异步电动机的spwm变频调速仿真研究

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1、异步电动机的SPWM变频调速仿真研究-机械制造论文异步电动机的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；异步电动机项目来源

2、：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：14C10600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。SPWM［23］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［45］。1异步电动机SPWM变频调速原理1.

3、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：式中，usα、usβ、urα、urβ为αβ坐标系定子和转子相电压的瞬时值；isα、isβ、irα、irβ为αβ坐标系定子和转子相电流的瞬时值；φsα、φsβ、φrα、φrβ为αβ坐标系定子和转子绕组的磁链；Rs、Rr为定子和转子绕组电阻；ω为电机转速。转矩方程为：式中，Te为电磁转矩；np为磁极对数。1.2SPWM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PW

4、M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SPWM［7］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［8］。1.3三相SPWM逆变器模型三相SPW

5、M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Ua，与三角信号Ut直接比较，若Ua≥Ut，则接上桥臂，若Ua＜Ut，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。2异步电动机SPWM变频调速的仿真2.1三相SPWM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1.2节所述。仿真模型如图3所示，仿真结果如图4所示。调制比为0.8，载波比为24，仿真时间为0.04s，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

6、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SPWM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2Ω，电感为0.01mH，直流电源电压为250V，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。图5三相SPWM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。2.3

7、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。SIMULINK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=2.2kW，额定电压U=220V，极对数p=2，定子电阻Rs=0.435Ω，定子电感Ls=0.002H，转子电阻Rr′=0.816Ω，转子电感Lr′=0.002H，互感Lm=0.06931H，转动惯量J=0.089kg·m2。电机的转矩信号输入端Tm设置为1，电机的输出m端接MachinesMeasurementDemux（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

8、，模型如图8所示，仿真结果如图9所示。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