1　引言　 　高動態(tài)響應調(diào)速系統(tǒng)是在保證輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的基礎上，快速響應速度給定量，系統(tǒng)能穩(wěn)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(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)，考慮直流調(diào)速系統(tǒng)的功率，維護等方面的原因，嘗試采用矢量變頻控制技術(shù)控制異步電動機來實現(xiàn)高動態(tài)響應的調(diào)速系統(tǒng)。 　　異步電機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線形、強耦合的多變量系統(tǒng)，通過坐標變換可以實現(xiàn)在三相交流電機上模擬直流電機的控制轉(zhuǎn)矩規(guī)律[1]。矢量控制是以旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)坐標上的正交繞組直流電流之間的等效關系，來實現(xiàn)定子電流的解耦和系統(tǒng)的降階以及線形化。 2　控制策略 　　磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)是將采用磁鏈開環(huán)控制，避免轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩給定信號確定，并不用實際計算轉(zhuǎn)子磁鏈和相位，而是通過參數(shù)辨識和自適應控制來間接磁場定向，而轉(zhuǎn)速的控制仍然是閉環(huán)的，這樣繼承了基于異步電機穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點，又利用了基于異步電機動態(tài)模型的矢量控制規(guī)律，在良好的穩(wěn)定性基礎上大大提高了動態(tài)性能，如今在參數(shù)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(shù)設置可以實現(xiàn)高動態(tài)調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)框圖見圖1。 [align=center] 圖1　磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)[/align] 　　根據(jù)這一思想基于西門子6se70變頻器設計了一個矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，控制一臺60kw 1ph7系列異步電機，在空載時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速10%階躍響應時間不大于200ms的動態(tài)響應要求，在過渡過程中系統(tǒng)無振蕩和超調(diào)量不大于2%。 3　系統(tǒng)組成 　　整個調(diào)速系統(tǒng)由一臺75kw變頻器6se7031-5ef60，加上必要的外圍硬件組成，能實現(xiàn)系統(tǒng)本地和遠程啟動、停止、給定和監(jiān)控等功能。系統(tǒng)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(tài)性能。異步電機型號為1ph7184-2hf300bc0，60kw，主要參數(shù)為:額定速率為1750r/min，最大轉(zhuǎn)速為5000r/min，基頻為59.0hz，額定電流為120.0a，額定電壓為388v，轉(zhuǎn)矩為327n.m，功率系數(shù)cosφ=0.78。電機自帶冷卻風機、轉(zhuǎn)速編碼器（1024）、溫度傳感器。系統(tǒng)原理框圖見圖2。 [align=center] 圖2　系統(tǒng)原理框圖[/align] 4　系統(tǒng)調(diào)試 　　調(diào)試前對整個系統(tǒng)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(tài)，冷卻風機轉(zhuǎn)向正確。先進行簡單的參數(shù)設置，初步檢查整個系統(tǒng)可以正常工作;然后進行專家應用參數(shù)設置，這個過程是設置基本功能，并把電機參數(shù)輸入變頻器，由變頻器進行自整定，獲得電機參數(shù)。 　　按照6se7031-5ef60說明書要求進行參數(shù)設置，組合運用變頻器內(nèi)部的自由功能模塊，實現(xiàn)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(tài)響應的參數(shù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)原則是保證系統(tǒng)的機械特性，獲取最小的動態(tài)響應時間，對于磁通調(diào)節(jié)器一般采納自整定值，防止不適當?shù)男薷挠绊懘磐康慕o定。主要是調(diào)整轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例增益kp和積分時間，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在自整定過程中，機器本身已經(jīng)自動寫入?yún)?shù)。對本系統(tǒng)，自整定后系統(tǒng)為自保護，把上升和下降過程信號加一個0.5s斜坡函數(shù)，并在斜坡函數(shù)加上初始和結(jié)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(tǒng)的動態(tài)響應時間是450ms左右，無超調(diào)量，運行穩(wěn)定，但這遠不能滿足高動態(tài)響應性能的要求，為追求快速性，取消斜坡函數(shù)，將斜坡函數(shù)的時間設定為0，把初始和結(jié)束設定10ms圓弧時間用于保護，然后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例增益kp和積分時間。 　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是一個pi調(diào)節(jié)器，當積分時間一定，加大比例增益kp時，動態(tài)響應時間加快，但超調(diào)量也加大;當比例增益kp一定，積分時間加大，動態(tài)響應時間變長，對超調(diào)量有所抑制，過渡過程穩(wěn)定性加強，積分時間減小，動態(tài)響應時間變小，過渡過程穩(wěn)定性變差，對超調(diào)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(diào)整，獲得與系統(tǒng)匹配的最佳參數(shù)。 參數(shù)調(diào)整如下: p462=0; //取消上升斜坡函數(shù)// p463=0; //加速時間單位:s// p464=0; //取消下降斜坡函數(shù)// p465=0; //降速時間單位:s// p469=0.01 ;//給定斜坡函數(shù)初始圓弧時間// p470=0.01 ;//給定斜坡函數(shù)結(jié)束圓弧時間// p235=7.2; //轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的增益kp// p240=250 ;//轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分時間// 　　這些參數(shù)調(diào)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(tǒng)在不同的參數(shù)的情況下系統(tǒng)的動態(tài)性能，最終選出最優(yōu)參數(shù)。 　　在實際調(diào)試過程中，用示波器在模擬量輸出端測量反饋信號時，發(fā)現(xiàn)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(xù)值，檢查核對后，發(fā)現(xiàn)這是西門子變頻器內(nèi)部自由功能模塊應用時采樣時間設定過高，調(diào)低后輸出波形便呈連續(xù);但為了滿足實時動態(tài)測量，應在輸出通道中減少使用自由功能模塊。 5　系統(tǒng)制動 　　當調(diào)速系統(tǒng)處于降速時，電機處于發(fā)電狀態(tài)，逆變器將發(fā)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(tài)響應的調(diào)速系統(tǒng)，快速制動過程中，制動單元必須在短時間（幾ms～幾十ms）內(nèi)igbt打開，由制動電阻消耗掉電機發(fā)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(fā)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(jīng)過修改，獲得符合高動態(tài)響應調(diào)速系統(tǒng)的要求的計算公式。 　　最大制動轉(zhuǎn)矩mbmax 　　mbmax=2mrmot （1） 　　其中:mrmot——電機額定轉(zhuǎn)矩 　　最大制動功率pbmax 　　pbmax =mbmax（n1-n2）/9.55 （2） 　　其中:n1——制動前轉(zhuǎn)速;n2——制動后轉(zhuǎn)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(nèi)部損耗預估系數(shù)（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(tǒng)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(shù)計算過程如下: 　　最大制動轉(zhuǎn)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(jù)實際的產(chǎn)品情況，取制動單元為300kw取制動電阻為2ω，經(jīng)過驗證可以滿足快速制動的要求，變頻器不會發(fā)生過壓過流等故障，系統(tǒng)也沒有出現(xiàn)制動沖擊。 [font=黑體][color=#008284]6　動態(tài)性能 [/color][/font]　　系統(tǒng)在空載情況下，轉(zhuǎn)速給定信號從的4000r/min階躍上升到4500r/min，實際轉(zhuǎn)速變化的過渡時間172ms，過渡過程超調(diào)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(zhuǎn)速上升階躍過程的給定與反饋曲線[/align] 　　系統(tǒng)在空載情況下，轉(zhuǎn)速給定信號從的4500r/min階躍下降到4000r/min，實際轉(zhuǎn)速變化的過渡時間144ms，過渡過程無超調(diào)，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(zhuǎn)速下降階躍過程的給定與反饋曲線 [/align] 　　從系統(tǒng)的上升階躍和下降階躍過程可見系統(tǒng)動態(tài)響應很快，并且沒有出現(xiàn)振蕩和大的超調(diào)，在轉(zhuǎn)速上升時出現(xiàn)微小的超調(diào)，這在帶負載運行時負載的阻尼效果會對此進行抑制。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速變化平穩(wěn)過渡，并嘗試了在短時間內(nèi)多次階躍降速，系統(tǒng)制動正常，運行平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)過壓過流等故障。 7　結(jié)束語 　　本文主要是對高動態(tài)響應矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)的應用進行探索，通過了實際系統(tǒng)的設計、調(diào)試，得到了在空載情況下穩(wěn)定運行的高動態(tài)響應調(diào)速系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)設置和制動單元、制動電阻的選擇是系統(tǒng)得以實現(xiàn)的關鍵。今后對系統(tǒng)的優(yōu)化設計應當重點關注以下幾點: （1）對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行仿真分析，以獲得更精確的參數(shù)進行設置，減少反復試湊的調(diào)試時間，增加對磁通調(diào)節(jié)器的研究，探索對磁通對系統(tǒng)動態(tài)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(wǎng)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(tài)響應性能的要求。