0.  引言

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

1.  傳動系統結構

TMdrive－10e2是一種PWM矢量控制IGBT變頻器裝置，公共直流母線結構，系統采用690V

電壓等級，最大容量2400Frame。

圖1為總體傳動結構簡圖。

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的優化連接，其目的是使進線網側電流總諧波畸變率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回饋兩部分構成,獨立柜式結構，輸出直流電壓990V。

該整流器的最大特點就是結構簡單，成本低廉，整流環節采用二極管三相橋式整流回路，整流輸出電壓990V。回饋環節主開關元件采用小容量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導電特性，使得IGBT整流器回饋電流控制不使用PWM方式，IGBT觸發采

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，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，當系統檢測到逆變器側（負載側）總能量為負時，系統通過IGBT整流器自動將電流回饋給電網。這種公共直流母線結構，在連續再生運轉、減速、停車時所產生的能量，可以直流電壓形式存儲并可作為驅動其它逆變器的能源。同時，也可把再生能量回饋給電網。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構，有力實現了系統配置小型化和系統結構經濟合理化。

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之間觸發脈沖的安排。以U相橋臂為例，來說明輸出電壓的產生。變頻器輸出電壓的波形以及IGBTP1和IGBTN1的狀態。

   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，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，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，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.  系統控制

2.1 系統硬件

無論是整流器還是逆變器，其控制系統均包括電源單元、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，將外部聯鎖與內部信號有機結合，組成多數字量、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的導通與關斷來實現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，分解成產生磁通的定子磁場電流分量和產生轉矩的定子轉矩電流分量，使二者互成直角，相互獨立，分別進行調節，這是矢量控制基本出發點^[1]。交流異步電機在電磁轉矩產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，控制其定子電流轉矩分量控制電磁轉矩，以完成對磁通與轉矩的解耦控制。

在本紙機傳動系統中，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，矢量控制結構如圖6。另外，馬達調速其實真正調整的是電機轉矩，在矢量控制中，控制電流的結果，是控制輸出電壓。

SP_R：速度給定      T_R：轉矩給定       IQ_R：轉矩分量給定    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：轉子角速度

速度給定值來自于PLC系統，經速度基準環節，將階躍信號轉化成斜坡給定，輸出到速度控制器。速度調節器的輸出，既是電流調節器的給定，也是電機轉矩的基準。SFC_R是該系統另外一個特點。SFC，英文是Simulator Following Control。機械軸共振，是紙機機械經常發生的情況。該功能從傳動方面有效地抑制了機械軸共振的發生。普通的速度控制，速度調節器直接輸出給電流調節器，速調輸出是負載轉矩與加速轉矩之和。增加SFC功能后，負載轉矩輸入后，加速轉矩從SFC的一階延遲環節計算得出。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果相加。這種控制對于改善由于大慣性負載沖擊后再恢復響應非常有效。

傳感器輸出機械角θ信號，從系統接口XIO板進入CTR主控板，經R/D轉換成θ_r，再以轉子角速度ω_r形式，直接將速度反饋送到速度調節器。

轉矩給定T_R將來自于速度調節器的SFC_T_R進行轉矩限制處理和di/dt運算，求出最終的轉矩基準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，電機恒轉矩調速；基速以上，保持電壓恒定，磁通按一定比例減少，電機恒功率調速。

處理器主板在矢量計算控制系統完成IGBT觸發信號后，把觸發脈沖傳送到逆變器，控制IGBT導通和關斷，得到所需電機近似于正弦波的輸入電壓和頻率，進而調節電機轉速。

2.3數據通信

傳動系統和PLC間通信采用FL-NET總線,光纖連接，變頻器與HUB之間，以太網通訊。結構見圖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        

PLC系統配置了一塊FL612接口模塊和一塊EGD模塊，與各變頻器進行數據交換。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據交換都是通過EGD來完成。

FL-NET網絡以Ethernet為物理層，采用總線拓撲結構，是日本采納的一種PLC網絡標準，其協議棧高層為UDP/IP+ UDP/IP+獨自循環通信協議，以保證通信的實時性。

PLC系統與傳動系統間數據交換基于EGD(Ethernet Global Data)以太網全局數據處理通信，EGD協議是美國GE自動化公司基于以太網技術的數據交換協議，它以數據報文形式在一個發送者和多個發送者之間實現100Mbps數據高速傳送，遵循UDP/IP獨自循環通信協議。數據發送時間間隔短，安全性強，不易丟失，各站為雙向角色，既是服務器也是客戶端。

3.  系統調試

從圖5中可以看出，這是一個典型的雙閉環控制系統，TMd-10e2提供了多種調試手段，從靜態的電機自測試到負荷調試，其目的都是為了確保系統的穩定和快速響應。

3.1 系統轉矩優化測試

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

如被控電機的定子等效漏感和轉子等效阻抗等等，以保證電機模型參數的準確。系統的穩定，取決于該自 測試的精度。

3.2 電流環調整

電流環作為內環，在紙機機械中，一般將電流響應調整為無超調，以保證內環的穩定。最終響應曲線數據在TEST 26電流環調試中獲得。最終電流環響應系數作用反映在電流調節器3ms～5ms對最終值95％的響應里。

3.3 速度環調整

   速度環是外環，速度響應是要有超調的，以加快跟隨外界負荷變化的調整。速度環的最終調試，是

在機械帶負荷以后，其速度響應曲線數據在TEST 22速度環調試中獲得。

在弱磁功能被使用時，基速以上速度對磁鏈的功能要調整。因為在基速以上時，磁通調節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)，控制模式是轉矩控制， Yankee1轉矩電流通過EGD通信直接輸入到Yankee2傳動系統的速度調節器輸入端，轉矩分配比例0.5-1.5可調整，以確保Yankee2電機與Yankee1電機速度同步。

4.  結論

TMdrive-10e2傳動系統在完成調試投入生產以來，運行穩定可靠，故障率很低，各項性能指標均達到設計要求，而且傳動系統設計的合理性，使得無需考慮諧波對電網的影響，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使用，極大滿足了當今綠色環保、節能的理念。

參考文獻

[1]    佟純厚. 近代交流調速[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，主要從事自動化設備調試與設計工作