spwm調(diào)速系統(tǒng)和仿真設(shè)計(jì)

1、SPW在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用班級(jí)：學(xué)號(hào)：目錄序言 21. 正弦脈寬調(diào)制SPW型逆變器基礎(chǔ)理論 21.1 正弦脈寬調(diào)制（ SPW）M 31.2 SPWM波的調(diào)制條件 52. 三相SPW逆變電路帶星型負(fù)載的仿真 52.1建立三相SPW仿真模型： 62.2 仿真結(jié)果分析 73 三相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) SPW電壓型逆變器的仿真 103.1 建立模型基礎(chǔ)概念 103.2 SPWM電壓型逆變器矢量仿真模型的建立 113.3 仿真結(jié)果及其分析 13序言交流電機(jī)傳動(dòng)的電力機(jī)車是由電壓型、 電流型交直交變流器供電的異步電機(jī) 組成的系統(tǒng)，包括整流器，直流中間環(huán)節(jié)，和逆變部分。而逆變器是控制 6 個(gè) 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件組

2、成的三相橋式逆變電件的通斷， 可以得到不路。 按照一定規(guī)律 控制同頻率的三相交流輸出各半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的通斷， 可以得到不同頻率的三相 交流輸出。 本文針對(duì)逆變環(huán)節(jié)， 在理論分析的基礎(chǔ)上， 對(duì)針對(duì)帶一般星型電感性 負(fù)載，和在三相異步電機(jī)的情況下分別進(jìn)行了MATLA仿真，并對(duì)負(fù)載突然變動(dòng)時(shí)的情況進(jìn)行了討論（添加一個(gè)階躍轉(zhuǎn)矩） ，在對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行仿真時(shí)，采 用了轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制模型， 即使在負(fù)載變動(dòng)的情況下， 系統(tǒng)仍能在很短 的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定，可見(jiàn)其具有很好的調(diào)速性能。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本文僅針對(duì)電壓源型逆變環(huán)節(jié)進(jìn)行討論，所以在MATLA仿真中，直流中間環(huán)節(jié)采用直流電源替換，電壓源型逆變器的原理

3、圖如下圖所示：電壓型逆變器1. 正弦脈寬調(diào)制SPW型逆變器基礎(chǔ)理論所謂 PWM（ Pulse Width Modulation ）是用直流斬波的方法，將逆變器的輸 出相電壓調(diào)制成幅值相等的若干個(gè)矩形電壓脈沖，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比改變脈沖寬 度，即可改變輸出電壓的大小， 而調(diào)節(jié)一個(gè)周期的循環(huán)開(kāi)斷時(shí)間可改變輸出電壓頻率，從而在逆變器上實(shí)現(xiàn) VVVF的綜合控制。下圖是PWM變頻器的主電路原理圖，圖中以IGBT全控功率元件VT、VT4、VT3、VT6、VT5、VT2構(gòu)成A B、C三相橋臂，為簡(jiǎn)化圖形，與各開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)的續(xù)流二極管未畫(huà)出，三相電阻負(fù)載 Y接。為使逆變器輸出PWM電 壓波，前提是取得所需要的PW

4、h脈沖序列，以控制逆變器開(kāi)關(guān)元件的通、斷。通 常是利用三角波電壓與參考電壓 （如正弦電壓）相比較調(diào)制出PW脈沖序列，如 圖3-7所示。U dO圖3 -6 PW變頻器原理圖圖3-7產(chǎn)生PWM脈沖矩形波1.1正弦脈寬調(diào)制（SPWM單極性和雙極性正弦脈寬調(diào)制以等腰三角形載波Ut和參考正弦波Ur的相交關(guān)系，可以產(chǎn)生SPW調(diào)制波 當(dāng)參考電壓Ur正半波時(shí)，若Ur Ut，調(diào)制波，而Ur Ut ,為寬度不等的矩形脈沖波，正弦參考電壓與三角載波電壓的交點(diǎn) Ur Ut是輸出電壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)，由于采用 正弦參考波調(diào)制，所以靠近Ur幅值處的脈沖波較寬，兩邊逐漸對(duì)稱變窄，矩形面 積所表示的輸出電壓有效值大小符合正弦分布規(guī)律，

5、稱這種脈沖序列SPW序列。當(dāng)Ur在負(fù)半周時(shí)，需要把Ur正半波的SPW序列反向，得到一個(gè)周期的、幅 值在OUp變化的脈沖序列，稱為單極性 SPW調(diào)制模式，如圖3-8 (a)。 如果在每個(gè)交點(diǎn)Ur Ut處同時(shí)產(chǎn)生正、負(fù)觸發(fā)脈沖，在一個(gè)半周既有Up又有Up脈沖序列，這種調(diào)制稱為雙極性 SPW調(diào)制模式，如圖3-8 (b)。UrUt以圖3-6的二電平逆變器A相為例，在輸出端A點(diǎn)只能有+Ud /2或-Ud /2兩個(gè)電平，因此VTi,VT4必須處于互補(bǔ)的通、斷狀態(tài)，而采用雙極性的SPWI脈沖序列，可控制VTi,VT4互補(bǔ)觸發(fā)或關(guān)斷，當(dāng)然，在用于控制功率元件互補(bǔ)通斷時(shí)須滿足“先斷后通”的原則。則逆變器 A端輸

6、出電壓波形為圖3-9+Ud/2、d /厶0f1聲'J*-1-匕1 -1” i2 °-Ud/2kr 二.*X 1* -'-1.2 SPWM波的調(diào)制條件SPWM波實(shí)質(zhì)上是功率器件的驅(qū)動(dòng)脈沖，所以與電壓型逆變器輸出電壓波形 一致。因此受到對(duì)逆變器的性能要求、特別是功率元件允許的工作條件的限制。 調(diào)制比：rm tm在雙極性SPW帔中，最小脈寬出現(xiàn)在Ur接近載波Ut峰值的兩交點(diǎn)間，此處的最 小脈寬時(shí)間必須保證大于功率元件的關(guān)斷時(shí)間 toof使其可靠關(guān)斷后，互補(bǔ)元件再 導(dǎo)通，因此一般M 0.9。載波比：N主frfr ：三角載波頻率，（HZ）；ft :正弦參考波頻率，（Hz）;載波

7、比是一個(gè)周期參考正弦波三角載波的周期數(shù)， 在fr 一定的情況下，顯然 載波比N越大，逆變器輸出電壓波形越接近理想正弦波；但同時(shí)開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)、 斷頻率也就越高，因此受到元件的開(kāi)、斷頻率允許值的限制。2. 三相SPWM逆變電路帶星型負(fù)載的仿真三相SPW與單項(xiàng)相類似，但載波信號(hào)Ut認(rèn)為對(duì)稱三角波，線電壓在Ud和0 之間變動(dòng)，而星型負(fù)載可能的電平為ud：3， 2Ud；3和0之間變化。為了保證三相之間的相位差，在波比為3的整數(shù)倍。且輸出電壓諧波集中分布在n t k r 處，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,仿真原理圖如下圖所示：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*總 f 一 口鼻 專屯 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>圖0 Discrete

10、PWM Generator 模塊參數(shù)設(shè)計(jì)其中三相負(fù)載的有功為1kw,感性負(fù)載為 500var, SPWM勺控制信號(hào)由Discrete PWM Generator產(chǎn)生，選擇三橋臂六脈沖； m=0.5,基波頻率50HZ,載 波頻率為其30被，即1500HZ;powergui設(shè)置為離散仿真模式，采樣時(shí)間5 10 6s， 輸出的相電壓，相電流，線電壓，直流電流波形如圖所示。2.2仿真結(jié)果分析圖1總圖圖2線電壓波形Era0.016 Q018 Q02 0.022 0.Q24 1036 1028 0.03 0.032 0.03+Tine offest: 0圖3線電流波形圖4直流電流波形選擇powergui中

11、的FFT模塊進(jìn)行分析，THD在 m=0.5是高達(dá)139.45%，所以可以看出在一定程度上采用 SPW可以使電流更接近正弦波。Powcrnui FFT Analyoi 3 Tool.File Edit 716V IrLSgil! Tod13 Desktop Vmlo'jrWot e new 1co-Lba.c buttons; dat豈 trushLTLE $ lir±d slots /. Plav® 口呷刪總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罰芒：vlrt=：dl7max Frequeric (Hi)圖5 FFT分析圖3. 三相異步電機(jī)調(diào)速系

13、統(tǒng)SPW電壓型逆變器的仿真3.1建立模型基礎(chǔ)概念轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，采用SPW電壓型逆變器，轉(zhuǎn)速采用轉(zhuǎn)差頻率控制，即異步電機(jī)的定子角頻率1由轉(zhuǎn)子角頻率和轉(zhuǎn)差頻率s組成s 1，在此過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的定子電流頻率始終能隨轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速同步升降，使轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)更為平滑。保持轉(zhuǎn)子磁鏈r不變的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩直接受到定子電流的轉(zhuǎn)矩分量i1t控制，并且轉(zhuǎn)差s可以通過(guò)定子電流的裝具分量i1t來(lái)計(jì)算，轉(zhuǎn)子磁鏈 r也可以通過(guò)定子電流的勵(lì)磁分量i1m來(lái)計(jì)算。在系統(tǒng)中移轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量iit，并通過(guò)計(jì)算的到轉(zhuǎn)差 s、如果采取磁通不變的控制,則P r 0，由于r占=sm

14、，可得:Lmi1m又因?yàn)樨M，可得:s ht ： Tr i1m ，由于矢量控制方程得到的是定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，本系統(tǒng)采用變壓型逆變器，需要將相應(yīng)的電流控制轉(zhuǎn)換為電壓控制，又由于Te np-Lm rist,其Lr變換關(guān)系為：usm1 Lsistust(RsLs p)ist1i sm式子中Usm,Ust為定子電壓的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；為漏磁系數(shù)，且滿足:1 Lm.'LsLrUsm , Ust經(jīng)過(guò)二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系/三相禁止坐標(biāo)系的變換（2r /3s），_1 0C2/3C3/ 2-1/2 巧/23-1/2 V3/2得到SPW電壓型逆變器的三廂的電壓控制信號(hào)并且控制逆變器的輸出電壓3.2

15、SPWM電壓型逆變器矢量仿真模型的建立建立如下圖所示的仿真模型：上述仿真系統(tǒng)的控制部分由給定，PI調(diào)節(jié)，函數(shù)運(yùn)算，坐標(biāo)變換，SPWM脈 沖發(fā)生器等組成。給定環(huán)節(jié)是定子的電流勵(lì)磁分量im* 5.2A和轉(zhuǎn)子的速度n* 1400r/min。放大器G仁35，G2=0.15和給定積分器組成了帶限制幅度的轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器ASR電流電壓模型轉(zhuǎn)換由函數(shù)Um*，Ut*模塊實(shí)現(xiàn)。函數(shù)運(yùn)算模塊ws* 根據(jù)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量計(jì)算轉(zhuǎn)差s，并與轉(zhuǎn)子頻率相加得到定子頻率1，在經(jīng)過(guò)積分器得到定子電壓矢量轉(zhuǎn)角theta。模塊 sin、cos、dqO/abc實(shí)現(xiàn)了二相到三相的變換。dqO/abc輸出后插入了衰減環(huán)節(jié) G4。

16、在模 塊調(diào)試時(shí)，可以試系統(tǒng)開(kāi)環(huán)工作，將PWM發(fā)生器設(shè)置為部運(yùn)行模式，根據(jù)dqO/abc 輸出和PWM發(fā)生器的三相調(diào)制輸入信號(hào)的幅值小于 1的要求，計(jì)算G4得到其值 為2。其中在0.45s時(shí)加載TL50Hz,由于 s in TJm，有Ls Lm Lr Lm此時(shí)：Tr65 Ngm,LrRr0.0690.069G3=0.0067, G5=G6=9.55，將參數(shù)改為0.002 0.071(mH)0.002 0.071(mH)00沁 0.0870.816mH其他參數(shù)不變，其中選擇固定步長(zhǎng)算法ode23tb，補(bǔ)償取10 5，仿真時(shí)間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山業(yè)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電.1譏網(wǎng) 灑if眄* Eltpcr t! ： Oftl EJL* S

18、«Tnfc&L3 卜氏事 汁口 eBh& InlttnaDL Wl:- E-LolLaL E&11Tool 斟Id飛X4-A 汕利The 1 lilalm：丁莊 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仿真結(jié)果及其分析具體圖