2整流单元的设计4.2.1整流主电路设计（1）主电路的选择分析表明，单相整流功率不足，故采用三相整流。而双反星整流电路，十二脉波电路等却过于复杂，也不宜采用；另外，从电路结构，控制技术和经济角度考虑，也没有选择PWM整流电路；相比而言，晶闸管相控整流电路结构简单，控制方便，技术成熟，价格便宜，而且，晶闸管的耐压、耐流和耐浪涌冲击能力是全控型功率元件所无法比拟的。所以，结合造纸传动工艺的具体特点，我们采用相控整流电路。考虑到纸机传动系统在正常工作时均处于电动状态，只有在紧急情况下才要求全线紧急停车，像这样的事情一年也不会出现几次，紧急制动这部分能量回收意义并不大。所以电源部分采用半控不可逆晶闸管二极管(DSU)供电方式，适当配置制动斩波器和制动电阻，采用能耗制动的方式吸收紧急制动产生的能量，因此本文中主电路采用的是三相半控桥不可逆整流方案，三相半控整流功能足够，以及电路较简易、可靠，电路如图4.4。图4.4整流主电路方案（2）主电路计算主电路确定后，接下来是对各项参数计算，以作为选择元器件的参考。主电路计算所包含的具体内容是：整流变压器额定参数计算。整流元件的计算与选择。晶闸管保护电路的计算。电抗器的参数计算。已知条件：一次侧电压380V；整流电路方式三相半控；负载性质直流母线带动的感性负载；整流输出电压520V：输出电流1KA；总功率800kW。（3）整流变压器额定参数的计算一般情况下，整流装置所要求的交流供电电压与电网电压不一致，因此需要使用整流变压器。此外，整流变压器还可减小电网和整流装置的相互干扰。计算参数：二次侧相电压U2和相电流I2；一次侧相电流Il；一次侧容量S1、二次侧容量S2和平均容量S。次侧电压U2的计算U2是一个重要参数，选择过低，无法保证输出额定电压。选择过高，又会造成控制角a加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可以按下式计算：即U2=(112)UdAB (31)式中A理想情况下，a=0时整流电压udo与二次侧电压U2之比，即A=udoU2；B控制角a时，输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ududo；电网波动系数，通常取e=09；l12考虑各种因素的安全系数。计算得：U2=230 V次侧相电流I2和一次侧相电流IlIl=Kil*IdK (3-2)I2=Ki2*Id (3-3)式中： Kil、Ki2一由表选取；K=NIN2_变压器一次侧与二次侧匝数比；考虑到变压器的励磁电流时，Il应乘以105左右的系数。计算得：Il=495AI2=816A（3）变压器的容量计算Sl=ml*Ul*I1 （3-4）S2=m2*U2*I2 （3-5）S=(Sl+S2)O5式中，ml、m2一一变压器一次侧、二次侧绕组的相数，对不同接线方式可由表查得。在已知整流功率Pd=Ud*Id的情况下，也可应用表中的容量比值对变压器进行计算。计算得：Sl=5643 kVAS2=5396 kVAS=5515 kVA（4）整流元件的选择晶闸管和整流管的选择主要指选择器件的额定电压和电流。晶闸管的额定电压在已知U2的条件下，晶闸管实际承受的最大峰值电压Utm，乘以(23倍)的安全裕量，即Utn=(23)Utm (36)计算得：Utn=10781617V晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值Itn大于实际流过管子电流最大有效值It，即Im=157ItIt考虑(15-2倍)的裕量：It=(152)K*Id (3-7)式中K=It(157Id)一电流计算系数，可由表查得。计算得：It=5505-734AIt取800 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：a、当周围环境温度超过+40。时，应降低元件的额定电流值。b、当元件的冷却条件低于标准要求时，也降低元件的额定电流值。c、关键、重大设备，电流裕量可适当选择大些。（5）晶闸管保护环节的设计与计算过电压保护设计要求：把操作过电压抑制在元件额定电压Utn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Udsm和Unsm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()和电容C(uF进行保护。对于单相电路：C6Iem*SU2计算得：Cl=274uF电容C的耐压15UmR23计算得：R1=O32电阻功率(W)：Pr(3-4)Ic*RIc=2fcUc*10式中：S一变压器(VA)；U2一变压器二次侧相电压有效值(V)；Ic一通过电阻的电流(A)：Iem一变压器励磁电流百分数，10-100kVA的变压器，对应的Iem=10-4；Ush一变压器的短路比，10-100kVA的变压器，对应的Ush=5-10；Um一阻容两端正常工作时交流电压峰值(V)。计算得：Ic=40AP=4620Wb、直流侧过电压保护措施：直流侧保护可采用与交流保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且造成di/dt加大。压敏电阻的标称电压Uima，一般用下面公式计算，即Uima(182)Udc式中Udc一正常工作时加在压敏电阻两端的直流电压(V)。c、晶闸管两端的过电压保护措施：抑制晶闸管的关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法。阻容保护的数值一般根据经验选定，如下表：阻容保护经验值晶闸管额定电 流（A）1020501002005001000电容（uF）1150.2250.512电阻（1008040201052电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值Um的1115倍。电阻功率Pr(W)：Pr=fCUdm(W) (38)式中：f电源频率(Hz)：C与电阻串联电容值(uF)；Um晶闸管工作点压峰值(V)。计算得：C2=2 uF，R2=2，电容耐压1132V，电阻功率Pr=145 W过电流保护过电流保护措施很多，有过流继电器、短路器等。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联，如图4.5所示。其中以图B接法时保护晶闸管最为有效；A型 B型 C型图4.5快速熔断器保护图C只能在直流侧过载、短路时起作用；图A交流、直流侧过流均起作用，但正常运行时通过快熔的有效值电流往往大于流过晶闸管中的有效值电流，故在产生过电流是对晶闸管的保护作用就差了，使用时可根据实际情况选用其中之一、二种甚至三种全用上。快速熔断器的选择主要考虑下述两个方面：a、快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作点压的有效值。b、快速熔断器熔体的额定电流(有效值)Ifu应小于157Itav(Itav为被保护晶闸管的通态平均电流)。同时又应大于正常运行时晶闸管(或线路)通过的电流有效值It，即157ItavIfuIt（6）抗器参数计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入有气隙的铁心电抗器Li，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量计算。使输出电流连续的临界电感量L1Ll=K1U2Idmin (39)式中K1一与整流电路形式有关的系数，可由表查得；Idmin一最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。限制输出电流脉动的电感量k由于晶闸管整流装置输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量何一个交流分两组成。通常负载只是需要直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换相恶化和铁耗增加，引起过热。因此在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量L2(单位mH)可用下式计算：L2=K2U2SiId (3-10)式中K2一系数，与整流电路形式有关，可查表；Si一电流最大允许脉动系数，通常单相电路Si20，三相电路510。计算得：Ll=78 mH，L2=5 mH4.2.2触发电路设计在主电路方案确定后，很重要的一步是设计相应的触发电路，以确保系统能准确运行。为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。在实际应用中，有正弦波触发电路、数字触发器、基于单片机的触发电路等。（1）正弦波同步触发电路同步信号为锯齿波的触发电路、集成触发器、以下分步讨论这些方案。正弦波触发电路的同步移相一般采用正弦波同步电压与一个控制电压或几个电压的叠加，用改变控制电压的大小，从而改变晶体管翻转时刻，这种方式称为垂直控制方式或正交控制。在实际应用中，经常需要几个信号加以综合，最简单的是一个同步电压Ur与一个控制电压uk的叠加。缺点：由于同步电压直接受电网电压的波动及干扰影响较大，特别是电源电压波形畸变时，uk与Ut波形交点不稳定，导致整个装置工作不稳定。正弦波移相电路理论上分析移相范围可达0-180，实际上由于正弦波顶部平坦与uk交点不明确无法工作。（2）同步信号为锯齿波的触发电路此电路输出可为单窄脉冲，也可为双窄脉冲，以应用于有两个晶闸管同时导通的电路，例如三相全控桥。此外，电路中还有强触发和双窄脉冲形成环节。锯齿波移相克服了正弦波移相的缺点，电路抗干扰、抗电网波动性能好，调节范围宽，目前在大中容量中得到广泛应用。电路原理图如图4.6。图4.6同步信号为锯齿波的触发电路（3）集成触发器特点可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。目前国内常用的有系列和KC系列，下面以U系列为例。KJ004与分立元件的锯齿波移相触发电路相似，分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。如图4.7。图4.7 KJ004原理如图4.8，3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。模拟与数字触发电路比较模拟触发电路：优点：结构简单、可靠。缺点是：易受电网电压影响，触发脉冲不对称度较高，可达3叫o，精度低等。数字触发电路：脉冲对称度很好，如基于8位单片机的数字触发器精度可达070150。触发电路的定相触发电路的定相触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。确保触发电路定相的措施有：a、同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致。b、触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。图4.8 集成触发电路应用举例4.2.2保护电路的设计（1）交流侧保护在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的，其典型联结方式如图4.9。RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧(通常供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧)，或电力电子电路的直流侧。对大电容的电力电子装置，可采用的反相阻断式RC电路。另外还可采用压敏电阻抑制过电压。图4.9 a)阻容三角抑制过电压 b)压敏电阻抑制过电压晶闸管阻容保护电路如图4.10：图4.10并联R-C吸收回路（2）直流侧保护快熔保护过电流分负载过电流和短路过电流两种情况。一般电力电子装置同时采用几种保护措施，以提高可靠性和合理性。通常快速熔断器仅作为第一保护措旌，短路时对部分区段进行保护；直流快速继电器整定在过载时动作。采用快速熔断器(简称快熔)是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：a、电压等级应根据熔断后实际承受的电压来确定。b、电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串