TMEIC中高压IGBT变频器在高速卫生纸机的应用

0.  引言

海南金海浆纸为印尼金光集团所属亚洲浆纸业股份有限公司（Asia Pulp & Paper，简称APP）在中国最大的浆纸厂，2013年新增12条卫生纸机工程。12台卫生纸机分布从TM31到TM42，烘缸(Yankee)由意大利Acelli公司提供，两台电机同轴驱动，采取主从控制模式。纸机总容量达到2660kW。纸机最高速度1800m/min，纸幅宽度2860mm。传动系统采用TMEIC公司TMd-10e2 & P10e2矢量控制交流系统，PLC系统采用TMEIC公司V系列2000集成控制器。

1.  传动系统结构

TMdrive－10e2是一种PWM矢量控制IGBT变频器装置，公共直流母线结构，系统采用690V

电压等级，最大容量2400Frame。

图1为总体传动结构简图。

ACB：交流断路器    IU～IW：电流反馈检测    1DU～1DW/1DX～1DZ：整流二极管      

ACL：交流电抗器    SP_F：速度反馈检测      IGBTU～IGBTW/IGBTU～IGBTW:IGBT  

整流变压器容量3150kVA，变比35000V/690V，12台整流变压器间隔采用Δ/Δ-0和Δ/Y-11的优化连接，其目的是使进线网侧电流总谐波畸变率THD（Total Harmonics Distortion）为最小。

公用整流器是一种逆变回馈混合型整流器（Hybrid Converter，简称HBC），由二极管整流和IGBT回馈两部分构成,独立柜式结构，输出直流电压990V。

该整流器的最大特点就是结构简单，成本低廉，整流环节采用二极管三相桥式整流回路，整流输出电压990V。回馈环节主开关元件采用小容量IGBT(绝缘栅双极晶体管)，IGBT组件可与逆变器柜的IGBT组件同容量互换，相对减少了备件量。

HBC混合型整流器的使用，大大降低了用户在电源方面的投入。

由于二极管整流器的单向导电特性，使得IGBT整流器回馈电流控制不使用PWM方式，IGBT触发采

120°脉冲导通方式，所谓120°导通是指每个IGBT导通120°电角度，导通顺序如图2所示。120°脉冲导通方式保证了在任何瞬间仅两个不在同一桥臂的IGBT处在导通状态，IGBT之间的换流是在各自桥臂中进行，换句话说，就是共阴极桥臂和共阳极桥臂的IGBT之间不换流。

HBC整流器不控制直流电压和直流电流，当系统检测到逆变器侧（负载侧）总能量为负时，系统通过IGBT整流器自动将电流回馈给电网。这种公共直流母线结构，在连续再生运转、减速、停车时所产生的能量，可以直流电压形式存储并可作为驱动其它逆变器的能源。同时，也可把再生能量回馈给电网。图3 为HBC的运行波形。1台混合型整流器带多台逆变器的母线结构，有力实现了系统配置小型化和系统结构经济合理化。

逆变器为二电平三相PWM逆变器，逆变器输出波形完全取决于IGBT之间触发脉冲的安排。以U相桥臂为例，来说明输出电压的产生。变频器输出电压的波形以及IGBTP1和IGBTN1的状态。

   交流电压（矩形波）如图4所示。输出平均电压（正弦波），如图5所示。

a）在一定周期内，IGBTU和IGBTX的导通时间比率相同，则平均输出电压为零。

b）在一定周期内，IGBTU导通时间大于IGBTX导通时间，平均电压输出正电压。

c）在一定周期内，IGBTU导通时间小于IGBTX导通时间，平均电压输出负电压。

通过对IGBTU和IGBTX的开、断来控制输出任意频率和正弦波交流电压。

1.  系统控制

2.1 系统硬件

无论是整流器还是逆变器，其控制系统均包括电源单元、处理器主板，输入输出模板，功放板，通信板，IGBT组件单元。微处理器PP7EX2是东芝电力电子专用处理器，这是一种32位高性能微处理器，用于进行系统的高速矢量控制运算，三角运算等，8层表面分布线路板，确保了各单元集成高速运算及高可靠性。

输入输出模板，将外部联锁与内部信号有机结合，组成多数字量、多模拟量输入/输出通道。功放板，将脉冲信号进行隔离放大，以有效控制IGBT的导通与关断来实现近似于正弦波的电压输出。

2.2 矢量控制

我们知道，将交流电机定子电流，分解成产生磁通的定子磁场电流分量和产生转矩的定子转矩电流分量，使二者互成直角，相互独立，分别进行调节，这是矢量控制基本出发点^[1]。交流异步电机在电磁转矩产生的意义与直流电机等效一致，即控制其磁通保持气隙磁场的恒定，控制其定子电流转矩分量控制电磁转矩，以完成对磁通与转矩的解耦控制。

在本纸机传动系统中，逆变器的传动矢量控制由速度基准、速度控制、D/Q轴电流控制、PWM控制器等组成，矢量控制结构如图6。另外，马达调速其实真正调整的是电机转矩，在矢量控制中，控制电流的结果，是控制输出电压。

SP_R：速度给定      T_R：转矩给定       IQ_R：转矩分量给定    IQ_F：IQ电流反馈

SP_F：速度反馈      SFC_R：SFC给定      ID_R：磁场分量给定    ID_F：ID电流反馈

SP_IMP：速度冲击补偿给定    θ：机械角      ω_r：转子角速度

速度给定值来自于PLC系统，经速度基准环节，将阶跃信号转化成斜坡给定，输出到速度控制器。速度调节器的输出，既是电流调节器的给定，也是电机转矩的基准。SFC_R是该系统另外一个特点。SFC，英文是Simulator Following Control。机械轴共振，是纸机机械经常发生的情况。该功能从传动方面有效地抑制了机械轴共振的发生。普通的速度控制，速度调节器直接输出给电流调节器，速调输出是负载转矩与加速转矩之和。增加SFC功能后，负载转矩输入后，加速转矩从SFC的一阶延迟环节计算得出。这时候，再和实际速度进行比较，得出一个偏差值，再进行放大运算处理并和速度控制的结果相加。这种控制对于改善由于大惯性负载冲击后再恢复响应非常有效。

传感器输出机械角θ信号，从系统接口XIO板进入CTR主控板，经R/D转换成θ_r，再以转子角速度ω_r形式，直接将速度反馈送到速度调节器。

转矩给定T_R将来自于速度调节器的SFC_T_R进行转矩限制处理和di/dt运算，求出最终的转矩基准IQ_R信号。ID_R是磁通给定信号，它有以下功能：在基速以下，保持磁通恒定，电机恒转矩调速；基速以上，保持电压恒定，磁通按一定比例减少，电机恒功率调速。

处理器主板在矢量计算控制系统完成IGBT触发信号后，把触发脉冲传送到逆变器，控制IGBT导通和关断，得到所需电机近似于正弦波的输入电压和频率，进而调节电机转速。

2.3数据通信

传动系统和PLC间通信采用FL-NET总线,光纤连接，变频器与HUB之间，以太网通讯。结构见图7。

EN：Ethernet接口模板    I/O：输入输出模板   EGD: Ethernet Global data

FL-NET：FL-NET模板      Switch：开关        

PLC系统配置了一块FL612接口模块和一块EGD模块，与各变频器进行数据交换。各变频器地址均在EGD中配置，传动与PLC及传动与传动之间数据交换都是通过EGD来完成。

FL-NET网络以Ethernet为物理层，采用总线拓扑结构，是日本采纳的一种PLC网络标准，其协议栈高层为UDP/IP+ UDP/IP+独自循环通信协议，以保证通信的实时性。

PLC系统与传动系统间数据交换基于EGD(Ethernet Global Data)以太网全局数据处理通信，EGD协议是美国GE自动化公司基于以太网技术的数据交换协议，它以数据报文形式在一个发送者和多个发送者之间实现100Mbps数据高速传送，遵循UDP/IP独自循环通信协议。数据发送时间间隔短，安全性强，不易丢失，各站为双向角色，既是服务器也是客户端。

3.  系统调试

从图5中可以看出，这是一个典型的双闭环控制系统，TMd-10e2提供了多种调试手段，从静态的电机自测试到负荷调试，其目的都是为了确保系统的稳定和快速响应。

3.1 系统转矩优化测试

TMEIC称之为Drive Product Wizards，其目的是获得变频器所驱动电机的物理特性，

如被控电机的定子等效漏感和转子等效阻抗等等，以保证电机模型参数的准确。系统的稳定，取决于该自 测试的精度。

3.2 电流环调整

电流环作为内环，在纸机机械中，一般将电流响应调整为无超调，以保证内环的稳定。最终响应曲线数据在TEST 26电流环调试中获得。最终电流环响应系数作用反映在电流调节器3ms～5ms对最终值95％的响应里。

3.3 速度环调整

   速度环是外环，速度响应是要有超调的，以加快跟随外界负荷变化的调整。速度环的最终调试，是

在机械带负荷以后，其速度响应曲线数据在TEST 22速度环调试中获得。

在弱磁功能被使用时，基速以上速度对磁链的功能要调整。因为在基速以上时，磁通调节器的作用就是改变磁链来控制电机电压。

3.4 负荷分配控制调整

对于主从控制的电机，以Yankee烘缸为例，烘缸由两台相同功率电机驱动，Yankee1为主电机(Master)，控制模式为速度控制，Yankee2为从电机(Slave)，控制模式是转矩控制， Yankee1转矩电流通过EGD通信直接输入到Yankee2传动系统的速度调节器输入端，转矩分配比例0.5-1.5可调整，以确保Yankee2电机与Yankee1电机速度同步。

4.  结论

TMdrive-10e2传动系统在完成调试投入生产以来，运行稳定可靠，故障率很低，各项性能指标均达到设计要求，而且传动系统设计的合理性，使得无需考虑谐波对电网的影响，从而大大减少了对电源装置的投入。低成本混合型整流器的开发使用，极大满足了当今绿色环保、节能的理念。

参考文献

[1]    佟纯厚. 近代交流调速[M].北京：北京冶金出版社，1995.

[2]    TOSHIBA IGBT INVERTER &CONVERTER INSTRUCTION MANUAL

[作者]简介： 赵钢城（1967－ ），男，安徽马鞍山人，工程师，主要从事自动化设备调试与设计工作