摘 要：該文以三相異步電機仿真調(diào)速系統(tǒng)的控制為例，論述Spwm變頻系統(tǒng)的調(diào)速原理及建模仿真；根據(jù)Spwm控制原理建立Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型并運行得到仿真波形，將其與實際波形相比較，結果證明了建模仿真方法的有效性，可應用于職業(yè)院校電類專業(yè)對Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的教學。

關鍵詞：Spwm 變頻調(diào)速 建模仿真 MATLAB

中圖分類號：TP29文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0001-02

交流變頻調(diào)速技術是通過改變電機定子的電流頻率來改變轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)電機調(diào)速的一種方法。交流變頻調(diào)速以其調(diào)速范圍寬、運行特性好、節(jié)能效率高而成為理想的電動方案。因此，變頻調(diào)速電機系統(tǒng)在傳動領域得到廣泛的應用，但由于變頻調(diào)速電機系統(tǒng)具有非線性、強耦合的特點，難以用解析的方法進行分析。作為系統(tǒng)分析研究的一種重要手段，仿真技術得到了越來越廣泛的應用。通過仿真可模擬實際系統(tǒng)的運行過程，描述系統(tǒng)的狀態(tài)與特性，分析系統(tǒng)特性隨參數(shù)的變化規(guī)律。

1 Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理

Spwm技術是指調(diào)制信號正弦化的pwm技術，通過調(diào)節(jié)脈沖占空比和脈沖寬度來調(diào)節(jié)平均電壓的方法，稱為脈寬調(diào)制技術（pwm），如果占空比和脈沖寬度的大小按正弦規(guī)律變化，即是正弦脈寬調(diào)制技術，簡稱為Spwm技術。正弦脈寬調(diào)制Spwm波形是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，等效原則是每一區(qū)間的面積相等。在正弦脈寬調(diào)制中利用正弦波作為調(diào)制波，受它調(diào)制的信號稱作載波。當載波與調(diào)制波相交時，其交點決定逆變器開關器件的通斷時刻，脈沖寬度按正弦規(guī)律變化可以更好的控制低次諧波，使電動機工作在接近正弦的交變電壓下，轉(zhuǎn)矩脈動變化較小。

2 仿真工具與SIMULINK建模方法

MATLAB/SIMULINK是Mathworks公司推出的交互式計算軟件，它集矩陣運算、數(shù)值分析、圖形顯示和信號處理于一體，其特點是將專家系統(tǒng)與仿真結合起來，使系統(tǒng)仿真具有智能化功能，它由系統(tǒng)進行實驗設計、構建模型、仿真運行、修改模型和分析仿真結果等。其中，SIMULINK是一個建模仿真可視化的、用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包；它用帶方向的連線表示各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系，用框圖表示系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)。如果想建立一個控制系統(tǒng)結構框圖，只需定義好模塊參數(shù)并將各模塊連接起來，設置仿真步長、仿真時間和計算方法等系統(tǒng)參數(shù)之后就可用Start命令運行仿真程序，可通過虛擬示波器（Scope）觀察系統(tǒng)仿真結果的輸出。因此，通過建模并輸入?yún)?shù)后，就可以運行系統(tǒng)仿真功能來分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。本文正是利用MATLAB/SIMULINK軟件對基于Spwm控制的交流電機調(diào)速系統(tǒng)進行仿真分析。

3 Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真是設計出系統(tǒng)可以運算的系統(tǒng)模型并利用它在計算機上進行試驗，計算機仿真先將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡婺Ｐ?，然后通過計算機對系統(tǒng)的特性和規(guī)律進行仿真研究。

3.1 Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型

異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型是一個高階、強耦合和非線性的多變量系統(tǒng)。本文用仿真調(diào)速系統(tǒng)控制一臺額定值220 V、1725 r/min的三相異步電機為例。首先由變壓器從電網(wǎng)中取得三相對稱交流電，然后通過三相整流、濾波和Spwm控制下的逆變器為電機提供電源，電機在三相逆變電源的控制下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動負載運行。在該系統(tǒng)中，三相橋式逆變電路的基本工作方式是導電方式，即每個橋臂的導電角度為同一半橋（同一相）上下兩個臂交替導電，在任意瞬間都有3個橋臂同時導通。在控制電路中，采用的是Spwm調(diào)制法，即三相對稱的正弦波參考信號和三角形載波信號相比較，在交點處發(fā)出三相脈沖調(diào)制信號去驅(qū)動逆變器。當改變參考信號的頻率時，輸出電壓的頻率隨之改變；當改變參考信號的幅值時，相電位脈沖寬也隨之改變，從而改變了主回路基波相電壓的大小[1]。若同時改變參考電壓的頻率和幅值，就可以實現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)u/f=常數(shù)的要求。

3.1.1 主電路中電壓參數(shù)

3.2 Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立

一般地，交流變速傳動系統(tǒng)的傳動控制比較復雜，建立一個適當?shù)碾姍C運行數(shù)學模型是研究其特性以及控制技術的理論依據(jù)。由數(shù)學模型的分析可知，異步電機是一個非線性、強耦合的高階多變量系統(tǒng)。

為了使Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立盡量接近異步電機的實際運行情況，仿真模型應盡量接近物理對象。本文在上述分析的基礎上，根據(jù)pwm調(diào)制方式的動作過程、電力電子器件的開關原理和自動控制理論，結合具體的電路分析構建計算機仿真模型，再通過分析比較仿真波形，檢驗數(shù)學模型和主要元器件參數(shù)是否正確，達到預期的目的。

4 Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的應用

變頻調(diào)速系統(tǒng)建模仿真的控制電路模型，仿真調(diào)速系統(tǒng)控制一臺額定值220 V、1725 r/min的三相異步電機。從仿真結果可以看出：該仿真調(diào)速系統(tǒng)可以很容易地對Spwm調(diào)速方案進行驗證，同時可對實際運行中遇到的問題以及對調(diào)速系統(tǒng)造成的影響進行仿真研究。這個仿真系統(tǒng)對異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案設計、故障分析和理論學習都有很大的幫助。仿真模型的應用特點是。

（1）采用模塊化設計仿真系統(tǒng)，只要對控制系統(tǒng)稍作改進，就可以實現(xiàn)各種pwm控制，如Spwm調(diào)制法、諧波消除法、單元調(diào)制pwm法和電流跟蹤控制pwm等方法。

（2）Spwm調(diào)速系統(tǒng)仿真模型中的各部分與實際系統(tǒng)的組成部分相對應，系統(tǒng)參數(shù)與數(shù)學模型中的運算結果一致。在仿真開始運行后，使用示波器模塊就可直接觀測到各個部分的輸出數(shù)值與波形。

（3）系統(tǒng)模型全部由基本的SIMULINK模塊實現(xiàn)，結構簡單明了，與實際系統(tǒng)相對應。如觀察電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，分析仿真結果表示是電機的轉(zhuǎn)速波形，轉(zhuǎn)速從0轉(zhuǎn)上升到1725轉(zhuǎn)后穩(wěn)定；在加速過程中，轉(zhuǎn)矩脈動幅值變小，但高于負載轉(zhuǎn)矩；在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，電磁轉(zhuǎn)矩最終下降到與給定的負載轉(zhuǎn)矩值相等，雖有小幅脈動，但在大體上還是穩(wěn)定的。

5 結語

電機及其控制在社會經(jīng)濟中起著重要作用，電機調(diào)速性能的提高可以大大提高生產(chǎn)設備的工藝水平、加工精度以及工作效率，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，研究Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的建模仿真及其應用具有廣闊的發(fā)展前景和重要的技術價值。仿真過程既可得到各種工況下的運行特性，又可以應用于技能培訓和專業(yè)教學之中。

參考文獻

[1]高圣偉.SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真與分析[J].電氣時代，2006（2）.

[2]陳桂明.應用MATLAB建模與仿真[M].北京：科學出版社，2001.

[3]李傳琦.電力電子技術計算機仿真實驗[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.