化纤卷丝机变频控制器的设计
钟莉娟， 田书欣， 颜伟鹏，杨喜军， 姜建国
(上海交通大学电气工程系，上海200240)
摘要：为r节能降耗、提高生产率和自动化水平，化纤卷丝机已广泛采用变频调速控制系统。在理论分析和仿真分析比较采用正弦脉宽调制(sPwM)和谐波注入脉宽调制(PwM)逆变器电动机传动系统中，基于逆变器开关损耗公式，设计和实现了一种开关损耗可计、额定功率250 w的化纤卷丝机变频调速控制器。采用增量积分分离式PID控制策略，实现了卷丝机吊杆升头平稳控制和运行中恒定张力控制，试验结果表明该卷丝机变频调速系统运行可靠，逆变器sPM模块的长期运行温升不超过50oc，可满足实际生产需要。
关键词：化纤卷丝机；张力控制；变频器
0 引 言
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的发展，微机控制的变频器在提高自动化水平上起了很大作用。尤其在环保和节能越来越重要的当今工业领域，变频调速技术以其显著的节电效果和优良的调速性能，广泛应用于化纤卷丝生产设备上。卷丝张力是卷丝工艺中决定产品质量和生产效率的重要参数，保持恒定适当的绕线张力非常重要：张力适当，能使得卷成的筒子成形良好、结构紧密而不损伤纱线的物理机械性能；张力过大，将使纱线丧失弹性，不利于织造；若张力过小，会使筒子成形不良，易塌边脱圈，且断头时纱线容易嵌入筒子内部，接头时不易找头，进而降低工作效率。因此，绕线过程中，必须控制纱线的张力，使张力适度、均匀，尽量减少纱线的张力波动，从而使筒子卷绕密度达到内外均匀一致，保证筒子成形良好。另一方面，化纤厂环境恶劣，存在有腐蚀性气体，电路板需要密封安装，不易散热，同时存在电磁环境恶劣等问题。综上所述，为解决上述问题，运用逆变器的谐波注入脉宽调制(PwM)算法、积分分离增量式PI张力控制策略，设计实现了一套额定功率为250 w的化纤卷丝机变频调速系统，可满足生产要求。
1谐波注入PwM的原理
1．1 三次谐波注入逆变器损耗计算
单相交流供电的交-直-交变频器的功率电路如图l所示，图中发热器件主要包括整流桥二极管和逆变器绝缘栅双极晶体管(IGBT)及续流二极管。整流桥的损耗与二极管的导通角、通过电流波形、负载大小、二极管的开关特性、电解电容容量等因素有关，逆变器的损耗与负载大小、负载特性、IGBT及续流二极管的开关特性、开关频率和调制算法等因素有关。鉴于整流桥的损耗不可控，本文只关心逆变器的损耗。忽略断态损耗后，IGBT的损耗主要包括通态损耗、开通损耗、关断损耗。续流二极管的损耗主要包括通态损耗和关断损耗．
对于常规正弦脉宽调制(sPwM)算法，给定初相为零的三相期望输出相电压函数：
假设电压源逆变器一电动机传动系统工作在正常的电动状态，电动机定子电流为正弦波型，负载角即电动机定子侧功率因数角为θ，根据逆变器的IGBT调制原理及其反并联续流二极管的续流过程跨越时间各占半个电动机输入周期，脉冲宽度按照正弦半波规律分布，可以推导出每只IGBT的通态平均功耗为：
其中：积分上下限为[O，π]；Ipsinωot为电动机定子正弦电流；L为电动机定子正弦电流峰值；Vce(sat)(@Ipsin ωot)为电动机定子正弦电流时IGBT的饱和压降，即通态电压；[1+msin(ωot+θ)]／2表示驱动脉冲的占空比；m代表驱动脉冲的调制度；ω代表电动机基波电压角频率。不同负载电流所引起的饱和压降，应查阅IGBT相应的饱和压降一通态电流曲线。
可以推导出每只FwD的通态平均功耗为：
其中：积分上下限为[π，2π]；-Ipsinωot表示正的电动机定子正弦电流；Vce[@(-Ipsinωot)]表示电动机定子正弦电流时FwD的饱和压降。不同负载电流所引起的饱和压降，应查阅相应曲线。
可以推导出每只IGBT的开关平均功耗为：
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