一種紡織細紗機專用智能變頻器的設(shè)計

吳國亮， 李大琦

(中國船舶工業(yè)集團公司第六三五四研究所，江西九江 332000)

0 引言

目前，紡織行業(yè)年耗電量高達數(shù)十億千瓦時，約占我國電網(wǎng)總供電量的10%，是我國電機行業(yè)的耗電大戶。相比紡織機械設(shè)備目前采用的異步電機，永磁同步電機不僅性能優(yōu)于異步電機，最重要的是功率因數(shù)和效率有了很大提高，使用在紡織設(shè)備上綜合節(jié)電率高達12%以上。在國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的今天，紡織行業(yè)推廣和普及永磁同步電機是必然趨勢。目前，國內(nèi)永磁同步專用變頻器技術(shù)上還比較落后，紡織廠大多使用國外的變頻器，在增加產(chǎn)量、減少斷頭、節(jié)約用電、降低萬錠用工等方面效果顯著，其使用為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益。但由于紡織企業(yè)高溫、多飛絮的惡劣工作環(huán)境，紡織廠在使用國內(nèi)、外變頻器時，還存在以下問題:

(1)同步電機起動不平穩(wěn)，因起動電流大等，經(jīng)常使變頻器出現(xiàn)保護，影響企業(yè)生產(chǎn);

(2)變頻器在高溫、多飛絮的現(xiàn)場工作環(huán)境下長時間工作時，經(jīng)常出現(xiàn)過熱保護，影響企業(yè)生產(chǎn)。

鑒于國家對永磁同步電機大范圍普及的重視，以及目前國內(nèi)外紡織專用變頻器存在的上述問題，本文將開展紡織細紗機專用智能變頻器的深入研究，提出一種紡織細紗機專用智能變頻器的設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要由主電路、控制電路、外部控制輸入電路以及面板顯示與設(shè)置系統(tǒng)組成。主電路由整流及濾波電路、中間電路、逆變電路等組成。整流及濾波主要是將380 V三相交流電變成直流電;中間電路主要實現(xiàn)電容充電控制、濾波等;逆變電路是利用6個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律地控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出，用于控制同步電機?？刂齐娐酚晌⒖刂茊卧?Micro Control Unit，MCU)、電流檢測電路、電壓檢測電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成逆變器的開關(guān)控制、信號監(jiān)測與保護，以及鍵盤輸入與顯示控制等。外部控制輸入主要用于遠距離控制;鍵盤設(shè)置與顯示電路主要用于近距離參數(shù)設(shè)置、顯示及基本控制。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案

2.1 滿足低成本、高可靠性、耐高溫的變頻器主電路原理設(shè)計及關(guān)鍵器件選型

變頻器主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由整流電路、直流濾波電路和逆變電路等組成。整流電路由不可控三相整流橋模塊、吸收電容C1、壓敏電阻 R1組成;直流濾波電容由 2個 400 V、3 300 μF電解電容 C2和 C3，2 個20 W、33 kΩ 水泥電阻 R3和 R4，80 W、10 Ω 鋁殼電阻 R2，380 V交流接觸器組成;逆變電路由智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)、吸收電容 C4、2 個電流傳感器組成。主電路的工作原理是:開始時交流接觸器斷開，380 V三相交流電經(jīng)過三相整流橋整流后經(jīng)充電電阻給濾波電容快速充電，電容充電完畢后對整流后的電壓進行濾波，形成峰值為537 V的直流母線電壓，之后控制系統(tǒng)控制交流接觸器開關(guān)閉合，將充電電阻短路，母線電壓加到由主功率器件組成的三相橋式逆變電路的P和N兩端，控制系統(tǒng)有規(guī)律地控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，使三相橋式逆變電路的U、V及W端輸出三相幅值相同、相位相差120°的正弦波形，用于控制永磁同步電機。此外，加在主功率器件的P、N兩端的吸收電容是為了避免器件在開關(guān)過程中遭受各種瞬態(tài)過電壓和過電流而損壞，用于保護主功率器件;壓敏電阻接到整流橋的輸出正負極之間，主要用于抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，保護后級器件免受過電壓的損害。

圖2 變頻器主電路結(jié)構(gòu)

在主電路器件中，主功率器件是系統(tǒng)的核心，內(nèi)部構(gòu)成三相橋式逆變電路。本文在選型上，IPM相比絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，具有以下優(yōu)點:低功耗、高度集成化與高可靠性。IPM內(nèi)部集成了短路過電流、控制電壓欠壓與過熱保護，對故障狀態(tài)判斷更準(zhǔn)確、反應(yīng)速度更快，降低了由于過載和誤動作帶來損壞的可能性。因此，本文選擇日本三菱公司的IPM——PM75RLA120，額定電流為75 A，額定電壓為1 200 V。

2.2 紡織細紗機專用智能變頻器調(diào)速系統(tǒng)控制規(guī)律設(shè)計

目前，變頻器常用的控制方式主要有U/f控制和矢量控制。矢量控制的控制精度高、動態(tài)性好，但矢量控制算法復(fù)雜，對控制器的處理速度和資源要求較高。開環(huán)U/f控制精度低，但是控制算法簡單、對控制器要求不高、成本較低，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合紡織設(shè)備對變頻器的調(diào)速需求，大部分紡織設(shè)備對傳動調(diào)速要求一般，按照頻率時間曲線，保持一定的恒轉(zhuǎn)矩輸出即可，U/f控制完全可以滿足要求。因此，本文采用U/f控制方案。

U/f控制主要有正弦脈寬調(diào)制(Sin-Wave Pulse Width Modulation SPWM)、注入三次諧波的SPWM和空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)等幾種。本文對變頻器的這幾種PWM方法進行了研究。SPWM變頻調(diào)速技術(shù)理論成熟、原理簡單、易于實現(xiàn)，但直流側(cè)電壓利用率較低，其逆變器輸出線電壓的幅值最大值僅為母線電壓的0.866倍，不能滿足電機額定輸出電壓要求。采用注入三次諧波的SPWM和SVPWM方法提高逆變器輸出線電壓幅值，較PWM方式提高了15%。注入三次諧波SPWM方法是在SPWM方法的基礎(chǔ)上，在調(diào)制波中加入三次諧波，從而可以使調(diào)制比M大于1，提高輸出電壓;在同樣的載波頻率下，采用SVPWM方法可以使逆變器開關(guān)次數(shù)少，減小變頻器的諧波輸出。由于紡織專用智能變頻器要求輸出電壓達到電機的額定電壓，輸出諧波小以及起動和運行要平穩(wěn)。因此，本文采用SVPWM方法。

在控制芯片選型上，在TIDSP2407和瑞薩半導(dǎo)體的M16C/16A單片機之間，兩者均可實現(xiàn)U/f控制及系統(tǒng)控制功能，性能相差不大，可靠性均較高。本文采用瑞薩單片機來實現(xiàn)變頻器的控制。

2.3 紡織專用智能變頻器專用軟件設(shè)計

紡織專用智能變頻器專用軟件是根據(jù)紡織廠實際工作過程及紡織工藝要求而定制，與通用變頻器軟件相比，省去了不必要的功能與參數(shù)設(shè)置，具有針對性強、用戶操作簡單等特點。專用軟件主要有:參數(shù)設(shè)置、十段速的時間和頻率控制、狀態(tài)監(jiān)測與保護等幾部分。其中參數(shù)設(shè)置通過鍵盤來完成，主要完成U/f曲線、十段速曲線、運行頻率、載波頻率以及各種功能開起與靜止設(shè)置。十段速的時間和頻率控制主要是根據(jù)用戶紡織工藝要求而設(shè)計，設(shè)計的十段速時間和頻率曲線如圖3所示。狀態(tài)監(jiān)測與保護模塊主要是對電機的電流、母線電壓、變頻器溫度進行監(jiān)控，進而對變頻器及同步電機進行相應(yīng)保護，增加系統(tǒng)的安全性。

2.4 智能變頻器散熱設(shè)計

由于紡織車間高溫粉塵現(xiàn)場工作環(huán)境要求變頻器不能安裝風(fēng)扇，但要具有良好的散熱性，為了防止變頻器過熱而損壞電子器件，致使變頻器出現(xiàn)故障，要給變頻器的大功率器件設(shè)計良好的散熱結(jié)構(gòu)。

圖3 十段速的時間和頻率曲線

本文設(shè)計的變頻器散熱裝置如圖4所示，主要由底板、頂蓋和支架組成，支架安裝在底板上，頂蓋安裝在支架上?？紤]到低成本和良好的散熱性，該款變頻器的散熱主要通過以下三個方面來考慮:(1)變頻器機殼所有零件均采用鋁合金材質(zhì)制造，具有全機身散熱的特點;(2)底板采用圖5所示的鋁制散熱器，底板厚度為48 mm，下面加工出了較密的散熱片，且每個散熱片上開了較多的圓形小槽，因此底板具有良好的散熱性;(3)支架和頂蓋上切割出多個方形小槽來散熱。系統(tǒng)的熱源密度主要來自大功率IPM，大功率IPM塊安裝于底板上，支架和底板接觸，頂蓋和支架接觸，三個零件接觸面比較大，通過熱傳導(dǎo)，底板的一部分熱量通過這兩個零件散掉。

圖4 紡織專用變頻器散熱裝置

圖5 底板散熱裝置

在夏天近40℃的工作環(huán)境下，經(jīng)過紡織廠的現(xiàn)場實際測試，該型變頻器的最高溫度為65℃。因此，該散熱設(shè)計完全能夠適應(yīng)紡織現(xiàn)場的工作環(huán)境要求。

2.5 同步電機帶載起動平穩(wěn)性設(shè)計

永磁同步電機的定子繞組相電壓、反電動勢電磁轉(zhuǎn)矩公式為

式中:U——定子繞組的相電壓;

I——定子繞組的相電流;

E——定子繞組的相反電動勢;

R——定子繞組的相電阻;

K1——比例常數(shù);

f——定子電流的頻率;

Φ——總磁通。

細紗機屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，永磁同步電動機要保持恒轉(zhuǎn)矩，須保持Φ不變，通過式(1)、(2)可看出，要保持Φ不變，那么E/f要保持不變。因此，這里的U/f中的U其實指的是反電動勢E。由于E無法精確控制，而U容易控制，所以E/f控制中的E實際是指定子電壓U。但是，在高頻時，因為反電動勢E相對IR值要高的多，這時可以不考慮IR值的影響。通?？烧J為E/f=U/f。但在低速時，反電動勢E比較低，該IR值必須考慮。由式(1)、(2)可以推出:

通過式(3)可以看出，當(dāng)f較小時，IR/f就比較大，若保持U/f不變，則Φ會變小。該情況下，由于負載不變，電磁轉(zhuǎn)矩將會降低，就有可能出現(xiàn)帶不動負載的情況，因此在低頻時要進行轉(zhuǎn)矩補償。由此，本文設(shè)計了如圖6所示的U/f曲線，將U/f曲線設(shè)置為兩段:低頻曲線和高頻曲線。低頻曲線主要針對U和E不相等致使電機起動不平穩(wěn)的情況，對U進行提升來設(shè)置一條曲線，該曲線共設(shè)置 4 個參數(shù):f1、f2、U1、U2，其中 f1為起動頻率，f2為中間頻率，U1為起動電壓，U2為中間電壓。相對不同的電機，該4個參數(shù)設(shè)置不同，針對不同電機調(diào)試時，要合理整定這4個參數(shù)。f1和U1參數(shù)主要解決起動初期不平穩(wěn)現(xiàn)象，f2和U2主要解決起動中間不平穩(wěn)現(xiàn)象。高頻時不需要轉(zhuǎn)矩補償，該曲線的延長線過原點，終點對應(yīng)的頻率和電壓為被控電機的額定頻率fN和額定電壓UN。該設(shè)計可滿足低頻和高頻時對起動平穩(wěn)性和轉(zhuǎn)矩的要求。

圖6 永磁同步電機起動曲線

3 結(jié) 語

安裝紡織專用智能變頻器后的細紗機大大提高了錠子的有效運轉(zhuǎn)時間，提高了細紗機的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量;千錠時斷頭率降低，節(jié)約了返工浪費的原料;功率因數(shù)得到了提高，最大限度地挖掘了電機的無功功率，降低了線路損耗，從而達到了節(jié)電的目的。鑒于變頻器在細紗機應(yīng)用的巨大優(yōu)勢，紡織業(yè)漸漸采用變頻器取代傳統(tǒng)的機械調(diào)速方式。此外，由于細紗機是紡紗機械中保有量最大的一種設(shè)備，目前國內(nèi)細紗機大約20萬臺。因此，低成本、高性能與高可靠性的紡織專用智能變頻器在紡織業(yè)的應(yīng)用前景十分巨大。

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