spwm调速系统和仿真设计

SPWM在交流调速系统

中的应用

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目录

序言 (2)

1.正弦脉宽调制SPWM型逆变器基础理论 (2)

1.1正弦脉宽调制（SPWM） (3)

1.2 SPWM波的调制条件 (5)

2.三相SPWM逆变电路带星型负载的仿真 (5)

2.1建立三相SPWM仿真模型： (6)

2.2仿真结果分析 (7)

3．三相异步电机调速系统SPWM电压型逆变器的仿真 (10)

3.1 建立模型基础概念 (10)

3.2 SPWM电压型逆变器矢量仿真模型的建立 (11)

3.3 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

143652VT VT VT VT VT VT 、、、、、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 脉冲序列，如图3-7所示。

图３-6 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t u 和参考正弦波r u 的相交关系，可以产生SPWM 调制波。

r

u d

U +

当参考电压r u 正半波时，若r t u u ≤，调制波，而r t u u ≥， 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r t u u =是输出电压转折点，由于采用正弦参考波调制，所以靠近r u 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r u 在负半周时，需要把r u 正半波的SPWM 序列反向，得到一个周期的、幅值在0~P u 变化的脉冲序列，称为单极性SPWM 调制模式，如图3－8（a ）。 如果在每个交点r t u u =处同时产生正、负触发脉冲，在一个半周既有P u +又 有P u -脉冲序列，这种调制称为双极性SPWM 调制模式，如图3－8（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1VT ,4VT 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 1VT ,4VT 互补触发或关断，当然，在用于控制功率元件互补

r

u t

u

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、特别是功率元件允许的工作条件的限制。 调制比：

rm

tm

U M U =

在双极性SPWM 波中，最小脉宽出现在r u 接近载波t u 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oof t 使其可靠关断后，互补元件再导通，因此一般M ≤0.9。 载波比：

t

r

f N f =

r f ：三角载波频率，（Hz ）； t f ：正弦参考波频率，（Hz ）；

载波比是一个周期参考正弦波三角载波的周期数，在r f 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t u 认为对称三角波，线电压在d U ±和0之间变动，而星型负载可能的电平为d U ±，2d U ±和0之间变化。为了保证

U d /-U d /+0

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t r n k ωω±处，其中

1,3,5,...=3(21)1,1,2,3,...

2,4,6,...=61,0,1,2,...=61,1,2,3...n k m m n k m m k m m = -± =⎧⎨

=+ = - =⎩或

， 仿真原理图如下图所示：

2.1建立三相SPWM 仿真模型：

1

S 2

S 4S 6

S B

R -

3

S 5

S A

B

C

A

R C

R O