化纖卷絲機(jī)變頻控制器的設(shè)計(jì)
鐘莉娟， 田書(shū)欣， 顏偉鵬，楊喜軍， 姜建國(guó)
(上海交通大學(xué)電氣工程系，上海200240)
摘要：為r節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平，化纖卷絲機(jī)已廣泛采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。在理論分析和仿真分析比較采用正弦脈寬調(diào)制(sPwM)和諧波注入脈寬調(diào)制(PwM)逆變器電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，基于逆變器開(kāi)關(guān)損耗公式，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種開(kāi)關(guān)損耗可計(jì)、額定功率250 w的化纖卷絲機(jī)變頻調(diào)速控制器。采用增量積分分離式PID控制策略，實(shí)現(xiàn)了卷絲機(jī)吊桿升頭平穩(wěn)控制和運(yùn)行中恒定張力控制，試驗(yàn)結(jié)果表明該卷絲機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行可靠，逆變器sPM模塊的長(zhǎng)期運(yùn)行溫升不超過(guò)50oc，可滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。
關(guān)鍵詞：化纖卷絲機(jī)；張力控制；變頻器
0 引 言
隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)控制的變頻器在提高自動(dòng)化水平上起了很大作用。尤其在環(huán)保和節(jié)能越來(lái)越重要的當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)電效果和優(yōu)良的調(diào)速性能，廣泛應(yīng)用于化纖卷絲生產(chǎn)設(shè)備上。卷絲張力是卷絲工藝中決定產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要參數(shù)，保持恒定適當(dāng)?shù)睦@線張力非常重要：張力適當(dāng)，能使得卷成的筒子成形良好、結(jié)構(gòu)緊密而不損傷紗線的物理機(jī)械性能；張力過(guò)大，將使紗線喪失彈性，不利于織造；若張力過(guò)小，會(huì)使筒子成形不良，易塌邊脫圈，且斷頭時(shí)紗線容易嵌入筒子內(nèi)部，接頭時(shí)不易找頭，進(jìn)而降低工作效率。因此，繞線過(guò)程中，必須控制紗線的張力，使張力適度、均勻，盡量減少紗線的張力波動(dòng)，從而使筒子卷繞密度達(dá)到內(nèi)外均勻一致，保證筒子成形良好。另一方面，化纖廠環(huán)境惡劣，存在有腐蝕性氣體，電路板需要密封安裝，不易散熱，同時(shí)存在電磁環(huán)境惡劣等問(wèn)題。綜上所述，為解決上述問(wèn)題，運(yùn)用逆變器的諧波注入脈寬調(diào)制(PwM)算法、積分分離增量式PI張力控制策略，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套額定功率為250 w的化纖卷絲機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，可滿足生產(chǎn)要求。
1諧波注入PwM的原理
1．1 三次諧波注入逆變器損耗計(jì)算
單相交流供電的交-直-交變頻器的功率電路如圖l所示，圖中發(fā)熱器件主要包括整流橋二極管和逆變器絕緣柵雙極晶體管(IGBT)及續(xù)流二極管。整流橋的損耗與二極管的導(dǎo)通角、通過(guò)電流波形、負(fù)載大小、二極管的開(kāi)關(guān)特性、電解電容容量等因素有關(guān)，逆變器的損耗與負(fù)載大小、負(fù)載特性、IGBT及續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)特性、開(kāi)關(guān)頻率和調(diào)制算法等因素有關(guān)。鑒于整流橋的損耗不可控，本文只關(guān)心逆變器的損耗。忽略斷態(tài)損耗后，IGBT的損耗主要包括通態(tài)損耗、開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗。續(xù)流二極管的損耗主要包括通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗．
對(duì)于常規(guī)正弦脈寬調(diào)制(sPwM)算法，給定初相為零的三相期望輸出相電壓函數(shù)：
假設(shè)電壓源逆變器一電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)工作在正常的電動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)定子電流為正弦波型，負(fù)載角即電動(dòng)機(jī)定子側(cè)功率因數(shù)角為θ，根據(jù)逆變器的IGBT調(diào)制原理及其反并聯(lián)續(xù)流二極管的續(xù)流過(guò)程跨越時(shí)間各占半個(gè)電動(dòng)機(jī)輸入周期，脈沖寬度按照正弦半波規(guī)律分布，可以推導(dǎo)出每只IGBT的通態(tài)平均功耗為：
其中：積分上下限為[O，π]；Ipsinωot為電動(dòng)機(jī)定子正弦電流；L為電動(dòng)機(jī)定子正弦電流峰值；Vce(sat)(@Ipsin ωot)為電動(dòng)機(jī)定子正弦電流時(shí)IGBT的飽和壓降，即通態(tài)電壓；[1+msin(ωot+θ)]／2表示驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比；m代表驅(qū)動(dòng)脈沖的調(diào)制度；ω代表電動(dòng)機(jī)基波電壓角頻率。不同負(fù)載電流所引起的飽和壓降，應(yīng)查閱IGBT相應(yīng)的飽和壓降一通態(tài)電流曲線。
可以推導(dǎo)出每只FwD的通態(tài)平均功耗為：
其中：積分上下限為[π，2π]；-Ipsinωot表示正的電動(dòng)機(jī)定子正弦電流；Vce[@(-Ipsinωot)]表示電動(dòng)機(jī)定子正弦電流時(shí)FwD的飽和壓降。不同負(fù)載電流所引起的飽和壓降，應(yīng)查閱相應(yīng)曲線。
可以推導(dǎo)出每只IGBT的開(kāi)關(guān)平均功耗為：
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