spwm调速系统和仿真设计

SPWM在交流调速系统中的应用：班级：学号：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。

ru dU +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ru tu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：rmtmU 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：trf 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：1S 2S 4S 6S BR -3S 5S ABCAR CR O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6510s -⨯，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 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1ω由转子角频率ω和转差频率s ω组成1s ωωω=+，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 ψ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1t i 控制，并且转差s ω可以通过定子电流的装具分量1t i 来计算，转子磁链r ψ也可以通过定子电流的励磁分量1m i 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1t i ，并通过计算的到转差s ω、如果采取磁通不变的控制，则0r p ψ=，由于1m r sm r L i T pψ=+，可得： 1r m m L i ψ= 又因为m st s r rL i T ωψ=，可得： 11s t r m i i ω=，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m e p r st rL T n i L ψ=,其变换关系为:11sm s m s st u R i L i ωσ=-1()st s s st sm u R L p i i σω=+- 式子中sm u ,st u 为定子电压的励磁分量和转矩分量;σ为漏磁系数，且满足：1m s r L L L σ=-sm u ,st u 经过二相旋转坐标系/三相禁止坐标系的变换(2/3)r s ，12/33/2101/221/22C C -⎡⎤⎢⎥==-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦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 脉冲发生器等组成。

给定环节是定子的电流励磁分量* 5.2im A =和转子的速度*1400/min n r =。

放大器G1=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 ω，并与转子频率ω相加得到定子频率1ω，在经过积分器得到定子电压矢量转角()theta θ。

模块sin 、cos 、0/dq abc 实现了二相到三相的变换。

0/dq abc 输出后插入了衰减环节G4。

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0/dq 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65TL N m = g , G3=0.0067, G5=G6=9.55,将参数改为50Hz, 由于11st r m i T i ω=，有110.0690.0020.071()0.0690.0020.071()s m s r m r L L L mH L L L mH ===+=+==+=+=此时：0.0710.0870.816r r L mH Tr R mH === 其他参数不变，其中选择固定步长算法23ode tb ，补偿取510-，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1400/min r ，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65TL N m = g 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。