基于Matlab的SPWM控制原理的仿真教學(xué)研究

潘海燕

(臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000)

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

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(shí)是整個(gè)變頻調(diào)速課程教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。由于涉及較多電機(jī)、電力電子方面的知識(shí)，概念較抽象，僅靠課堂上的理論講解很難達(dá)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(hào)對(duì)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(jìn)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(shí)間占空比按正弦規(guī)律排列，如圖1所示。若把一個(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)

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

2.1 SPWM控制信號(hào)產(chǎn)生電路

SPWM控制信號(hào)產(chǎn)生電路如圖2所示，三個(gè)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(gè)上橋臂控制信號(hào)CV1、CV3、CV5，將三個(gè)上橋臂控制信號(hào)經(jīng)反相器取反后，得到三個(gè)下橋臂控制信號(hào)CV4、CV6、CV2。CV1～CV6即為三相逆變電路的SPWM控制信號(hào)，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(gè)537V的直流電源供電，6個(gè)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(gè)三相的RLC負(fù)載，中間加入了三相電壓電流測(cè)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(shí)際，也要便于觀察仿真結(jié)果。

3.1 SPWM控制信號(hào)

3.2 三相逆變電路負(fù)載

三相RLC負(fù)載模塊參考三相電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)進(jìn)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(hào)

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(hào)如圖4(a)所示，CV1與正弦調(diào)制波、三角波載波的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4(b)所示。

圖4SPWM控制信號(hào)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(hào)如圖4(c)所示，一個(gè)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(gè)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(hào)如圖4(d)所示，一個(gè)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(fù)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(hào)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(shí)驗(yàn)，可以得到類似的仿真結(jié)果，并且進(jìn)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(shí)現(xiàn)頻率對(duì)負(fù)載的控制。

5 結(jié)論

針對(duì)變頻調(diào)速課程中的重要知識(shí)點(diǎn)SPWM控制原理教學(xué)，引入Matlab仿真技術(shù)，對(duì)SPWM控制信號(hào)產(chǎn)生,三相逆變電路建模、參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了仿真研究。設(shè)計(jì)了幾個(gè)對(duì)比性較高的仿真實(shí)驗(yàn)，包括改變載波三角波的幅度和頻率對(duì)輸出電壓電流的影響、改變調(diào)制正弦波的幅度和頻率對(duì)輸出電壓電流的影響。通過這一系列的仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)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。