潘海燕

(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺州 318000)

變頻調(diào)速技術(shù)課程是電氣自動化類課程的專業(yè)核心課，該課程的特點是實用操作性較強、控制原理理論知識不易理解。根據(jù)高職學(xué)生的特點，需要結(jié)合直觀的方法進行操作式的原理講解，來傳授必需的理論知識。

SPWM(正弦脈寬調(diào)制)控制技術(shù)，是變頻器的最基本控制方法，其原理知識是整個變頻調(diào)速課程教學(xué)的出發(fā)點。由于涉及較多電機、電力電子方面的知識，概念較抽象，僅靠課堂上的理論講解很難達到預(yù)期效果，尤其是輸出電壓和輸出電流，學(xué)生很難與相應(yīng)的SPWM控制信號對應(yīng)起來。因此本文將根據(jù)SPWM控制原理的教學(xué)內(nèi)容，采用Matlab/Simulink仿真教學(xué)的方式進行課堂教學(xué)的討論。

1 變頻器SPWM控制原理

SPWM技術(shù)是指利用PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)，來模擬輸出具有正弦特性的電壓或電流波形。PWM通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓，SPWM是在PWM的基礎(chǔ)上改變調(diào)制脈沖方式，使脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)律排列，如圖1所示。若把一個正弦半波劃分為N等分，每一等分的正弦波形的面積都可用一個與該面積相等的等幅矩形脈沖來代替。SPWM廣泛用于直流-交流(DC-AC)逆變器電路，三相SPWM控制在變頻器領(lǐng)域被廣泛采用。

圖1SPWM控制原理

2 仿真實驗

以三相逆變電路為例，通過仿真演示SPWM控制信號的產(chǎn)生，和調(diào)整控制信號頻率對逆變器輸出電壓/電流的影響。

2.1 SPWM控制信號產(chǎn)生電路

SPWM控制信號產(chǎn)生電路如圖2所示，三個正弦波(調(diào)制波)分別與三角波(載波)相減，輸入閾值為0的切換開關(guān)，若相減結(jié)果大于0，切換開關(guān)輸出邏輯電平1，若相減結(jié)果小于等于0，切換開關(guān)輸出邏輯電平0，由此得到三個上橋臂控制信號CV1、CV3、CV5，將三個上橋臂控制信號經(jīng)反相器取反后，得到三個下橋臂控制信號CV4、CV6、CV2。CV1～CV6即為三相逆變電路的SPWM控制信號，其相位依次相差60°。

圖2SPWM控制仿真電路

圖3三相逆變電路

2.2 三相逆變電路

三相逆變電路如圖3所示，電路由一個537V的直流電源供電，6個IGBT和續(xù)流二極管構(gòu)成三相橋式逆變電路，其輸出接入一個三相的RLC負載，中間加入了三相電壓電流測量單元，并用示波器觀察輸出結(jié)果。

3 參數(shù)設(shè)置

仿真參數(shù)的設(shè)置既要符合實際，也要便于觀察仿真結(jié)果。

3.1 SPWM控制信號

3.2 三相逆變電路負載

三相RLC負載模塊參考三相電動機的有關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，電阻設(shè)為2Ω，電感設(shè)為200mH。

4 仿真結(jié)果

4.1 SPWM控制信號

正弦波幅度設(shè)為1V，頻率設(shè)為50Hz；三角波幅度設(shè)為1.5V，頻率設(shè)為1kHz;得到CV1、CV3、CV5的SPWM控制信號如圖4(a)所示，CV1與正弦調(diào)制波、三角波載波的對應(yīng)關(guān)系如圖4(b)所示。

圖4SPWM控制信號仿真波形

若提高三角波的幅度至2V，頻率保持1kHz，得到CV1的SPWM控制信號如圖4(c)所示，一個正弦波周期內(nèi)SPWM脈沖數(shù)量沒有變化，但其占空比朝著增大的方向變化。因此，隨著載波三角波的幅度加大，各個SPWM脈沖輸出的占空比將增大。

若提高三角波的頻率至2kHz，幅度保持1.5V，得到CV1的SPWM控制信號如圖4(d)所示，一個正弦波周期內(nèi)SPWM脈沖數(shù)量隨著三角波的頻率增加而增加。

4.2 三相逆變電路輸出波形

正弦波幅度設(shè)為1V，頻率設(shè)為50Hz，三角波幅度設(shè)為1.5V，頻率設(shè)為1kHz，得到輸出電壓仿真波形如圖5(a)所示，其中的電壓輸出波形包絡(luò)線具有與三相交流電完全相似的特性，頻率相同，幅度相同，相位依次相差120°。電流仿真波形如圖5(b)所示，其中的電流輸出波形具有與三相交流電完全相似的特性，頻率相同，幅度相同，相位依次相差120°。

圖5三相負載輸出仿真波形

若提高三角波的幅度至2V，得到電流輸出波形如圖5(c)所示，其輸出電流幅度明顯減小。由此可知，保持載波三角波幅度不變，隨著調(diào)制正弦波信號幅度的降低，輸出電壓電流將隨之降低。

若提高三角波的頻率至2kHz，得到電流輸出波形如圖5(d)所示，其輸出電流波形平滑度明顯改善，幅度保持不變。由此可知，提高載波三角波的頻率，可以改善輸出電壓電流的諧波特性。

若改變調(diào)制正弦波的頻率，重復(fù)上述仿真實驗，可以得到類似的仿真結(jié)果，并且進一步得到結(jié)論：隨著調(diào)制正弦波的頻率增加，輸出電壓電流將隨之增加。

因此，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，改變調(diào)制正弦波的幅度和頻率，將改變輸出電壓和電流的值，實現(xiàn)頻率對負載的控制。

5 結(jié)論

針對變頻調(diào)速課程中的重要知識點SPWM控制原理教學(xué)，引入Matlab仿真技術(shù)，對SPWM控制信號產(chǎn)生,三相逆變電路建模、參數(shù)設(shè)置進行了仿真研究。設(shè)計了幾個對比性較高的仿真實驗，包括改變載波三角波的幅度和頻率對輸出電壓電流的影響、改變調(diào)制正弦波的幅度和頻率對輸出電壓電流的影響。通過這一系列的仿真實驗，學(xué)生對SPWM控制原理有了更加深刻的理解，相比較傳統(tǒng)的理論講解，具有更為明顯的教學(xué)效果。