1　引言　 　高動態響應調速系統是在保證輸出轉速穩定的基礎上，快速響應速度給定量，系統能穩定快速跟隨負載變化，從負載變動等外界急劇干擾引起的過渡性速度恢復得快。以前主要采用直流調速系統實現，考慮直流調速系統的功率，維護等方面的原因，嘗試采用矢量變頻控制技術控制異步電動機來實現高動態響應的調速系統。 　　異步電機的動態數學模型是一個高階、非線形、強耦合的多變量系統，通過坐標變換可以實現在三相交流電機上模擬直流電機的控制轉矩規律[1]。矢量控制是以旋轉磁場為準則，建立三相交流繞組電流、兩組交流繞組電流和在旋轉坐標上的正交繞組直流電流之間的等效關系，來實現定子電流的解耦和系統的降階以及線形化。 2　控制策略 　　磁鏈開環轉差型矢量控制系統是將采用磁鏈開環控制，避免轉子磁鏈反饋信號的不準確而對控制精度的影響，磁場定向由磁鏈和轉矩給定信號確定，并不用實際計算轉子磁鏈和相位，而是通過參數辨識和自適應控制來間接磁場定向，而轉速的控制仍然是閉環的，這樣繼承了基于異步電機穩態模型轉差頻率控制系統的優點，又利用了基于異步電機動態模型的矢量控制規律，在良好的穩定性基礎上大大提高了動態性能，如今在參數辨識和自適應控制方面做的比較好的變頻器很多，選擇合適的類型，控制高性能的異步電機，通過一些參數設置可以實現高動態調速系統，控制系統框圖見圖1。 [align=center] 圖1　磁鏈開環轉差型矢量控制系統[/align] 　　根據這一思想基于西門子6se70變頻器設計了一個矢量控制調速系統，控制一臺60kw 1ph7系列異步電機，在空載時實現轉速10%階躍響應時間不大于200ms的動態響應要求，在過渡過程中系統無振蕩和超調量不大于2%。 3　系統組成 　　整個調速系統由一臺75kw變頻器6se7031-5ef60，加上必要的外圍硬件組成，能實現系統本地和遠程啟動、停止、給定和監控等功能。系統選用合適的制動單元、制動電阻用來消耗降速制動時電機回饋的能量，改善降速過程的動態性能。異步電機型號為1ph7184-2hf300bc0，60kw，主要參數為:額定速率為1750r/min，最大轉速為5000r/min，基頻為59.0hz，額定電流為120.0a，額定電壓為388v，轉矩為327n.m，功率系數cosφ=0.78。電機自帶冷卻風機、轉速編碼器（1024）、溫度傳感器。系統原理框圖見圖2。 [align=center] 圖2　系統原理框圖[/align] 4　系統調試 　　調試前對整個系統進行電氣檢查，確保所有的電氣線路連接正確可靠，所有的熱過載保護都合理設置;然后上電檢查，確認主回路、輔助控制回路都在正常狀態，冷卻風機轉向正確。先進行簡單的參數設置，初步檢查整個系統可以正常工作;然后進行專家應用參數設置，這個過程是設置基本功能，并把電機參數輸入變頻器，由變頻器進行自整定，獲得電機參數。 　　按照6se7031-5ef60說明書要求進行參數設置，組合運用變頻器內部的自由功能模塊，實現了計算機/手動模擬量給定及計算機/手動給定選擇、階躍給定、給定和反饋量的模擬量輸出等功能。 　　動態響應的參數調節，調節原則是保證系統的機械特性，獲取最小的動態響應時間，對于磁通調節器一般采納自整定值，防止不適當的修改影響磁通量的給定。主要是調整轉速調節器的比例增益kp和積分時間，轉速調節器在自整定過程中，機器本身已經自動寫入參數。對本系統，自整定后系統為自保護，把上升和下降過程信號加一個0.5s斜坡函數，并在斜坡函數加上初始和結束圓弧時間均為10s，此時kp=7.2，積分時間為400ms，在這種情況下系統的動態響應時間是450ms左右，無超調量，運行穩定，但這遠不能滿足高動態響應性能的要求，為追求快速性，取消斜坡函數，將斜坡函數的時間設定為0，把初始和結束設定10ms圓弧時間用于保護，然后調節轉速調節器的比例增益kp和積分時間。 　　轉速調節器是一個pi調節器，當積分時間一定，加大比例增益kp時，動態響應時間加快，但超調量也加大;當比例增益kp一定，積分時間加大，動態響應時間變長，對超調量有所抑制，過渡過程穩定性加強，積分時間減小，動態響應時間變小，過渡過程穩定性變差，對超調量也沒有抑制。所以對比例增益kp和積分時間要進行不斷的比較調整，獲得與系統匹配的最佳參數。 參數調整如下: p462=0; //取消上升斜坡函數// p463=0; //加速時間單位:s// p464=0; //取消下降斜坡函數// p465=0; //降速時間單位:s// p469=0.01 ;//給定斜坡函數初始圓弧時間// p470=0.01 ;//給定斜坡函數結束圓弧時間// p235=7.2; //轉速調節器的增益kp// p240=250 ;//轉速調節器的積分時間// 　　這些參數調整與變頻器、電機的性能有很大關系，要進行不斷的試湊，測出系統在不同的參數的情況下系統的動態性能，最終選出最優參數。 　　在實際調試過程中，用示波器在模擬量輸出端測量反饋信號時，發現在使用了除法器功能后，模擬量輸出變成了76ms才變化一次的非連續值，檢查核對后，發現這是西門子變頻器內部自由功能模塊應用時采樣時間設定過高，調低后輸出波形便呈連續;但為了滿足實時動態測量，應在輸出通道中減少使用自由功能模塊。 5　系統制動 　　當調速系統處于降速時，電機處于發電狀態，逆變器將發出的交流電整流成直流電，存儲在電容中，當直流母線電壓高于關機閾值，變頻器將自動關機，因此需要合理選擇制動單元和制動電阻來有效消耗直流母線線上的能量。對于高動態響應的調速系統，快速制動過程中，制動單元必須在短時間（幾ms～幾十ms）內igbt打開，由制動電阻消耗掉電機發出的能量，而且還能滿足反復制動的要求，因此要對制動過程中發出的能量進行估算，并由此計算出制動單元和制動電阻。參考安川變頻器給出的計算方法[6][7]，在此基礎上經過修改，獲得符合高動態響應調速系統的要求的計算公式。 　　最大制動轉矩mbmax 　　mbmax=2mrmot （1） 　　其中:mrmot——電機額定轉矩 　　最大制動功率pbmax 　　pbmax =mbmax（n1-n2）/9.55 （2） 　　其中:n1——制動前轉速;n2——制動后轉速 　　電氣制動功率pe1 　　pe1 =ηgear pbmax-k prmot （3） 　　其中:ηgear——機械效率; prmot——電機額定功率; k——電動機內部損耗預估系數（見附表） 一般認為機械損耗可以忽略，ηgear等于1，使得電氣制動功率留有余量。 　　制動電阻值rb 　　rb≤ub2/ pe1 （4） 　　其中:ub——制動單元igbt斬波電壓。 　　對于這個系統變頻器的關機閾值為820v，設定制動單元的igbt斬波電壓為730v，按照上面的計算公式，代入電機參數計算過程如下: 　　最大制動轉矩 mbmax=2mrmot=2×327=654（n·m） 　　最大制動功率 pbmax =mbmax（n1-n2）/9.55=654×5000/9.55=342400（w） 　　電氣制動功率 pe1 =ηgear pbmax-k prmot=34240-0.05×60000=312400（w） 　　制動電阻值 rb≤ub2/ pe1=7302/312400=1.7058（ω） 　　由于整個計算中都是取最大量，根據實際的產品情況，取制動單元為300kw取制動電阻為2ω，經過驗證可以滿足快速制動的要求，變頻器不會發生過壓過流等故障，系統也沒有出現制動沖擊。 [font=黑體][color=#008284]6　動態性能 [/color][/font]　　系統在空載情況下，轉速給定信號從的4000r/min階躍上升到4500r/min，實際轉速變化的過渡時間172ms，過渡過程超調量2%，無振蕩;波形見圖3。 [align=center][img=560,418]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-3/zx03.jpg[/img] 圖3　轉速上升階躍過程的給定與反饋曲線[/align] 　　系統在空載情況下，轉速給定信號從的4500r/min階躍下降到4000r/min，實際轉速變化的過渡時間144ms，過渡過程無超調，無振蕩;波形見圖4。 [align=center][img=550,409]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-3/zx04.jpg[/img] 圖4　轉速下降階躍過程的給定與反饋曲線 [/align] 　　從系統的上升階躍和下降階躍過程可見系統動態響應很快，并且沒有出現振蕩和大的超調，在轉速上升時出現微小的超調，這在帶負載運行時負載的阻尼效果會對此進行抑制。轉速下降的過程是一個制動的過程，此時制動單元及制動電阻工作，使得轉速變化平穩過渡，并嘗試了在短時間內多次階躍降速，系統制動正常，運行平穩，沒有出現過壓過流等故障。 7　結束語 　　本文主要是對高動態響應矢量變頻調速系統的應用進行探索，通過了實際系統的設計、調試，得到了在空載情況下穩定運行的高動態響應調速系統，對轉速調節器的參數設置和制動單元、制動電阻的選擇是系統得以實現的關鍵。今后對系統的優化設計應當重點關注以下幾點: （1）對轉速調節器進行仿真分析，以獲得更精確的參數進行設置，減少反復試湊的調試時間，增加對磁通調節器的研究，探索對磁通對系統動態性能的影響。 （2）把變頻器的余量放大，選用大功率的變頻器拖動電機，嘗試到2～2.5倍電機額定功率，制動也可以采用回饋電網的制動方式。 （3）對電機的選用也進行考核，對異步電機的快速響應性能，機械特性都要進行研究，保證電機能夠適應高動態響應性能的要求。