探析國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)絲卷繞專(zhuān)用變頻器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

吳 琦

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司短纖中心，江蘇儀征 211900)

設(shè)備改造

探析國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)絲卷繞專(zhuān)用變頻器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

吳 琦

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司短纖中心，江蘇儀征 211900)

本文通過(guò)比照進(jìn)口長(zhǎng)絲卷繞專(zhuān)用變頻器在使用中存在的缺陷，對(duì)國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)絲卷繞專(zhuān)用變頻器的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)其內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了探析。總結(jié)了該變頻器在器件和電路上如何進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到提高變頻器使用性能，增強(qiáng)其可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命的設(shè)計(jì)思路。

長(zhǎng)絲卷繞專(zhuān)用變頻 智能功率模塊(IPM) 門(mén)驅(qū)動(dòng) 控制電源

1998年,儀化九萬(wàn)噸長(zhǎng)絲裝置引進(jìn)了日本東麗公司成套卷繞設(shè)備。其關(guān)鍵設(shè)備-卷繞頭由日本安川電氣公司專(zhuān)門(mén)為其定制的專(zhuān)用四軸集中變頻器(型號(hào)為P1W2015)驅(qū)動(dòng)。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(tái)變頻器，各子變頻單元的變頻驅(qū)動(dòng)不變，將相同的功能塊通過(guò)軟件及硬件集成為一體，各子變頻單元不但可以獨(dú)立控制，而且可以互相交換處理數(shù)據(jù)、信息,協(xié)調(diào)工作。

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

P1W2015型變頻器從1998年投運(yùn)至今，存在以下缺陷：

1) 在輸出逆變級(jí)功率器件上使用了IGBT模塊，該功率器件外圍需要配套設(shè)計(jì)合理、可靠的驅(qū)動(dòng)電路，這對(duì)于集中式變頻器來(lái)說(shuō)，內(nèi)部電路的布局會(huì)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(chǎn)多年，無(wú)替代型號(hào)，維護(hù)困難。

2) 受變頻器內(nèi)部空間限制，原設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，一定程度上降低了驅(qū)動(dòng)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(guò)流保護(hù)薄弱，無(wú)短路保護(hù)，在負(fù)載出現(xiàn)過(guò)流或短路情況下極易炸毀功率單元，使故障擴(kuò)大化。

4) 變頻器的控制和輔助電源的電路設(shè)計(jì)中存在功率元件布局密度高，功耗大，發(fā)熱量大的現(xiàn)象。而變頻器為集中自然散熱式冷卻設(shè)計(jì)，單機(jī)無(wú)強(qiáng)制冷卻功能。這種方式只對(duì)功率模塊單元有效，機(jī)器內(nèi)電源、控制和驅(qū)動(dòng)單元并不能得到有效冷卻。

針對(duì)上述原型機(jī)缺陷以及因配件和整機(jī)停產(chǎn)而造成裝置生產(chǎn)備臺(tái)得不到保障的困境，開(kāi)發(fā)出了國(guó)產(chǎn)化的升級(jí)替代機(jī)型P1W2015/I變頻器。下面就國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)絲卷繞專(zhuān)用變頻器的總體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)做進(jìn)一步闡述。

1 國(guó)產(chǎn)變頻器的總體結(jié)構(gòu)

國(guó)產(chǎn)升級(jí)變頻器型號(hào)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(gòu)(安裝尺寸)、對(duì)外接口及系統(tǒng)參數(shù)等指標(biāo)方面與原廠(chǎng)進(jìn)口最新版本機(jī)型完全兼容，采用32位MCU(微處理器)+ASIC(專(zhuān)用集成電路)+IPM(智能功率模塊)模式。逆變輸出級(jí)采用FUJI及MITSUBISHI智能型功率模塊IPM，加強(qiáng)了過(guò)壓/欠壓、過(guò)流、過(guò)熱及短路保護(hù)功能，能夠自動(dòng)檢測(cè)負(fù)載(電機(jī))短路與否，避免強(qiáng)行啟動(dòng)；通過(guò)采用IPM功率模塊，簡(jiǎn)化了脈沖驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，解決了原進(jìn)口機(jī)型在使用數(shù)年后，門(mén)驅(qū)動(dòng)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(guó)產(chǎn)變頻器是由容量分別為12KVA12KVA2.5KVA1.1KVA四臺(tái)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(mén)驅(qū)動(dòng)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。控制回路主要包括卷繞控制板(WDCH10)、變頻器控制板、門(mén)驅(qū)動(dòng)板及電源板內(nèi)的電流測(cè)量回路。

卷繞頭控制板是實(shí)現(xiàn)卷繞頭的動(dòng)作邏輯控制、變頻器與外部信號(hào)的接口、卷繞頭變頻器的控制及變頻器運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定與存儲(chǔ)，以及實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通訊功能。

變頻器控制板是主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器的各種控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)、設(shè)定、故障診斷；檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理和各子變頻器單元之間數(shù)據(jù)、信息的交換和處理以及實(shí)現(xiàn)與卷繞頭控制板和外部信號(hào)的接口等功能。

門(mén)驅(qū)動(dòng)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(lái)的各子變頻器單元調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為IPM功率模塊的觸發(fā)信號(hào)。功率板由四只逆變功率模塊、電流互感器及相關(guān)的線(xiàn)路組成了四臺(tái)逆變器(SPA、SPB、TR、TUR)。

2 國(guó)產(chǎn)變頻器內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 國(guó)產(chǎn)變頻器逆變回路及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

原進(jìn)口變頻器驅(qū)動(dòng)電路采用了PC923光耦合器驅(qū)動(dòng)IGBT的方式。

集中式變頻器內(nèi)部需要容納四路子系統(tǒng)，其元器件的布局和使用數(shù)量受到了變頻器內(nèi)有限空間的限制。為了防止元器件分布密度過(guò)大，原進(jìn)口變頻器將每路輸出逆變級(jí)IGBT驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)均被壓縮簡(jiǎn)化了(見(jiàn)圖1)，由變頻控制板過(guò)來(lái)的SPWM信號(hào)(圖1端口A)經(jīng)光耦合器PC923光電隔離后直接驅(qū)動(dòng)IGBT。

IGBT的門(mén)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(kāi)關(guān)時(shí)必須對(duì)門(mén)極進(jìn)行充放電，所以要能使IGBT正常工作，不但要有合適的驅(qū)動(dòng)電壓而且還需要一定的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻R4對(duì)門(mén)極進(jìn)行充電。驅(qū)動(dòng)電流有峰值和平均值兩個(gè)指標(biāo)，依據(jù)IGBT耐壓和容量的不同而不同。

原進(jìn)口變頻器選用了3種不同的IGBT模塊。它們的驅(qū)動(dòng)峰值電流最大的要有200～300 mA，驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)IGBT顯得工作電流偏大，光耦合器就老化得快?？煽康脑O(shè)計(jì)應(yīng)該采用能產(chǎn)生大電流的專(zhuān)用IGBT驅(qū)動(dòng)模塊[1](如EXB840/841或安捷倫HCPL3120)，將變頻控制板過(guò)來(lái)的SPWM信號(hào)隔離放大后直接驅(qū)動(dòng)IGBT，或在光耦合器PC923的輸出端加一個(gè)功放電路，把驅(qū)動(dòng)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(guó)產(chǎn)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(yīng)商，產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)，性能可靠)，該型號(hào)光耦合器專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)IPM，可以在不需要功放電路的情況下直接驅(qū)動(dòng)IPM模塊，且外形封裝與全球主流半導(dǎo)體供應(yīng)商產(chǎn)品兼容。不像原進(jìn)口變頻器所使用的SHARP光耦合器PC923那樣，與其它廠(chǎng)家相應(yīng)光耦合器產(chǎn)品(例如安捷倫HCPL3120，東芝TLP250)封裝均不兼容，選擇范圍小。

國(guó)產(chǎn)變頻器則采用了更為先進(jìn)的智能功率模塊—IPM為核心部件來(lái)設(shè)計(jì)它的功率電路環(huán)節(jié)。輸出逆變級(jí)SPA、SPB功率模塊選擇FUJI半導(dǎo)體的7MBP75N060 IPM智能模塊，封裝尺寸，安裝孔位與原機(jī)型7MBI75N060完全兼容；TR、TUR兩路選擇三菱電機(jī)PM20CSJ060 IPM智能模塊，兩種型號(hào)的IPM均為市場(chǎng)主流產(chǎn)品，性能可靠，易于采購(gòu)。

IPM智能功率模塊是先進(jìn)的混合集成功率器件，一般由高速、低功耗的IGBT功率開(kāi)關(guān)元件和優(yōu)化的門(mén)極驅(qū)動(dòng)以及保護(hù)電路構(gòu)成。由于采用了能連續(xù)監(jiān)測(cè)功率器件電流的、有電流傳感功能的IGBT芯片，從而可實(shí)現(xiàn)高效的過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)，并且還集成了過(guò)熱和欠壓鎖定保護(hù)電路，因而系統(tǒng)的可靠性得到了進(jìn)一步提高。

IPM模塊與以往IGBT模塊及驅(qū)動(dòng)電路的組件相比具有如下特點(diǎn)[2]：

1) 內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)定了最佳的lGBT驅(qū)動(dòng)條件，驅(qū)動(dòng)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(nèi)含過(guò)電流保護(hù)(OC)、短路保護(hù)(SC)。由于是通過(guò)檢測(cè)各IGBT集電極電流實(shí)現(xiàn)保護(hù)的，故不管IPM模塊內(nèi)的哪個(gè)IGBT芯片發(fā)生異常，都能保護(hù)。自動(dòng)檢測(cè)負(fù)載(電機(jī))短路與否，避免強(qiáng)行啟動(dòng)。

3) 內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電源欠電壓保護(hù)(UV)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路都具有UV保護(hù)功能。

4) 內(nèi)含過(guò)熱保護(hù)(OH)。OH是防止IGBT、FRD(續(xù)流二極管)過(guò)熱的保護(hù)功能。

5) 內(nèi)含報(bào)警輸出(ALM)。ALM是向外部輸出故障報(bào)警的一種功能，如果IPM其中有一種保護(hù)電路工作，IGBT就關(guān)斷并輸出一個(gè)故障信號(hào)FO，能切實(shí)停止系統(tǒng)。

6) IPM模塊集成了相關(guān)的外圍電路，大大減少了外圍元件數(shù)目,減少了整機(jī)設(shè)計(jì)尺寸。

圖2是IPM內(nèi)部的電路框圖及應(yīng)用電路。由變頻控制板過(guò)來(lái)的SPWM信號(hào)(圖2端口A)，經(jīng)IPM專(zhuān)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(jiàn)圖2所示)，直接驅(qū)動(dòng)IPM模塊。IPM模塊的輸出端—FO端是功率模塊內(nèi)部故障輸出端(見(jiàn)圖2所示端口B)，它將信號(hào)傳輸給外部電路來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的模塊保護(hù)功能。

由圖2可見(jiàn)，器件本身內(nèi)制IGBT驅(qū)動(dòng)電路和開(kāi)通/關(guān)斷專(zhuān)用的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻Rg，IPM輸入端驅(qū)動(dòng)電流只有19～26 mA，只需提供滿(mǎn)足IPM驅(qū)動(dòng)功率要求的SPWM信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置電源(如IPM專(zhuān)用光耦合器HCPL-4504)，直接驅(qū)動(dòng)IPM模塊即可。IPM的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單可靠，不象IGBT模塊那樣為了滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)條件，需要一些元器件組成外圍驅(qū)動(dòng)電路，又因整機(jī)空間限制而簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路造成設(shè)計(jì)缺陷。

圖2 IPM內(nèi)部的電路框圖及應(yīng)用電路

2.2 國(guó)產(chǎn)變頻器輸出逆變環(huán)節(jié)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

原進(jìn)口變頻器以IGBT為核心的功率電路設(shè)計(jì)對(duì)輸出逆變器環(huán)節(jié)的保護(hù)比較薄弱。如：過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)僅僅是將外部傳感器檢測(cè)到的信號(hào)回饋到變頻器控制板，通過(guò)軟件進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，反應(yīng)速度慢，更無(wú)短路保護(hù)。當(dāng)外部負(fù)載出現(xiàn)過(guò)流或短路情況，由于上述缺陷使故障擴(kuò)大化，極易炸毀功率單元。

國(guó)產(chǎn)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(diǎn)，考慮到原進(jìn)口變頻控制板無(wú)功率模塊故障返回信號(hào)接口，在對(duì)變頻控制板硬件和軟件不做大的改動(dòng)的情況下，特別增設(shè)一組故障信號(hào)線(xiàn)與電路。通過(guò)一個(gè)與非門(mén)，將IPM內(nèi)部故障信號(hào)FO經(jīng)光耦合器光電隔離后與原脈沖驅(qū)動(dòng)回路中的驅(qū)動(dòng)電源故障信號(hào)(UV1欠壓)疊加，再返回到變頻器控制板ASIC(專(zhuān)用集成電路)的驅(qū)動(dòng)電源故障信號(hào)(UV1欠壓)端口上面，實(shí)現(xiàn)高速故障聯(lián)鎖，提高了逆變器的保護(hù)能力。優(yōu)化后的國(guó)產(chǎn)變頻器功率電路框圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的國(guó)產(chǎn)變頻器功率電路框圖

ASIC(專(zhuān)用集成電路)端口上的故障信號(hào)輸入為高電平有效。當(dāng)IPM功率模塊內(nèi)部檢測(cè)到任何一種故障，通過(guò)其中的或門(mén)電路輸出IPM內(nèi)部故障信號(hào)FO，信號(hào)為高電平。經(jīng)過(guò)HCPL4505光耦合器隔離后信號(hào)為低電平，接入到與非門(mén)的一端。

原進(jìn)口變頻器驅(qū)動(dòng)電源故障信號(hào)(UV1欠壓)直接接入ASIC(專(zhuān)用集成電路)相應(yīng)的端口上，其故障時(shí)輸出信號(hào)為高電平。國(guó)產(chǎn)變頻器電路優(yōu)化后，先接入一個(gè)非門(mén)取反后再接入與非門(mén)另一端與前面所述的IPM內(nèi)部故障信號(hào)FO共同作用。當(dāng)與非門(mén)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(hào)到ASIC(專(zhuān)用集成電路)相應(yīng)的端口。再由ASIC對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

ASIC(專(zhuān)用集成電路)是一種將設(shè)計(jì)好的，能執(zhí)行一定功能的程序燒制固化到CMOS可編程門(mén)陣列高性能接口芯片的電機(jī)控制大規(guī)模專(zhuān)用集成電路。它實(shí)現(xiàn)了微處理器系統(tǒng)控制信號(hào)與外部系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，承擔(dān)了諸如SPWM信號(hào)的發(fā)生，外部故障信號(hào)的處理等繁重的工作，減輕了微處理器的負(fù)擔(dān)，提高了整個(gè)變頻控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度[3]。

2.3 國(guó)產(chǎn)變頻器控制和輔助電源電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

原進(jìn)口變頻器的門(mén)驅(qū)動(dòng)板主要由4組開(kāi)關(guān)變壓器(T1、T2、T3、T4)及其附屬電路組成，負(fù)責(zé)提供變頻器整機(jī)工作電源(包括WDCH10卷繞控制板供電)、4路功率模塊驅(qū)動(dòng)電源以及故障檢測(cè)硬件電源等功能。

T1開(kāi)關(guān)變壓器擔(dān)負(fù)提供變頻器整機(jī)工作電源(包括主控電源)和TUR單元功率模塊驅(qū)動(dòng)電源的任務(wù)，其四路逆變驅(qū)動(dòng)電源為主控電源(T1變壓器)的附屬繞組。開(kāi)關(guān)變壓器T1的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)變壓器T1的電路結(jié)構(gòu)框圖

因主控電源(+5 V)負(fù)載變化范圍相對(duì)較大(不連接WDCH10卷繞控制板時(shí)，負(fù)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(fù)載影響較大，相對(duì)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(qū)動(dòng)電源電壓，防止因主控電源(+5 V)變化造成四組驅(qū)動(dòng)電源電壓大幅度攀升(高達(dá)32 V)，造成驅(qū)動(dòng)電路過(guò)電壓，原進(jìn)口變頻器電源電路設(shè)計(jì)時(shí)特意為此四組電源增設(shè)了較重負(fù)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(qū)動(dòng)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(nèi)部空間的局限性，使得功率電阻與濾波電解電容、驅(qū)動(dòng)光耦合器緊鄰，而內(nèi)部板卡采用自然冷卻方式，這必將造成電源及驅(qū)動(dòng)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(jì)分析看，結(jié)果亦是如此，而其它回路則無(wú)此狀況。

圖5 進(jìn)口變頻器主控電源(T1變壓器)附屬繞組

針對(duì)上述缺陷，國(guó)產(chǎn)變頻器的門(mén)驅(qū)動(dòng)板改進(jìn)了T1開(kāi)關(guān)變壓器附屬繞組的TUR功率模塊驅(qū)動(dòng)電源電路，改進(jìn)后的電路如圖6所示。

改進(jìn)后的門(mén)驅(qū)動(dòng)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(shè)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(shí)，TUR電源回路四組繞組輸出經(jīng)整流濾波后約為15.5 V，分別經(jīng)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(mǎn)載時(shí)，四組繞組輸出經(jīng)整流濾波后小于16.5 V，分別經(jīng)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(jì)熱量消耗也只有540 mW，比改進(jìn)前的5 W熱量消耗要小得多，不會(huì)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(wèn)題。

圖6 國(guó)產(chǎn)變頻器主控電源(T1變壓器)

2.4 國(guó)產(chǎn)變頻器控制板的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

控制板是整個(gè)變頻器的核心部分，國(guó)產(chǎn)變頻器控制板是由四個(gè)32位MCU(微處理器)+ASIC(專(zhuān)用集成電路)系統(tǒng)以及相應(yīng)的公用系統(tǒng)組成。由于各微處理器子系統(tǒng)組成類(lèi)似，這里僅列出一個(gè)子系統(tǒng)加以介紹，結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 國(guó)產(chǎn)變頻器控制板部分結(jié)構(gòu)框圖

因?yàn)殚L(zhǎng)絲卷繞專(zhuān)用變頻器必須在卷繞控制板(WDCH10)的控制下才能驅(qū)動(dòng)卷繞頭正常工作，所以國(guó)產(chǎn)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(shè)計(jì)架構(gòu)、對(duì)外接口以及主要元器件不變，繼續(xù)沿用原廠(chǎng)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(wèn)題。

儀化九萬(wàn)噸長(zhǎng)絲裝置引進(jìn)的卷繞專(zhuān)用變頻器1998年投入使用后，原生產(chǎn)廠(chǎng)家對(duì)后續(xù)產(chǎn)品中的系統(tǒng)程序和控制軟件進(jìn)行了多次升級(jí)，使整機(jī)系統(tǒng)更加可靠。國(guó)產(chǎn)變頻器就采用了該機(jī)型最新版本的系統(tǒng)程序和控制軟件，使國(guó)產(chǎn)化機(jī)型保護(hù)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(dòng)機(jī)控制專(zhuān)用單片微處理器。它適用于變頻驅(qū)動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)控制，能滿(mǎn)足高性能電動(dòng)機(jī)控制的需要。該CPU集成了A/D轉(zhuǎn)換電路，不但簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且能迅速地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)直接交由CPU處理，加快了處理模擬信號(hào)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(jīng)電子互感器測(cè)量得到的模擬信號(hào)接入微處理器中，作為處理整個(gè)變頻器系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)。

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(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)，其各自通道能獨(dú)立存取內(nèi)存單元。該變頻器系統(tǒng)是多微機(jī)系統(tǒng)，該存儲(chǔ)器作為互連機(jī)構(gòu)，以緊耦合式雙端口存儲(chǔ)器方式實(shí)現(xiàn)多微機(jī)間的互相通信。這種通信方式具有微機(jī)間的通信互連結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信速度高等特點(diǎn)。這樣系統(tǒng)可以處理各子變頻器單元間共享數(shù)據(jù)和信息，并把處理結(jié)果傳輸給各子變頻單元來(lái)控制各單元的運(yùn)行狀態(tài)。而且還可以通過(guò)緩沖器與外部控制板(卷繞控制板WDCH10)進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)交換，提高整個(gè)變頻器系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

原進(jìn)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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但是，這兩種器件開(kāi)發(fā)時(shí)間比較早，制造工藝技術(shù)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(jīng)常會(huì)出現(xiàn)存儲(chǔ)器損壞使變頻器故障不工作的情況)。國(guó)產(chǎn)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(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)分別作為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這兩種存儲(chǔ)器采用了目前最新制造工藝技術(shù)，功耗小，抗干擾能力強(qiáng)，比較適合在集中式變頻器環(huán)境中使用，提高了整機(jī)的可靠性，降低故障概率。

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

1) 電動(dòng)機(jī)控制專(zhuān)用微處理器將有關(guān)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)和三路SPWM時(shí)鐘脈沖傳輸給接口芯片，由接口芯片處理這些信息，產(chǎn)生并輸出6路變頻器SPWM正弦調(diào)制信號(hào)(PUL、PVL、PWL、NUL、NVL、NWL)來(lái)驅(qū)動(dòng)IPM功率模塊。

2) 處理從變頻器系統(tǒng)中拾取的“復(fù)位”、“過(guò)流”、“欠電壓”、“保險(xiǎn)壞”等信號(hào)，減輕了CPU運(yùn)行負(fù)擔(dān)，提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行速度。

3) 接口芯片還通過(guò)端口WPX7將需要保護(hù)的重要數(shù)據(jù)寫(xiě)入到型號(hào)為S-29331A容量為4Kbit的E2PROM存儲(chǔ)器，并通過(guò)端口RPX0讀取保護(hù)的數(shù)據(jù)。

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(hào)，包括高頻數(shù)字信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬量信號(hào)、調(diào)制脈沖信號(hào)，在內(nèi)部或?qū)ν鈧鬏?。變頻控制板還處于變頻器整機(jī)惡劣的電磁環(huán)境中?？刂瓢迥荛L(zhǎng)期正常工作，就要有好的抗干擾技術(shù)。原進(jìn)口變頻器采用了G5成熟可靠控制技術(shù)，控制板選用四層印刷電路板，這對(duì)于集中式控制板來(lái)說(shuō)，在器件分布密度、導(dǎo)線(xiàn)間距和走向以及地線(xiàn)寬度等這些抗干擾技術(shù)措施的實(shí)施上有一定的局限性，不能做得很好。國(guó)產(chǎn)變頻器控制板采用了五層印刷電路板技術(shù)，在電路布局中調(diào)整了各個(gè)線(xiàn)路分布和走向，避免線(xiàn)路交叉，擴(kuò)大了導(dǎo)線(xiàn)間距，使各個(gè)信號(hào)之間相不干擾，同時(shí)也加大了器件的間距和地線(xiàn)的寬度，增強(qiáng)了整個(gè)控制板的抗干擾能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)比照進(jìn)口長(zhǎng)絲卷繞專(zhuān)用集中變頻器在使用中存在的缺陷，對(duì)國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)絲卷繞專(zhuān)用集中變頻器內(nèi)部架構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了探析。國(guó)產(chǎn)P1W2015/I變頻器采用當(dāng)今最新制造工藝技術(shù)生產(chǎn)的元器件，使用SMD機(jī)器焊裝及光檢測(cè)工藝，在總體架構(gòu)、對(duì)外接口及系統(tǒng)參數(shù)等指標(biāo)方面與原廠(chǎng)最新版本機(jī)型完全兼容，變頻器以外的外圍設(shè)備不需要做改動(dòng)，現(xiàn)在已經(jīng)在長(zhǎng)絲裝置上投入使用，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)絲卷繞專(zhuān)用集中變頻器解決了原機(jī)型配件及整機(jī)停產(chǎn)情況下的更新替代問(wèn)題，保障了維持穩(wěn)定裝置生產(chǎn)的備臺(tái)供應(yīng)。

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

[2] 陳國(guó)呈，周娟.PWM變頻調(diào)速技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：77.

[3] 李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：88.

中科院大連化物所實(shí)現(xiàn)從生物質(zhì)衍生

黏康酸合成PTA衍生物

中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生物能源研究部有機(jī)催化研究組徐杰研究員和團(tuán)隊(duì)在PTA衍生物對(duì)苯二甲酸二乙酯DET合成(國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助項(xiàng)目)新路線(xiàn)的研究中取得新進(jìn)展，研究結(jié)果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 249-253)上，并被選為當(dāng)期的熱點(diǎn)文章。DET合成以生物質(zhì)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(yīng)，再經(jīng)Diels-Alder環(huán)化反應(yīng)和脫氫反應(yīng)，直接合成對(duì)苯二甲酸二乙酯DET，DET的總收收率可達(dá)80.6%，產(chǎn)物分離純化可采用常規(guī)工藝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了不經(jīng)過(guò)對(duì)二甲苯PX直接生成PTA衍生物的新技術(shù)路線(xiàn)。

(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(shù)工作。

TH-3

B

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