SPWM變頻調速系統建模仿真及應用

摘 要：該文以三相異步電機仿真調速系統的控制為例，論述Spwm變頻系統的調速原理及建模仿真；根據Spwm控制原理建立Spwm變頻調速系統的仿真模型并運行得到仿真波形，將其與實際波形相比較，結果證明了建模仿真方法的有效性，可應用于職業院校電類專業對Spwm變頻調速系統的教學。

關鍵詞：Spwm 變頻調速 建模仿真 MATLAB

中圖分類號：TP29文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0001-02

交流變頻調速技術是通過改變電機定子的電流頻率來改變轉速，從而實現電機調速的一種方法。交流變頻調速以其調速范圍寬、運行特性好、節能效率高而成為理想的電動方案。因此，變頻調速電機系統在傳動領域得到廣泛的應用，但由于變頻調速電機系統具有非線性、強耦合的特點，難以用解析的方法進行分析。作為系統分析研究的一種重要手段，仿真技術得到了越來越廣泛的應用。通過仿真可模擬實際系統的運行過程，描述系統的狀態與特性，分析系統特性隨參數的變化規律。

1 Spwm變頻調速系統的基本原理

Spwm技術是指調制信號正弦化的pwm技術，通過調節脈沖占空比和脈沖寬度來調節平均電壓的方法，稱為脈寬調制技術（pwm），如果占空比和脈沖寬度的大小按正弦規律變化，即是正弦脈寬調制技術，簡稱為Spwm技術。正弦脈寬調制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，等效原則是每一區間的面積相等。在正弦脈寬調制中利用正弦波作為調制波，受它調制的信號稱作載波。當載波與調制波相交時，其交點決定逆變器開關器件的通斷時刻，脈沖寬度按正弦規律變化可以更好的控制低次諧波，使電動機工作在接近正弦的交變電壓下，轉矩脈動變化較小。

2 仿真工具與SIMULINK建模方法

MATLAB/SIMULINK是Mathworks公司推出的交互式計算軟件，它集矩陣運算、數值分析、圖形顯示和信號處理于一體，其特點是將專家系統與仿真結合起來，使系統仿真具有智能化功能，它由系統進行實驗設計、構建模型、仿真運行、修改模型和分析仿真結果等。其中，SIMULINK是一個建模仿真可視化的、用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包；它用帶方向的連線表示各環節的輸入輸出關系，用框圖表示系統的各個環節。如果想建立一個控制系統結構框圖，只需定義好模塊參數并將各模塊連接起來，設置仿真步長、仿真時間和計算方法等系統參數之后就可用Start命令運行仿真程序，可通過虛擬示波器（Scope）觀察系統仿真結果的輸出。因此，通過建模并輸入參數后，就可以運行系統仿真功能來分析系統的動態特性。本文正是利用MATLAB/SIMULINK軟件對基于Spwm控制的交流電機調速系統進行仿真分析。

3 Spwm變頻調速系統仿真

系統仿真是設計出系統可以運算的系統模型并利用它在計算機上進行試驗，計算機仿真先將系統模型轉變為仿真模型，然后通過計算機對系統的特性和規律進行仿真研究。

3.1 Spwm變頻調速系統的數學模型

異步電機變頻調速系統的數學模型是一個高階、強耦合和非線性的多變量系統。本文用仿真調速系統控制一臺額定值220 V、1725 r/min的三相異步電機為例。首先由變壓器從電網中取得三相對稱交流電，然后通過三相整流、濾波和Spwm控制下的逆變器為電機提供電源，電機在三相逆變電源的控制下產生電磁轉矩帶動負載運行。在該系統中，三相橋式逆變電路的基本工作方式是導電方式，即每個橋臂的導電角度為同一半橋（同一相）上下兩個臂交替導電，在任意瞬間都有3個橋臂同時導通。在控制電路中，采用的是Spwm調制法，即三相對稱的正弦波參考信號和三角形載波信號相比較，在交點處發出三相脈沖調制信號去驅動逆變器。當改變參考信號的頻率時，輸出電壓的頻率隨之改變；當改變參考信號的幅值時，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]。若同時改變參考電壓的頻率和幅值，就可以實現變頻調速系統u/f=常數的要求。

3.1.1 主電路中電壓參數

3.2 Spwm變頻調速系統仿真模型的建立

一般地，交流變速傳動系統的傳動控制比較復雜，建立一個適當的電機運行數學模型是研究其特性以及控制技術的理論依據。由數學模型的分析可知，異步電機是一個非線性、強耦合的高階多變量系統。

為了使Spwm變頻調速系統仿真模型的建立盡量接近異步電機的實際運行情況，仿真模型應盡量接近物理對象。本文在上述分析的基礎上，根據pwm調制方式的動作過程、電力電子器件的開關原理和自動控制理論，結合具體的電路分析構建計算機仿真模型，再通過分析比較仿真波形，檢驗數學模型和主要元器件參數是否正確，達到預期的目的。

4 Spwm變頻調速系統仿真模型的應用

變頻調速系統建模仿真的控制電路模型，仿真調速系統控制一臺額定值220 V、1725 r/min的三相異步電機。從仿真結果可以看出：該仿真調速系統可以很容易地對Spwm調速方案進行驗證，同時可對實際運行中遇到的問題以及對調速系統造成的影響進行仿真研究。這個仿真系統對異步電機變頻調速系統的方案設計、故障分析和理論學習都有很大的幫助。仿真模型的應用特點是。

（1）采用模塊化設計仿真系統，只要對控制系統稍作改進，就可以實現各種pwm控制，如Spwm調制法、諧波消除法、單元調制pwm法和電流跟蹤控制pwm等方法。

（2）Spwm調速系統仿真模型中的各部分與實際系統的組成部分相對應，系統參數與數學模型中的運算結果一致。在仿真開始運行后，使用示波器模塊就可直接觀測到各個部分的輸出數值與波形。

（3）系統模型全部由基本的SIMULINK模塊實現，結構簡單明了，與實際系統相對應。如觀察電機的轉矩和轉速，分析仿真結果表示是電機的轉速波形，轉速從0轉上升到1725轉后穩定；在加速過程中，轉矩脈動幅值變小，但高于負載轉矩；在轉速穩定時，電磁轉矩最終下降到與給定的負載轉矩值相等，雖有小幅脈動，但在大體上還是穩定的。

5 結語

電機及其控制在社會經濟中起著重要作用，電機調速性能的提高可以大大提高生產設備的工藝水平、加工精度以及工作效率，從而提高產品的質量和數量。因此，研究Spwm變頻調速系統的建模仿真及其應用具有廣闊的發展前景和重要的技術價值。仿真過程既可得到各種工況下的運行特性，又可以應用于技能培訓和專業教學之中。

參考文獻

[1]高圣偉.SPWM變頻調速系統的仿真與分析[J].電氣時代，2006（2）.

[2]陳桂明.應用MATLAB建模與仿真[M].北京：科學出版社，2001.

[3]李傳琦.電力電子技術計算機仿真實驗[M].北京：電子工業出版社，2006.