PLC实现横切机组定尺停剪的自动控制系统设计
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PLC实现横切机组定尺停剪的自动控制系统设计,毕业设计
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中文摘要 本设计系统采用 PLC实现横切机组定尺停剪的自动控制系统，本设计重点是对剪前夹送辊直流调速系统的设计。 本系统生产过程首先将钢板卷打开，然后矫直，由引料板包装入库， PLC控制系统将完成操作连锁及保护，控制活套量，剪前夹送辊速度及按定尺长度剪切等功能。生产工艺流程：吊卷 上料小车 开卷机 直头机 引料辊 13 辊矫直机 活套台 剪前送料辊 横切剪 输送辊道 抛料辊 垛料台 包装入库。 本设计调速系统采用直流电机，通过调节电枢供电电压来实现。所以采用的是调 压调速方案。主回路采用三相桥式全控整流电路。控制回路，整体控制方案采用逻辑控制无环流可逆调速系统。逻辑无环流即任何时候只有一组晶闸管工作，另一组被封锁。可逆调速系统即给电动机提供二个方向的电枢电流，使电动机正转工作，反转制动（快速停车）。 电流调节器采用 PI调节器，保证在起制动过程中，电枢通过允许最大恒定电流以实现“时间最优控制”。速度调节器采用 PI调节器，可实现正、反转、加减速过程中对速度的无级调节。电流变送器与电流互感器配合，取得的过流信号，使继电器线圈停电，主回路中常闭触头断开，断开主回路，起到过流保 护作用。给定积分器保证电动机起、制动、调速过程中，以恒加速度运行，使系统平稳。本系统触发电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路。另外还配有零速封锁器，作用是当调速系统出于停车状态，封锁调节系统中所有调节器，以免停车时，各放大器零漂，引起可控硅整流电路有输出，使电动机爬行。 关键词：生产过程 工艺流程 调速 三相桥式全控整流 逻辑无环流 动态参数计算 nts设 计 说 明 书 1 目 录 第 1章 前言 1.1 概述 2 1.2 生产工艺 2 1.3 系统运行要求及参数 3 1.4 系统直流电动机的型号及参数 3 第 2章 系统调速、主回路及控制方案的确定 2.1 调速方案 3 2.1 系统主回路 4 2.1.1 三相桥式 全控整流电路原理 4 2.1.2 三相桥式全控整流电路优点 5 2.3 控制方案 5 2.3.1 总体方案 5 2.3.2 逻辑无环流系统 5 2.3.3电流调节器 10 2.3.4速度调节器 10 2.3.5 电流变送器与过流保护 11 2.3.6给定积分器 12 2.3.7零速封锁器 13 2.3.8触发器 14 第 3章 主回路部分分析与计算 3.1 主回路参数的计算及元件选择 19 3.1.1进线电抗器的参数计算及选择 19 3.1.2可控硅元件参数计算及选择 19 3.1.3平波电抗器的选 择 20 3.2 主回路保护元件的计算与确定 21 3.2.1过电压保护 21 3.2.2过流保护 24 3.2.3晶闸管电压上升率和电流变化率的限制 25 第 4章 控流系统动态参数计算 4.1 电流环的设计及计算 27 4.2 速度环的设计及计算 29 nts设 计 说 明 书 2 第 1章 前 言 1.1概述 本系统采用 PLC 实现横切机组定尺停剪的自动控制系统。 PLC 是一种数字控制运算的操作电子系统，专为工业环境下应用设计的。 PLC 自动控制系统具有结构简单、造价低、定尺范围大、控制参数便于改等优点，仅适用于新设备的设计，还适用于旧设备的改造。 PLC 可编程序控制器是一种高级顺序控制器，由 ROM 和 RAM 作存储单元记忆元件，采用微处理器作为中央控制器，完成逻辑、记数、移位等功能。 PLC 可编程序控制器有许多不同于顺序器的优点，首先 PLC 只使用简单程序语言或继电器梯形图，这种描述方法简单直 观，不要求操作者是高等技术人员。其次， PLC 是采用指令编排的，配有很多开关量、模拟量输入、输出接口，而且还有程序控制、显示记录装置，本身还具有自诊断能力。再其次，它可以在不起动生产机械情况下，采用模拟电压输入检测机器运行情况。 由于 PLC 具有顺序控制的一般功能，程序控制、位置控制， PID 调节功能，所以它适用于一切生产控制。 1.2生产工艺 1.2.1生产过程 将钢板卷打开，然后矫直，由引料板包装入库。 PLC 控制系统将完成操作联锁及保护、控制活套量、剪前夹送辊速度及按定尺长度剪切等功能。 1.2.2生产工艺流 程 吊卷上料小车开卷机直头机引料辊 13 辊矫直机活套台剪前送料辊横切剪输送辊道抛料辊垛料台包装入库。 1.2.3机组技术性能 （ 1）钢板材质：碳素钢、低合金钢 （ 2）被剪切的钢板强度极限： S 392N/mm2 （ 3）板卷尺寸：内径 600 760mm 外径 1100 2150 mm 钢板厚度 2 12.7 mm 钢板宽度 900 1900 mm （ 4）板卷最大重量： 43.7t （ 5）机组速度： 0.25m/s （ 6）被剪切板卷的温度 40 nts设 计 说 明 书 3 1.3系统运行要求及参数 活套量控制：保证在一个剪切周期内，充套量等于消套量。 若：充套量消套量，造成堆钢 充套量消套量 造成拉钢 （速度特性曲线）图 1 2 Vj机组速度 Lbc:bc 段钢板运行长度 Lcd:cd 段钢板运行工度 Vg剪前夹送辊速度 Lde:de 段钢板运行长度 1.4系统直流电动机的型号及参数 型号： Z4 180 31 额定功率 37KW 直流额定电压为 440V 电枢额定电流 Id=97.5A 额定转速为 2000r/min 励磁功率 1350W 电枢回路电阻 0.346 电枢电感 6.8MH 磁场电感 6.34Mh =83.6% GD2=1.92 125%=2.4kgfm2 nts设 计 说 明 书 4 第 2章 系统调速、主回路及控制方案的确定 2.1调速方案 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以一般关键电动机 都采用直流电动机。直流电动机的转速表达式为： （ 2-1） n 直流电动机转速 U 直流电动机电枢电压 I 直流电动机电枢电流 R 电枢回路总电阻 励磁磁通 Ke 由电动机决定的电势常数 由式（ 2 1）得三种调速方案 （ 1） 改变电枢回路总电阻 R （ 2） 减弱电动机磁通 （ 3） 调节电枢供电电压 Ud 针对以上三种方案，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，所以本设计采用调压调速方案。 2.2 （ V M）系统主回路 2.2.1 三相桥式全控整流电路原理 目前在 各种整流电路中应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，六个晶闸管，其中三个晶闸管（ VT1、 VT3、 VT5）阴极连在一起，称为共阴极组；阳极连在一起的三个晶闸管（ VT2、 VT4、 VT6）称为共阳极组。 （ 1）每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。 （ 2）对触发脉冲的要求：六个晶闸管的脉冲按 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6的顺序 ,相位依次差 60 ;共阴极组 VT1、 VT3、 VT5的脉冲依次差 120，共阳极组 VT2、 VT4、 VT6也依次差 120。 （ 3）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有触发脉冲。可采用两种方法：一种方法是使脉冲宽度大于 60，称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，KeIRUn nts设 计 说 明 书 5 给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，称为双脉冲触发。 2.2.2 三相桥式全控整流电路优点 （ 1）在一个周期内变压器绕阻中没有直流磁势，而且每相绕阻在正、负半波都有电流通过，提高了变压器的导电时间。 （ 2） 输出电压相同情况下，三相桥式晶闸管要求的最大正、反电压 可以比三相半波线路中的晶闸管低一半。 （ 3）三相桥式变压器二次绕阻每相电流有效值比三相半波时高 2 ，说明变压器利用率提高了。 （ 4）变压器绕阻的电流没有直流分量，一次、二次侧电流以波形完全相同。 所以，本设计采用三相桥式全控整流电路。 2.3控制方案 2.3.1总体方案 本系统采用无环流可逆调速系统。 本系统采用双闭环串级调速系统，以此来提高动态性能。内环为电流环，外环为速度环。为了实现静态无静差，速度调节器和电流调节器均采用比例积分调节器，又为了保证在启动、制动及 调速过程中，转速以恒值加速度平衡变化，要增加给不定期积分器。为防止系统停车后因运放“零点漂移”引起的电机“爬行”现象，特设零速封锁装置，以保证系统可靠停车。为了检测可控硅变流器交流进线电流，以获得与交流器电流或正比的直流电压信号，零电流信号经过电流逻辑信号等，而设置了电流变送器。又为了把测速发电机输出电压变换为适合控制系统的电压信号而设置了速度变送器。 2.3.2逻辑无环流系统 2.3.2.1 逻辑无环流可逆高调速系统方框图 nts设 计 说 明 书 6 2.3.2.2 逻辑无环流装置系统的工作原理 如图， 1ACR 用来控制正组触发装置 GTF， 2ACR 控制反组触发装置 GTR。1ACR 的给定信号 Ui*经反号器 AR 作为 2ACR 的给定信号 *iU 。无环流逻辑控制器 DLC 是系统的关键部件，它指挥系统的自动切换，不容许两晶闸管同时开 放，确保主电路有环流。 解发脉冲零位整定在 f0= r0=90采用 = 移相方法，用 DLC 来控制两 触发脉冲的封锁和开放。 2.3.2.3 本系统对逻辑无环流控制器的要求 （ 1）由电流给定信号 Ui*改变极性和零电流检测信号 Ui0共同发出逻辑切换指令。当 Ui*改变极性，且零电流检测器发出“零电流”信号时允许封锁，原工作组开放另一组。 （ 2）发出切换指令后，须经过封锁延时时间 TdbL后，才能封锁原通组脉冲，再经过开放延时时间 Tdt后，才以开放另一组脉冲。 （ 3）无论在任何情况下，两组晶闸管绝对不允许同时加触发脉冲，当一组工作时，另一组的触发脉冲心须被封锁住。 2.3.2.4 无环流逻辑控制器系统组成 DLC 输入 为电流给定或转矩极性信号和零电流检测信号，输出是封锁正组和反组脉冲信号。可由电平检测，逻辑判断、延时电路、联销保护四个基本环节组成。 （ 1）电平检测器 是一种模数转换器。输入是模拟量，输出为“ 1”或：“ 0”两种状态的数字量。一般由带正反馈的运算放大器组成。 nts设 计 说 明 书 7 （原理图） （结构图） （继电特性） Uexm1,Uexm2 正向和负向饱和输出电压； Uin1,Uin2 输出由正翻到负和由负翻到正所需的最小输入电压。 DLC 中设立“转矩极性鉴别”和：“零电流 检测”，两个电平检测器。分别将电流给定的极性和电流是“零”或“非零”转移成相应的“ 1”或“ 0”数字量，供逻辑判断用。 Ui*为速度调节器输入信号 UT为转矩极性的输出信号 “1”态表示正向转矩 ,用 +10V 表示 “0”态表示负向转矩，用 0.6V 表示 转矩极性鉴别器 DPT 输入输出特性 Uio 为电流互感器输出零电流信号主电路有电流时 Uz 为“ 0”， Uio 下降到0.2V 左 右 Uz “ 1”； Uz 为零电流检测器的输出信号，同理“ 1”态用 +10V表示，“ 0”态用 -0.6V 表示。 零电流检测器 DPZ 输入输 出特性 这里，电平检测器输出饱和值 +10V 和 -6V，可通过设置正、负限幅电路得到，零电流检测器特性回环偏在纵轴的右侧，可在输入端增设偏移电路来实现。 （ 2）逻辑判断电路 其任务是根据两个电平检测器的输的输出信号 UT 和 UZ 经运算后，正确地发出切换信 UF 和 UR， UF 和 UR均有“ 1”和“ 0”两种状态，现假定该指令信号为“ 1”态时开放脉冲，“ 0”态时封锁脉冲。归纳各种情况下逻辑判断电路的输入输出状态如下： a. 输入信号 转矩极性鉴别 Te=+,即 Ui*= 时， UT=“ 1” Te=，即 Ui*=+时 , UT=“ 0” 零电 流检测 有电流时 ,UZ=“ 0” ; nts设 计 说 明 书 8 电流零时 , UZ=“ 1”。 b. 输出信号 : 封锁正组脉冲， UF=“ 0” 封锁反组脉冲， UR=“ 0”； 开放正组脉冲， UF=“ 1”开放反组脉冲， UR=“ 1”。 根据可逆系统电动机运行状况，列出逻辑判断电路各量之间的逻辑关系于下表： 逻辑判断电路各量之间的逻辑关系 运等状态 转矩极性 电枢电流 逻辑电路输入 逻辑电路输出 Te Ui* UT UZ UF UR 正向起动 + 0 1 1 1 0 + 有 1 0 1 0 正向运行 + 有 1 0 1 0 正向制动 + 有 0 0 1 0 + 0 0 1 0 1 + 有（制动） 0 0 0 1 反向起动 + 0 0 1 0 1 + 有 0 0 0 1 反向运行 + 有 0 0 0 1 反向制动 + 有 1 0 0 1 + 0 1 1 1 0 + 有（制动） 1 0 1 0 逻辑判断电路真值表 UT Uz UF UR UT Uz UF UR 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 nts设 计 说 明 书 9 （逻辑判断电路图） （ 3）延时电路 在逻辑判断电路发出切换指令 UF、 UR之后，必须经过封锁延时 tdbl和开放延时 tdt,才能执行切换指令，因此，无环流逻辑控制器中必须设置延时电路。 DLC 原理图（延时电路部分） （ 4）联锁保护电路 联锁保护原理图 正常工作时， UF、 UR是一个为“ 1”另一个为“ 0”，这时联锁保护环节的与非门输出 A 点电位始终为“ 1”态，则实际的脉冲封锁信号 Ublf和 Ublr与 UF和 UR相同，总能封锁一组脉冲。当发生 UF和 UR同时为“ 1”故障时，联锁保 nts设 计 说 明 书 10 护环节中的状 态与非门输出 A 点电位即变为“ 0”态，将 Ublf和 Ublr都拉到“ 0”，使两组脉冲同时锁起。这样，就可避免两组晶闸管同时处于整流状态而造成短路的事故。 2.3.3电流调节器 适用于可控硅传动系统中，对其输入信号进行多种运算，以使其输出量按某种预定规律变化。 由运算放大器、两极管限幅、互补输出的电流放大级输入阻抗网络、反馈阻抗网络等组成。 （电流调节器原理图） 图中，两极管限幅器由电阻 R16、 D4、 D5和电位器 W2、 W3组成，晶体管 T2和 T3互补输出的是电流放大级，接在运算放大器例相输入端和调节器输出端间的网络 为反馈阻抗网络。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。 电流调节器是靠给定信号与反馈信号偏差积累进行控制的，电流环调节作用可保证在起、制作过程中，电枢通过允许最大恒定电流以实现“时间最优控制”，对包在环内的各种扰动作用及时进行调节，有效地进行抑制，电流以调节器调节快、跟随性好。 2.3.4速度调节器 采用 PI 调节器，由运算放大器、二极管限幅器、反饥阻抗网络组成。其输入端有两条支路。 给定积分器输出给本级的速度给定信号，由测速发电机输出的反馈信号。 nts设 计 说 明 书 11 ASR 既能达到稳态无静差，又能保持快速性，同时 在动态波特图上得到高频衰减特性，有利于系统稳定。在起动过程中， ASR 输出饱和限幅值通过电流内环，实现快速最优控制。负载波动时通过 ASR 调节器而转速基本不变。调节给定大小，阶跃信号正、负，可实现正、反转及加减速度过程中对速度的无级调节，从而满足生产工艺要求。 速度调节器原理图 图中两级管限幅是由电阻 R7、两级管 D3、 D4和电位器 W1、 W2组成，当运算放大器输出高于 P1点电位时， D3导通，如运算放大器输出电压低于 P2点电位时， D4 导通，无论是正限幅，还是负限幅，多余的电压均落在电阻 R7上。 2.3.5电流变送 器与过流保护 1、电流变送器与电流互感器配合，检测可控硅变流器交流进线电流，以获得与变流器电流或正比的直流电压信号，零电流信号经过电流逻辑信号等。 (过流保护线路 ) nts设 计 说 明 书 12 电流互感器的输出接至输入端 LQ、 LQ2、 LQ3，经过三相桥式整流后，加至 a R3、 R4相串联后取中间信号，作为零电流检测信号。 b通过 W3的动触点的输出，作为电流负反馈信号，反馈强度由 W3的电位器进行调节。 c通过 W4与过流保护相联，作为过流信号。 2、过流保护 由 W4上取得的过流信号，超过稳压管 DW1稳压值，使晶体三极管 T1由截止变 导通，结果使继电器 J 的线圈得电，继电器 J 由释放变为吸引，它的常闭触点串在主回路接触器 C 的线圈回路中，使接触器 C 释放，断开主电路，另外通过继电器 J 的常开接点 J2，使继电器 J 线圈自保，通过常开接点 J1闭合，使XD 点亮，作为过流信号指示之用。 2.3.6给定积分器 给定积分器由两只运放构成，第一级接成高放大倍的比例器，采有同相端 输入。有两个输入量，一个是给定量，另一个是反馈信号；第二级接成积分调节器，采用反相端输入。当 Ugd为正阶跃信号时， Ugn为负值。且其特性曲线为如图的变化规律。 图中 ad 段、 cd 段由 于 PI 调节器的作用按线性渐增或渐 降，这样就保证了电动机在启 动、制动及调速过程中以恒加 减速度运行，此系统能平稳地 按生产工艺要求平滑地调速。 （给定积分器特性曲线） nts设 计 说 明 书 13 2.3.7零速封锁器（ LSF） 零速封锁器作用是当调速系统处于停车状态即速度给定电压为零，同时转速也确为零时，封锁调节系统中的所有调节器，以避免停车时，各放大器零漂，引起可控硅整流电路有输出，使电机爬行的不正常现象。 零速封锁器由两个山形电平检测器和开关延时电路组成。原理图及输入输出特性如下： (零封锁电路原理图 ) nts设 计 说 明 书 14 LSF 前半部分别由线性集成电路 JL1和 JL2组成两个山形电平检测器。输出正向电压无限幅，约为 +12V，输出负向电压为 -0.7V。 LSF 的后半部为开关延时电路。 由图可见，当 Ugd为零， Ufn也为零时，两个检测器输出均为“ 1”，则与门YM 输出为“ 1”，经过一段时间延时至转速确为“ 0”时，非门 FM 输出为“ 0”，则 T 三极管截止，输出端 USL为高电平， USL接至各种零速封锁的场效应管 3DJ的控制栅极，则各个场效应管均导通，将需要封锁环节的输入端与输出端短接，这样就防止了运放零漂引起电机爬行了。 2.3.8触发器 触发器的 组成和工作原理 本触发电路可分成三个基本环节： 脉冲形成与放大、锯齿波形成和脉冲移相、同步信号。此外，此电路还有强触发和双窄脉冲形成环节。 1）脉冲形成与放大环节 如后图，脉冲形成环节由晶体管 T4、 T5组成，放大环节由 T7、 T8组成。控制电压 Uk 加在 T4加在 T4的基极上，电路的触发脉冲同脉冲变压器 BM 二次输出，其次绕组是接在 T8集电极电路中。 当控制电压 Uk=0 时， T4截止。 +E1电源通过 R11 供给 T5 足够大的基极电流，使 T5饱和导通，所以 T5集电极电压 UC5接近于 -E1。 T7、 T8处于截止状态无脉冲输出 。 +E1电源经 R9、 T5基射结到 -E1电源，对电容 C3充电，充满后电容两端电压接近 2E1。 （同步电压为锯齿波的晶体管触发电路） nts设 计 说 明 书 15 nts设 计 说 明 书 16 当控制电压 UK +0.7V 时， T4 导通， A 点电位下降， T5基极电位下降， T5截止。 T7、 T8导通，输出触发脉冲。此时电容 C3放电和反向充电 T5基极电位又逐渐上升，直到 Ub5 -E， T5又复导通， T7、 T8又截止，输出脉冲终止。 R13和 R16为T7、 T8管的限流电阻，防止由于 T5长期截止，致使 T7、 T8长期过流而损坏。 2）锯齿波形成和脉冲移相环节 a锯齿波形成的方案很多。 本设计锯齿波采用恒流源电路。电路由 T1、 T2、T3和 C2等元件组成，其中 T1、 Dw、 RM、 R3为恒流源电路。当 T2截止时，恒流源电源 JC1对电容充电，所以 C2两端电压为 UC2： idtCUC 12 因为 i=I1是恒定电流 CtICUC 12 1 说明随时间线性增长 也就是 T3其波电位 Ub3按线增长 ,调节电位器 RW1,可改变 C2的恒流充电电流 I1C。因此 RW1 用来调节锯齿波斜率。当 T2导通时， C2经 R4、 T2放电使 Ub3电位迅速降到零伏左右，形成锯齿波的下降 段。当 T2周期性地关断导通 Ub3便形成锯齿波， Ue3也是一个锯齿波电压，射极输出器 T3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压的影响。 b.移相控制 当 T4导通时， T7（ T8）发生脉冲，而 T4 管基极电位即由锯齿波电压 Ue3，直流控制电压， UK和直流偏移电压 U0迭加值确定。其中， UK用于产生移相，改变 a 角。 UP确定初始相位角，一般 O UP -E1。确定初始 a 角，即 Ud=0V，Uk=0V 时 a 角。 根据迭加原理，分析 b4点的波形，忽略 T4管的存在，只考虑锯齿波电压UC3时， Uh仍为一锯齿波，但斜率比 Uc3低。只考虑偏 移电压 Up时， Up仍为一与 Up平行的一条直线。只考虑直流控制电压 Uk，可见 Uk仍为一条平行 UK的直线。 一般调节 a 角的方法： 首先将 Uk调为零，然后调 Up大小，使 M 点正好对应 a=90点，此时 Up+ Uh=0，；输出电压零 Ud=0，正常工作状态调节，在 Uk=0V、 a=90，初始状态已确定， Up固定。 I.在 Uk 0 时， M 点前移至 M，对应的 a 90，这时输出电压 Ud 0V，处于整流的工作状态。 .当在 Uk 0 时图中易见， M 点后移至 M”，对应 a 90，这时输后移至M”，对应 a 90，这时输出电 压 Ud 0V，处于逆变工作状态。 nts设 计 说 明 书 17 锯齿波触发电路各晶体管波形 锯齿波触发器各闸管波形图 3）同步环节 触发电路必须在某一只晶体闸管正处在交流正半波及时加脉冲，才能保证其正常从阻断到导通，要求锯齿波的频率与电源频率相同，锯齿波是由开关T2管控制的， T2由导通变为截止期间产生锯齿波， T2截止持续时间就是锯齿波的宽度， T2开关的频率就是锯齿波的频率，要使触发脉冲与主回路电源同步。就是 T2开关的频率与主回路电源频率同步就可达到。它是由同步变压器 BT 和nts设 计 说 明 书 18 作同步开关的晶体管 T2组成。同步变压器与主回路接在同一 电源，用同步变压器的二次流电压来控制 T2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。就是 T2开关的频率与主回路，电源频率同步就可达到。它是由同步变压器 BT和作同步开关的晶体管 T2组成。同步变器与主回路接在同一电源，用同步变压器的二次交流电压来控制 T2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。 T2截时间越长，锯齿波越宽，其宽度由 R1C1所决定。 4）双窄脉冲形成 双窄脉冲是晶闸管桥式整流电路的特殊要求，两个脉冲要求间隔 60， 欲实现这个要求有两种方法，一种是“外双脉冲”线路，一种是“内双脉冲”线路 。本设计采用“内双脉冲”线路，每个触发单元一个周期内输出两个脉冲，这种电路虽增加两只晶体管，但输出级功率得到减小。 为了得到内双脉冲输出，在主回路为三相桥式全控整流电路，元件的导通次序为 T1， T2， T3， T4， T5和 T6。彼此间隔 60，因此接线方法如下：以 T1元件的触发单元而言，线路中的 Y 端应接 T2元件触发单元电路的 X 端，因为T2元件的第一脉冲比 T1元件的第一脉冲带后 60，所以当 T2触发单元电路的T4由截止变导通，本身输出一个脉冲同时给 T1元件补送一个脉冲。同时， T1元件触发元件电路 X 端应接 T6触发元件 电路的 Y 端。 最后本系统同步变压器为双线圈，分别接成 Y/Y-6 和 Y/Y-12 组别形成，在同步信号锯齿波时，无须滤波环节，那么六只晶闸管任何一只都存在 Uta与 T1的电源电压 Ua相差 180， Uta 落后 Ua180，按此原则 T2Tb的同步电压可以全部确定。 nts设 计 说 明 书 19 第 3章 主回路部分分析与计算 3.1主回路参数的计算及元件的选择 3.1.1进线电抗器的参数计算及选择 本系统要求电压与电网电压基本一致，可省支整流变压器，所以本系统的晶闸管装置经过“进线电抗器”与电网直接连接，而且所串入进线电抗器 LT在数值相当于 整流变压器漏抗，组成了一个滤波环节，限制了作用于晶闸管的电压变化率dtdu，同时 LT也起到限制短路电流的作用。 进线电抗器 LT近似地可按下式计算： %22 KT UWIUL UK%：与晶闸管装置容量相等的整流变压器短路比 )220230(12.2173034.2 44034.22 VUVC O SC O SUU 取 U2：交流侧相电压有效值 Ud:直流电动机额定电压 所以， mHIUUKL dKBT 44.05.97220100 59.3100 % 2 (取 KB=3.9，根据查表 ) 3.1.2可控硅元件参数计算及选择 3.1.2.1 可控硅元件额定电压选择 晶闸管在主回路中与三相电源相连，利用其单向可控导电的特性把三相义流电变为可控的直流电输出给负载。一般调节控制角 a 越小，输出直流电压 Ud越高，反之， a 角越大， Ud 越低。由于晶闸管对过电压承受能力差，因而选择额定电压为其正常工作电压的 23 倍作为安全余量。 UTN=（ 23） Um，且 Um=2 3=6 U2 上式已求出 U2=220V，其中 U2为相电压， Um为线电压峰值。 因此： UTN=（ 23） 6U2=（ 23） 6 220=1347（ V） 选取 UTN=1500V 3.1.2.2 整流晶闸管的额定电流 ITa 选择 由于整输出端所接负载常需用平均电流衡量其性能，晶闸管的额定电流用一定条件下的最大通态平均电流来标定。 三相全控桥式整流电路中： Id=97.5A I2=0.816Id=79.56A nts设 计 说 明 书 20 由于晶闸管的过载能力比一般电磁元件小，当使晶闸管器件不因过热而损坏，流经器件的实际电流有效值乘以安全系数（ 1.52）倍，才能确定晶闸管允许电流有效值，于是得有效值 。 波形系数负载电流 fdbdfTa KIKIKII )25.1(57.1 AKIKIbdfta 75.7157.13 5 7 7.0/7 3 2.15.975 7 7.0257.1 25.1 Kb 共阴极或共阳极支路数， 三相桥式 Kb=3 Ita=2 KfbId Kfb=0.368 这里选晶闸管额定电流 Ita=100A 3.1.3平波电抗器的选择 3.1.3.1 限制输出电流脉动的电感量 Lm，其作用是在整流装置的输出端串联电抗器，使输出电压中的交变分量基本上降落在电抗器上，输出电流中的交变分量减少，而负载能够得到比较稳定的电压和电流。限制电流脉的电感量 Lm计算分式为： 3222 102 diddmISfUUULm 其中， U2 电源相电压有效值 Id 额定负载电流平均值 fd 和2UUdm由变流技术查表得 %5/80.03002 dodmidmd IISUUf 所以， mHLm 15.195.97%530014.32 10002208.0 3.1.3.2 使电流连续的电感量 Ls 当晶闸管的控制角较大、负载电流以小到一定程度时，会出现电流不连续现象。这对电动机负载是很不利的，它将使晶闸导通角减少，且使直流电动 +机的机械特性变软。通常由于直流电动国机电枢的电感较小，不能满足电流续的要求，故在晶闸管的输出电路中接入与负载串联的电抗 LL，为使输出电流连续的电感量，称为临界电感量。 LL=KLmin2IdUIdmin：使电流连续的最小负载电流，选取 Idmin=5%Id mHL L 28.315.97%5 220693.0 3.1.3.3 电动机电感量 LD和变压器漏感 LB nts设 计 说 明 书 21 因为 LD已给出 LD=6.8mH,故不算。用进线电抗器等效变压器的 LB选取 LB=LT=0.44（ mH） . Lm=19.16(mH) LD=6.8(mH) LB=LT=0.44(mH) LL=31.28(mH) 所以限制电流脉动实际电感量 Lma 为 Lma= Lm-（ LD+2LB） =19.16-（ 6.8+2 0.44） =11.48(mH) 临界电感量 LLa=LL （ LD+2LB） LLa=31.27 （ 6.8+0.88） =23.59(mH) 一般取 La=24(mH) 3.2主回路保护元件的计算与确定 3.2.1过电压保护 为了使晶闸管长期可靠工作，除了充分有余地合理选择晶闸管外，必须针对过电压过电流产生的原因，采取恰当的保护措施。 所谓过电压，即晶闸管在工作时正常承受最大峰值电压 26UUm ，凡超 过 Um对晶闸管均属过电压，产生过电压的原因有三种： 操作过电压，由于晶闸管装置在拉闸， 合闸等电磁过程引起的过电压，这种情况经常发生（阻容保护）。 由于雷击而产生的浪涌过电压（一般采用压敏保护）。 由于晶闸管本身关断产生的过电压（一般阻容保护）。 以过电压保护的部位分：有交流侧保护、直流侧保护和器件保护。 过电压保护按用处不同分为避雷器阻容保护、硒椎保护、压敏保护等。 3.2.1.1 交流侧过电压保护 （ 1）阻容保护： 将三组由电阻与电容串联得到的组件分别并联在交流电源 A、 B、 C 三相，接成 Y 型，这样可把变压器铁芯的磁场量转化为电容器电场的能量储存起来，由于电容量两端电压不能突变，所以可以有效 地抑制过电压。串联电阻的目的是为了在能量转化过程中消耗部分能量，并且抑制 LC 电路中的振荡。 计算交流侧过电压保护电容 C 和电阻 R 有公式为： C 6 i% 22US S：变压器每相平均电容量 U2：电源相电压有效值 R 2.3%022 iUSU Ki0%：变压器励磁电流百分数 nts设 计 说 明 书 22 UK：变压器短路比 由 S1=U2I2COS30 =17.5(KVA) S=U2I2=21.45(KVA) 10-1000KVA 时，对应 i0%为 10-4 10-1000KVA 时，变压器 UK%是 5-10% i0%取 10， UK%取 5 所以 C 6 10 F70.21220 105.17 23 取 22 F R 2.3 5.4498.4105105.1722032 R取 RC=22 10-6 4.5=99 s 5 s UC:正常工作时电压有效值， UC=U2=220V 电容耐一般取 1.5Ve=330V 所以取电容的交流耐压为 400V。 主电路阻容过电压保护 为了降低电阻上的温度 ,电阻功率选 PR=150W，最后确定选用 45、 150W的电阻与耐压 400V、 220 F相串联的三相组件并接在电源上。 （ 2）非线性电阻保护 当发生雷击或更高的浪涌电压时，虽有阻容保护仍会突破允许值，因此还需加设非线性电阻保护。它们有接近于稳压管的伏安特性，能把浪涌电压抑制在晶闸管允许范围内。 非常性电阻又分为两种：一种是硒堆，一种是压敏电阻，由于硒堆存在“贮存老化”问题，所以采用压敏电阻保护。它是由氧化锌，氧化铋等烧结而成的显而易见线性电阻元件，压敏电阻有正、反向相同的很陡的伏安特性，正常工作时漏电流很小，故损耗小，遇过压时，可通过上千安的放电电流 Iy。 nts设 计 说 明 书 23 因此 ，过电压能力强，除此， 它对浪涌电压反应快，而本身体积小，是一种较好的过电压保护元件。缺点是持续的平均率很小或太小。当发生过电压过，用压敏电阻保护，电压被抑制到残压 Uy，由于通过较在的放电电流 Iy，所以能把浪涌的能量消耗，浪涌以后一切正常。 压敏电阻的伏安特性 压敏电阻的特性参数： 漏电流为 1mA 时，额定电压 UimA UimAmU9.08.0 Um-压敏电阻承受的额定电压峰值 (r) ：电网电压升高系数，一般 =1.051.10 取 1.10，系数取 0.89 所以， UimA )(672220689.0 10.169.08.0 2 VU 取 UimA=760V 3.2.1.2 直流侧过电压的保护 （ 1）当快速熔断器熔断，直流电抗所贮能量释放时，会产生过电压。 （ 2）由于直流侧快速开关切断过载电流时，变压器贮能的释放产生过电压。交流保护装置虽适当地抑制这种过电子压，但变压器空载时所贮能量大，过电压还会通过导通着晶闸管反映到直流侧来。直流侧过电压采用阻容作保护，会使系统快速性不能达到指标要求，应尽可能地不采用阻容保护，所以我们采用压敏电阻保护，以防止直流过电压，根据直流电动机额定电压及参考电动机额 定电流，选择型号为 VYJ-1 型压敏电阻一只并联在整流装置的直流电压输出端。 nts设 计 说 明 书 24 3.2.1.3 晶闸管关断过电压保护 晶闸管关断过电压和元件的阻容保护 如图所示， T1、 T2把 a、 c 相的交流线电压送到直流侧，当 T1导电 120，T3被触发导通， T2、 T3把 b、 c 相交流线电压送到直线侧，同时 T1受反向 Uab 须关断，当电流 Ia降为零，晶闸管内部仍残存着载流子，在反向电压作用下，将产生反向电流 ia，使残存的载流子恢复，这时晶闸管立即关断即 t3时刻，这时di/dt 很大，变压器漏抗 LB产生过电感 LB tddi 作用在晶闸管 T4上，此电压数值可达工作峰值电压的 5 6 倍，为此在晶闸管两端并联阻容，使 ia通过 RC 支路而续流则tidd可以减少很多，从而抑制了过电压。 由系统 ITa=100A，取 C=0.25uF,R=20 C 的交流耐压为 UC2 Um/ns= V89.5381 2206 Um：正反向电压峰值取 6 U2， ns：串联器件的支数 所以， UC2选 1000V； R 的功率为 WnsUmnsUmfcPR 64.31025.05010 6262 这里取 PR=4W f 电源频率 最后，选择 0.25 f/1000V 的电容与 201 /4W 的电阻串联，共 12 组别并联在每个晶闸管的两端。 3.2.2过流保护 当负载短路或过载时，电流数值很大，而切断时间稍慢，就会造成晶闸管损坏。产生过电流的原因有： nts设 计 说 明 书 25 a.生产机械过载 b.晶闸管直流侧短路 c.可逆系统中产生环流和逆变失败，某一器件击穿短路引起相邻器件过电流等。 过电流保护措施有三种： 1) 在交流进线中串联电抗器 LT， 以限制过电流。进线电抗器 LT1的作用及计算前已述及。 2) 在交流侧经电流互感器接入过电流继电器，可在发生过流故障时，跳开交流主接触器常开主触头，脱离交流电源，但对短路电流不能起到及时快速的保护。 3) 用快速熔断器作为防止晶闸管过流坏保护元件，断流 T 10ms。 快速溶断器安装在交流侧、直流侧和与晶闸管相串联，本系统采用串联快熔。因流过它们的电流相同，故此种保护对器件保护作用最好、最安全。 在选择与晶闸管串联的快速熔断器时，应主要考虑下述几个方面： 1) 快熔额定电压线路正常工作电压的有效值。 2) 按 实际需要选择熔体的额定电流，安装熔体外壳称熔断器，熔断器的额定电流应大于或等于熔体电流。 3) 快熔的额定电流指电流有效值 。 通常，流过晶闸管的这际电流总小于晶闸管的额定电流，熔体的额定电流Ike可按下式选取： 157ITa IKe JT 1.57Ita=1.57 100=157(A) )(5.845.13 5.973 AIdIT ：起动时允许过载倍数 , =1.5(已知 ) 即 1.57 IKR 84.5(A) 取 IKR=100A 选额定电压 750V RLS 型 ,螺旋式熔断器相配合 100A 的熔体组 成的快熔保护装置 ,共 12 套 ,分别串入每只可控硅元件线路中。 3.2.3晶闸管电压上升率tudd和电流变化率的限制 3.2.3.1 电流上升率tudd的限制 nts设 计 说 明 书 26 产生tudd过大可能性有以下两个原因： （ 1）交流侧由电网侵入晶闸管装置的过电压往往是前沿陡而幅值大，本系 统无整流变压器，采用电源输入端串入数值相当于变压器漏感的进线电抗器 LT，组成滤波环节，限制了作用于晶闸管的tudd 。 （ 2）晶闸管换向的tudd，此时产生tudd会造成晶闸管误导通，防止方法：每个桥臂串一个桥臂电抗器 LS1。 3.2.3.2 电流上升率tidd的限制 产生tidd可能过大的原因有四点。限制方法就是在每一桥臂上串一个电感 LS2有效地抑制tidd，据上面分析： LS1和 LS2同串入一桥臂，所以将 LS1和 LS2合并成为 LS桥臂电抗器。此 LS既起到限制dtdu又有限制tidd的作用。 根据保护回路的确定及计算，每只主晶闸管的保护元件电路图如下所示，其它 11 只主晶闸管和它完全相同，这里只画一只。 单只晶闸管保护线路图 nts设 计 说 明 书 27 第 4章 控制系统动态参数计算 本系统为逻辑无环流可逆双闭环系统，内环为电流环，速度环在外环。本系统要求不仅要有较好的稳态性能，而且要有良好的动态品质因数。所以本系统的电流和速度调节器采用 PI 调节器，它不仅能使系统 稳态无静差，同时还提高了系统动态稳定性。本章通过选择调节器把系统较正成为理想的预期开环特性，使波特图中低频段增益高，高频段有良好的衰减特性，最终达到电动机速度能够按生产需要，连续平稳地调节的目的。本双闭环的设计方法是先设计内环，后设计外环。 4.1电流环的动态设计及参数计算 电流环保持电枢电流不超过允许值，要求跟随性好，不希望有超调，或者超调越小越好。所以，本电流环按典型 I 系统设计。 电流调节器环节动构图 反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的忧动作用，认为 E 不变， E 0，从而将电动势反馈作用断开。 得下图： （忽略电动势影响结构图） 再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内，于是得下图： nts设 计 说 明 书 28 最后， Ts和 Toi一般都比 TL小得多，可以当作小惯性环节处理，看成一个小 惯性环节， T =Ts+Toi，于是得下图： 电流调节环最简结构图 电流环设计典型 I 系统，其动态结构图和开环对数幅频特性如下图： （动态结构图） （开环对数幅频幅特性） 为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，选择 Ti=TL。 所以，RTKKK i siiI3 参数计算：maxmaxkdVVKs T i=TS+Toi=0.0017+0.002=0.0037S L =LL=3.27mH nts设 计 说 明 书 29 R =RD+2RB+RDK+2RSCR=2.6 0.346=0.9 0 3 4 1.09.0 1027.31 3 RLT LL 电流调节器传函为 0341.01 Liiii TTsTsTK KI= 1.1350037.02 12 1 iT 38.10684.058.44 9.00347.01.1
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