spwm调速系统和仿真设计

1、SPW在交流调速系统中的应用班级：学号：目录序言 21. 正弦脉宽调制SPW型逆变器基础理论 21.1 正弦脉宽调制（ SPW）M 31.2 SPWM波的调制条件 52. 三相SPW逆变电路带星型负载的仿真 52.1建立三相SPW仿真模型： 62.2 仿真结果分析 73 三相异步电机调速系统 SPW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

2、成的三相桥式逆变电件的通断， 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MATLA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MATLA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

3、图如下图所示：电压型逆变器1. 正弦脉宽调制SPW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VT、VT4、VT3、VT6、VT5、VT2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PW

4、h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PW脉冲序列，如 图3-7所示。U dO图3 -6 PW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单极性和双极性正弦脉宽调制以等腰三角形载波Ut和参考正弦波Ur的相交关系，可以产生SPW调制波 当参考电压Ur正半波时，若Ur Ut，调制波，而Ur Ut ,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 Ur Ut是输出电压转折点，由于采用 正弦参考波调制，所以靠近Ur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，

5、称这种脉冲序列SPW序列。当Ur在负半周时，需要把Ur正半波的SPW序列反向，得到一个周期的、幅 值在OUp变化的脉冲序列，称为单极性 SPW调制模式，如图3-8 (a)。 如果在每个交点Ur Ut处同时产生正、负触发脉冲，在一个半周既有Up又有Up脉冲序列，这种调制称为双极性 SPW调制模式，如图3-8 (b)。UrUt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VTi,VT4必须处于互补的通、断状态，而采用双极性的SPWI脉冲序列，可控制VTi,VT4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

6、出电压波形为图3-9+Ud/2、d /厶0f1声'J*-1-匕1 -1” i2 °-Ud/2kr 二.*X 1* -'-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、特别是功率元件允许的工作条件的限制。 调制比：rm tm在双极性SPW帔中，最小脉宽出现在Ur接近载波Ut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 toof使其可靠关断后，互补元件再 导通，因此一般M 0.9。载波比：N主frfr ：三角载波频率，（HZ）；ft :正弦参考波频率，（Hz）;载波

7、比是一个周期参考正弦波三角载波的周期数， 在fr 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SPW与单项相类似，但载波信号Ut认为对称三角波，线电压在Ud和0 之间变动，而星型负载可能的电平为ud：3， 2Ud；3和0之间变化。为了保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n t k r 处，其中n 1,3,5,.k = 3(2m 1) 1, m 1,2,3,.n 2,4,6,.k=6m 1,m 0,1,2,.或 k =

8、6m 1,m 1,2,3,仿真原理图如下图所示：2.1建立三相SPW仿真模型:ID i. K-c x- b a 'F WWC Q -wax* x- m 4: cs r耳;J1 a. JT3h-1 S 411 SClf 4口UN CIh-e 1TQ, t 3 S PUL 缶它石 T-© F VB X" 1*总 f 一 口鼻 专屯 d FVfA (M. g 4k W1 <lt JT|.Ftod.ij.1 JS-f 1_ot0i =« 1 T coiwmia.!：<lf tdL 1 (S-feTs GHbb o r lE'Ts fc if 1

9、 -3.ees .口 -Km idi.E3- it， <fc n-uml* a ir cf b e* 4-". 3* irn k£ *ri|. t Jx "G- r . I ca k "Ms 3 "口血 1:杠皿口:E-b 1 O R=ktrUS >>bdL 乜:丄 A H v S' /-£f If1 Ei * 1 w- 口 上.匸 E Q IT 1 上I f G 一 J>±g.左 M FTe«&n t 11 £-4_nce iL r>图0 Discrete

10、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勺控制信号由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5 10 6s， 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Era0.016 Q018 Q02 0.022 0.Q24 1036 1028 0.03 0.032 0.03+Tine offest: 0图3线电流波形图4直流电流波形选择powergui中

11、的FFT模块进行分析，THD在 m=0.5是高达139.45%，所以可以看出在一定程度上采用 SPW可以使电流更接近正弦波。Powcrnui FFT Analyoi 3 Tool.File Edit 716V IrLSgil! Tod13 Desktop Vmlo'jrWot e new 1co-Lba.c buttons; dat岂 trushLTLE $ lir±d slots /. Plav® 口呷刪总E O LltplBV FFrSb-udurcSeletled signal: 3 cycles.卜FT 'indo (m red): 1 tytlie

12、巴03ZC0.010020 03D.I040.05 O.tETime (s)|S：Dopel>fiita1Input:hJiT 1Siynd n n>mkicia：卜TiFFT Fvm d owart.ttTie (sjjFFl amlUrsisCJE一岳=£口 三丄匕洋)宅戸Number of cipcbs: 1Fi-r£»lifc-rtiil Tr qutf-riCy (Itp3)50FFT c&TtingcDtsptayFiojDnr a罚芒：vlrt=：dl7max Frequeric (Hi)图5 FFT分析图3. 三相异步电机调速系

13、统SPW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SPW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1由转子角频率和转差频率s组成s 1，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r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i1t控制，并且转差s可以通过定子电流的装具分量i1t来计算，转子磁链 r也可以通过定子电流的励磁分量i1m来计算。在系统中移转速调节器 ASR的输出为定子电流的转矩分量iit，并通过计算的到转差 s、如果采取磁通不变的控制,则P r 0，由于r占=sm

14、，可得:Lmi1m又因为岂，可得:s ht ： Tr i1m ，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Te np-Lm rist,其Lr变换关系为：usm1 Lsistust(RsLs p)ist1i sm式子中Usm,Ust为定子电压的励磁分量和转矩分量；为漏磁系数，且满足:1 Lm.'LsLrUsm , Ust经过二相旋转坐标系/三相禁止坐标系的变换（2r /3s），_1 0C2/3C3/ 2-1/2 巧/23-1/2 V3/2得到SPW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

15、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：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 冲发生器等组成。给定环节是定子的电流励磁分量im* 5.2A和转子的速度n* 1400r/min。放大器G仁35，G2=0.15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Um*，Ut*模块实现。函数运算模块ws* 根据定子电流的励磁分量和转矩分量计算转差s，并与转子频率相加得到定子频率1，在经过积分器得到定子电压矢量转角theta。模块 sin、cos、dqO/abc实现了二相到三相的变换。dqO/abc输出后插入了衰减环节 G4。

16、在模 块调试时，可以试系统开环工作，将PWM发生器设置为部运行模式，根据dqO/abc 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G4得到其值 为2。其中在0.45s时加载TL50Hz,由于 s in TJm，有Ls Lm Lr Lm此时：Tr65 Ngm,LrRr0.0690.069G3=0.0067, G5=G6=9.55，将参数改为0.002 0.071(mH)0.002 0.071(mH)00沁 0.0870.816mH其他参数不变，其中选择固定步长算法ode23tb，补偿取10 5，仿真时间0.65s。Conf i flu rat j on Parjinic te

17、ra : xinyanAsiy SPSM/Conf i guriat ion (Act. i vd)DLT4i1at匚 Inorl/ExiiDtr!_p 11®!. L山业皿MX?- ： AH£ L a TLn«TaLLdl t?Bofif A-l ilon j-T£LnL*CliTr1 lj 卜- crxEitxbl i ty k Kl>eIvI Lsfa l Edidii 9ig SflTjrisbc1 odrO Ke#eicTirititi ml alt IP Ji Ta电.1讥网 洒if眄* Eltpcr t! ： Oftl EJL* S

18、«Tnfc&L3 卜氏事 汁口 eBh& InlttnaDL Wl:- E-LolLaL E&11Tool 斟Id飞X4-A 汕利The 1 lilalm：丁庄 MH." wild.nSclTii i Hset "he zhn C.£1IqKEtf'mbflF of tcwxf m.i l匡 Ani-niMii l«Uf hiadh 4 «CI>L Inna f°u 生怯 I匝 Hl £11.41 "上丄o±L1p val >4 LulLeAt ufiJ_<1 匕iIl注 pta±Li.?Eelcrtl?o3-LhiHi aablv all3.3仿真结果及其分析具体图