SPWM变频调速系统的课程设计

SPWM变频调速系统

摘要：变频调速是交流调速中的发展方向。变频调速也有多种方法，本文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术(SPWM)的变频调速作了一定的研究，并进行了实践。异步电动机的调速原理是研究控制算法的基石，因文首先介绍了异步电动机的调速特性，从而展开介绍SPWM变频调速的理论基础.包括变频调速控制思想的由来，控制方法的可行性。变频调速的控制算法也有许多，本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制

Abstract:Variable-speed drive system is the direction of AC Variable-speed rive system.There are many for frequency-varied speed-regulated.In this paper,theauthor studied and analyzed one of the control way which is very searched by many people,and it is a constant volts/hertz ratio control technology.

The mathematical model of AC induction motor is the base of control Algorithmic for studying.This paper introduce the AC induction motorfirstly.

In this design the single chip micorcomputer-80C196MC is used.This microcomputer is very suitable for motor's controlling.The control circuit including80c196mc is the core of this system.There are hardware Designs in this paper and the software design is the emphasis.

目录

一绪论 (3)

1.1变频调速的基本原理 (3)

1.2研究变频调速的目的和意义 (4)

二恒压频比控制的SPWM变频系统的分析 (4)

2.1变频调速基本原理 (4)

2.2变频调速控制方式分析 (5)

2.3 SPWM逆变技术 (6)

2.3.1静止式SPWM间接变压变频装置 (6)

2.3.2 SPWM调制变频技术 (6)

2.3.3单极性SPWM法 (7)

2.3.4双极性SPWM法 (9)

2.4SPWM控制信号的产生方法 (11)

2.4.1(1)SPWM的模拟控制 (11)

2.4.2 SPWM的自然采样法 (12)

2.5三相电压型逆变电路 (12)

第3章SPWM变频调速系统仿真 (15)

四总结 (15)

参考文献 (16)

一绪论

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

1.1变频调速的基本原理

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s) 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。

1.2研究变频调速的目的和意义

在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量;对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%。

在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用就大。而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点—换相器和电刷的存在，使得维修工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流变频调速势在必行。

二 恒压频比控制的SPWM 变频系统的分析

本章是整个课题研究的技术理论基础。主要分析了变频调速的基础知识，逆变的基本原理以及SPWM 正弦脉宽调制波形发生原理等相关理论。

2.1变频调速基本原理

异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为

p n f n /6011 (2 -1 )

其中1n 为同步转速(r/min)

1f 为 定 子 频率，也就是电源频率(Hz);

p n 为 磁 极 对数。

异步电机的轴转速为

p n s f s n n /)1(60)1(11-=-= ( 2 -2 )

其中s 为异步电机的转差率，11/)(n n n s -=

由上面的公式可以看出，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。

2.2变频调速控制方式分析

在基频(额定频率)以下调速时，由于E1的大小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻抗压降(?U=1I 1Z ，1Z 为定子绕组的阻抗压降，包括电阻和漏磁电抗)在电压较高时可以忽略，所以可以认为电动势和电源相电压近似相等即有U1≈E1，因此作为一种可行的方案是在电源电压较高时用电源相电压U1代替电动势E1，当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降所占比重加大，不可以忽略，所以要人为的补偿，这是一种近似的恒磁通控制，这种控制方式常用于恒转矩控制，如下图2-1.

在基频以上调速时由于电压U,受额定电压的限制不能升，如图2-1.但是用恒压频比代替恒电动势频率比的一个重要缺点是在速度降低时，电动机的带载能力也同时下降转矩利用率下降，从图2-2的a,b 可以看出a 图的临界转矩点随着速度的降低也减小，而b 图则没有变化，然而要达到b 图的效果就要保持E1/f1的比值为恒值而不仅是保持U1/f1比值为恒值了。

n Φt u

m u

2

n Φ

n f 1

n

图2-1 异步电机变频调速的控制特 恒转矩调速 恒功率调速 0

2.3 SPWM 逆变技术

2.3.1静止式SPWM 间接变压变频装置

SPWM 间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率和幅值的交流电，故又称为交一直一交变压变频装置。其系统原理框图如图2-3所示在这类装置中，用不控器件整流，而逆变部分用SPWM 变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结构;而且由于以全波整流代替了相控整流，所以提高了输入端的功率因数，减小了谐波对电网的影响。此外，因输出波形由方波改进为SPWM 波，减少了谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。

2.3.2 SPWM 调制变频技术

SPWM 调制技术是PWM 多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n 等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样，由n 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。如图2-4所示。

设由整流器提供的直流恒值电压为Us ，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM 脉冲序列波的幅值为2/s U 。令第i 个矩形脉冲的宽度为i δ，其中心点相位角为i θ，则根据面积相等的等效原则，可写成：

i δ2s U =m U =?+-t td n n 122111sin ωωπθπθm U ??????+--)2(cos )2cos(n k n i i πθπθ=i m n U θπ

sin 2sin 2 （2-3）

当n 的数值较大时，近似的认为sin π/(2n)=π/(2n)，于是i s

m i nU U θπδsin 2≈

（2-4）

相比于其它各种变频 变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯波更接近于正弦波的输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转矩脉动小。由于电网的功率因数接近于1，大大提高了系统的整体性能。一般的，SPWM 分单极性和双极性两种调制方式。

0u

wt U m sin

π2

t w 1

T

图2-2 SPWM 的输出波形

2.3.3单极性SPWM 法

单极性SPWM 法输出的每半个周期中，被调制成的脉冲电压只有一种极性，正半

周为十U和零，负半周为一U和零，其调制波形如图2-5a)所示。曲线1是正弦调制波um，其周期决定于所需要的调制比kf。曲线2是采用等腰三角波的载波uc，其周期

k1时正弦调制波的振幅值.每半周期内所有决定于载波频率，振幅不变，等于

u

三角波的极性均相同，都是单极性。

调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度，所得的脉冲系列如图2-5a)中的uc所示.由图知，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。

单极性调制的工作特点是:每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截至;而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反。流经负载的便是正、负交替的交变电流（如图2—5b)所示。

u

c

1 2

u wt

G

0 wt

图2-3a 单极性SPWM调制图图2-3b 单极性调制的工作特点图

2.3.4双极性SPWM法

上述的单极性SPWM 逆变器主电路每相只有一个开关器件反复通断。如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到了双极性的SPWM波形。

双极性SPWM法的调制波u-仍为正弦波，其周期决定于今，振幅决定于气，如图2-4中的曲线1.曲线2载波uc为双极性的等腰三角形，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于k=1时正弦调制波振幅值。

调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，如图2-4所示。但是，由相电压合成为线电压时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的，如图2-4所示。

双极性调制的工作特点是:逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息。而流过负载凡的是按线电压规律变化的交变电流，如图2-4所示。

1V ZL

ZL

2V

图2—4 双极性SPWM 调制图 u r u c u O

ωt O

ωt

u o u of u o U d -U d

2.4SPWM 控制信号的产生方法

2.4.1(1)SPWM 的模拟控制

原始的SPWM 是由模拟控制来实现的。图2-7是SPWM 模拟控制电路原理框图。三相对称的参考正弦电压调制信号ra u ，rb u ，rc u 由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。三角载波信号t u 由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信号在比较器上进行比较，给出正或零的饱和输出，产生SPWM 脉冲序列波da u ，db u ，dc u ，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。

da u

dc u

图2-7 SPWM 波模拟控制电路

(2) SPWM 的数字控制

数字控制是SPWM 目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM 数据表格，控制时根据指令调出;或者通过软件实时生成SPWM 波形;也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM 信号。

随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生控制信号的集成电路芯片，配合微处理器进行控件生成SPWM 信号方便得多。国内制的电动机微机控制系统，大参考信号

发生器

三角波发生器

驱动V1-V6 SPWM 波形

多采用8031, 8098等。由于这些芯片并非为电动机控制设计的，为了实现电动机控制的某些功能，不得不增加较多的外器件必须以多片集成电路方能构成完整的控制系统。

2.4.2 SPWM的自然采样法

按照SPWM控制的基本原理，在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样，去生成SPWM波形，成为自然采样法。如图2-5所示

图2-5 自然采样法原理图

2.5三相电压型逆变电路

三相交流负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为可控元件的电压型三相逆变电路如图2．7所示，可以看出电路由三个半桥组成。

图3-3三相逆变电路

用T 记为周期，只要注意三相之间互隔T ／3(T 是周期)就可以了，即B 相比A 相滞后T ／3，C 相又比B 相滞后T ／3。

具体的导通顺序如下：

第1个T ／6：V1，V6，V5导通，V4，V3，V2截至：

第2个T ／6：Vl ，V6，V2导通，V4。V3，V5截至：

第3个T ／6：V1，V3，V2导通，V4，V6，V5截至：

第4个T ／6：V4，V3，V2导通，V1，V6，V5截至：

第5个T ／6：V4，V3，V5导通，V1，V6，V2截至：

第6个T ／6：V4，V6，V5导通，V1，V3，V2截至。

下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。

对于A 相输出来说，当桥臂l 导通时，d AO U U 21=

当桥臂4导通， d A U U 2

1

0-= 因此，0A U 的波形是幅值为d U 2

1的矩形波。B ，C 两相的情况和A 相类似，CO BO U U ,

的波形形状和AO U 相同，只是相位依次相差0

120。三相逆变电路输出电压波形如图：

U

A

A T

U

B

B B T

U

C C

C

T

图3-4三相逆变电路输出电压波形

三相SPWM 波形是由U ，V ,W 三个单相SPWM 波形生成器构成的，其中一相电路的原理图如图3-7所示，它由脉宽发生，死区脉宽发生，脉冲合成及保护电路等单元电路构成。WFG 可以产生独立的三对PWM 波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式一旦启动之后，WFG 只要求CPU 在改变PWM 的占空比时加以干预。

从功能上看波形发生器可以分为三个部分，时基发生器、相位驱动通道和控制电路。

三SPWM变频调速系统仿真

四总结

本设计参考变频系统的设计思想，设计并制造了一套全数字化SPWM变频器调速系统，通过对16位单片机8OC196MC的波形发生器输出信号施加三相正弦函数调制和

电压幅值调制，使得其V /F控制策略在软件上得以实现。对这种调速系统分析和设计作了相应的研究。总的来说，得出了以下结论:

1.在基频以下的变频调速中，本文通过设定完全转矩补偿的V/F曲线，可以提升变频后的最大转矩，得到较好的控制特性。

2.变频驱动器主电路的逆变采用了SPWM调制技术，理论表明，当载波频率较高时，其输出脉冲序列的基波电压幅值与所要求的等效正弦波幅值相等。故这种调制方式能很好地满足异步电机变压变频的要求。通过对其频谱的分析，还证明了提高载波频率，可以有效抑制谐波电压和电流，从而改善电机的运行性能。

3.专为电机控制而设计的单片机8OC196MC能方便可靠地实现双极性SPWM调制，特别适用于高频逆变场合。其SPWM控制信号采用片内WFG外设电路生成，用户只需考虑调制函数表的设定，依靠查表和计算就可以快速确定SPWM占空比，极大地简化了系统结构。

总之，通过本课题的锻炼，我学习到了电机控制中一种先进的法，让我在计算机的学习上迈出了一大步，在今后学习和工作中，我会吸取实验过程中的经验教训，对单片机进行更深入的研究和开发。

参考文献

[1]孙涵芳.Inte116位单片机.北京航空航天大学出版1999

[13]姚沛然，异步电动机性能的影响与分析。1996

[14]陈伯时，交流调速系统，机械工业出版社，1999年

[15]吴守簇，电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社1999

[16]胡崇岳，现代交流调速技术，机械工业出版社，1998年

[17]沈安俊，电气自动控制，机械工业出版社，1984年