周桂珍 張立飛

（湘南學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，湖南 郴州423000）

0 引言

電機(jī)調(diào)速應(yīng)用最廣泛的是變頻調(diào)速，它能實(shí)現(xiàn)無極變速，可以構(gòu)成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)［1］。而變頻器中用得最多的控制技術(shù)是SPWM，它控制逆變器中電力電子器件的開通或關(guān)斷，輸出幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的電壓脈沖序列。SPWM［2－3］具有通用性強(qiáng)、原理簡(jiǎn)單易理解、開關(guān)頻率固定、調(diào)節(jié)性和控制性很好、能消除諧波等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)中小型逆變器的發(fā)展起了影響性的推動(dòng)作用，因而成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變用 PWM 技術(shù)［4－5］。

1 異步電動(dòng)機(jī)SPWM變頻調(diào)速原理

1.1 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

由電機(jī)學(xué)理論可知［6］：異步電動(dòng)機(jī)靜止兩相正交坐標(biāo)系中的電壓方程為：

式中，usα、usβ、urα、urβ為αβ 坐標(biāo)系定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值；isα、isβ、irα、irβ為αβ 坐 標(biāo) 系 定子 和 轉(zhuǎn) 子 相 電 流 的 瞬 時(shí) 值；φsα、φsβ、φrα、φrβ為αβ坐標(biāo)系定子和轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈；Rs、Rr為定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)矩方程為：

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為磁極對(duì)數(shù)。

1.2 SPWM變頻調(diào)速原理

由電機(jī)學(xué)原理可知，以頻率與定子端電壓之比為定值的方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)機(jī)械特性的硬度變化較小，要變頻則需改變定子的端電壓。能實(shí)現(xiàn)變頻變壓的PWM調(diào)制波含有較多的高次諧波分量，不利于電機(jī)的正常運(yùn)行。而SPWM［7］在PWM技術(shù)的基礎(chǔ)上采用正弦波作為調(diào)制波、三角波作為載波，調(diào)制波與載波相交的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，有效減少了輸出波的高次諧波分量，如圖1所示。

由圖1可知，正弦波的頻率變化，則SPWM波的頻率隨之改變，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化；正弦波的幅值變化，SPWM波的脈寬改變，電機(jī)定子端電壓變化。因此，可通過調(diào)控正弦波的頻率和幅值來控制SPWM波的頻率和電壓，從而改變電機(jī)的頻率和電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻變壓［8］。

圖" (9A,波生成方法

1.3 三相SPWM逆變器模型

三相SPWM逆變器采用全控型開關(guān)器件，如圖2所示。調(diào)制電路采用圖1所示正弦信號(hào)Ua，與三角信號(hào)Ut直接比較，若Ua≥Ut，則接上橋臂，若Ua＜Ut，則接下橋臂。同一橋臂的開關(guān)器件觸發(fā)的相序是互補(bǔ)的，上橋臂導(dǎo)通，下橋臂必然關(guān)斷，得到脈沖波形。

圖- (9A,逆變器結(jié)構(gòu)圖

2 異步電動(dòng)機(jī)(9A,變頻調(diào)速的仿真

2.1 三相SPWM信號(hào)波的生成

這里以A相SPWM波的生成為例，B、C相的生成與此類似，正弦波的相位各相差120°，原理如1.2節(jié)所述。仿真模型如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖* +相(9A,仿真模型

圖. +相(9A,仿真結(jié)果

調(diào)制比為0.8，載波比為24，仿真時(shí)間為0.04s，示波器第一欄為調(diào)制波，第二欄為A相電路上橋臂開關(guān)信號(hào)，第三欄為A相電路下橋臂開關(guān)信號(hào)，二、三欄波形相反。同時(shí)可以看到，當(dāng)正弦波比三角載波大時(shí)，上橋臂的開關(guān)信號(hào)為1，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)調(diào)制波比三角載波小時(shí)，上橋臂的開關(guān)信號(hào)為0，開關(guān)管關(guān)閉，上下橋臂交替導(dǎo)通，形成逆變。

2.2 三相SPWM逆變電路加感性負(fù)載仿真

首先，我們將2.1節(jié)得到的SPWM波加上逆變器后接到負(fù)載上，負(fù)載參數(shù)電阻為2Ω，電感為0.01mH，直流電源電壓為250V，進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)仿真，以更加清晰地觀察各個(gè)波形。加負(fù)載時(shí)的仿真圖如圖5所示。

圖# 三相(9A,逆變電路加感性負(fù)載模型圖

多路測(cè)量?jī)x、多路測(cè)量?jī)x2分別用來測(cè)量負(fù)載相電壓、負(fù)載相電流，波形如圖6和圖7所示。

圖/ 負(fù)載相電壓波形

圖0 負(fù)載相電流波形

2.3 SPWM異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載仿真

現(xiàn)在我們來進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)SPWM變頻調(diào)速仿真。SIMULINK提供了大量的實(shí)物仿真模塊，包括三相異步電動(dòng)機(jī)的模型。該模塊的參數(shù)設(shè)為額定功率P＝2.2kW，額定電壓U＝220V，極對(duì)數(shù)p＝2，定子電阻Rs＝0.435Ω，定子電感Ls＝0.002H，轉(zhuǎn)子電阻Rr′＝0.816Ω，轉(zhuǎn)子電感Lr′＝0.002H，互感Lm＝0.069 31H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J＝0.089kg·m2。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸入端Tm設(shè)置為1，電機(jī)的輸出m端接 Machines Measurement Demux（電機(jī)測(cè)量模塊），觀測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速、定子和轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)矩，模型如圖8所示，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖5 異步電動(dòng)機(jī)的(9A,變頻調(diào)速仿真模型

圖) 異步電動(dòng)機(jī)的(9A,變頻調(diào)速仿真結(jié)果

從圖9可以看出，該示波器第一欄為電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，第二欄為電機(jī)定子電流。從這兩欄可以看出電機(jī)在啟動(dòng)階段電流較大，電流隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而逐漸減小，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值且保持穩(wěn)定時(shí)電流減小到最小值且保持穩(wěn)定。原因是電機(jī)啟動(dòng)階段，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率大，而等效阻抗小，因此啟動(dòng)電流大；當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，轉(zhuǎn)差率減小到極小值，等效阻抗增大到極大值，因此定子和轉(zhuǎn)子電流也被減小到最小值。第三欄為電機(jī)轉(zhuǎn)速波形，可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)速從0上升到1 500r／min（與理論值n＝60f、p＝1 500r／min相符），然后達(dá)到穩(wěn)定。第四欄為電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形，由圖可以得出在電機(jī)啟動(dòng)的起始階段，轉(zhuǎn)矩幅值較大但處于衰減狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)速的提升，轉(zhuǎn)矩衰減得很小，但其幅值大于電機(jī)給定的輸入轉(zhuǎn)矩1N·m。在0.7s左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定，電磁轉(zhuǎn)矩幅值下降到最小值，并基本保持穩(wěn)定，且與給定轉(zhuǎn)矩1N·m基本相等，但有微小的脈動(dòng)。仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目的。

3 結(jié)語

本文介紹了異步電動(dòng)機(jī)SPWM變頻調(diào)速的工作原理，分析了SPWM變頻調(diào)速的性能并進(jìn)行測(cè)試，通過接負(fù)載模塊來觀察各個(gè)波形。最后對(duì)異步電動(dòng)機(jī)SPWM變頻調(diào)速進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，SPWM變頻調(diào)速能得到比較穩(wěn)定的電機(jī)調(diào)速效果。

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