spwm调速系统及其仿真

SPWM在交流调速系统中的应用姓名：班级：学号：2目录序言...............................................................21.正弦脉宽调制SPWM型逆变器基础理论................................21.1正弦脉宽调制（SPWM）.........................................31.2SPWM波的调制条件............................................52.三相SPWM逆变电路带星型负载的仿真................................52.1建立三相SPWM仿真模型：......................................62.2仿真结果分析.................................................73．三相异步电机调速系统SPWM电压型逆变器的仿真....................103.1建立模型基础概念...........................................103.2SPWM电压型逆变器矢量仿真模型的建立........................113.3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内达到稳定，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：＋－dUdC逆变器)a(＋－dUdC逆变器)a(电压型逆变器1.正弦脉宽调制SPWM型逆变器基础理论3所谓PWM（PulseWidthModulation）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143652VTVTVTVTVTVT、、、、、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３-6PWM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）Pu00tururutuPu+dUO2/dU2/dUOABC1VT3VT5VT4VT6VT2VT41.1.1单极性和双极性正弦脉宽调制以等腰三角形载波tu和参考正弦波ru的相交关系，可以产生SPWM调制波。当参考电压ru正半波时，若rtuu，调制波，而rtuu，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rtuu是输出电压转折点，由于采用正弦参考波调制，所以靠近ru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ru在负半周时，需要把ru正半波的SPWM序列反向，得到一个周期的、幅值在0~Pu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rtuu处同时产生正、负触发脉冲，在一个半周内既有Pu又有Pu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/2rututttin/irurutt5两个电平，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。1.2SPWM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：rmtmUMU在双极性SPWM波中，最小脉宽出现在ru接近载波tu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ooft使其可靠关断后，互补元件再导通，因此一般M≤0.9。载波比：trfNfrf：三角载波频率，（Hz）；tf：正弦参考波频率，（Hz）；载波比是一个周期参考正弦波内三角载波的周期数，在rf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2Ud/-2Ud/+02t6三相SPWM与单项相类似，但载波信号tu认为对称三角波，线电压在dU和0之间变动，而星型负载可能的电平为3dU，23dU和0之间变化。为了保证三相之间的相位差，在波比为3的整数倍。且输出电压谐波集中分布在trnk处，其中1,3,5,...=3(21)1,1,2,3,...2,4,6,...=61,0,1,2,...=61,1,2,3...nkmmnkmmkmm或，仿真原理图如下图所示：2.1建立三相SPWM仿真模型：1S2S4S6SBR3S5SABCARCRO7图0DiscretePWMGenerator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DiscretePWMGenerator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8图1总图图2线电压波形9图3线电流波形图4直流电流波形10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5FFT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1由转子角频率和转差频率s组成1s，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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1ti控制，并且转差s可以通过定子电流的装具分量1ti来计算，转子磁链r也可以通过定子电流的励磁分量1mi来计算。在系统中移转速调节器ASR的输出为11定子电流的转矩分量1ti，并通过计算的到转差s、如果采取磁通不变的控制，则0rp，由于1mrsmrLiTp，可得：1rmmLi又因为mstsrrLiT，可得：11strmiTi，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meprstrLTniL,其变换关系为:11smsmsstuRiLi1()stssstsmuRLpii式子中smu,stu为定子电压的励磁分量和转矩分量;为漏磁系数，且满足：1msrLLLsmu,stu经过二相旋转坐标系/三相禁止坐标系的变换(2/3)rs，12/33/21021/23/231/23/2CC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。3.2SPWM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：12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*5.2imA和转子的速度*1400/minnr。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，并与转子频率相加得到定13子频率1，在经过积分器得到定子电压矢量转角theta。模块sin、cos、0/dqabc实现了二相到三相的变换。0/dqabc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发生器设置为内部运行模式，根据0/dqabc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65TLNm,G3=0.0067,G5=G6=9.55,将参数改为50Hz,由于11strmiTi，有110.0690.0020.071()0.0690.0020.071()smsrmrLLLmHLLLmH此时：0.0710.0870.816rrLmHTrRmH其他参数不变，其中选择固定步长算法23odetb，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14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15图5定子磁链图形图6转矩波形16图7转速波形图8转子abc三相电流17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/minr，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65TLNm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。