异步电动机的SPWM变频调速仿真研究

ｌ三堇兰堡　Ｇ。ｎｇｖ　ｖｕ　ｓｈｕ　异步电动机的ＳＰＷＭ变频调速仿真研究　周桂珍张立飞　（湘南学院电子信息与电气工程学院，湖南郴州４２３０００）　摘要：正弦脉冲宽度调制（ＳＰＷＭ）具有通用性强、原理简单易理解、开关频率固定、调节性和控制性很好、能消除谐波、模块设计简　单等一系列优点，不失为改善波形的好方法。现主要介绍异步电动机ＳＰＷＭ变频调速的基本原理，并利用ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ软件构　造异步电动机ＳＰＷＭ变频调速仿真模型，由仿真结果可知，ＳＰＷＭ变频调速能得到比较稳定的电机调速效果。　关键词：ＳＰＷＭ；逆变器；变频调速；异步电动机　０引言　电机调速应用最广泛的是变频调速，它能实现无极变速，　可以构成高动态性能的交流调速系统［１］。而变频器中用得最　多的控制技术是ＳＰＷＭ，它控制逆变器中电力电子器件的开通　或关断，输出幅值相等、宽度按正弦规律变化的电压脉冲序列。　ＳＰＷｌＶｆ　具有通用性强、原理简单易理解、开关频率固定、调　节性和控制性很好、能消除谐波等优点，对中小型逆变器的发　展起了影响性的推动作用，因而成为目前应用最为广泛的逆变　用ＰＷＭ技术　］。　１　异步电动机ＳＰＷＭ变频调速原理　１．１异步电动机的数学模型　由电机学理论可知＿６］：异步电动机静止两相正交坐标系中　的电压方程为：　匮　ｒ１ｌ　Ｒ０ｏ　Ｒ０ｏ　Ｒ０ｏ　Ｒ０　＝　ｌ＋苦　＋　　一∞Ｏ０　（１）　式中，Ｕ　、Ｕ口、“　、“口为　坐标系定子和转子相电压的瞬时值；　ｉ　、ｉｐ、ｉ　、　为　坐标系定子和转子相电流的瞬时值；‰、　、　‰、卿为　坐标系定子和转子绕组的磁链；Ｒ…Ｒ为定子和转　子绕组电阻；　为电机转速。　转矩方程为：　们ｒ　一　（　一　）　（２）　Ｌ　ｆ　式中，　为电磁转矩；　。为磁极对数。　１．２　ＳＰＷＭ变频调速原理　由电机学原理可知，以频率与定子端电压之比为定值的　方式对电机进行控制时机械特性的硬度变化较小，要变频　则需改变定子的端电压。能实现变频变压的ＰＷＭ调制波　含有较多的高次谐波分量，不利于电机的正常运行。而ＳＰ—　ＷＭｃ　在ＰＷＭ技术的基础上采用正弦波作为调制波、三角　波作为载波，调制波与载波相交的交点确定逆变器开关器　件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的　脉冲序列，有效减少了输出波的高次谐波分量，如图１　所示。　由图１可知，正弦波的频率变化，则ＳＰＷＭ波的频率随之　项目来源：湖南省自然科学基金，项目名称：功能材料中力、电　磁耦合作用强化与断裂机理研究，项目编号：１４Ｃ１０６０　１０４　“　Ⅳ　１　图１￥ＰＷｌｖＩ波生成方法　改变，电机转速变化；正弦波的幅值变化，ＳＰＷＭ波的脉宽改　变，电机定子端电压变化。因此，可通过调控正弦波的频率和　幅值来控制ＳＰＷＭ波的频率和电压，从而改变电机的频率和　电压，实现电机的变频变压ｃ８］。　１．３三相￥ＰＷＭ逆变器模型　三相ＳＰＷＭ逆变器采用全控型开关器件，如图２所示。　调制电路采用图１所示正弦信号　，与三角信号　直接比较，　若Ｕａ≥Ｕ　，则接上桥臂，若Ｕ　＜Ｕ　，则接下桥臂。同一桥臂的　开关器件触发的相序是互补的，上桥臂导通，下桥臂必然关断，　得到脉冲波形。　图２￥ＰＷＭ逆变器结构图　Ｇ。ｎｇｙｉ　ｖｕ一一ｓｎｕ　三堇主茎　ｌＩ＿　一　Ｏ　０　１　５　１　５　Ｏ　５　５　１　５　０　５　２异步电动机ＳＰＶＶＭ变频调速的仿真　２．１三相ＳＰＶＶｌＶｌ信号波的生成　这里以Ａ相ＳＰＷＭ波的生成为例，Ｂ、Ｃ相的生成与此类　似，正弦波的相位各相差１２０。，原理如ｉ．２节所述。仿真模型　如图３所示，仿真结果如图４所示。　Ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ　Ｏｐｅｒａｔｏｒｌ　图３　Ａ相￥ＰＷＩｖｌ仿真模型　ｌ　调制波　Ｏ　＞　脚　衄　脚　衄　删　㈣础　Ａ相电路下桥臂开关信号　碉珏　ｌ　啤咖跚　嘧　　ｌｊ　！　Ｉ　ｌ　０　Ｏ００５　０　０１　０　Ｏ１５　０　Ｏ２　０．０２５　０　０３　００３５　０　Ｏ４　衄曩啊■■■■Ｔ／ｓ　图４　Ａ相￥ＰＷＭ仿真结果　调制比为０．８，载波比为２４，仿真时间为０．０４　Ｓ，示波器第　一栏为调制波，第二栏为Ａ相电路上桥臂开关信号，第三栏为　Ａ相电路下桥臂开关信号，二、三栏波形相反。同时可以看到，　当正弦波比三角载波大时，上桥臂的开关信号为１，开关管导　通；当调制波比三角载波小时，上桥臂的开关信号为０，开关管　关闭，上下桥臂交替导通，形成逆变。　２－２三相Ｓ　ＷＭ逆变电路加感性负载仿真　首先，我们将２．１节得到的ＳＰＷＭ波加上逆变器后接到　负载上，负载参数电阻为２　Ｑ，电感为０．０１　ｍＨ，直流电源电压　为２５０　Ｖ，进行一次实验仿真，以更加清晰地观察各个波形。加　负载时的仿真图如图５所示。　：Ｈ　Ｐ删　ｌ　，　ｌ　．Ｉ　．Ｓｕ．ｂ．－ｓｙ＿ｓＪｔｌ一　ｅｍ　　一　一　Ｊ　匡　Ｕｎ　●●－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿—＿　Ｒ　Ｒ＝２，Ｌ－－０　０１　ｍＨ　Ｍｕｌｔｉｎ　ｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｌ１　一　一　．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ｊ　ｐｏｗｅｒｇｍ　＾＾＾风门０ｍ图５三相￥ＰＷＩｄ逆变电路加感性负载模型图　多路测量仪、多路测量仪２分别用来测量负载相电压、负　载相电流，波形如图６和图７所示。　２００　ｒ——————————］———————————１———————————ｒ　＞　。　一２００　２Ｏ０　＞　。　ｌ　删　Ｉ　ＩＩ　－２００　２ＯＯ　｝｝ｉｉ　　　Ｉ　ｉ　ｌ　ｘ　Ｉｆ　ｌ　ｌ　。　　；｝　ｌ”｝　　－ｉ一　曩ｉ：　ｒｌｉ　：－　　ｉ｝　　一…　。　一　＿　ｉ簟　　一曩“　。曩　Ｉ；　　。一２００　０　０５　０　０５５　０．０６　０　０６５　０　０７　０　０７５　０　０８　狐墨匝曩■■■●Ｔ／ｓ　图６负载相电压波形　ＩＲｏ　ｌＯ０　０　Ｉｌ　一ｌＯ０　１００　Ｉ　Ｏ　　Ｊ　Ｉ　一１００　一１Ｏ０　√　ｌ　　Ｉ≤０　……一　雕　｛ｔ…　…　　７　ｉｌ　曩＇　．－１００　０　０５　０　０５５　０　０６　０　０６５　０．０７　０　０７５　０．０８　圈■田—■■■Ｔ／ｓ　图７负载相电流波形　２．３　ＳＰＷＭ异步电动机负载仿真　现在我们来进行异步电动机ＳＰＷＭ变频调速仿真。ＳＩＭ—　ＵＬＩＮＫ提供了大量的实物仿真模块，包括三相异步电动机的　模型。该模块的参数设为额定功率Ｐ一２．２　ｋＷ，额定电压Ｕ一　机电信息２０１５年第２４期总第４５０期１０５　●三堇主堡　！Ｇ。ｎｇｙｉ　ｙｕ—　ｓｎｕ　一ｕ１毫／】ｖ＼　坼　拿ｚ＼　辛毒　２２０　Ｖ，极对数Ｐ＝２，定子电阻Ｒ　一０．４３５　Ｏ，定子电感Ｌ　一　０．００２　Ｈ，转子电阻Ｒ　一０．８１６　Ｑ，转子电感Ｌ　一０．００２　Ｈ，互　感Ｌ　一Ｏ．０６９　３１　Ｈ，转动惯量Ｊ一０．０８９　ｋｇ・ｍ２。电机的转矩　但其幅值大于电机给定的输入转矩１　Ｎ・ｍ。在０．７　Ｓ左右，电　蚤莩　。　加ｍ。　机转速达到稳定，电磁转矩幅值下降到最小值，并基本保持稳　定，且与给定转矩１　Ｎ・ｍ基本相等，但有微小的脉动。仿真结　果达到了预期目的。　信号输入端丁ｍ设置为ｌ，电机的输出ｍ端接Ｍａｃｈｉｎｅｓ　Ｍｅａｓ—　ｕｒｅｍｅｎｔ　Ｄｅｍｕｘ（电机测量模块），观测异步电动机的运行转速、　定子和转子电流以及转矩，模型如图８所示，仿真结果如图９　所示。　ＳＰＷＭ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｄｅｍｎｘ　图８异步电动机的Ｓ　＾ｆＭ变频调速仿真模型　５０　转子电流　１　≤０　＾ｎ△＾　』¨Ｖ　Ｖ　Ｖ　一５０　５０　≤０　０　０　２　０　４　０　６　０　８　ｌ　１　２　１　４　１　６　ｌ　８　２　■■田■●●—一Ｔ／ｓ　图９异步电动机的ＳＩＷＶＭ变频调速仿真结果　从图９可以看出，该示波器第一栏为电机转子电流，第二　栏为电机定子电流。从这两栏可以看出电机在启动阶段电流　较大，电流随着电机转速的升高而逐渐减小，当电机转速达到　最大值且保持稳定时电流减小到最小值且保持稳定。原因是　电机启动阶段，电机的转差率大，而等效阻抗小，因此启动电流　大；当电机稳定运行后，转差率减小到极小值，等效阻抗增大到　极大值，因此定子和转子电流也被减ｄ，Ｎ最小值。第三栏为电　机转速波形，可以看出电机转速从０上升到１　５００　ｒ／ｍｉｎ（与理　论值　一６０ｆ、　一１　５００　ｒ／ｒａｉｎ相符），然后达到稳定。第四栏为　电机转矩波形，由图可以得出在电机启动的起始阶段，转矩幅　值较大但处于衰减状态。随着转速的提升，转矩衰减得很小，　１０６　３结语　本文介绍了异步电动机ＳＰｗＭ变频调速的工作原理，分　析了ＳＰＷＭ变频调速的性能并进行测试，通过接负载模块来　观察各个波形。最后对异步电动机ＳＰＷＭ变频调速进行仿　真，仿真结果表明，ＳＰＷＭ变频调速能得到比较稳定的电机调　速效果。　［参考文献］　Ｅ１］陆兵，刘维亭．三相ＳＰＷＭ逆变器的调制建模和仿真ＥＪ］．电子　设计工程，２ｏ１３，２１（１）：１３２～１３４．　［２］李建华．基于ｓ函数的异步电机ＳＰＷＭ调速系统建模与仿真　［Ｊ］．机电技术，２００７，３０（４）：１－２，９．　［３］陆宏亮，戴国骏，钱照明．一种新型两相感应电动机变频调速　ＳＰＷＭ控制技术［Ｊ］．电工技术学报，２００５，２０（９）：４４—５０．　［４］李学华，白珍龙，王艳，等．基于ＳＰＷＭ变频调速系统的研究和　设计ＥＪ］．石油化工自动化，２００８，４４（３）：４２—４５．　［５］张大为，刘迪，高艳丽．ＳＰＷＭ变频调速在交流异步电动机控　制中的应用ＥＪ］．船电技术，２０１２，３２（２）：３０—３２．　Ｉ－６］余名俊，李岚，王秀丽．异步电动机的ＭＡＴＬＡＢ建模与仿真　Ｉ－Ｊ］．微电机，２００６，３９（６）：３５—３７．　［７３陈四连，林瑞全，丁旭玮．异步电动机变频调速系统的ＭＡＴ—　ＬＡＢ建模与仿真Ｉ－Ｊ］．电工电气，２００９（１１）：３２—３５．　ｒ８］ｄｅ　Ｒ　Ｃｏｒｒｅａ　Ｍ　Ｂ，Ｊａｅｏｂｉｎａ　Ｃ　Ｂ，Ｌｉｍａ　Ａ　Ｍ　Ｎ，ｅｔ　ａ１．Ａ　Ｔｈｒｅｅ－　Ｌｅｇ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｔｗｏ－Ｐｈａｓｅ　ＡＣ　Ｍｏｔｏｒ　Ｄｒｉｖｅ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ－］／／Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．２００１，　３：１４５８—１４６３．　收稿日期：２０１５—０８—０３　作者简介：周桂珍（１９８３一），女，湖南岳阳人，硕士研究生，助　教，从事基于神经网络的故障诊断研究工作。