SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)建模仿真及應(yīng)用

摘 要：該文以三相異步電機(jī)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(yùn)行得到仿真波形，將其與實(shí)際波形相比較，結(jié)果證明了建模仿真方法的有效性，可應(yīng)用于職業(yè)院校電類專業(yè)對(duì)Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：Spwm 變頻調(diào)速 建模仿真 MATLAB

中圖分類號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（c）-0001-02

交流變頻調(diào)速技術(shù)是通過改變電機(jī)定子的電流頻率來改變轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的一種方法。交流變頻調(diào)速以其調(diào)速范圍寬、運(yùn)行特性好、節(jié)能效率高而成為理想的電動(dòng)方案。因此，變頻調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)在傳動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但由于變頻調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，難以用解析的方法進(jìn)行分析。作為系統(tǒng)分析研究的一種重要手段，仿真技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。通過仿真可模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)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(shù)是指調(diào)制信號(hào)正弦化的pwm技術(shù)，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(shù)（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(shù)，簡稱為Spwm技術(shù)。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(hào)稱作載波。當(dāng)載波與調(diào)制波相交時(shí)，其交點(diǎn)決定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)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(dòng)機(jī)工作在接近正弦的交變電壓下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(jì)算軟件，它集矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、圖形顯示和信號(hào)處理于一體，其特點(diǎn)是將專家系統(tǒng)與仿真結(jié)合起來，使系統(tǒng)仿真具有智能化功能，它由系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、構(gòu)建模型、仿真運(yùn)行、修改模型和分析仿真結(jié)果等。其中，SIMULINK是一個(gè)建模仿真可視化的、用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(guān)系，用框圖表示系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。如果想建立一個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，只需定義好模塊參數(shù)并將各模塊連接起來，設(shè)置仿真步長、仿真時(shí)間和計(jì)算方法等系統(tǒng)參數(shù)之后就可用Start命令運(yùn)行仿真程序，可通過虛擬示波器（Scope）觀察系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出。因此，通過建模并輸入?yún)?shù)后，就可以運(yùn)行系統(tǒng)仿真功能來分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。本文正是利用MATLAB/SIMULINK軟件對(duì)基于Spwm控制的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

3 Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真是設(shè)計(jì)出系統(tǒng)可以運(yùn)算的系統(tǒng)模型并利用它在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)仿真先將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡婺Ｐ?，然后通過計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的特性和規(guī)律進(jìn)行仿真研究。

3.1 Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、強(qiáng)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(tái)額定值220 V、1725 r/min的三相異步電機(jī)為例。首先由變壓器從電網(wǎng)中取得三相對(duì)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(jī)提供電源，電機(jī)在三相逆變電源的控制下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。在該系統(tǒng)中，三相橋式逆變電路的基本工作方式是導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為同一半橋（同一相）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，在任意瞬間都有3個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。在控制電路中，采用的是Spwm調(diào)制法，即三相對(duì)稱的正弦波參考信號(hào)和三角形載波信號(hào)相比較，在交點(diǎn)處發(fā)出三相脈沖調(diào)制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)逆變器。當(dāng)改變參考信號(hào)的頻率時(shí)，輸出電壓的頻率隨之改變；當(dāng)改變參考信號(hào)的幅值時(shí)，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(shí)改變參考電壓的頻率和幅值，就可以實(shí)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(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)控制比較復(fù)雜，建立一個(gè)適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)運(yùn)行數(shù)學(xué)模型是研究其特性以及控制技術(shù)的理論依據(jù)。由數(shù)學(xué)模型的分析可知，異步電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)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(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，仿真模型應(yīng)盡量接近物理對(duì)象。本文在上述分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)pwm調(diào)制方式的動(dòng)作過程、電力電子器件的開關(guān)原理和自動(dòng)控制理論，結(jié)合具體的電路分析構(gòu)建計(jì)算機(jī)仿真模型，再通過分析比較仿真波形，檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型和主要元器件參數(shù)是否正確，達(dá)到預(yù)期的目的。

4 Spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的應(yīng)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(tái)額定值220 V、1725 r/min的三相異步電機(jī)。從仿真結(jié)果可以看出：該仿真調(diào)速系統(tǒng)可以很容易地對(duì)Spwm調(diào)速方案進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)可對(duì)實(shí)際運(yùn)行中遇到的問題以及對(duì)調(diào)速系統(tǒng)造成的影響進(jìn)行仿真研究。這個(gè)仿真系統(tǒng)對(duì)異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、故障分析和理論學(xué)習(xí)都有很大的幫助。仿真模型的應(yīng)用特點(diǎn)是。

（1）采用模塊化設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)，只要對(duì)控制系統(tǒng)稍作改進(jìn)，就可以實(shí)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(shí)際系統(tǒng)的組成部分相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)參數(shù)與數(shù)學(xué)模型中的運(yùn)算結(jié)果一致。在仿真開始運(yùn)行后，使用示波器模塊就可直接觀測到各個(gè)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(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單明了，與實(shí)際系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)。如觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，分析仿真結(jié)果表示是電機(jī)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(dòng)幅值變小，但高于負(fù)載轉(zhuǎn)矩；在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩最終下降到與給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值相等，雖有小幅脈動(dòng)，但在大體上還是穩(wěn)定的。

5 結(jié)語

電機(jī)及其控制在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中起著重要作用，電機(jī)調(diào)速性能的提高可以大大提高生產(chǎn)設(shè)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(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景和重要的技術(shù)價(jià)值。仿真過程既可得到各種工況下的運(yùn)行特性，又可以應(yīng)用于技能培訓(xùn)和專業(yè)教學(xué)之中。

參考文獻(xiàn)

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