吳 琦

(中國石化儀征化纖有限責任公司短纖中心，江蘇儀征 211900)

設備改造

探析國產長絲卷繞專用變頻器的設計特點

吳 琦

(中國石化儀征化纖有限責任公司短纖中心，江蘇儀征 211900)

本文通過比照進口長絲卷繞專用變頻器在使用中存在的缺陷，對國產長絲卷繞專用變頻器的總體結構進行了簡要介紹，對其內部電路的設計特點進行了探析?？偨Y了該變頻器在器件和電路上如何進行優(yōu)化，從而達到提高變頻器使用性能，增強其可靠性，延長其使用壽命的設計思路。

長絲卷繞專用變頻 智能功率模塊(IPM) 門驅動 控制電源

1998年,儀化九萬噸長絲裝置引進了日本東麗公司成套卷繞設備。其關鍵設備-卷繞頭由日本安川電氣公司專門為其定制的專用四軸集中變頻器(型號為P1W2015)驅動。所謂四軸集中變頻器就是將四種用途各不相同的子變頻單元集成為一臺變頻器，各子變頻單元的變頻驅動不變，將相同的功能塊通過軟件及硬件集成為一體，各子變頻單元不但可以獨立控制，而且可以互相交換處理數據、信息,協(xié)調工作。

P1W2015型變頻器是基于YASKAWA G5架構的四軸集中式變頻器，G5是90年代中后期的技術，采用32位MCU(微處理器)+ASIC(專用集成電路)+IGBT模式，控制技術成熟可靠。但是，該型變頻器在技術移植的過程中，部分器件和電路的運用沒有充分考慮到高密度、緊湊型的集中式變頻器內部工況，造成整機設計存在一些缺陷，使得比同架構G5變頻器故障率要高。

P1W2015型變頻器從1998年投運至今，存在以下缺陷：

1) 在輸出逆變級功率器件上使用了IGBT模塊，該功率器件外圍需要配套設計合理、可靠的驅動電路，這對于集中式變頻器來說，內部電路的布局會顯得比較擁擠，不利于器件的散熱，加速了器件老化。所使用的IGBT模塊(7MBI75N060)已停產多年，無替代型號，維護困難。

2) 受變頻器內部空間限制，原設計簡化了IGBT的驅動電路，一定程度上降低了驅動環(huán)節(jié)的可靠性和元器件的使用壽命。

3) 變頻器輸出逆變環(huán)節(jié)過流保護薄弱，無短路保護，在負載出現過流或短路情況下極易炸毀功率單元，使故障擴大化。

4) 變頻器的控制和輔助電源的電路設計中存在功率元件布局密度高，功耗大，發(fā)熱量大的現象。而變頻器為集中自然散熱式冷卻設計，單機無強制冷卻功能。這種方式只對功率模塊單元有效，機器內電源、控制和驅動單元并不能得到有效冷卻。

針對上述原型機缺陷以及因配件和整機停產而造成裝置生產備臺得不到保障的困境，開發(fā)出了國產化的升級替代機型P1W2015/I變頻器。下面就國產長絲卷繞專用變頻器的總體結構和內部電路的設計特點做進一步闡述。

1 國產變頻器的總體結構

國產升級變頻器型號為P1W2015/I，I為智能型功率模塊IPM的字頭。P1W2015/I變頻器在總體架構(安裝尺寸)、對外接口及系統(tǒng)參數等指標方面與原廠進口最新版本機型完全兼容，采用32位MCU(微處理器)+ASIC(專用集成電路)+IPM(智能功率模塊)模式。逆變輸出級采用FUJI及MITSUBISHI智能型功率模塊IPM，加強了過壓/欠壓、過流、過熱及短路保護功能，能夠自動檢測負載(電機)短路與否，避免強行啟動；通過采用IPM功率模塊，簡化了脈沖驅動環(huán)節(jié)，解決了原進口機型在使用數年后，門驅動板上元器件老化，造成故障率增高的缺陷(這種故障占總故障率的70%以上)。

國產變頻器是由容量分別為12KVA12KVA2.5KVA1.1KVA四臺子變頻單元所組成的四軸集中變頻器。主要由變頻器控制板(1PCB)、門驅動板(2PCB)、功率板(3PCB)、整流模塊(DM1)、平滑電容、限流電阻、電源接觸器等器件所組成。

主回路主要包括整流模塊(DM1)、平滑電容、限流電阻(R1)、電源接觸器(MC1)及功率板中的四只逆變功率模塊?？刂苹芈分饕ň砝@控制板(WDCH10)、變頻器控制板、門驅動板及電源板內的電流測量回路。

卷繞頭控制板是實現卷繞頭的動作邏輯控制、變頻器與外部信號的接口、卷繞頭變頻器的控制及變頻器運行參數的設定與存儲，以及實現與計算機的通訊功能。

變頻器控制板是主要用來實現變頻器的各種控制、調節(jié)、保護、設定、故障診斷；檢測數據的處理和各子變頻器單元之間數據、信息的交換和處理以及實現與卷繞頭控制板和外部信號的接口等功能。

門驅動板是提供變頻器所需的各種控制和輔助電源、將變頻器控制板送來的各子變頻器單元調制信號轉換為IPM功率模塊的觸發(fā)信號。功率板由四只逆變功率模塊、電流互感器及相關的線路組成了四臺逆變器(SPA、SPB、TR、TUR)。

2 國產變頻器內部電路的設計特點

2.1 國產變頻器逆變回路及其驅動電路的設計特點

原進口變頻器驅動電路采用了PC923光耦合器驅動IGBT的方式。

集中式變頻器內部需要容納四路子系統(tǒng)，其元器件的布局和使用數量受到了變頻器內有限空間的限制。為了防止元器件分布密度過大，原進口變頻器將每路輸出逆變級IGBT驅動環(huán)節(jié)均被壓縮簡化了(見圖1)，由變頻控制板過來的SPWM信號(圖1端口A)經光耦合器PC923光電隔離后直接驅動IGBT。

IGBT的門極(G)、集電極(C)、發(fā)射極(E)之間存在分布電容—IGBT的電容特性，在開關時必須對門極進行充放電，所以要能使IGBT正常工作，不但要有合適的驅動電壓而且還需要一定的驅動電流通過門極驅動電阻R4對門極進行充電。驅動電流有峰值和平均值兩個指標，依據IGBT耐壓和容量的不同而不同。

原進口變頻器選用了3種不同的IGBT模塊。它們的驅動峰值電流最大的要有200～300 mA，驅動平均電流最大的也要有50～70 mA。而光耦合器PC923輸出電流較小(峰值電流400 mA，連續(xù)電流小于100 mA)，使用這樣的光耦合器直接驅動IGBT顯得工作電流偏大，光耦合器就老化得快?？煽康脑O計應該采用能產生大電流的專用IGBT驅動模塊[1](如EXB840/841或安捷倫HCPL3120)，將變頻控制板過來的SPWM信號隔離放大后直接驅動IGBT，或在光耦合器PC923的輸出端加一個功放電路，把驅動IGBT的工作交給能輸出大功率的電路完成，光耦合器不需要很大的工作電流，減緩器件老化，工作也更可靠。

國產變頻器光耦合器件選用了安捷倫的HCPL-4504(安捷倫光電是全球第一大光電器件供應商，產品技術先進，性能可靠)，該型號光耦合器專門應用于驅動IPM，可以在不需要功放電路的情況下直接驅動IPM模塊，且外形封裝與全球主流半導體供應商產品兼容。不像原進口變頻器所使用的SHARP光耦合器PC923那樣，與其它廠家相應光耦合器產品(例如安捷倫HCPL3120，東芝TLP250)封裝均不兼容，選擇范圍小。

國產變頻器則采用了更為先進的智能功率模塊—IPM為核心部件來設計它的功率電路環(huán)節(jié)。輸出逆變級SPA、SPB功率模塊選擇FUJI半導體的7MBP75N060 IPM智能模塊，封裝尺寸，安裝孔位與原機型7MBI75N060完全兼容；TR、TUR兩路選擇三菱電機PM20CSJ060 IPM智能模塊，兩種型號的IPM均為市場主流產品，性能可靠，易于采購。

IPM智能功率模塊是先進的混合集成功率器件，一般由高速、低功耗的IGBT功率開關元件和優(yōu)化的門極驅動以及保護電路構成。由于采用了能連續(xù)監(jiān)測功率器件電流的、有電流傳感功能的IGBT芯片，從而可實現高效的過流保護和短路保護，并且還集成了過熱和欠壓鎖定保護電路，因而系統(tǒng)的可靠性得到了進一步提高。

IPM模塊與以往IGBT模塊及驅動電路的組件相比具有如下特點[2]：

1) 內含驅動電路。設定了最佳的lGBT驅動條件，驅動電路與IGBT間的距離很短，輸出阻抗很低，因此不需要加反向偏壓。

2) 內含過電流保護(OC)、短路保護(SC)。由于是通過檢測各IGBT集電極電流實現保護的，故不管IPM模塊內的哪個IGBT芯片發(fā)生異常，都能保護。自動檢測負載(電機)短路與否，避免強行啟動。

3) 內含驅動電源欠電壓保護(UV)。每個驅動電路都具有UV保護功能。

4) 內含過熱保護(OH)。OH是防止IGBT、FRD(續(xù)流二極管)過熱的保護功能。

5) 內含報警輸出(ALM)。ALM是向外部輸出故障報警的一種功能，如果IPM其中有一種保護電路工作，IGBT就關斷并輸出一個故障信號FO，能切實停止系統(tǒng)。

6) IPM模塊集成了相關的外圍電路，大大減少了外圍元件數目,減少了整機設計尺寸。

圖2是IPM內部的電路框圖及應用電路。由變頻控制板過來的SPWM信號(圖2端口A)，經IPM專用光耦合器HCPL-4504光電隔離后輸入到IPM模塊的輸入端—I端(見圖2所示)，直接驅動IPM模塊。IPM模塊的輸出端—FO端是功率模塊內部故障輸出端(見圖2所示端口B)，它將信號傳輸給外部電路來實現相應的模塊保護功能。

由圖2可見，器件本身內制IGBT驅動電路和開通/關斷專用的門極驅動電阻Rg，IPM輸入端驅動電流只有19～26 mA，只需提供滿足IPM驅動功率要求的SPWM信號、驅動電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置電源(如IPM專用光耦合器HCPL-4504)，直接驅動IPM模塊即可。IPM的驅動電路簡單可靠，不象IGBT模塊那樣為了滿足驅動條件，需要一些元器件組成外圍驅動電路，又因整機空間限制而簡化驅動電路造成設計缺陷。

圖2 IPM內部的電路框圖及應用電路

2.2 國產變頻器輸出逆變環(huán)節(jié)保護電路的設計特點

原進口變頻器以IGBT為核心的功率電路設計對輸出逆變器環(huán)節(jié)的保護比較薄弱。如：過流保護和過熱保護僅僅是將外部傳感器檢測到的信號回饋到變頻器控制板，通過軟件進行相應的保護，反應速度慢，更無短路保護。當外部負載出現過流或短路情況，由于上述缺陷使故障擴大化，極易炸毀功率單元。

國產變頻器采用了以IPM模塊為核心的功率電路，它充分利用IPM的優(yōu)點，考慮到原進口變頻控制板無功率模塊故障返回信號接口，在對變頻控制板硬件和軟件不做大的改動的情況下，特別增設一組故障信號線與電路。通過一個與非門，將IPM內部故障信號FO經光耦合器光電隔離后與原脈沖驅動回路中的驅動電源故障信號(UV1欠壓)疊加，再返回到變頻器控制板ASIC(專用集成電路)的驅動電源故障信號(UV1欠壓)端口上面，實現高速故障聯(lián)鎖，提高了逆變器的保護能力。優(yōu)化后的國產變頻器功率電路框圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的國產變頻器功率電路框圖

ASIC(專用集成電路)端口上的故障信號輸入為高電平有效。當IPM功率模塊內部檢測到任何一種故障，通過其中的或門電路輸出IPM內部故障信號FO，信號為高電平。經過HCPL4505光耦合器隔離后信號為低電平，接入到與非門的一端。

原進口變頻器驅動電源故障信號(UV1欠壓)直接接入ASIC(專用集成電路)相應的端口上，其故障時輸出信號為高電平。國產變頻器電路優(yōu)化后，先接入一個非門取反后再接入與非門另一端與前面所述的IPM內部故障信號FO共同作用。當與非門輸入端任意一路為低電平(有故障)，則輸出端輸出高電平信號到ASIC(專用集成電路)相應的端口。再由ASIC對信號進行處理實現保護功能。

ASIC(專用集成電路)是一種將設計好的，能執(zhí)行一定功能的程序燒制固化到CMOS可編程門陣列高性能接口芯片的電機控制大規(guī)模專用集成電路。它實現了微處理器系統(tǒng)控制信號與外部系統(tǒng)檢測信號的轉換，承擔了諸如SPWM信號的發(fā)生，外部故障信號的處理等繁重的工作，減輕了微處理器的負擔，提高了整個變頻控制系統(tǒng)的運行速度[3]。

2.3 國產變頻器控制和輔助電源電路的設計特點

原進口變頻器的門驅動板主要由4組開關變壓器(T1、T2、T3、T4)及其附屬電路組成，負責提供變頻器整機工作電源(包括WDCH10卷繞控制板供電)、4路功率模塊驅動電源以及故障檢測硬件電源等功能。

T1開關變壓器擔負提供變頻器整機工作電源(包括主控電源)和TUR單元功率模塊驅動電源的任務，其四路逆變驅動電源為主控電源(T1變壓器)的附屬繞組。開關變壓器T1的電路結構框圖如圖4所示。

圖4 開關變壓器T1的電路結構框圖

因主控電源(+5 V)負載變化范圍相對較大(不連接WDCH10卷繞控制板時，負載電流減少50%)，附屬繞組輸出電壓受主繞組(+5 V主控電源)負載影響較大，相對不穩(wěn)定，變化范圍在2～5 V之間。為了穩(wěn)定TUR的四組逆變驅動電源電壓，防止因主控電源(+5 V)變化造成四組驅動電源電壓大幅度攀升(高達32 V)，造成驅動電路過電壓，原進口變頻器電源電路設計時特意為此四組電源增設了較重負載—每路并聯(lián)750 Ω/3 W功率電阻，如圖5所示。

正常條件下，四路驅動電源，每路損耗約為1.25 W，四路電源共有5 W以上的損耗，這些損耗均以熱能散發(fā)出去。由于集中式變頻器內部空間的局限性，使得功率電阻與濾波電解電容、驅動光耦合器緊鄰，而內部板卡采用自然冷卻方式，這必將造成電源及驅動電路溫度升高，工作環(huán)境惡化，加速C41-C44電解電容電解液枯竭，加速光耦合器老化。從多年的維修統(tǒng)計分析看，結果亦是如此，而其它回路則無此狀況。

圖5 進口變頻器主控電源(T1變壓器)附屬繞組

針對上述缺陷，國產變頻器的門驅動板改進了T1開關變壓器附屬繞組的TUR功率模塊驅動電源電路，改進后的電路如圖6所示。

改進后的門驅動板主控電源(T1變壓器)電路去除了四只發(fā)熱的功率電阻，增設四只低壓差三端穩(wěn)壓器(78L15)，改并聯(lián)穩(wěn)壓為串聯(lián)穩(wěn)壓。主控電源不連接WDCH10卷繞控制板時，TUR電源回路四組繞組輸出經整流濾波后約為15.5 V，分別經四只串聯(lián)的三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后約為(15±0.3)V，電流輸出0.1 A，每路熱量損耗小于80 mW。主控電源滿載時，四組繞組輸出經整流濾波后小于16.5 V，分別經四只串聯(lián)的三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后約為(15±0.3)V，電流輸出0.1 A，每路熱量損耗小于180 mW，四路累計熱量消耗也只有540 mW，比改進前的5 W熱量消耗要小得多，不會造成明顯溫升。這樣就解決了受溫度影響，電解電容電解液加速枯竭和器件加速老化的問題。

圖6 國產變頻器主控電源(T1變壓器)

2.4 國產變頻器控制板的設計特點

控制板是整個變頻器的核心部分，國產變頻器控制板是由四個32位MCU(微處理器)+ASIC(專用集成電路)系統(tǒng)以及相應的公用系統(tǒng)組成。由于各微處理器子系統(tǒng)組成類似，這里僅列出一個子系統(tǒng)加以介紹，結構框圖如圖7所示。

圖7 國產變頻器控制板部分結構框圖

因為長絲卷繞專用變頻器必須在卷繞控制板(WDCH10)的控制下才能驅動卷繞頭正常工作，所以國產變頻器的變頻控制板與卷繞控制板的兼容性就顯得非常重要。具體措施就是保持原控制板的設計架構、對外接口以及主要元器件不變，繼續(xù)沿用原廠家的系統(tǒng)程序和控制軟件，這樣就解決了與卷繞控制板兼容的問題。

儀化九萬噸長絲裝置引進的卷繞專用變頻器1998年投入使用后，原生產廠家對后續(xù)產品中的系統(tǒng)程序和控制軟件進行了多次升級，使整機系統(tǒng)更加可靠。國產變頻器就采用了該機型最新版本的系統(tǒng)程序和控制軟件，使國產化機型保護更全面，故障率更低。

控制系統(tǒng)中的CPU仍然采用了日立公司的SH7034系列HD6477034F20電動機控制專用單片微處理器。它適用于變頻驅動的交流電動機控制，能滿足高性能電動機控制的需要。該CPU集成了A/D轉換電路，不但簡化了系統(tǒng)設計，而且能迅速地將模擬信號轉換成數字信號直接交由CPU處理，加快了處理模擬信號的速度，減少了由于中間環(huán)節(jié)的干擾而造成的誤碼率。由變頻器功率模塊輸出的電流經電子互感器測量得到的模擬信號接入微處理器中，作為處理整個變頻器系統(tǒng)的重要數據。

系統(tǒng)還選用了富士公司的MB8421 2K×8 Bits雙通道高性能靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)，其各自通道能獨立存取內存單元。該變頻器系統(tǒng)是多微機系統(tǒng)，該存儲器作為互連機構，以緊耦合式雙端口存儲器方式實現多微機間的互相通信。這種通信方式具有微機間的通信互連結構簡單、通信速度高等特點。這樣系統(tǒng)可以處理各子變頻器單元間共享數據和信息，并把處理結果傳輸給各子變頻單元來控制各單元的運行狀態(tài)。而且還可以通過緩沖器與外部控制板(卷繞控制板WDCH10)進行高速的數據交換，提高整個變頻器系統(tǒng)的運行速度。

原進口變頻器控制板使用一片Intel公司的PA28F200BX-B120十六位閃存和兩片Sharp公司的LH5116NA-10八位RAM分別作為程序存儲器和數據存儲器。但是，這兩種器件開發(fā)時間比較早，制造工藝技術比較落后，功耗較大，抗干擾能力不夠，不適合在集中式變頻器環(huán)境中使用，多路密集的器件布局很容易造成器件損壞(在以往的檢修中經常會出現存儲器損壞使變頻器故障不工作的情況)。國產化變頻器改用一片富士公司的MBC9F400 256K×16 Bits十六位閃存和兩片SANYO公司的LC3564B 8K×8 Bits八位靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)分別作為程序存儲器和數據存儲器。這兩種存儲器采用了目前最新制造工藝技術，功耗小，抗干擾能力強，比較適合在集中式變頻器環(huán)境中使用，提高了整機的可靠性，降低故障概率。

接口芯片所使用的ASIC(專用集成電路)也選用最新工藝技術制造的新型號CMOS可編程門陣列高性能接口芯片。主要功能有：

1) 電動機控制專用微處理器將有關電動機運行的8位二進制數據和三路SPWM時鐘脈沖傳輸給接口芯片，由接口芯片處理這些信息，產生并輸出6路變頻器SPWM正弦調制信號(PUL、PVL、PWL、NUL、NVL、NWL)來驅動IPM功率模塊。

2) 處理從變頻器系統(tǒng)中拾取的“復位”、“過流”、“欠電壓”、“保險壞”等信號，減輕了CPU運行負擔，提高整個系統(tǒng)運行速度。

3) 接口芯片還通過端口WPX7將需要保護的重要數據寫入到型號為S-29331A容量為4Kbit的E2PROM存儲器，并通過端口RPX0讀取保護的數據。

變頻控制板是集微處理器系統(tǒng)和接口電路于一身，有多種信號，包括高頻數字信號、開關信號、模擬量信號、調制脈沖信號，在內部或對外傳輸。變頻控制板還處于變頻器整機惡劣的電磁環(huán)境中。控制板能長期正常工作，就要有好的抗干擾技術。原進口變頻器采用了G5成熟可靠控制技術，控制板選用四層印刷電路板，這對于集中式控制板來說，在器件分布密度、導線間距和走向以及地線寬度等這些抗干擾技術措施的實施上有一定的局限性，不能做得很好。國產變頻器控制板采用了五層印刷電路板技術，在電路布局中調整了各個線路分布和走向，避免線路交叉，擴大了導線間距，使各個信號之間相不干擾，同時也加大了器件的間距和地線的寬度，增強了整個控制板的抗干擾能力。

3 結束語

本文通過比照進口長絲卷繞專用集中變頻器在使用中存在的缺陷，對國產長絲卷繞專用集中變頻器內部架構的設計特點進行了探析。國產P1W2015/I變頻器采用當今最新制造工藝技術生產的元器件，使用SMD機器焊裝及光檢測工藝，在總體架構、對外接口及系統(tǒng)參數等指標方面與原廠最新版本機型完全兼容，變頻器以外的外圍設備不需要做改動，現在已經在長絲裝置上投入使用，運行平穩(wěn)可靠。國產長絲卷繞專用集中變頻器解決了原機型配件及整機停產情況下的更新替代問題，保障了維持穩(wěn)定裝置生產的備臺供應。

[1] 李序葆，趙永健.電力電子器件及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999：370.

[2] 陳國呈，周娟.PWM變頻調速技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998：77.

[3] 李永東.交流電機數字控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：88.

中科院大連化物所實現從生物質衍生

黏康酸合成PTA衍生物

中國科學院大連化學物理研究所生物能源研究部有機催化研究組徐杰研究員和團隊在PTA衍生物對苯二甲酸二乙酯DET合成(國家自然科學基金委的資助項目)新路線的研究中取得新進展，研究結果發(fā)表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 249-253)上，并被選為當期的熱點文章。DET合成以生物質基粘康酸為原料，在催化劑作用下，與乙醇和乙烯發(fā)生連續(xù)的串聯(lián)酯化反應，再經Diels-Alder環(huán)化反應和脫氫反應，直接合成對苯二甲酸二乙酯DET，DET的總收收率可達80.6%，產物分離純化可采用常規(guī)工藝，進而實現了不經過對二甲苯PX直接生成PTA衍生物的新技術路線。

(戴鈞明)

The design features of domestic filament winding special inverter

Wu Qi

(StapleFiberProductionofSinopecYizhengChemicalFibreL.L.C.,YizhengJiangsu211900，China)

In this paper, by comparing the defect of special inverter with imported filament winding, the general structure of domestic filament winding special inverter was briefly introduced, and the design features of its internal circuit were analyzed. We summarized how to optimize the inverter in the device and circuit, so as to improve the use of the inverter performance, enhance its reliability and extend its service life of the design ideas.

filament winding special inverter; Intelligent Power Modules; gate drive; control power

2016-11-14

吳琦(1976-)，湖北武漢人，工程師，主要從事電儀技術工作。

TH-3

B

1006-334X(2016)04-0045-07