交流异步电动机变频调速系统(31页).doc

-摘  要现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其中异步电动机的变频调速应用较多，它的调速方法可分为两种：变频变压调速和矢量控制法，前者的控制方法相对简单，有二十多年的发展经验。因此应用的比较多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。本设计采用恒压变频调速并在MTALAB运行环境下进行仿真设计并运行仿真模型得出结论。 关键词: 交流调速系统, 异步电动机, PWM技术 MATLAB.目 录摘  要1第一章 前言31.1 设计的目的和意义31.2变频器调速运行的节能原理3第二章 交流异步电动机42.1交流异步电动机变频调速基本原理42.2 变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性52.3变压变频运行时机械特性分折6第三章 变频技术简介和控制方法103.1 变频调速技术简介103.2变频器工作原理及分类113.3 交流调速的基本控制方法173.4脉冲宽度调制（PWM）技术20第四章 异步电动机变频调速系统设计的仿真和实现234.1 MATLAB的编程环境234.2仿真结果27结论28致 谢29参考文献30第一章 绪论1.1 设计的目的和意义 近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义1.2变频器调速运行的节能原理 实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCUDSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对Uf协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。 采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000rrain。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高15倍左右，这样大大提高了快速增速和减速能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。采用该控制方式的变频调速技术后，电机定子电流下降64 ，电源频率降低30 ，出胶压力降低57 。由电机理论可知，异步电机的转速可表示为：n=60·f 8（18）p第二章 交流异步电动机交流异步电动机广泛使用在电梯的电气控制系统中。实际上交流曳引电动机就是一台交流鼠笼式异步电动机。由于交流电力传动技术以及其控制理论的发展与提高，同时，大功率半导体器件（GTO、GTR等）技术的日趋完善，以及PLC、微电子、微处理器等技术在电力拖动系统中得以充分地利用，使得结构简单、维护保养方便、价格低廉的交流异步电动机在电梯的电力控制系统中又得以充分发挥其最大的效率。使用交流鼠笼式电动机变频变压调速拖动系统的电梯（VVVF交流调速电梯）在目前电梯的电气控制应用中具有领先地位。2.1交流异步电动机变频调速基本原理从电机及电力拖动中可知，三相交流异步电动机的机械特性可分成两种：异步电动机的固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压UN和额定频率fN下，按规定的接线方式接线，定子、转子及外接电阻均为0时，讨论转速n与电磁转矩Tem的关系：n=f（Tem）（见图1）。异步电动机的人为机械特性是指人为地改变电动机参数或电源参数而得的机械特性。电动机参数又可分为三类：1异步电动机的结构参数2异步电动机的运行参数3异步电动机的输入参数U1和f 1。异步电动机调速调节转子电阻、定子端电压、磁极对数时的机械特性见图（2） 。 图2.1 交流异步电机机械特性曲线交流异步电动机变频调速时电动机的转速为： 式中：f1为电源频率；P为磁极对数；S为转差率。交流异步电动机定子绕组上的感应电动势：式中：N1为定子绕组匝数；k1为绕组系数；m为气隙合成磁通。图2.2 异步电动机S、U、P机械特性曲线忽略电动机定子绕组的阻抗压降，交流异步电动机的端电压：交流异步电动机的电磁转矩：式中：CT为电动机的转矩常数；I2 cos转子电流有功分量。从电磁转距公式可知，连续不断地改变送入异步电动机定子端的的供电电源频率f1，则可连续地改变异步电动机的同步转速： 。但是若U1不变，则f 1上升将会导致的m下降增加，这样会出现电动机的转子电流有功分量I2cos的变化；电动机效率会下降及电动机最大转距Tm会变化等问题，严重的时候会出现电动机的堵转。或者由于f1 的减低会使m增大，导致电机磁路饱和使I0增大，即电动机的铜耗PCu、和铁耗PFe增大。 因此在电梯电气控制系统中，要求变频的同时，必须同时改变电动机定子端输入的端电压，从而保持气隙合成磁通m 近似不变。2.2 变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性根据端电压和频率不同的比例关系，将会有几种不同的变频调速方式。2.2.1比例控制方式：根据电压公式 ，在忽略异步电动机定子绕组的阻抗压降后可近似的得到： ，要维持m 不变的情况下，只要U1和f 1成比例的变化即可，从最大转矩公式中可研得知： 在低频段时，由于定子绕组中的Xm，X1，X2以及L1，L2不可忽略，则将会增加使得最大转矩Tm也将随f 1的降低而降低就会将使低频段时异步电动机的起动转矩Tq大大减小。这在电梯的电力拖动控制系统中是不希望出现的。2.2.2恒磁通控制方式要求调速范围大、恒转矩的电梯负载希望在整个调速范围中保持Tem= C不变，按公式 进行控制减小时，应适当提高输入定子的端电压U1，以补偿异步电动机定子绕组的阻抗压降。按Tem=C的恒磁通em=C控制方式，变频时异步电动机机械特性见图（3） 。这是电梯的电力拖动控制系统要求和希望的。2.2.3恒功率控制方式这种控制方式是在变频调速时，保持异步电动机定子绕组的电流为恒定值。即通过PI调节器和电流闭环系统调节作用而实现的。但这种控制方式仅仅适用负载变化不大的场合，而不适用于电梯的电力拖动控制系统。由此可见，按Tem= C的恒磁通变频的异步电动机的机械特性是电梯电力拖动所需求的。2.3变压变频运行时机械特性分折异步电动机的T 型等效电路见图4。图2.3 异步电动机变频调速机械特性曲线图2.4 异步电动机T型等效电路2.3.1电压为额定值时改变频率的机械特性 电源频率f1的改变，对异步电动机产生两方面的影响：一是改变同步转速n1；二是改变电动机的结构参数。（1）当f 1下降时，由于 ，所以f 1的下降会造成n1上升     （2）由于 ，所以f 1下降时， X1，X2，Xm均会成正比下降。又由于PFe与f 21成正比，所以f1下降时会造成Xm下降。（3）因为励磁电流 由于f 1的下降，会使I0的变化为非线性，在低频段I0将急剧上升。（4）气隙合成磁通m同是由励磁电流I0所产生的。磁通大小取决于I0的大小以及电动机磁路的状况。由于电动机的磁路一般设计在接近饱和的状态，故频率f 1下降时，m 会出现过饱和。这也是I0随f 1下降急剧上升的原因。（5）转子电流I2的大小决定于负载的大小。在额定负载下，当f1下降时，m上升，cos2上升，所以I2会下降。（6） 因为定子电流I1=I0+（-I2），因此当f1下降时，I1可能会出现变化。在低频段重负载下I1上升；在较高频率段轻负载下I1下降。（7）f1的下降对起动转矩Tq的影响。因为 当f 1处于较高频率段时，随着f1的下降Tq会出现急剧上升；在低频段时随着f1的下降Tq的上升将会趋缓。2.3.2频率为额定值时改变电压的机械特性改变输入定子电压U1，主要影响电动机的运行参数，并会对运行时的I0，I2，m等产生影响。（1）I0的影响。因为当U1下降，I0也随之下降。（2）气隙合成磁通m的影响。由于电压U1的下降，电机磁路处于非饱和的状态，所以可以认为m随U1正比下降。（3）转子电流I2的影响。I2的大小取决于负载的大小，在额定负载时，因为TN=Tem，当U1下降时，I2上升。（4）定子电流I1的影响。当U1下降时，使I2上升，造成I1的变化，轻负载时I1则下降，重负载时I1则上升。（5）起动转矩Tq。因为当U1下降时，Tq随U21成正比下降。（6）最大转矩Tm。因为Tm与U21成正比，电压降低，会使电动机过载能力下降。第三章 变频技术简介和控制方法3.1 变频调速技术简介 PWM 控制技术是电气传动自动控制领域研究的一个热点18。PWM 控制技术的原理是通过控制全控型半导体器件动作，把直流电压转换成电压脉冲序列，进而通过控制电压脉冲宽度与周期，最终实现变压、变频的一种控制技术，并且可以消除谐波。在交流变频系统中，早期使用较多的控制技术是变压变频控制技术，通常把该控制技术分为两种： 1.把变压和变频分开完成，即把交流电变为直流电与相控调压同步进行，然后逆变为可调频率的交流电，脉冲幅值随着信号幅度的变化而变化，这种前后分VVVF控制技术称为脉冲幅值调制方式。 2.在逆变器中将变压和变频一起完成，变频器主要由三部分组成：不可控流器、续流二极管、逆变器，由逆变器来完成变频与变压，这种控制技术称为脉冲宽度调制技术。由于其中的整流器不需要控制，即电路结构得到简化，尤其是相控整流被全波整流所取代，增大了输入端的功率因数，降低了高次谐波对电网的影响。随着 PWM 控制技术的不断发展，PWM 控制技术可分为不同种类，基于控制思想上可分为四大类：（1）等脉宽 PWM 法，（2）正弦波 PWM 法，即 SPWM 法，（3）电流跟踪 PWM 法，（4）磁链追踪型 PWM 法（SVPWM 法，也称电压空间矢量 PWM 法）。通过自然采样法，对称规则采样法、特定谐波消去法，梯形调制技术，相位调制技术，面积等效法等 10 多种调制技术来实现 PWM 控制技术。等脉宽 PWM 法的原理是把每一相脉冲宽度均相等的脉冲列作为 PWM 波形，调频采取的办法是改变脉冲列的周期，调压采用的方法是改变脉冲的宽度或占空比，采取适当控制方法可以使电压与频率的协调变化。该方法缺点在于逆变器输出电压除了基波外，包含了很多的谐波分量。SPWM 法在克服等脉宽 PWM 法的缺点的基础上，提出了从电动机供电电源的角度出发，通常利用正弦波作为基准的调制波，用等腰三角形作为载波，当基准正弦波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器的通断时刻。经典的异步电机调速方法包括变压变频控制、转差频率控制、转子磁场定向矢量控制和直接转矩控制等。VVVF 优势在于控制电机的气隙磁通，缺点是转矩无法调节；转差频率控制是以电机的稳态方程为依据的，在一定程度上控制着电机的转矩，并不能实现控制实际运行过程中的转矩。3.2变频器工作原理及分类3.2.1变频器的工作原理 所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管 GTR、绝缘栅双极型晶体管 IGBT)将 50Hz 的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交-交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中；间接变频(又称交-直-交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。变频器的基本构成如图 2.1 所示，它由整流、滤波、逆变及控制回路等部分组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规律地控制逆变器的导通与截止，使之向异步电机输出电压和频率可变的电源，驱动电机运行，整个系统是开环的。对于速度精度和响应快速性要求较高的系统，还需要由变频器主回路及电机侧检测反馈信号，经运算回路综合后控制触发回路，此时的系统是闭环的 图3.1 变频器基本构成框图 通用变频器的分类方式多种多样：按照电源性质分可分为电压型变频器和电流型变频器；按照逆变器功率器件的开通方式不同，变频器主要可分为方波形变频器和脉冲宽度调制（PWM）变频器；按电压高低可将变频器分为低压变频器和中压变频器；按交流-直流的转换方式可分为交-直-交变频器和交-交变频器；按构成逆变器电路的结构，有常用的三相全波桥和单元串联 H 型变频器，等等。同时，按照不同的具体运用，变频器可能还会出现各种不同的分类。它的分类大致如下： 图3.2 变频分类3.2.2交-交变频器和交-直-交变频器 从结构上看，静止变频调速装置可分为交-直-交变频、交-交变频两种方式。前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统（低压通用变频输出电压为 380650V，输出功率为 0.75400kW，工作频率为 0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。）。只要设法改变三相交流电动机的供电频率 f, 就可以十分方便地改变电机的转速 n, 比改变极对数 p 和转差率 s 两个参数简单得多。交-交变频器与交-直-交变频器的结构如图2.2所示。图3.3 交-交变频器图3.4 交-直-交变频器 交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可调节控制的交流电，又称为直接变频器。而交-直-交变频器是先把电网的工频交流电通过整流器变成直流电，通过中间滤波环节后，再把直流电逆变成频率、电压均可调节控制的交流电，因此又称为间接变频器。这两类变频器的主要特点比较如表 2.1 所示.表 2.1 交-交变频器与交-直-交变频器的主要特点比较3.2.3电压型与电流型交-直-交变频器交-直-交变频器是应用最多的一种变频器，由主电路和控制电路组成，主电路又包括整流器、中间直流环节和逆变器。这两类变频器的主要特点比较如表2.2所示。表 2.2 电压型与电流型交-直-交变频器的主要特点比较 变频调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和频率，以保证电动机主磁通的恒定。对输出电压的调节，主要有PAM型和PWM型两种方式。1、PAM方式脉冲幅值调节方式(pulse amplitude modulation，PAM)，是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节中间直流环节的直流电压来实现。采用相控整流器调压时，网侧的功率因数在不考虑谐波影响时，功率因数可接近于1。2、PWM方式脉冲宽度调节方式(pulse width modulation，PWM)，变频器中的整流器采用不可控的二极管整流，故功率因数较高。变频器的输出频率和输出电压均由逆变器按PWM方式来完成。PWM方式的电路结构如图3.5。图3.5 PWM方式的电路图在实际生产过程中，PWM 电压型变频器使用得较为广泛，故以 PWM 电压型变频器为模型介绍变频器相关原理、结构。图 3.6所示为其基本原理图。图3.6 异步电动机变频调速示意图 由图3.6可以看出通用变频器主要由主回路，控制回路及保护回路组成。下面具体对每一部分电路及变频器控制方式进行分析。（1） 主回路1）整流电路 PWM 电压型变频器中采用三相不可控二极管整流桥，它把工频电源变换成直流电源，其电功率的传送是不可逆的。在图(2.3)的整流电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，输出电压按指数规律下降。2）中间直流环节 在整流器整流后的直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动也使直流电压波动。为了抑制电流冲击及电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电流（电压）。采用这种方法可使得输出电压近视为一条直线。同时，由于逆变器的负载是异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状台，其功率因数都不会是 1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率在进行交换。而这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件电抗器或电容器来缓冲，所以通常又把中间直流环节称为中间储能环节3）逆变电路 同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间内有规律的使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换成所需电压和频率的交流输出功率。如图3.7所示。 3.7 三相桥式PWM电路图 3.7 中的三相桥式 PWM 逆变器电路采用 IGBT 作为开关器件，基本工作方式为180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为 180°，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相导电的角度依次相差 120°。 式（1） 式（1)中，U1 为正弦基波电压幅值，1 为正弦基波角频率，U1 为初相位角。三相调制波公用的载波为可实现双边调制的等腰三角形波。三相调制波公用的载波为可实现双边调制的等腰三角形波。 式（2）式（2）中为载波三角波的角频率，其中为载波比；为载波三角波的幅值，其中为调制度。对于A相输出来说：当桥臂1导通时；当桥臂4导通时。因此相电压的波形的幅值为，其他两相电压幅值也相同，只是相角相差120度。负载线电压可由式（3）算得。式（3） 设负载中点 O与直流电源假设中点 O 之间的电压为uOO ',则负载各相的相电压分别为：式（4）把上面各式相加可得 式（5）(2)控制回路 控制回路向变频器主回路提供各种控制信号，主要由决定U/F特性的频率电压“运算回路”，主回路的“电压/电流检测回路”，电动机的“转速检测回路”等组成，根据运算回路的结果生成相应的PWM脉冲，从而进行IGBT管的导通与关断的控制，得到变频变压的电源输出。（3） 保护回路 变频器控制回路中的保护回路，可分为变频器保护和异步电动机保护两类。变频器保护包括瞬时过电流保护、过载保护、再生过电压保护、瞬时停电保护冷却风机异常保护等；对异步电动机的保护主要包括过载保护和超频（超速）保护两大类。3.3 交流调速的基本控制方法 已知交流异步电动机的转速可以表示为： n=60(1-s)/p 式（6） 可得，改变异步电动机的供电频率 ，就可以改变旋转磁通势的同步转速 ，达到异步电动机调速的目的，这就是变频调速的思路。从式（6）可知，转速 与定子电压的频率 成线性正比例关系，平滑调节 就可以平滑调节 ，实际上通过改变 并不能实现正常调速，在改变电子频率 时，要同步改变定子电压 ，即通过同时控制 和 达到不同类型调速的目的。由电机学知： 式（7） 式（8）式中， 每相中气隙磁通感应电动势有效值，单位为 V； 定子频率，单位为 Hz； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙主磁通量，单位为 Wb；电磁转矩，单位为 N.m；转矩常数； 转子电流折算至定子侧的有效值，单位为 A； 转子电路的功率因数。假设对定子上的电阻压降忽略不计，则可得到 式（9） 式（9）中 为定子相电压。 如果只是改变 f s 进行调速，设 f s 上升，则将下降，进而导致电磁转矩 Te 下降，因而电动机的拖动能力会随之降低，对于恒转矩负载则会出现拖不动而发生堵转的问题；假设调节 f s 下降，则 会上升。由式（9）可知，只要控制好 Eg 和 f s ，便可实现磁通保持不变。对此，需要考虑实现基频（额定频率）以下和基频以上两种情况的控制。1.基频以下调速由式（9）可得，要保持 =常数，当频率 f s 从额定值 f sN 往下平滑调节，必须同时降低 Eg ，使得 Eg / f s = 常数 这是采用气隙磁通感应电动势与频率之比为常数的控制方式。由于绕组中的感应电动势是无法直接控制的，尤其在电动势值较高时，允许定子绕组的漏磁阻抗压降忽略不计，即可得定子相电压U s= Eg ，因此 U s / f s = 常数即恒压频比的控制方式。低频时， U s 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的分量显然可见，不能忽略。如何近似地补偿定子压降，这里所采取的办法是人为地抬高电压 U s 。在图 2.5 中带定子压降补偿的恒压频比控制特性曲线为 b 线，不带定子压降补偿的控制特性则为 a 线图2.6 恒压频比控制特性a) 不带定子阻抗压降补偿的恒压频比控制特性b) 带定子阻抗压降补偿的恒压频比控制特性2.基频以上调速2基频以上调速 将频率 f s 向上调速时，电压最大只能为U s = U sN ，即电压U s 不能增加得比额定电压U sN 还要大。由式（9）可得，这样只能迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 基于上述两种情况，并把这两种情况结合起来，即得到如图 2.6 所示的异步电动机变频调速控制特性。假设电动机在不同转速下都具有额定电流，则在温升允许条件下电机均可以长期运行，此时转矩基本上随磁通变化，根据电力拖动原理，在基频以下调速时，属于“恒转矩调速”的性质；而在基频以上调速时，基本上属于“恒功率调速”。图2.7 异步电动机变频调速特性 利用电力半导体器件制成的变频器，实现了电机的平滑调速过程。广泛应用于异步电机和同步电机的调速运行，在鼠笼式异步电机的应用中更具优势。利用变频器进行调速时，转差率很小，则损耗小，效率提高。对定子频率的改变，既可以实现在基频以下调速又可以在基频以上的调速，从而可以得到较宽的调速范围。在闭环控制中控制定子频率时可得到很高的转矩并提高调速精度，广泛应用于多电机传动。 综上可得，三相异步电动机变频调速的优点有以下几个方面：（1）从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向上调速，近似为恒功率调速方式；（2）调速范围大；（3）转速稳定性好；（4）运行时 s 小，效率高；（5）频率 f s 可以连续调节，变频调速为无级调速。 异步电动机变频调速具有很好的调速性能，其静、动态特性均可以与直流电动机调速相媲美。变频调速已具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应等优异性能，已经广泛应用于很多领域中。随着国民经济的不断发展，变频调速系统在不久的将来会取得更加迅猛的发展。3.4脉冲宽度调制（PWM）技术3.4.1 PWM控制技术的概述 所谓脉宽调制技术(Pulse Width Modulation-PWM)是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并且消除谐波的技术，简称 PWM 技术。变频调速系统采用 PWM 技术不仅能够及时、准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率和调速系统性能。 目前，实际工程中主要采用的 PWM 技术是正弦 PWM(SPWM)，使变频器输出电压或电流波形更接近于正弦波形。SPWM 方案多种多样，归纳起来可以分为电压正弦 PWM、电流正弦 PWM 和磁通正弦 PWM 等三种基本类型，其中电压正弦 PWM和电流正弦 PWM 是从电源角度出发的 SPWM，磁通正弦 PWM(也称为电压空间矢量 PWM)是从电机角度出发的 SPWM。 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄，中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波，如下图所示。图2.8 用PWM波代替正弦半波的原理图按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（SPWM），这种序列的矩形波称作 SPWM 波。如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的 SPWM 波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则 SPWM 波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。3.4.2 SPWM原理和指标（1）SPWM的原理脉宽调制方法来源于通信系统中的载波调制技术。由于交流异步电动机主磁极的磁通是按照正弦规律来设计和运行的，为了使电动机的运行性能优良，电动机变频调速技术通常采用正弦波脉冲宽度调制SPWM方法。图2.8所示的是三角波单极性SPWM的原理。在电压比较器A的“+”端输入正弦波参考电压Ura，在电压比较器A的“-”端输入三角波电压Ut。这样，当Ura>Ut时，电压比较器的输出为高电平；当Ura<Ut时，电压比较器的输出为低电平，在电压比较器的输出端就得到了SPWM电压脉冲序列。图2.9单极性PWM波原理图 在SPWM电压脉冲序列中，各个脉冲的幅度相等而脉冲的宽度不相等，宽度的变化取决于两个比较电压U ra 和U t 的交点及点间的距离(时间)。在这个脉冲序列中，占空比按照正弦规律变化，因此脉冲序列的瞬时电压平均值是按照正弦规律变化的。SPWM就是用幅值相等而宽度不等的矩形脉冲序列去逼近和等效我们所需的正弦交流信号。（2）调制指标 由图2.9可见，要获得好的SPWM波形，参考信号U ra 的大小与载波信号U t 的大小存在一定的关联，参考信号的频率与载波信号的频率关系着半个周期内SPWM的脉冲数量。为表征这种关系，定义调制度M和载波比N如下： 式中，U rm 是参考信号的最大值，U tm 是载波信号的最大值， ft 是载波信号的频率，fr 是参考信号的频率。通常M在0.109之间比较合适。N在理论上是越大越好，但实际上受到大功率开关器件的开关频率的限制，所以从这一意义上说，开关器件的性能如何对变频调速性能有较大的影响。第四章 异步电动机变频调速系统设计的仿真和实现4.1 MATLAB的编程环境4.1.1 系统仿真的应用考虑到生产生活中大量的贵重元器件由于各种原因损坏了，在研究交流电动机变频调速时，因此我们想到了“系统仿真”。系统仿真是指使用数字计算机设备来模拟或描述一个系统或过程的行为从而解决问题的一种技术。系统仿真通过设计出系统的可以计算的模型(模拟模型)，并利用它在计算机上进行试验以了解系统行为或评估系统运用的各种策略，并做定量分析。仿真技术是集控制论、系统理论、相似原理、计算机技术于一体的综合性高科技。虽然它才仅仅出现几十年，却在社会、经济、科学、军事、教育和企业管理等各个领域得到了广泛的应用。据估计，在日本企业，用系统工程解决的事件管理与决策的问题中，有 80以上是通过系统仿真方法解决的。在我国，目前也正在大力推广和普及，并已在交通运输、军事训练、地区发展规划、工业过程设计、人口问题研究等方面取得了丰硕的成果。系统仿真如此蓬勃发展，一方面由于我们面临的各种实际系统往往都是包括大量随机因素的动态的复杂系统。对这些系统很难采用传统方法建立数学模型，分析求解。另一方面是由于系统仿真方法具有可控性、无破坏性、安全、不受外界条件的限制等优点，它能通过建立逼真的仿真模型和在计算机上反复的仿真试验，对复杂问题进行综合分析和比较，从而为科学决策提供可靠的依据。本文详细研究变频调速的 SPWM 控制方法，重点分析研究变频器部件与电机各项参数以及运行条件的关系。通过大量的仿真实验，研究了异步电动机变频调速系统的稳态特性、动态特性以及系统参数变化等因素对系统性能的影响，更证明了系统仿真的必要性和重要性，为新的实验设备的进一步开发和利用奠定了坚实的基础。4.1.2 MATLAB的简介MATLAB是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，其强项就是强大的矩阵计算。MATLAB不仅提供了基本的数学运算，还提供了一种交互式的高级编程语言M语言，利用M语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法，开发相应的MATLAB专业工具箱函数供用户直接使用。目前MATLAB产品的工具箱有40多个，分别涵盖了数据获取、计算科学、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，它不仅可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，而且还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合。本次设计主要用的是M语言进行编程仿真，通过显示的坐标曲线图形来观察仿真效果，得出结论。4.1.3 仿真电路介绍-第 30 页-图4.1仿真电路1） 三相交流电源模块图4.2 电源模块 电源模块式通过变压器模块把电网电压变为线电压为380V的本设计所需要的三相交流电源。2） 整流电路模块图4.3 整流模块整流模块采用Simulink模块库中的uuiversal Bridge模块，内部三桥式整流电路交替导通将交流电转为直流电。3)中间直流部分图4.4直流电路直流部分是在干路中串联电感和并联电容起到滤波的作容，滤去交流成分时所得的电压接近直流电。4）逆变电路图4.5 逆变电路 基本工作方式180°导电方式，即每桥臂导电 180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差 120 °。任一瞬间有三个桥臂同时导通。每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。桥臂 1、3、5 的电流相加可得直流侧电流 id 的波形，id 每 60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。5）电机的参数设定图4.6电机参数设定对话框 本设计采用的是鼠笼式异步电动机其 结构简单，转子上无绕组，维修成本低，几乎使用在日常生活、工厂设备、港口码头、油田煤矿等各个领域，故选为仿真的型号。参考框架选为转子 rotor。电动机参数的选定：考虑工业应用中，多采用三相交流电，故额定电压设定380V，额定频率设定为 50HZ，额定功率设定为 10000V.A6)调制信号电路图4.6调制信号电路和参数在本次设计中，采用脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。根据输入频率的设定，每半个周期采样 5 次左右。4.2仿真结果 图4.7输出电压和转速N 图4.7为载波的频率为100Hz时变频电路输出的电压波形和电动机的转速。图4.8输出电压波形和转速 图4.8为载波频率为150Hz时变频电路输出的电压波形和电动机的转速。 对比图4.7和4.8可以看出当改变载波的频率时变频电路输出的电压频率也相应的发生了改变，但输出电压的幅值没有变，然而此时电动机的转速也在改变，并且随着载波频率增大转速加快，因此本仿真模型实现了恒压变频调速，本次课程设计达到了预期的目的。结论变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。 在毕业设计这段时间中,通过多次的修改，终于圆满完成了此次毕业设计。此次毕业设计，我学到并掌握PWM技术的主体思路和方法。同时，也锻炼了我的学习能力、工作能力，并培养了我的吃苦精神、合作精神，为我即将走向工作岗位打下了良好的基础。存在的不足之处请老师加以指导。