电机控制实验二：正弦脉宽调制(SPWM)变频调速系统

课程名称：电机控制指导老师：成绩：
实验名称：正弦脉宽调制（SPWM）变频调速系统实验类型：同组学生姓名：
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的和要求
1.加深理解自然采样法生成SPWM波的机理和过程
2.熟悉SPWM变频调速系统中直流回路、逆变桥功率器件和微机控制电路之间的连接
3.了解SPWM变频器运行参数和特性
二、实验内容和原理
1.实验内容
（1）用SPWM变频器驱动三相异步电动机实现调速运行
（2）改变调制方式，观察变频器调制波形、不同负载时的电动机端部电压、线电流波形
（3）改变V/f曲线，观察版聘妻在不同低频补偿条件下的低速运行情况
（4）改变变频调速系统的加速时间，观察系统的加减速过程
2.实验原理
SPWM变频调速系统主要由不控整流桥、电容滤波、直流环节电流采样（串采样电阻）、MOSFET逆变桥、MOSFET驱动电路、8031单片微机数字控制情况、控制键盘与运行显示等环节组成。

实验系统的组成如下图所示：
本实验系统的性能指标如下：
（1）运行频率f1可在1~60Hz的范围内连续可调
（2）调制方式
①同步调制：调制比F=3~123可变，步增量为3；
②异步调制：载波频率f0=0.5~8kHZ可变，步增量为0.5kHZ;
③混合调制：系统自动确定各运行频率下的调制比。

控制方式和运行显示控制图如下：
SPWM变频器控制键盘与运行显示面板图
（3）V/f曲线
有4条V/f曲线可供选择，以满足不同的低频电压补偿要求，曲线如下图所示：
曲线1：f1=1~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hz
f1=51~60Hz, U1=220V
曲线2：f1=1~5Hz, U1=21.5V
f1=6~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hz
f1=51~60Hz, U1=220V
曲线3：f1=1~8Hz, U1=34.5V
f1=9~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hz
f1=51~60Hz, U1=220V
曲线4：f1=1~10Hz, U1=43V
f1=11~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hz
f1=51~60Hz, U1=220V
（4）加速时间
可在1~60s区间设定电机从静止加速到额定速度所需要的时间，10s以下步增量为1s，10s到60s步增量为5s。

三、主要仪器设备
MCL现代运动控制技术实验台主控屏、直流电动机——测功机——测速发电机组、给定、零速封锁器、速度变换器、速度调节器、电流调节器组件挂箱、双踪记忆示波器、数字式万用表
四、操作方法和实验步骤
1.混合调制实验
（1）运行频率设置为f1=50Hz和f1=25Hz，记录一下波形
①调制波/载波和SPWM波
②电机空载运行时线电压/相电流波形
2.异步调制实验
（1）运行频率为f1=50Hz，载波频率f0分别为500Hz、1kHz，记录一下波形
①调制波/载波和SPWM波形
②电机空载运行时线电压/相电流波形
（2）运行频率为f1=10Hz，载波频率f0分别为500Hz、1kHz和1.5kHz，观察低速运行时，不同载波频率对系统性能的影响。

记录1.5kHz时各个实验波形
3.同步调制实验
运行频率为15Hz，载波比分别为F1=3和F1=21。

记录以下波形
①调制波/载波和SPWM波形
②电机空载运行时线电压/相电流波形
4.操作过程
按照原理图连好电路，将该组件挂箱的控制电源端接入200V交流电，闭合控制电源开关，电源指示灯亮，表示挂箱通电。

此时，控制键盘上的数码管显示“P”，表示微机系统处在等待接受指令状态。

“运行”、“停止”键用来启动、关闭变频器。

开机或复位后变频器的缺省设置为：
混合调制方式，运行频率为50Hz，加速时间为3s，选中V/f曲线2。

SPWM变频器运行参数的设定可通过如键盘显示图的部分来实现。

发光管用来指示运行方式及数码管显示内容。

按“设置”键可进入设置状态，数码管闪烁显示。

进入设置状态后，可按“加速时间”“V/f曲线”“同步调制”“异步调制”“混合调制”“调制比”“载波频率”“运行频率”等各键选择各个参数，按“上升”“下降”键可进行参数设置，设置完毕后可按“确认”键以输入设定的参数，同时推出设置状态，数码管恢复正常显示，设置后需要再按“运行”键才能使变频器以设定好的参数运行。

“运行频率”也可以在退出设置状态后，直接按“上升”“下降”键进行操作。

五、实验数据记录与处理
1.混合调制实验
（1）运行频率50Hz
调制波/载波和SPWM波形
电机空载运行时线电压和相电流波形（2）运行频率25Hz
调制波/载波和SPWM波形
电机空载运行时线电压和相电流波形2.异步调制实验
（1）运行频率为50Hz，载波频率为500Hz
调制波/载波和SPWM波形
电机空载运行时线电压和相电流波形（2）运行频率为50Hz，载波频率为1000Hz
调制波/载波和SPWM波形
电机空载运行时线电压和相电流波形（3）运行频率为10Hz，载波频率为1000Hz
调制波/载波和SPWM波形
电机空载运行时线电压和相电流波形3.同步调制实验
（1）运行频率为15Hz，载波比为3
调制波/载波和SPWM波形
电机空载运行时线电压和相电流波形（2）运行频率为15Hz，载波比为21
调制波/载波和SPWM波形
电机空载运行时线电压和相电流波形
六、实验结果与分析
1.通过查看调制波/载波和SPWM波波形，可以清晰地看出只有当调制波电压大于载波电压的时候，SPWM输出为正。

2.异步调制时，载波信号与调制信号不保持同步，一般保持载波频率不变，调节调制波频率。

同步调制时，载波比不变，载波频率跟随运行频率变化而变化
3.当调制波频率较高时，载波比较高时，SPWM输出频率越高，输出相电流越小
4.默认为混合调制，即分段同步调制，可以改变的只有运行频率，当运行频率减小时，载波比增大，保证在频率较低的情况下保持电机的运行特性
5.异步调制下，随着载波频率的升高，三角载波脉冲数增加，SPWM波形存在着三层，大约处于对称状态
6.减少运行频率，三角载波频率不变，但是正弦波频率减小，与同步调制相比，低频时异步调制的效果更佳，不容易失真。

7.同步调制下，随着载波比的增加，半周期内脉冲数增大，运行效果有了明显的改善性能；载波比太小并且运行频率很低的情况下，高次谐波会增多，电机的运行性能将会下降。

七、讨论、心得
1.通过本次实验，了解了正弦脉宽调制（SPWM）下不同调制方式对电机在不同频率下的调制性能的改变，更加直观的观测到同步调制和异步调制的优缺点，学习到了SPWM对电机运行性能的影响，加深了对SPWM变频调速系统的实验原理的理解。

2.SPWM进行整流时用的是不控二极管整流桥，进行逆变的时候运用的是可控MOS管逆变桥，这个电路在实际中大多数运用在中小型电机以及家用电器里，一些大型电机往往用的是双SPWM变频调速系统，即整流时也要用可控MOS管整流桥，这是因为位能性负载的情况下，当负载处于发电机状态下，电能将通过MOS管逆变桥由交流回到直流状态，这些直流电无法通过不控二极管整流桥回到电网，于是将电压都加在大电容上，从而有可能导致大电容的击穿现象；如果改用可控MOS整流桥，多余的电能可以顺利回到电网中，对电机安全运行起到了重要作用。

当然，双SPWM变频调速系统造价很贵，不适用于小型电机。

3.线路上并联大电容的作用就是为了滤波和储能，当电源断开时，电机运行的一部分能量仍然储存在电容中，如果电容不够大，放电不够迅速，则会造成一些事故发生。

这些电能大到可以让电机继续运行，所以一定要等到电容放电完成后再去执行拆除电路。

4.一般来说，一开始电机启动时，电流较大，此时需要限流电阻串联在电路里来达到限流的作用，当电压升高时，通过一个分压电阻，将电压采集到一个继电器上，当达到继电器整定值时，常开开关闭合，限
流电阻被短路，此时电机进入正常运行状态。

所以，为了减小电阻上的损耗以及减小因为电阻损耗过大而导致的电阻损坏，加电压的时候应该尽量快点。

5.对比三种调制方法，可以得知，同步调制在低频时输出特性不好，而在高频时输出特性较好；异步调制在高频时输出特性差，而在低频时输出特性较好；混合调制结合了同步调制和异步调制的优点，在高频和低频都有比较不错的输出特性。