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應(yīng)用設(shè)計

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TMEIC中高壓IGBT變頻器在高速衛(wèi)生紙機(jī)的應(yīng)用

TMEIC中高壓IGBT變頻器在高速衛(wèi)生紙機(jī)的應(yīng)用

0.  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(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(jī)工程。12臺衛(wèi)生紙機(jī)分布從TM31到TM42,烘缸(Yankee)由意大利Acelli公司提供,兩臺電機(jī)同軸驅(qū)動,采取主從控制模式。紙機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到2660kW。紙機(jī)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~I(xiàn)W: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~I(xiàn)GBTW/IGBTU~I(xiàn)GBTW: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(jìn)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?;仞伃h(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(dǎo)通方式,所謂120°導(dǎo)通是指每個IGBT導(dǎo)通120°電角度,導(dǎo)通順序如圖2所示。120°脈沖導(dǎo)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(dǎo)通狀態(tài),IGBT之間的換流是在各自橋臂中進(jìn)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(dāng)系統(tǒng)檢測到逆變器側(cè)(負(fù)載側(cè))總能量為負(fù)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(yùn)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(yùn)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(jì)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(dǎo)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(dǎo)通時間大于IGBTX導(dǎo)通時間,平均電壓輸出正電壓。

c)在一定周期內(nèi),IGBTU導(dǎo)通時間小于IGBTX導(dǎo)通時間,平均電壓輸出負(fù)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(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,將脈沖信號進(jìn)行隔離放大,以有效控制IGBT的導(dǎo)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(jī)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(jìn)行調(diào)節(jié),這是矢量控制基本出發(fā)點[1]。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(jī)傳動系統(tǒng)中,逆變器的傳動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,矢量控制結(jié)構(gòu)如圖6。另外,馬達(dá)調(diào)速其實真正調(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。

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(bǔ)償給定    θ:機(jī)械角      ωr:轉(zhuǎn)子角速度

速度給定值來自于PLC系統(tǒng),經(jīng)速度基準(zhǔn)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(jī)轉(zhuǎn)矩的基準(zhǔn)。SFC_R是該系統(tǒng)另外一個特點。SFC,英文是Simulator Following Control。機(jī)械軸共振,是紙機(jī)機(jī)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(jī)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(fù)載轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩之和。增加SFC功能后,負(fù)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(jìn)行比較,得出一個偏差值,再進(jìn)行放大運(yùn)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(fù)載沖擊后再恢復(fù)響應(yīng)非常有效。

傳感器輸出機(jī)械角θ信號,從系統(tǒng)接口XIO板進(jìn)入CTR主控板,經(jīng)R/D轉(zhuǎn)換成θr,再以轉(zhuǎn)子角速度ωr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(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。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(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。

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(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(jìn)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?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?jǐn)?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(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(jī)自測試到負(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)化測試

TMEIC稱之為Drive Product Wizards,其目的是獲得變頻器所驅(qū)動電機(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(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,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(jī)電壓。

3.4 負(fù)荷分配控制調(diào)整

對于主從控制的電機(jī),以Yankee烘缸為例,烘缸由兩臺相同功率電機(jī)驅(qū)動,Yankee1為主電機(jī)(Master),控制模式為速度控制,Yankee2為從電機(jī)(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(jī)與Yankee1電機(jī)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(yùn)行穩(wěn)定可靠,故障率很低,各項性能指標(biāo)均達(dá)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(dāng)今綠色環(huán)保、節(jié)能的理念。

參考文獻(xiàn)

[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

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