TMEIC中高壓IGBT變頻器在高速衛(wèi)生紙機的應(yīng)用

0.  引言

海南金海漿紙為印尼金光集團所屬亞洲漿紙業(yè)股份有限公司（Asia Pulp & Paper，簡稱APP）在中國最大的漿紙廠，2013年新增12條衛(wèi)生紙機工程。12臺衛(wèi)生紙機分布從TM31到TM42，烘缸(Yankee)由意大利Acelli公司提供，兩臺電機同軸驅(qū)動，采取主從控制模式。紙機總?cè)萘窟_到2660kW。紙機最高速度1800m/min，紙幅寬度2860mm。傳動系統(tǒng)采用TMEIC公司TMd-10e2 & P10e2矢量控制交流系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)采用TMEIC公司V系列2000集成控制器。

1.  傳動系統(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，最大容量2400Frame。

圖1為總體傳動結(jié)構(gòu)簡圖。

ACB：交流斷路器    IU～IW：電流反饋檢測    1DU～1DW/1DX～1DZ：整流二極管      

ACL：交流電抗器    SP_F：速度反饋檢測      IGBTU～IGBTW/IGBTU～IGBTW:IGBT  

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

公用整流器是一種逆變回饋混合型整流器（Hybrid Converter，簡稱HBC），由二極管整流和IGBT回饋兩部分構(gòu)成,獨立柜式結(jié)構(gòu)，輸出直流電壓990V。

該整流器的最大特點就是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，整流環(huán)節(jié)采用二極管三相橋式整流回路，整流輸出電壓990V。回饋環(huán)節(jié)主開關(guān)元件采用小容量IGBT(絕緣柵雙極晶體管)，IGBT組件可與逆變器柜的IGBT組件同容量互換，相對減少了備件量。

HBC混合型整流器的使用，大大降低了用戶在電源方面的投入。

由于二極管整流器的單向?qū)щ娞匦?，使得IGBT整流器回饋電流控制不使用PWM方式，IGBT觸發(fā)采

120°脈沖導通方式，所謂120°導通是指每個IGBT導通120°電角度，導通順序如圖2所示。120°脈沖導通方式保證了在任何瞬間僅兩個不在同一橋臂的IGBT處在導通狀態(tài)，IGBT之間的換流是在各自橋臂中進行，換句話說，就是共陰極橋臂和共陽極橋臂的IGBT之間不換流。

HBC整流器不控制直流電壓和直流電流，當系統(tǒng)檢測到逆變器側(cè)（負載側(cè)）總能量為負時，系統(tǒng)通過IGBT整流器自動將電流回饋給電網(wǎng)。這種公共直流母線結(jié)構(gòu)，在連續(xù)再生運轉(zhuǎn)、減速、停車時所產(chǎn)生的能量，可以直流電壓形式存儲并可作為驅(qū)動其它逆變器的能源。同時，也可把再生能量回饋給電網(wǎng)。圖3 為HBC的運行波形。1臺混合型整流器帶多臺逆變器的母線結(jié)構(gòu)，有力實現(xiàn)了系統(tǒng)配置小型化和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理化。

逆變器為二電平三相PWM逆變器，逆變器輸出波形完全取決于IGBT之間觸發(fā)脈沖的安排。以U相橋臂為例，來說明輸出電壓的產(chǎn)生。變頻器輸出電壓的波形以及IGBTP1和IGBTN1的狀態(tài)。

   交流電壓（矩形波）如圖4所示。輸出平均電壓（正弦波），如圖5所示。

a）在一定周期內(nèi)，IGBTU和IGBTX的導通時間比率相同，則平均輸出電壓為零。

b）在一定周期內(nèi)，IGBTU導通時間大于IGBTX導通時間，平均電壓輸出正電壓。

c）在一定周期內(nèi)，IGBTU導通時間小于IGBTX導通時間，平均電壓輸出負電壓。

通過對IGBTU和IGBTX的開、斷來控制輸出任意頻率和正弦波交流電壓。

1.  系統(tǒng)控制

2.1 系統(tǒng)硬件

無論是整流器還是逆變器，其控制系統(tǒng)均包括電源單元、處理器主板，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，用于進行系統(tǒng)的高速矢量控制運算，三角運算等，8層表面分布線路板，確保了各單元集成高速運算及高可靠性。

輸入輸出模板，將外部聯(lián)鎖與內(nèi)部信號有機結(jié)合，組成多數(shù)字量、多模擬量輸入/輸出通道。功放板，將脈沖信號進行隔離放大，以有效控制IGBT的導通與關(guān)斷來實現(xiàn)近似于正弦波的電壓輸出。

2.2 矢量控制

我們知道，將交流電機定子電流，分解成產(chǎn)生磁通的定子磁場電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的定子轉(zhuǎn)矩電流分量，使二者互成直角，相互獨立，分別進行調(diào)節(jié)，這是矢量控制基本出發(fā)點^[1]。交流異步電機在電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的意義與直流電機等效一致，即控制其磁通保持氣隙磁場的恒定，控制其定子電流轉(zhuǎn)矩分量控制電磁轉(zhuǎn)矩，以完成對磁通與轉(zhuǎn)矩的解耦控制。

在本紙機傳動系統(tǒng)中，逆變器的傳動矢量控制由速度基準、速度控制、D/Q軸電流控制、PWM控制器等組成，矢量控制結(jié)構(gòu)如圖6。另外，馬達調(diào)速其實真正調(diào)整的是電機轉(zhuǎn)矩，在矢量控制中，控制電流的結(jié)果，是控制輸出電壓。

SP_R：速度給定      T_R：轉(zhuǎn)矩給定       IQ_R：轉(zhuǎn)矩分量給定    IQ_F：IQ電流反饋

SP_F：速度反饋      SFC_R：SFC給定      ID_R：磁場分量給定    ID_F：ID電流反饋

SP_IMP：速度沖擊補償給定    θ：機械角      ω_r：轉(zhuǎn)子角速度

速度給定值來自于PLC系統(tǒng)，經(jīng)速度基準環(huán)節(jié)，將階躍信號轉(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，也是電機轉(zhuǎn)矩的基準。SFC_R是該系統(tǒng)另外一個特點。SFC，英文是Simulator Following Control。機械軸共振，是紙機機械經(jīng)常發(fā)生的情況。該功能從傳動方面有效地抑制了機械軸共振的發(fā)生。普通的速度控制，速度調(diào)節(jié)器直接輸出給電流調(diào)節(jié)器，速調(diào)輸出是負載轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩之和。增加SFC功能后，負載轉(zhuǎn)矩輸入后，加速轉(zhuǎn)矩從SFC的一階延遲環(huán)節(jié)計算得出。這時候，再和實際速度進行比較，得出一個偏差值，再進行放大運算處理并和速度控制的結(jié)果相加。這種控制對于改善由于大慣性負載沖擊后再恢復(fù)響應(yīng)非常有效。

傳感器輸出機械角θ信號，從系統(tǒng)接口XIO板進入CTR主控板，經(jīng)R/D轉(zhuǎn)換成θ_r，再以轉(zhuǎn)子角速度ω_r形式，直接將速度反饋送到速度調(diào)節(jié)器。

轉(zhuǎn)矩給定T_R將來自于速度調(diào)節(jié)器的SFC_T_R進行轉(zhuǎn)矩限制處理和di/dt運算，求出最終的轉(zhuǎn)矩基準IQ_R信號。ID_R是磁通給定信號，它有以下功能：在基速以下，保持磁通恒定，電機恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；基速以上，保持電壓恒定，磁通按一定比例減少，電機恒功率調(diào)速。

處理器主板在矢量計算控制系統(tǒng)完成IGBT觸發(fā)信號后，把觸發(fā)脈沖傳送到逆變器，控制IGBT導通和關(guān)斷，得到所需電機近似于正弦波的輸入電壓和頻率，進而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。

2.3數(shù)據(jù)通信

傳動系統(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)見圖7。

EN：Ethernet接口模板    I/O：輸入輸出模板   EGD: Ethernet Global data

FL-NET：FL-NET模板      Switch：開關(guān)        

PLC系統(tǒng)配置了一塊FL612接口模塊和一塊EGD模塊，與各變頻器進行數(shù)據(jù)交換。各變頻器地址均在EGD中配置，傳動與PLC及傳動與傳動之間數(shù)據(jù)交換都是通過EGD來完成。

FL-NET網(wǎng)絡(luò)以Ethernet為物理層，采用總線拓撲結(jié)構(gòu)，是日本采納的一種PLC網(wǎng)絡(luò)標準，其協(xié)議棧高層為UDP/IP+ UDP/IP+獨自循環(huán)通信協(xié)議，以保證通信的實時性。

PLC系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換基于EGD(Ethernet Global Data)以太網(wǎng)全局數(shù)據(jù)處理通信，EGD協(xié)議是美國GE自動化公司基于以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，它以數(shù)據(jù)報文形式在一個發(fā)送者和多個發(fā)送者之間實現(xiàn)100Mbps數(shù)據(jù)高速傳送，遵循UDP/IP獨自循環(huán)通信協(xié)議。數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔短，安全性強，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5中可以看出，這是一個典型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，TMd-10e2提供了多種調(diào)試手段，從靜態(tài)的電機自測試到負荷調(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)化測試

TMEIC稱之為Drive Product Wizards，其目的是獲得變頻器所驅(qū)動電機的物理特性，

如被控電機的定子等效漏感和轉(zhuǎn)子等效阻抗等等，以保證電機模型參數(shù)的準確。系統(tǒng)的穩(wěn)定，取決于該自 測試的精度。

3.2 電流環(huán)調(diào)整

電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，在紙機機械中，一般將電流響應(yīng)調(diào)整為無超調(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對最終值95％的響應(yīng)里。

3.3 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，以加快跟隨外界負荷變化的調(diào)整。速度環(huán)的最終調(diào)試，是

在機械帶負荷以后，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，基速以上速度對磁鏈的功能要調(diào)整。因為在基速以上時，磁通調(diào)節(jié)器的作用就是改變磁鏈來控制電機電壓。

3.4 負荷分配控制調(diào)整

對于主從控制的電機，以Yankee烘缸為例，烘缸由兩臺相同功率電機驅(qū)動，Yankee1為主電機(Master)，控制模式為速度控制，Yankee2為從電機(Slave)，控制模式是轉(zhuǎn)矩控制， Yankee1轉(zhuǎn)矩電流通過EGD通信直接輸入到Y(jié)ankee2傳動系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器輸入端，轉(zhuǎn)矩分配比例0.5-1.5可調(diào)整，以確保Yankee2電機與Yankee1電機速度同步。

4.  結(jié)論

TMdrive-10e2傳動系統(tǒng)在完成調(diào)試投入生產(chǎn)以來，運行穩(wěn)定可靠，故障率很低，各項性能指標均達到設(shè)計要求，而且傳動系統(tǒng)設(shè)計的合理性，使得無需考慮諧波對電網(wǎng)的影響，從而大大減少了對電源裝置的投入。低成本混合型整流器的開發(fā)使用，極大滿足了當今綠色環(huán)保、節(jié)能的理念。

參考文獻

[1]    佟純厚. 近代交流調(diào)速[M].北京：北京冶金出版社，1995.

[2]    TOSHIBA IGBT INVERTER &CONVERTER INSTRUCTION MANUAL

[作者]簡介： 趙鋼城（1967－ ），男，安徽馬鞍山人，工程師，主要從事自動化設(shè)備調(diào)試與設(shè)計工作