中高压IGBT变频器在高速卫生纸机的应用

【摘要】海南APP集团新增卫生纸机项目使用了TMEIC公司IGBT交直交变频矢量控制系统，该系统采用PWM矢量控制原理，运行稳定，故障率低。本文主要介绍该系统结构及系统调试分析。

【关键词】交直交变频器；矢量控制；系统调试

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在中国最大浆纸厂，2013年新增12条卫生纸机生产线，采用TMEIC公司TMd-10e2矢量控制交流系统和V系列2000集成控制系统，系统结构简洁，运行稳定。

12台卫生纸机分布从TM31到TM42。烘缸（Yankee）由意大利Acelli公司提供，双电机同轴驱动，采取主从控制模式。纸机总容量2660kW，速度1800m/min，纸幅宽度2860mm。

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，整流器输出电压990V。

公用整流器采用一种新型可回馈逆变混合型整流器（Hybrid Converter，简称HBC），由整流和回馈两部分构成， 独立柜式结构。整流柜主开关元件为二极管整流，回馈柜主开关元件采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

具体线路结构图见图1。

整流变压器容量为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为最小。

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。这种结构，在连续再生运转时，或经常减速或停车时所产生的再生能源，可以直流电压的形式存储并可作为驱动其它逆变器的能源。另外，具有电源再生能力的IGBT整流器可以把再生电源返回到交流电源中。

逆变器为二电平三相PWM逆变器，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，以及交流电压（矩形波）如图2所示。输出平均电压（正弦波），如图3所示。

a.IGBTU和IGBTX的导通时间比率相同，则平均输出电压为零。b.IGBTU导通时间大于IGBTX导通时间，平均电压输出正电压。c.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、断控制完成输出任意频率和正弦波交流电压。

2、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、主板，输入输出模板，功放板，通信板，IGBT组件单元。微处理器PP7EX2是东芝公司最新型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。 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，控制结构如图4。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。

速度给定值来自于PLC系统，经过速度基准环节后，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。转矩给定T_R将来自于速度调节器的SFC_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。

主板在矢量控制系统完成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5。

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的通信及传动与传动之间的通信都是通过EGD来完成数据交换的。

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，保证了通信的实时性。

完成PLC系统与传动系统间数据交换基于EGD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4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自测试功能，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。

3.2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。

4、结论

TMEIC传动系统自投入生产以来，各项性能指标均达到设计要求，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使用，极大满足了当今绿色环保、节能的理念。