化纖卷絲機變頻控制器的設計
鐘莉娟， 田書欣， 顏偉鵬，楊喜軍， 姜建國
(上海交通大學電氣工程系，上海200240)
摘要：為r節能降耗、提高生產率和自動化水平，化纖卷絲機已廣泛采用變頻調速控制系統。在理論分析和仿真分析比較采用正弦脈寬調制(sPwM)和諧波注入脈寬調制(PwM)逆變器電動機傳動系統中，基于逆變器開關損耗公式，設計和實現了一種開關損耗可計、額定功率250 w的化纖卷絲機變頻調速控制器。采用增量積分分離式PID控制策略，實現了卷絲機吊桿升頭平穩控制和運行中恒定張力控制，試驗結果表明該卷絲機變頻調速系統運行可靠，逆變器sPM模塊的長期運行溫升不超過50oc，可滿足實際生產需要。
關鍵詞：化纖卷絲機；張力控制；變頻器
0 引 言
隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的發展，微機控制的變頻器在提高自動化水平上起了很大作用。尤其在環保和節能越來越重要的當今工業領域，變頻調速技術以其顯著的節電效果和優良的調速性能，廣泛應用于化纖卷絲生產設備上。卷絲張力是卷絲工藝中決定產品質量和生產效率的重要參數，保持恒定適當的繞線張力非常重要：張力適當，能使得卷成的筒子成形良好、結構緊密而不損傷紗線的物理機械性能；張力過大，將使紗線喪失彈性，不利于織造；若張力過小，會使筒子成形不良，易塌邊脫圈，且斷頭時紗線容易嵌入筒子內部，接頭時不易找頭，進而降低工作效率。因此，繞線過程中，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，從而使筒子卷繞密度達到內外均勻一致，保證筒子成形良好。另一方面，化纖廠環境惡劣，存在有腐蝕性氣體，電路板需要密封安裝，不易散熱，同時存在電磁環境惡劣等問題。綜上所述，為解決上述問題，運用逆變器的諧波注入脈寬調制(PwM)算法、積分分離增量式PI張力控制策略，設計實現了一套額定功率為250 w的化纖卷絲機變頻調速系統，可滿足生產要求。
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)及續流二極管。整流橋的損耗與二極管的導通角、通過電流波形、負載大小、二極管的開關特性、電解電容容量等因素有關，逆變器的損耗與負載大小、負載特性、IGBT及續流二極管的開關特性、開關頻率和調制算法等因素有關。鑒于整流橋的損耗不可控，本文只關心逆變器的損耗。忽略斷態損耗后，IGBT的損耗主要包括通態損耗、開通損耗、關斷損耗。續流二極管的損耗主要包括通態損耗和關斷損耗．
對于常規正弦脈寬調制(sPwM)算法，給定初相為零的三相期望輸出相電壓函數：
假設電壓源逆變器一電動機傳動系統工作在正常的電動狀態，電動機定子電流為正弦波型，負載角即電動機定子側功率因數角為θ，根據逆變器的IGBT調制原理及其反并聯續流二極管的續流過程跨越時間各占半個電動機輸入周期，脈沖寬度按照正弦半波規律分布，可以推導出每只IGBT的通態平均功耗為：
其中：積分上下限為[O，π]；Ipsinωot為電動機定子正弦電流；L為電動機定子正弦電流峰值；Vce(sat)(@Ipsin ωot)為電動機定子正弦電流時IGBT的飽和壓降，即通態電壓；[1+msin(ωot+θ)]／2表示驅動脈沖的占空比；m代表驅動脈沖的調制度；ω代表電動機基波電壓角頻率。不同負載電流所引起的飽和壓降，應查閱IGBT相應的飽和壓降一通態電流曲線。
可以推導出每只FwD的通態平均功耗為：
其中：積分上下限為[π，2π]；-Ipsinωot表示正的電動機定子正弦電流；Vce[@(-Ipsinωot)]表示電動機定子正弦電流時FwD的飽和壓降。不同負載電流所引起的飽和壓降，應查閱相應曲線。
可以推導出每只IGBT的開關平均功耗為：
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