中高壓IGBT變頻器在高速衛(wèi)生紙機(jī)的應(yīng)用

【摘要】海南APP集團(tuán)新增衛(wèi)生紙機(jī)項(xiàng)目使用了TMEIC公司IGBT交直交變頻矢量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PWM矢量控制原理，運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低。本文主要介紹該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)調(diào)試分析。

【關(guān)鍵詞】交直交變頻器；矢量控制；系統(tǒng)調(diào)試

引言

海南金海漿紙為印尼金光集團(tuán)所屬亞洲漿紙業(yè)股份有限公司在中國(guó)最大漿紙廠，2013年新增12條衛(wèi)生紙機(jī)生產(chǎn)線，采用TMEIC公司TMd-10e2矢量控制交流系統(tǒng)和V系列2000集成控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，運(yùn)行穩(wěn)定。

12臺(tái)衛(wèi)生紙機(jī)分布從TM31到TM42。烘缸（Yankee）由意大利Acelli公司提供，雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)，采取主從控制模式。紙機(jī)總?cè)萘?660kW，速度1800m/min，紙幅寬度2860mm。

1、傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TMdrive-10e2是一種PWM矢量控制IGBT變頻器裝置，公共直流母線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用690V

電壓等級(jí)，最大容量2400Frame，整流器輸出電壓990V。

公用整流器采用一種新型可回饋逆變混合型整流器（Hybrid Converter，簡(jiǎn)稱HBC），由整流和回饋兩部分構(gòu)成， 獨(dú)立柜式結(jié)構(gòu)。整流柜主開關(guān)元件為二極管整流，回饋柜主開關(guān)元件采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

具體線路結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

整流變壓器容量為3150kVA，變比35000V/690V，12臺(tái)整流變壓器間隔采用Δ/Δ-0和Δ/Y-11的優(yōu)化連接，其目的是使進(jìn)線網(wǎng)側(cè)電流總諧波畸變率THD為最小。

HBC整流器不控制直流電壓和直流電流，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到逆變器側(cè)（負(fù)載側(cè)）總能量為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)IGBT整流器自動(dòng)將電流回饋給電網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)，在連續(xù)再生運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，或經(jīng)常減速或停車時(shí)所產(chǎn)生的再生能源，可以直流電壓的形式存儲(chǔ)并可作為驅(qū)動(dòng)其它逆變器的能源。另外，具有電源再生能力的IGBT整流器可以把再生電源返回到交流電源中。

逆變器為二電平三相PWM逆變器，以U相橋臂為例，來(lái)說(shuō)明輸出電壓的產(chǎn)生。變頻器輸出電壓的波形以及IGBTP1和IGBTN1的狀態(tài)，以及交流電壓（矩形波）如圖2所示。輸出平均電壓（正弦波），如圖3所示。

a.IGBTU和IGBTX的導(dǎo)通時(shí)間比率相同，則平均輸出電壓為零。b.IGBTU導(dǎo)通時(shí)間大于IGBTX導(dǎo)通時(shí)間，平均電壓輸出正電壓。c.IGBTU導(dǎo)通時(shí)間小于IGBTX導(dǎo)通時(shí)間，平均電壓輸出負(fù)電壓。

通過(guò)對(duì)IGBTU和IGBTX的開、斷控制完成輸出任意頻率和正弦波交流電壓。

2、系統(tǒng)控制

2.1系統(tǒng)硬件

無(wú)論是整流器還是逆變器，其控制系統(tǒng)均包括電源單元、主板，輸入輸出模板，功放板，通信板，IGBT組件單元。微處理器PP7EX2是東芝公司最新型電力電子專用處理器，這是一種32位高性能微處理器，用于進(jìn)行系統(tǒng)的高速矢量控制運(yùn)算，三角運(yùn)算等，8層表面分布線路板，確保了各單元集成高速運(yùn)算及高可靠性。

輸入輸出模板，將外部聯(lián)鎖與內(nèi)部信號(hào)有機(jī)結(jié)合，組成多數(shù)字量、多模擬量輸入/輸出通道。功放板，將脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離放大，以有效控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)近似于正弦波的電壓輸出。

2.2矢量控制

我們知道，將交流電機(jī)定子電流，分解成產(chǎn)生磁通的定子磁場(chǎng)電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的定子轉(zhuǎn)矩電流分量，使二者互成直角，相互獨(dú)立，分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，這是矢量控制基本出發(fā)點(diǎn)。交流異步電機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的意義與直流電機(jī)等效一致，即控制其磁通保持氣隙磁場(chǎng)的恒定，控制其定子電流轉(zhuǎn)矩分量控制電磁轉(zhuǎn)矩，以完成對(duì)磁通與轉(zhuǎn)矩的解耦控制。

在本紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，逆變器的傳動(dòng)矢量控制由速度基準(zhǔn)、速度控制、D/Q軸電流控制、PWM控制器等組成，控制結(jié)構(gòu)如圖4。另外，馬達(dá)調(diào)速其實(shí)真正調(diào)整的是電機(jī)轉(zhuǎn)矩，在矢量控制中，控制電流的結(jié)果，是控制輸出電壓。

速度給定值來(lái)自于PLC系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)速度基準(zhǔn)環(huán)節(jié)后，將階躍信號(hào)轉(zhuǎn)化成斜坡給定，輸出到速度控制器。速度調(diào)節(jié)器的輸出，既是電流調(diào)節(jié)器的給定，也是電機(jī)轉(zhuǎn)矩的基準(zhǔn)。轉(zhuǎn)矩給定T_R將來(lái)自于速度調(diào)節(jié)器的SFC_R進(jìn)行轉(zhuǎn)矩限制處理和di/dt運(yùn)算，求出最終的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)IQ_R信號(hào)。ID_R是磁通給定信號(hào)，它有以下功能：在基速以下，保持磁通恒定，電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；基速以上，保持電壓恒定，磁通按一定比例減少，電機(jī)恒功率調(diào)速。

主板在矢量控制系統(tǒng)完成IGBT觸發(fā)信號(hào)后，把觸發(fā)脈沖傳送到逆變器，控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷，得到所需電機(jī)近似于正弦波的輸入電壓和頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.3數(shù)據(jù)通信

傳動(dòng)系統(tǒng)和PLC間通信采用FL-NET總線，光纖連接，變頻器與HUB之間，以太網(wǎng)通訊。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

PLC系統(tǒng)配置了一塊FL612接口模塊和一塊EGD模塊，與各變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各變頻器地址均在EGD中配置，傳動(dòng)與PLC的通信及傳動(dòng)與傳動(dòng)之間的通信都是通過(guò)EGD來(lái)完成數(shù)據(jù)交換的。

FL-NET網(wǎng)絡(luò)以Ethernet為物理層，采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是日本采納的一種PLC網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其協(xié)議棧高層為UDP/IP+ UDP/IP+獨(dú)自循環(huán)通信協(xié)議，保證了通信的實(shí)時(shí)性。

完成PLC系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換基于EGD以太網(wǎng)全局?jǐn)?shù)據(jù)處理通信，EGD協(xié)議是美國(guó)GE自動(dòng)化公司基于以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，它以數(shù)據(jù)報(bào)文形式在一個(gè)發(fā)送者和多個(gè)發(fā)送者之間實(shí)現(xiàn)100Mbps數(shù)據(jù)高速傳送，遵循UDP/IP獨(dú)自循環(huán)通信協(xié)議。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔短，安全性強(qiáng)，不易丟失，各站為雙向角色，既是服務(wù)器也是客戶端。

3、系統(tǒng)調(diào)試

從圖4中可以看出，這是一個(gè)典型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，TMd-10e2提供了多種調(diào)試手段，從靜態(tài)的電機(jī)自測(cè)試到負(fù)荷調(diào)試，其目的都是為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和快速響應(yīng)。

3.1系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化測(cè)試

TMEIC自測(cè)試功能，其目的是獲得變頻器所驅(qū)動(dòng)電機(jī)的物理特性，如被控電機(jī)的定子等效漏感和轉(zhuǎn)子

等效阻抗等等，以保證電機(jī)模型參數(shù)的準(zhǔn)確。系統(tǒng)的穩(wěn)定，取決于該自測(cè)試的精度。

3.2電流環(huán)調(diào)整

電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，在紙機(jī)機(jī)械中，一般將電流響應(yīng)調(diào)整為無(wú)超調(diào)，以保證內(nèi)環(huán)的穩(wěn)定。最終響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)在TEST 26電流環(huán)調(diào)試中獲得。最終電流環(huán)響應(yīng)系數(shù)作用反映在電流調(diào)節(jié)器3ms～5ms對(duì)最終值95%的響應(yīng)里。

3.2速度環(huán)調(diào)整

速度環(huán)是外環(huán)，速度響應(yīng)是要有超調(diào)的，以加快跟隨外界負(fù)荷變化的調(diào)整。速度環(huán)的最終調(diào)試，是在機(jī)械帶負(fù)荷以后，其速度響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)在TEST 22速度環(huán)調(diào)試中獲得。

在弱磁功能被使用時(shí)，基速以上速度對(duì)磁鏈的功能要調(diào)整。因?yàn)樵诨僖陨蠒r(shí)，磁通調(diào)節(jié)器的作用就是改變磁鏈來(lái)控制電機(jī)電壓。

4、結(jié)論

TMEIC傳動(dòng)系統(tǒng)自投入生產(chǎn)以來(lái)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，使得無(wú)需考慮諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，從而大大減少了對(duì)電源裝置的投入；低成本混合型整流器的使用，極大滿足了當(dāng)今綠色環(huán)保、節(jié)能的理念。