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1、SPWM在交流调速系统中的应用姓名： 班级： 学号： 目录序言21.正弦脉宽调制SPWM型逆变器基础理论31.1正弦脉宽调制（SPWM）41.2 SPWM波的调制条件52.三相SPWM逆变电路带星型负载的仿真62.1建立三相SPWM仿真模型：62.2仿真结果分析73三相异步电机调速系统SPWM电压型逆变器的仿真103.1 建立模型基础概念103.2 SPWM电压型逆变器矢量仿真模型的建立113.3 仿真结果及其分析13序言交流电机传动的电力机车是由电压型、电流型交直交变流器供电的异步电机组成的系统，包括整流器，直流中间环节，和逆变部分。而逆变器是控制 6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电件的
2、通断，可以得到不路。按照一定规律控制同频率的三相交流输出各半导体开关器件的通断，可以得到不同频率的三相交流输出。本文针对逆变环节，在理论分析的基础上，对针对带一般星型电感性负载，和在三相异步电机的情况下分别进行了MATLAB仿真，并对负载突然变动时的情况进行了讨论（添加一个阶跃转矩），在对三相异步电机进行仿真时，采用了转差频率控制的矢量控制模型，即使在负载变动的情况下，系统仍能在很短的时间内达到稳定，可见其具有很好的调速性能。为了简便起见，本文仅针对电压源型逆变环节进行讨论，所以在MATLAB仿真中，直流中间环节采用直流电源替换，电压源型逆变器的原理图如下图所示：电压型逆变器 1.正弦脉宽调制
3、SPWM型逆变器基础理论所谓PWM（Pulse Width Modulation）是用直流斩波的方法，将逆变器的输出相电压调制成幅值相等的若干个矩形电压脉冲，通过调节占空比改变脉冲宽度，即可改变输出电压的大小，而调节一个周期的循环开断时间可改变输出电压频率，从而在逆变器上实现VVVF的综合控制。下图是PWM变频器的主电路原理图，图中以IGBT全控功率元件构成A、B、C三相桥臂，为简化图形，与各开关元件并联的续流二极管未画出，三相电阻负载Y接。为使逆变器输出PWM电压波，前提是取得所需要的PWM脉冲序列，以控制逆变器开关元件的通、断。通常是利用三角波电压与参考电压（如正弦电压）相比较调制出PWM
4、脉冲序列，如图3-7所示。图-6 PWM变频器原理图图3-7产生PWM脉冲矩形波1.1正弦脉宽调制（SPWM）1.1.1单极性和双极性正弦脉宽调制 以等腰三角形载波和参考正弦波的相交关系，可以产生SPWM调制波。 当参考电压正半波时，若，调制波，而， 为宽度不等的矩形脉冲波，正弦参考电压与三角载波电压的交点是输出电压转折点，由于采用正弦参考波调制，所以靠近幅值处的脉冲波较宽，两边逐渐对称变窄，矩形面积所表示的输出电压有效值大小符合正弦分布规律，称这种脉冲序列SPWM序列。 当在负半周时，需要把正半波的SPWM序列反向，得到一个周期的、幅值在变化的脉冲序列，称为单极性SPWM调制模式，如图38（
5、a）。如果在每个交点处同时产生正、负触发脉冲，在一个半周内既有又有脉冲序列，这种调制称为双极性SPWM调制模式，如图38（b）。（a） 单极性SPWM脉冲（b）双极性SPWM脉冲以图3-6的二电平逆变器A相为例，在输出端A点只能有+Ud /2或-Ud /2两个电平，因此, 必须处于互补的通、断状态，而采用双极性的SPWM脉冲序列，可控制 , 互补触发或关断，当然，在用于控制功率元件互补通断时须满足“先断后通”的原则。则逆变器A端输出电压波形为图3-9。1.2 SPWM波的调制条件 SPWM波实质上是功率器件的驱动脉冲，所以与电压型逆变器输出电压波形一致。因此受到对逆变器的性能要求、特别是功率元
6、件允许的工作条件的限制。调制比： 在双极性SPWM波中，最小脉宽出现在接近载波峰值的两交点间，此处的最小脉宽时间必须保证大于功率元件的关断时间使其可靠关断后，互补元件再导通，因此一般M0.9。载波比： ：三角载波频率，（Hz）；：正弦参考波频率，（Hz）；载波比是一个周期参考正弦波内三角载波的周期数，在一定的情况下，显然载波比N越大，逆变器输出电压波形越接近理想正弦波；但同时开关元件的开、断频率也就越高，因此受到元件的开、断频率允许值的限制。2.三相SPWM逆变电路带星型负载的仿真三相SPWM与单项相类似，但载波信号认为对称三角波，线电压在和之间变动，而星型负载可能的电平为，和之间变化。为了保
7、证三相之间的相位差，在波比为3的整数倍。且输出电压谐波集中分布在处，其中仿真原理图如下图所示：2.1建立三相SPWM仿真模型：图0 Discrete PWM Generator模块参数设计其中三相负载的有功为1kw，感性负载为500var，SPWM的控制信号由Discrete PWM Generator 产生，选择三桥臂六脉冲；m=0.5，基波频率50HZ,载波频率为其30被，即1500HZ;powergui设置为离散仿真模式，采样时间，输出的相电压，相电流，线电压，直流电流波形如图所示。2.2仿真结果分析图1 总图图2线电压波形图3 线电流波形图4 直流电流波形选择powergui中的FFT
8、模块进行分析，THD在m=0.5是高达，所以可以看出在一定程度上采用SPWM可以使电流更接近正弦波。图5 FFT分析图3三相异步电机调速系统SPWM电压型逆变器的仿真3.1 建立模型基础概念转差频率控制的异步电机矢量控制调速系统，采用SPWM电压型逆变器，转速采用转差频率控制，即异步电机的定子角频率由转子角频率和转差频率组成，在此过程中，电动机的定子电流频率始终能随转子的实际转速同步升降，使转速的调节更为平滑。保持转子磁链不变的情况下，电动机的转矩直接受到定子电流的转矩分量控制，并且转差可以通过定子电流的装具分量来计算，转子磁链也可以通过定子电流的励磁分量来计算。在系统中移转速调节器ASR的输
9、出为定子电流的转矩分量，并通过计算的到转差、如果采取磁通不变的控制，则，由于，可得：又因为，可得：，由于矢量控制方程得到的是定子电流的励磁分量和转矩分量，本系统采用变压型逆变器，需要将相应的电流控制转换为电压控制，又由于,其变换关系为:式子中,为定子电压的励磁分量和转矩分量;为漏磁系数，且满足：,经过二相旋转坐标系/三相禁止坐标系的变换，得到SPWM电压型逆变器的三厢的电压控制信号并且控制逆变器的输出电压。3.2 SPWM电压型逆变器矢量仿真模型的建立建立如下图所示的仿真模型：图1 转差频率控制的SPWM矢量控制系统仿真模型上述仿真系统的控制部分由给定，PI调节，函数运算，坐标变换，SPWM脉
10、冲发生器等组成。给定环节是定子的电流励磁分量和转子的速度。放大器，和给定积分器组成了带限制幅度的转速调节器ASR。电流电压模型转换由函数，模块实现。函数运算模块根据定子电流的励磁分量和转矩分量计算转差，并与转子频率相加得到定子频率，在经过积分器得到定子电压矢量转角。模块、实现了二相到三相的变换。输出后插入了衰减环节。在模块调试时，可以试系统开环工作，将PWM发生器设置为内部运行模式，根据输出和PWM发生器的三相调制输入信号的幅值小于1的要求，计算得到其值为2。其中在0.45s时加载, , ,将参数改为50Hz, 由于，有此时：其他参数不变，其中选择固定步长算法，补偿取，仿真时间0.65s。图2 仿真参数设置图3.3 仿真结果及其分析具体图形见如下所示：图3 二相/三相时abc三相电流图4 转子磁链图形图5定子磁链图形图6 转矩波形图7转速波形图8 转子abc三相电流图9 定子abc三相电流结果分析：通过仿真我们可以发现在0.43时转速已经达到，即为稳定值，此时转子预定子磁链也都近似于圆形。而但加入负载后，系统出现短暂波动，但很快就达到稳定。所以说，该模型是相当理想的。17
