可逆冷轧机主传动系统的设计方案.doc

吉林电子信息职业技术学院毕业设计（论文）摘要随着经济社会的飞速发展，建设祖国的大业正处在飞速发展中，东部经济的飞跃发展携带西部建设的不断开发，因此我国要大力加快西部建设，建设离不开钢铁，钢铁是建设的脊梁，所以我们要大力开发钢铁资源，轧钢机广泛用于各个钢铁工厂中。轧钢机即可逆冷轧机，可逆冷轧机的主传动系统采用直流电动机的晶闸管逻辑无环流可逆调速系统，以满足轧制工艺对轧机传动系统能实现无机调速，有较高的稳态控制精度，较高的抗扰能力，在起制动过程中加减速恒定等要求。系统的主回路采用两组晶闸管变流器反并联的接线方式，既节省电源，又经济实惠，只需一个交流电源供电，由于无环流，不需要设置环流电抗器。系统的控制回路采用典型的双闭环，保证生产工艺的要求，保证起制动过程中加减速恒定，通过给定积分器得到转速给定信号。利用调节器锁零电路，在系统处于停车状态，即速度给定电压为零，同时转速也的确为零时，将系统中所有调节器的输出都锁到零位上，避免了停车时各放大器零漂引起的晶闸管变流器有输出电压使电动机爬行。关键词：直流调速逻辑控制无环流晶闸管稳态控制AbstractFly socially to develop soon along with the now economy, the big industry of the developments motherland is being placed in to fly to develop soon, the eastern region leaps economicly the development takes western region our country want to be strongly. Developments quickly and western region, development can not get away from the steel, the is back of developments, so we want to develop strongly steel resources, the extensive application in the machine of rolled steel is in each steel iron works.The machine of rolled steel then the machine of anti cold roll, can the main transmission system of the machine of anti cold roll adopt the thyristor logic non-circulation of the direct current motor can the specd control system to can realize to the stranding machine transmission system the limitless adjusting is soon, having the higher steady state control accuracy, higher anti-roa ability, add and subtract in rose braking process soon the heng settles the ect. Request.The major loop of the system adopts two the method of wiring of set thyristor inverter anti parallels, since save the power supply, again economic real benefit, needs an ACR power supply, because of non-circulation, do not need to place the circulation the battery the anti-machine. Key Words：The direct current adjust soon；Logic control for have no circulation； Silicon transcstor；Stabilize control.The control return adoption of the system typical a closed loops, guarantee the request of the production craft, guarantee to rise to add and subtract in the braking process soon the heng settles, passing to get the definite integral machine the revolving speed give to settle the sign. Make use of the modulator lock zero electric circuit, have the delivery of the modulator to all loke the electric potential of zero in system was placed in park the car condition, as soon as possible degree gave settle tension as zero, at the same time revolving speed too really for zero, system last, avoid the each amplifier in hour in engine room zeropiao cause thyristor inverter contain delivery tension make motor crawled along.22目录摘要1Abstract21 绪论11.1 选题的意思11.2 冷轧机传动的新进展12 可逆冷轧机主传动系统的设计方案32.1 可逆冷轧机主传动系统的基本功能32.2 方案选择33 可逻辑控制无环流可逆调速系统43.1 逆冷轧机的基本原理43.2 可逆系统对无环流逻辑控制器的要求53.2.1 可逆系统无环流逻辑控制器的任务53.2.2 封锁延时63.2.3 开放延时63.3 无环流逻辑控制器(DLC)的实现73.3.1 电平检测73.3.2 逻辑判断电路83.3.3 延时电路104 无环流可逆调速系统的主回路124.1 晶闸管124.2 系统主回路124.3 系统的工作过程134.3.1 电机停止状态134.3.2 电动机正向启动运转144.3.3 反向制动停车144.4 可逆高速速系统的过渡特性165 无环流可逆系统的控制回路185.1 CAN总线技术185.2 设计方案195.3 电流环205.4 速度环225.5 无环流逻辑控制器245.6 控制流程图256 无环流可逆系统的保护电路287 可逆无环流系统的原理29参 考 文 献31致谢32吉林电子信息职业技术学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 选题的意思随着现代社会经济的飞速发展，振兴东北老工业基地的需要，各行各业对钢铁的需求越来越多，呈现飞速增长之势，因此在冶金业等领域中广泛应用的冷轧机的需求也越来越多，它具有制造各种型号薄厚钢铁辊压成型的生产能力，产品应用于各类大小型工业产房。1.2 冷轧机传动的新进展目前世界上的冷轧机大部分是二十辊冷轧机，也有部分十二辊冷轧机。但从传动的角度来看，其型式是一致的。作为主传动，可分为轧机传动和卷取机传动，目前一般宽带二十辊冷轧机的电机功率约几千千瓦，两台卷取机电机的功率也各为几千千瓦。由于冷轧往往要经过好几个道次，因此，上述电机均为可逆传动。由于冷轧的高精度、高速度、高效率、因此对主传动提出了很高的要求。由此大型直流电机迅速发展，并经历了发电机电动机机组调速系统及可控硅调速系统等几个阶段。适应了冷轧生产的发展需要随着可控硅换流技术的发展，特别是交流换流技术的发展，交交变频技术在工业上得到了广泛的应用，一向认为难于调速的交流电机也迅即受到人们的青睐，八十年代末，由交交变频装置供电的大型交流电动机开始用于二十辊冷轧机的主传动，九十年代该项技术得到了推广应用，由交交变频装置供电的交流电机调速系统与直流电机可控硅调速系统相比，交流传动的效率高、维修工作量小、可靠性高，同时由于交流电机的特殊结构，电机的转动惯量小，既改善了系统的调速性能又不必象直流电机那样用多台电机串联使用。用于交交变频装置供电的交流电机调速装置的上述优点，目前世界上已有十多台二十辊冷轧机采用这种方式传动。尽管采用交交变频装置的交流传动很优越，但是仍有一些不足之处。交交变频装置在运行中仍有一定的谐波分量，虽然比可控硅直流调速装置小，但仍使电网波形畸变；从电网吸取的无功功率和直流调速系统相仿，因此，必须配备无功功率和谐波补偿装置，这要耗费较大的投资。另外，交交变频装置输出的频率不到电源频率的一半，也限制了系统的调速范围。随着电子元件的发展，特别是GTO（ata Turn Off Thyristor 门极可关断可控硅）元件的发展，给交流传动技术注入了新的活力。由德国西门子公司开发的采用GTO元件的变频装置于1997年首次用于比利时ALZ不锈钢公司的3#二十辊冷轧机上。该冷轧机的机械由德国森德威公司制造，该传动系统为可靠起见采用了A、B两套独立的供电装置，一套使用，一套备用。交流电源经变压器，整流器后被整流为直流，直流侧为公共母线分别连接至轧机及两台卷取机的逆变器，直流电经逆变成交流电而传动三台交流电动机，交流电机为同步电动机。该系统采用了特殊的控制模式，它根据工况采用低触发频率，优化和面向任务控制，使GTO元件的电流及时调整，全面优化，继而使波形良好，特性优异，损耗降低。这一系统的优点较多，主要有以下几个方面：变压器数量较少、功率小。由于整流后的直流侧采用公共母线，因此，三台电机可以公用一台变压器，不必象一般的交交变频那样采用三台变压器。冷轧机在运行过程中，轧机电机需消耗大量功率，而两台卷取机则相反，为了保持一定的张力，其中一台用于卷取的卷取机为电动状态，另一台用于开卷的卷取机则处于发电制动状态。两台卷取机仅消耗一部分摩擦损耗功率，而极大部分功率互为补偿，由于这部分功率在直流侧母线得以交换，而不必经过变压器，因此，变压器的功率也较小。系统功率因数接近“”。由于采用新的控制方式，传动系统只从变压器和整流器中吸取实际需要的功率，因此，系统功率因数接近“”，不必采用无功补偿。系统谐波分量降低。由于采用了特殊的控制方式，系统输出的波形良好，因此，不必采用谐波补偿装置。输出频率提高。和一般的交交变频相比，该系统是交直交，因而输出频率可高达赫兹，提高了系统的调速范围。系统损耗小。由于该系统的变压器少、变压器功率小，无功分量减少，不必使用动态无功补偿，因而，系统的损耗仅仅为交交变频装置的一半。系统可靠性高、维修工作量低。目前的GTO元件不再采用水冷，而用空气冷却。由于触发频率的提高，不再使用熔断器。采用模块结构更换元件方便，交流电机的结构也简单，因此，该系统可靠性高、维修工作量低。2 可逆冷轧机主传动系统的设计方案2.1 可逆冷轧机主传动系统的基本功能无环流可逆系统通常可分为逻辑控制的无环流系统和错位控制的无环流系统，目前前一种常用。采用逻辑控制无环流可逆调速系统，以满足轧制工艺对轧机传动系统能实现无极调速，有较高的稳态控制精度，较高的抗干扰能力和起动动态性能，在起制动过程中加减速恒定要求，以满足工业生产的要求。系统的主环路采用两组晶闸管变流器反并联的接线方式，只需一个交流电源供电，由于无环流故不需设置环流电抗器。系统的控制回路采用典型的双闭环，根据轧机的生产能力的要求，为保证起制动过程中加减速恒定，通过给定积分器得到转速给定信号Un*，并利用调节器锁定电路，在系统处于停车状态，即速度给定电压为零，同时转速也确为零时，将系统中所有调节器输出都锁到零位上，以免停车时各放大器零点漂移引起晶闸管变流器有输出电压，从而使电动机不稳的不正常现象。2.2 方案选择本设计采用直流电动机晶闸管逻辑控制无环流可逆调速系统，主回路采用两组晶闸管变流器反并联方式，系统的控制回路采用典型的双闭环，只是将电流调节器分为两个，一个是ACR1，用于控制正组角发GTF，另一个控制反组触发器GTR，ACR1的输入信号Ui*，经反号器AR作为ACR2的输入信号Ui*，这样可以采用不反映极性的电流检测装置。3 可逻辑控制无环流可逆调速系统3.1 逆冷轧机的基本原理为满足轧制工艺对轧机传动系统实现无极调速，主传动系统采用直流电动机晶闸管逻辑控制无环流可逆调速系统，有较高的稳态控制精度，较高的抗扰能力和稳定的动态性能。逻辑控制无环流系统的工作原理是：当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。其原理框图如图所示：(DLC无环流逻辑控制器)图 逻辑控制的无环流可逆调速系统该系统的主回路为两组晶闸管变流器反并联接线，不设置环流电抗器，但设置平波电抗器，以抵制负载电流脉动并保证电流连续，控制系统采用典型的双闭环系统，并采用了两套环流电抗器ACR1和ACR2，两套触发器GTF和GTR，分别控制正、反组的工作状态，其控制原理与有环流系统相类似，与其它可逆系统不同的地方就是增加了逻辑控制器DLC（Data Link Control,数据链络控制），逻辑控制器根据系统工作情况，分别输出Uf1和Ur1，对两组变流器发出开放还是封锁脉冲的信号。实现无环流的另一种办法是错位控制无环流可逆系统，即将两组触发脉冲的相位相互错的很开，譬如错开使az+af=300度或360度，这样，当逆变组触发脉冲出现时，其晶闸管一直处在凡响阻断状态，不可能导通，当然也就不可能产生环流（即没有直流环流，也没有脉动环流）。但目前应用广泛的还是逻辑控制无环流可逆系统。逻辑控制的无环流可逆调速系统主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，但为了保证稳定运行时电流波形的连续，仍保留平波电抗器LD，控制电路采用典型的转速电流双闭环系统，只是电流环分设两个电流调节器，ACR1用来控制正组触发装置GTF，ACR2控制反组触发装置GTR，ACR1的给定信号Ui*经反号器AR作为ACR2的给定信号Ui*，这样可使电流反馈信号Ui的极性在正反转时都不改变，从而可以采用不反映极性的电流检测器。由于主电路不设环流电抗器，一旦出环流将造成严重短路事故，所以对工作的可靠性要求特别高，为此在逻辑控制无环流系统中设置了无环流逻辑控制器DLC，就是系统中的关键部件，必须保证可靠工作。按照系统的工作状态，控制系统进行自动切换，或者允许正组发出触发脉冲而封锁反组或者允许反组发出触发脉冲而封锁正组，总之，在任何情况下，决不允许两组晶闸管同时开放，确保主电路设有产生环流的可能。触发脉冲的零位仍整定在af0=ar0=90度工作时稳定方法仍然和a=b 工作制一样，只是用了DLC来控制两组触发脉冲的封锁和开放，除此以外，系统其他的工作原理和自然环流系统没有多大的区别。3.2 可逆系统对无环流逻辑控制器的要求3.2.1 可逆系统无环流逻辑控制器的任务在正组晶闸管VF工作时封锁反组脉冲，在反组晶闸管VR工作时封锁正组脉冲，通常是采用数字逻辑电路使其输出信号Ubdf和Ubcr以“0”和“1”的数字信号形式来执行两种封锁与开放作用，“0”表示封锁，“1”表示开放，二者不能同时为“1”，以确保两组不能同时开放。应该根据什么信息来指挥逻辑控制器的工作，粗看来根据转速给定信号Un* 的极性来决定脉冲封锁信号的取舍似乎是可以的，系统反转同时固然应该开放反组晶闸管，但当系统正转制动（或减速）时，也要利用反组晶闸管的逆变状态来实现回馈制动，在这两种情况下都要开放反组而封锁正组，而Un*的极性在反转时为负，正转制动（或减速）时为零或正，显然不能用做逻辑切换指令，必须指出上述两种情况的共同特性，从电动机的运行状态来看，反转运行和正转制动或减速的共同特性，要求电动机产生负转矩，在励磁恒定时，也就是要求有负的电流，由ASR输出电流的给定信号Ui*恰好可以担当这个任务，在的转运行时，Ui*为正，在正转制动时Ui*也为正，Ui*的极性恰好反映了系统要产生负转矩的意图，可以用做逻辑切换指令信号，由此可见，DLC首先应该鉴别电流给定信号Ui*的极性，当Ui*由负变正时，免去封锁正组，而后下放正组。然而，仅用电流给定信号去控制DLC还是不够的，因为Ui*的极性定义只是逻辑切换的必要条件，而不是充分条件，在自然环流系统制动过程的说明中已经说明了这一点。例如：当系统正向运行需要制动时，Ui*由负变正，固然可以标志着制动过程的开始，但当实际电流方向未反向以前，仍需保持正组开放，以便进行本组逆变，只有在实际电流变到零的时候，才应该给DLC发出命令，封锁正组，开放反组，然后电流得以反向，通过反组进行回馈制动，因此，Ui*的极性的变化只表明系统有了使转矩反向的意图，转矩电流极性的真正变换还需要滞后一段时间。可到电流真正为零时，应该再发出一个零电流检测信号Uio，然后才能发出正、反组切换信号，正反组切换的前提只有两个条件都具备，并经过必要的逻辑判断后，才可以让DLC发出判断指令。还应指出，在进行逻辑判断前，应将Ui*和Uio这两个连续变化的模拟量变化在“0”和“1”的数字量，这项任务可以由电平检测器来担当。逻辑切换指令发出并不能马上执行，还必须经过两段延时时间，以确保系统可靠工作，这就是：封锁延时和开放延时。3.2.2 封锁延时封锁延时从发出切换指令到真正封锁原来的脉冲之间应留出来的等待时间，因为电流未降到零以前，其所含的脉冲含量是时高时低的图象，而检测零电流的电平检测器总有一个小动作电流，如果脉动电流瞬时低于它，而实际上仍在连续变化时，就将检测到的零电流的信号发出去，封锁本组脉冲，这时本组处于逆变状态，势必造成逆变颠覆，设置封锁延时以后，检测到零电流等待一段时间仍不见超过原电流，说胆原电流确已经断开，这时再封锁本组脉冲就没什么问题了。3.2.3 开放延时开放延时是从封锁原工作组脉冲到开放另一脉冲之间的等待时间，为什么开放到另一组又要等待一段时间，因为封锁原工作组脉冲时，已被触发的晶闸管到电流过零时才真正关断，而且在关断之后还要过一段时间才能恢复阻断能力，如果在这之前就开放另一组晶闸管，仍可能造成两组晶闸管同时导通，使电源短路，为了防止产生这种事故，在发出封锁本组脉冲信号以后，必须等待一段时间才允许另一段脉冲。最后在DLC中必须设置连锁保护电路，使输出信号不可能同时出现“1”态，以确保两组晶闸管的触发脉冲不可能同时开放。综上所述，可逆系统对无环流逻辑控制器要求可归纳如下：电流给定信号Ui*的极性和零电流检测信号共同发出逻辑切换指令，当Ui*改变极性使零电流检测器发出零电流信号时，允许封锁一组，开放另一组。出切换指令后，需经过封锁延时才能够封锁原导通组脉冲，当一组工作时，另一组的触发脉冲必须封锁。换的充分必要条件满足的后，还要经过关断等待时间t1的延时后，发出封锁原导通组的触发脉冲信号，再经过触发等待时间t2的延时后，发出开放另一组触发脉冲的信号。（4）不论任何情况下，两组晶闸管决不允许同时加触发脉冲，当一组工作时，另一组触发脉冲必须封锁住。3.3 无环流逻辑控制器(DLC)的实现根据上述分析，得出逻辑控制器的功能和输入输出信号，如图2所示：图2 逻辑控制器的功能和输入输出信号图其输入为电流给定信号Ui*(转矩极性)和零电流检测信号Uio，输出是封锁正组和反组脉冲信号，可由电平检测，逻辑判断，延时电路和连锁保护四个基本环节组成。3.3.1 电平检测电平检测的任务就是将控制系统中连续变化的模拟量换成“1”或“0”，两种状态的数字量，实际上是一种模数转换器，一般可用带正反馈的运算放大器组成，具有一定要求的继电特征即可。（1） 电平检测闭环放大系数：是运算放大器开环放大系数。是正反馈系数当K一定时，若，则放大器工作在继电器状态，其输入输出特性会出现回环。（2） 回环计算公式：，是正向和负向饱和电压。，是输出正翻到负和由负翻到正所需要的最小输出电压。（3）显然，R1越小，越大，正反馈作用越强，回环宽度越大。回环太宽切换动作迟钝，容易产生超调；回环太小，降低了抗干扰能力，容易产生误动作，所以回环宽度一般取0.20.3。无环流逻辑控制器中应设立转矩极性鉴别和零电流检测两个电平检测器，分别将电流给定极性和电流是零或非零转换成相应的“1”或“0”数字量，供逻辑判断使用。零电流检测器DPZ的输入输出特性的输出信号是电流互感器输出的零电流信号Uio约为+0.6伏，零电流检测器输出Uz为零，主电路电流接近零时，Uio下降0.2V左右，输出Uz为1，1态仍可正向饱和值+0表示，0用饱和值-0.6表示。两个电平检测器输出饱和值+101伏和-0.6伏可通过设置正、负限流电路得到，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。3.3.2 逻辑判断电路逻辑判断的任务就是根据两个电平检测器的输出信号Ut和Uz经运算后正确的发出切换信号Uf和Ur（即封锁原来工作组的脉冲开放另一组脉冲的指令信号），Uf和Ur均有“1”和“0”两种状态，究竟用“1”还是用“0”表示封锁触发脉冲，取决于触发电路结构，现假定指令信号为“1”态时开放脉冲，“0”态时封锁脉冲，归纳各种情况下逻辑电路的输入输出状态如下：输入信号：转矩极性鉴别：Te为正，即Ui*为负时Te为负，即Ui*为正时零电流检测：有电流时，电流为零时，输出信号：封锁正组脉冲，开放正组脉冲，封锁反组脉冲， 开放反组脉冲，系统对逻辑判断电路的要求如下表所示：表1信号状态运行状态转矩极性电枢电流输入信号输出信号正向起动开始瞬间无正向运行有正向制动本组逆变有本组逆变结果无它组逆变结果有反向起动开始瞬间无反向运行有反向制动本组逆变有本组逆变结果无它组逆变结果有去掉表中重复部分，可得逻辑运算电路真值表，如图2所示：表21100011001001110000001113.3.3 延时电路在逻辑判断电路发出切换指令Ut、Ur之后，必须经过封锁延时Tdbt和Tde，才能执行切换指令，因此，无环流逻辑控制器中必须设置相应的延时电路，在THT与非门的输入端加接二极管VD和电容C就可以使与非门输出由“1”态变到“0”态时的动作获得延时，因为这时当输入为“0”变到“1”时，必须使电容充电，待电容端电压充到开门电平的时间则为延时时间，改变延时大小就可以得到不同延时。阻容电路充电时间：C为充电回路电阻为外接电容电压为电容端电压根据所需延时时间可计算出相应的电容值：C组成封锁延时电路，VD2和C2组成开放延时电路，连锁保护电路。在正常工作时，逻辑判断与延时电路的两个输出一个为“1”态，另一个为“0”态，一旦发生故障，两个输出如果同时为“1”态，将造成两个晶闸管同时开放导致电源短路，为了避免这种事故，在无环流逻辑控制器的最后部分设置了一个连锁保护电路。正常工作时，两个晶闸管一个为“1”，一个为“0”，这时连锁保护环节的与非门输出A电位始终为“1”态，则实际脉冲封锁信号Ubcf和Ubc都拉到“0”，使两组脉冲同时封锁，这样就能避免两组晶闸管同时处于整流状态，从而造成短路事故。通过上述分析可以看出逻辑控制无还流可逆调速系统具有的优点：可省去环流电抗器，没有附加环流损耗，从而可节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。和有环流系统相比，因换流失败而造成事故率大为降低，其缺点是由于延时造成了电源换向死区，影响过度过程的快速性。普通的逻辑无环流系统在电流换向后有时会有较大的反向冲击电流，这是由于待工作组投入时电流反馈Ui尚小，负的电流给定值起决定作用。经电流调节器输出的触发移项信号，晶闸管处于整流状态，使电动机进入反接制动阶段所造成的。正是这个冲击电流的反馈作用，才把这一组从整流状态推到逆变状态。为了避免换向后产生冲击电流，也可以利用逻辑切换的机会，人为的投入组电流调节器输入端暂时加上一个Ui极性相同的信号Ub，把投入组的逆变角一下推到了Bmin ，使电阻制动阶段一开始就进入他组逆变阶段，避开了反接制动冲击电流自然要小的多，Ub信号由DLC发出，推b信号，当正组整流工作时，为“0”状态，并不影响ACR1的工作；而为“1”态，即正电压，ACR2输出为负限幅值，把带逆变组的控制角推到Bmin处。但此时反组触发脉冲仍被Vbcr封锁着，并未被触发，当DLC发出切换指令后，延时变为u，这样就使反组开放时的控制角仍在B处，电容放电后，B角往前移，反组待逆变电压减小，当他低于电机反电动势后，才真正开始逆变，电动机实现反馈制动，从而避免了由于反接制动造成的冲击电流。加入推b信号后，冲击电流没有了，但却加大了电流换向死区，因为由电动机切换前转速所决定的反电动势一般都低于bmin，所以切换后并不能立即实现回馈制动，必须等B角移动到所对应的逆变电压低于电动机反电动势后，才能产生制动电流，移动B角的时间是推b信号的阻挡参数决定的，有时长达几十甚至一百多毫秒，大大延长了电流的换向死区。如果想要减小电流换向死区，可以采用有切换准备的逻辑无环流系统，其基本方法是：让待逆变组的b角在切换前不是等在B处，而是等在原整流组的a角基本相等的地方，即等在与电动机反电动势相适应的电角度处，当待逆变组投入时，其逆变电压的大小和反电动势基本相等，很快就能产生回馈制动。在上述两种逻辑无环流系统中都采用了两个电流调节器和两套装置分别控制区，反组晶闸管，实际上任何时刻只有一组晶闸管在工作，另一组由于脉冲被封锁处于阻断状态，这时它的电流调节器和触发装置是闲置的。4 无环流可逆调速系统的主回路4.1 晶闸管晶闸管具有闸流特性，电流只能从阳极流向阴极，即具有单向导电的质晶闸管从关断变为导通必须使阳阴极间承受正向电压；与此同时，还必须在门阴级 间加正向门极电压，异称触发电压，两条件同时具备时，晶闸管从关断变为导通晶闸管一但导通后，门极便失去控制作用那么晶闸管从导通怎样才能变为关断呢？可降低阳极电压或增大负载电阻，使阳极电流Ia小于晶闸管维持电流IH时便可关断IH是维持晶闸管导通的最小阳极电流（约几十毫安）晶闸管一般用于整流器，逆变器，变频器随着生产实际要求的增加，在KP型扑动晶闸管基础上又派生一些特殊晶闸管，如快速晶闸管，双向晶闸管，可关断晶闸管等。他们与上述介绍的KP型晶闸管工作原理及开通、关断条件相似，但其中可关断晶闸管却不同。可关断晶闸管GTO(Gata Turn Off Thyristor)是全控型器件，门极正信号开通，门极负信号才关断，主要用于步进电机电源，变频器，斩波器。4.2 系统主回路系统的主回路采用两组晶闸管变流器反并联结线方法，只需一个交流电源供电，由于是无环流，故不需设置环电抗器。系统主传动晶闸管交流电路图，如图3所示： 图3主回路工作过程类似于三相桥式整流电路，由于供阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向电流，而供阳极组在负半周导电，经变压器的是反向电流，因此变压器组中没有直流磁通势，每组绕组正负半周都有电流通过，提高了变压器绕组的利用率。有两组晶闸管组成的可逆线路，除了流经电动机的负载电流外，还可能产生不流经负载，只流经两组晶闸管变流器的电流，这种电流称为环流或称为均衡电流。在可逆系统中，正确处理环流是设计可逆系统的关键。可逆系统正是按着处理环流的方式不同而分为：有环流系统和无环流系统两大类。4.3 系统的工作过程4.3.1 电机停止状态此时给定电压Un*=0速度调节器输出Ui*=0，电流调节器输出Uct*=0，反向器输出Uct*afo=0，则afo=aro=90 两组晶闸管变流器输出的平均电压Utr=0，电动机停止不动，转速n=0。4.3.2 电动机正向启动运转系统实际加正的给定电压+Un*时，（继电器触点KF闭合）形成正向启动。刚启动时电动机转速和速度反馈信号都很小，速度调节器ASR在给定阶跃信号作用下，其输出达到幅限幅值Uimo*和Uim*的作用下，ACR输出Uct也有一个阶跃，它使VF的控制角af对电速由90度前移，整流电压Uvf迅速为某值，强迫电极电流要迅速上升，电动机正转启动。以后的过程和不可逆双闭环系统的启动没有什么区别。当电动机启动完毕处于正向稳定运转时，由于ACR都是PI调节器，稳定工作时处于线性区，两者的给定和反馈输入信号之和都为零，VF处于整流状态，供给电动机负载电流I，使电动机处于电动状态，Uct*为负。AR90，VR工作处于逆变状态，也就是它不给电动机输出电流，也没有回馈电流，只有脉动环流在其中通过。4.3.3 反向制动停车这个过程在不可逆中是不可能产生的。它分为四个阶段完成，分别为：制动阶段，正组逆变阶段，反接制动阶段，反向减流阶段。4.3.3.1 制动阶段制动过程可以分下列两阶段：1）本组逆变阶段，系统发出停车指令，即Un*=0，ASR的输入偏差信号Uns由0变为Un，则其输出类跳为正向限幅值+Uim*。由于存在电磁惯性，主回路电流Id不能突变。因而Ui也不会突变，这样就使ACR的输入由零变为。如此大的突变，ACR的输出由原来的某正值类跳为负限幅值Uctm。这样VF组由整流状态立即变为ar=ami=30的逆变状态，而VR组却由待逆变状态暂时变为待整流状态，电动机的端电压Udf反向而和反电动势正方向一致，使电流迅速下降，在平波电抗器两端感应出很大的电压，其极性是阻碍电流下降的。原导通组的晶闸管变流器仍承受正向电压而导通，这样电流I在反向之前通过处于逆就状态下的原来工作的2组变流器将储存在电抗器和电枢电感中的磁声能量释放出来变为电能，一部分经本组逆变为交流电能回馈给电网，一部分通过电动机转化为机械能。还有一小部分能量经由主回路中的电阻转变成为热能而损耗掉，在此阶段，反组变流器并不能真正的输出整流电流，电极电流仍通过原来工作组的正组电流器，所以此阶段为“本组逆变阶段”由于电枢回路的电磁惯性较小，电流很快下降至零，所以这一阶段时间很短。而机电时间常数较大，故此转速与反电动势下降甚微，可以认为基本不变。2）它组制动阶段，此时电流虽反向，但尚未达到最大值。电流反馈信号Ui虽然变负但绝对值逐渐增大，但仍小于Uim*，则ACR的输入仍大于零。而其输出Uct仍然是负限幅值，它组变流器处于整流状态，Udr和En同向，在他们共同作用下，反向电流通过正组很快增长，电动机处于反接控制状态，此阶段时间也很短，电动机转速也略有下降。在此阶段中，正组晶闸管变流器把交变电能转为直流电能，同时电动机将机械能转为电能 ，这些能量一部分用于增加电枢回路的磁场能量，一部分转变为热能损耗。4.3.3.2 正组逆变阶段当Id增长达到Imo后，ACR的输入电压Uie变负退出饱和，急剧减小然后反向，即由负变正，而VR组由整流变为逆变，逆变电压Udr的极性与电动机反电动势Ea的极性相反，从而限制了主回路电流Id的继续增长，并迫使其下降到Imo，在这个数值下电动机进行回馈制动，在这个过程中，主回路电流Id，电动机反电动势Ea和反组逆变电压Udr三者之间的关系为:在制动过程中，由于Id为制动电流，所以电动机反电动势Ea不断下降，从上式可看出，Ea下降使主回路电流Id下降，并小于Imo，这时，电流调节器的输入结果使移相控制信号的正值向零变化，逆变电压随之减小，因而又使电流恢复到Imo，这就是调节器ACR的恒流调节作用，当反电动势Ea随着转速下降而继续减小时，又将重复上述过程，在这个过程中，反电动势Ea一直是下降的，通过电流调节器的调节作用，促使反组逆变电压Ucr随反电动势下降，而主回路电流Id保持在略小于Imo值，这个过程一直进行列逆变电压Udr下降到零为止。在这个过程中，由于制动电流维持最大，电动机转速将逐渐下降，电动机将机械能转化为电能，大部分通过它组变流器回馈电网，一部分变为势能损耗，这就是制动过程的主动阶段。4.3.3.3 反接制动阶段这实际上是系统第二次进入反接制动状态，此时，由于电动机转速以下将到很低的数值，Ea本身以不足维持制动电流，VR由逆变状态逐渐又回到整流状态。这样，整流电压Udr与发电动势Ea相反，共同维持足够在的制动电流。而保持电动机具有恒定的加速度，转速线性下降。这一阶段的调节过程是：开始时Ut=0,Udr=0，但电机还没有停止运转，电枢反电流Im=Ea/R，电动机继续制动，转N下降，制动电流便小于Imo，电流调节器输入仍为正，ACR输出Uct变负，从而使反组进入整流状态，制动电流又恢复致Imo，此时主回路电压平衡方程为：在反接制动阶段，电动机的机械能转变为直流电能，同时VR将变流电能这部分能量都被电枢回路的有效电阻转变成为热能。4.3.3.4 反向减流阶段当电动机转速被制动到零后，由于主回路仍为Imo，迫使转速超调，亦使电动机反转速度调节器ASR退饱和，这样，Ea由负变正，Ui*下降，等 Uct 上升，VR由整流再度进入逆变，迫使VR迅速下降，此后在转速环与电流环共同调节下，最终使N=0，Id=0，停车过程结束。在反向减流阶段，电枢回路电感中储存的磁场能量转变为直流电能，除一部分热能损失外，均经VR逆变为交流电能，回馈电网。若给定信号由正到负，则在转速下降至零以后，紧接着反向启动，直到转速达到负的给定值后，转速反馈信号超过给定信号，ASR退出饱和，转速渐趋稳定。如果想要调低电动机转速，应使Un*减小，只要Un*小到一定值，并且要使为负值时，转速调节器达到限幅值+Uim*，系统也会经过本组逆变正组建流，正组逆变等几个阶段 ，使转速N下降，转速负馈Un也随这下降，当Un=Un*时，即电动机转速达到新给定值时，转速调节器退出饱和，转速闭环重新进入调节状态，最后电动机稳定在给定的低速上运行但是如果Un*值变化很小，速度调节器ASR输出没有达到限幅状态，就没有以上得调节过程。系统将在转速闭环调节作用下，是电动机和到新的低速运行。4.4 可逆高速速系统的过渡特性有两组晶闸管变流器组成的可逆调速下的电动机各种运行状态如表3所示：表象限工作状态转向1电动机正2发电机正3电动机反4发电机反当系统运行在象限时，正组变流器工作在整流状态，电动机正向运行，处于电动状态，若需要是电动机正向制动停止时，应使反组变流器工作在整流状态，此时电动机仍处在正向运行，但出于回馈制动状态，系统运行在2象限。依此类推，反组变流器处于整流状态时，应使反组变流器工作在逆变状态，系统工作在象限。当电流连续时，晶闸管直流电动机调速系统的静特征为一条直线，而当电流断续时，特征出现陡变现象，它实际上是两个不可逆调到速系统静特性的组合。在系统运行过程中，由于生产工艺要求，系统的工作状态需要经常变化，这样就经常要求系统在第1，第2 ，第3，第4象限之间反复过渡，也就是两组变流器之间经常进行切换，例如，系统原来在第象限运行，如果在某一时刻要求降低电动机转速，那么系统将在由第1象限过渡到2象限工作，既有正组变流器工作与整流状态，转为反组变流工作与逆变状态，电动机回馈制动，转速迅速下降到所要求的数值，然后系统由反组变流器工作于逆变状态，电动机回馈制动，然后系统又由反组工作转变为整组工作于整流状态，即又回到了第一象限工作，电动机在新的低速下稳定运行。在此过程中，变流器进行了两次切换，无环流系统，由于电流不连续在纵轴附近过渡时，将会出现明显的转速变化，因此系统过渡特征平滑性很差，在有环流系统中，两组晶闸管变流器之间的电流基本处于连续状态，从而消除了静特性发生陡变现象，是过渡特征平滑。当然，在a=b时，并不能保证晶闸管变流器的工作电流对连续，这是因为a=b工作制时，环流不可能保持连续，他与控制角有关，所以在负载电流很小时，晶闸管变流器的工作电流就可能发生不连续现象，因此，系统静特征在纵轴附近仍然有轻微的非线性特征，这种现象在可控环流中可以加以消除。在有环流系统中，不仅系统特性平滑，而且由于两组晶闸管变流器同时工作，两组这间切换时不存在着死区，因此，除系统过渡性平滑外，还有响应性能快的优点，但是在有环流系统中，需要设置笨重而价格昂贵的环流电抗器，而且环流将造成额外的有功和无功损耗，因此，除工艺对过渡特性平滑要求较高及对过渡过程要求很快系统采用有环流系统外，一般多采用无环流系统。5 无环流可逆系统的控制回路5.1 CAN总线技术80年代后期，人们在DOS的基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通信，这就是现场总线。由于从根本上解决了网络控制系统的自身可靠性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。近年来现场总线技术正走向成熟，对现场总线来说，不同工业部门基于不同的思路和方法出现了多种现场总线标准。各种现场总线有各自的应用领域和市场。本文介绍CAN现场总线技术及其在SDS系统中对驱动控制、顺序控制、过程控制分别进行的设计和实验。作为驱动控制的控制对象是直流电机和交流电机；顺序控制的控制对象是采用可编程序控制器（PLC）的十字路口红绿灯；过程控制的控制对象是水箱水位的控制。其中对直流电机作了正转、反转、正向制动、反向制动，由正（反）转直接切换到反（正）转的控制；对交流电机作了正反转控制；对红绿灯做了正常时序控制和急行时的特殊控制；对水箱水位做了水位高度稳定的控制。利用CANBUS通过对各种不同类型控制系统的互联，分时控制或同时控制，经实践证明效果都是满意的，消除了“自动化信息孤岛”现象。CAN总线对驱动控制、顺序控制、过程控制的硬件电路图如图4所示：图4 系统原理框图5.2 设计方案由于我们采用的RSM非智能模块的通信周期较长,这对实时性要求很高的驱动控制来说是一个致命的问题。解决的办法是采用超前预测控制。由于通信时间长，用纯双闭环PI算法很难控制电机的起动过程；当然，如果是模拟量的控制，用双环PI就能很好的控制电机，起动快，稳定性好，抗干扰能力强。但在离散控制下，起动过程就很难优化，要么起动时间长，要么超调大。这时在电机启动后的前5秒采用了模糊控制算法。模糊控制具有比例调节的快速性的优点,又很稳定。但它有一个明显不足就是抗干扰能力差，而双环PI的稳定性好，抗干扰能力也好，所以在电机运行5秒后就切换到双环PI控制。归纳起来，在单向运行时控制方法是带预测模糊的双环PI控制算法。本控制系统是逻辑控制的无环流可逆调速系统。其原理框图见图所示。本系统采用直流电动机晶闸管逻辑无环流可逆调到速系统，主回路采用两组晶闸管变流器反并联方式。系统的控制回路采用典型的双闭环，只是将电流调节器分为两个，一个是ACR1，用于控制正组触发GTF，另一个控制反组触发器GTR，ACR1的输入信号Ui，经反号器AR作为ACR2的输入信号Ui*，这样可以采用不反映极性的电流检测装置。根据冷轧的生产工艺要求，为保证起、制功过程中加、减速恒定，通过给定积分器得到转速给定信号Un*并利用调节器锁零电路。在系统处于停车状态，即速度给定电压为零。同时转速也确定，将系统中所有调节器的输出都锁到零电位上，以免停车时各放大器零漂引起晶闸管变流器有输入电压，使电动机爬行的不正常的现象。系统的控制回路由电流内环、速度外环、逻辑控制器等组成。电流ACR用于控制电动机电枢电流变化规律，速度环内的ASR用于控制电动机转速的变化规律，逻辑控制器用于实现两组晶闸管变流器正确切换，并保证在任何情况下，决不允许两变流器同时开放。5.3 电流环转速调节器ASR的输出为电流环给定，电流调节器ACR1、ACR2的原理图如图5所示，PI型的，电流调节器的输出经限幅和功率放大后作为触发器AT的移向控制信号UCT，输出限幅值整定在+8V。图5电流调节器ACR1、 ACR2原理图当系统中产生过电流时，来自过电流保护装置的一个过大正信号使调节器输出为8V，这时将触发脉冲推到150度处，系统实现过流保护。停车状态时，由锁零回路输出的封锁信号将ACR的输出锁到零电位上，防止零漂。由于控制回路设置了两个电流调节和反号器，使得电流反馈信号Ui的极性在系统可逆运行时不必改变，故系统采用了不反映极性的交流电流检测装置，VR为二极管三相整流电路。其原理如下图6所示：图6 二极管三相整流电路（TR YN，y0）由于集成电路触发有一系列的优点。本系统采用KC76集成化六脉冲触发组件。该组三块KC04稳相角发器，一块KC41六路双脉冲形成器，一块KC42脉冲列调制形成器组成。三块KC04稳相触发器所需的三相同步电压经由RC组成T型网络移相滤波，使之不受电流波形畸形干扰，然后分别送入对应的KC04芯片的8端。各相滤波电路移相约30度，由电位器RP、RP作微调，以保证六相脉冲间隔均匀，同步电压取30V左右。同步输入电流限制在23mA，同步电压