实训报告Word文档格式.docx

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在实训前两天，下载LabVIEW软件，初步了解该软件的用法以及各模块的未知，摸清楚LabVIEW的编程方法，同时对SVPWM的原理进行复习，熟悉具体操作流程，增强感性认识，并可从中进一步了解、巩固与深化已经学过的理论和方法，对Clark变换进行深入的认识与学习。

3、实训内容

本次实训的内容一共分为两个部分，分别是三相空间电压矢量SVPWM变频原理实验和矢量控制转速开环恒压频比变频调速实验，分为软件编程和上机实验两个部分，软件编程使用的是LabVIEW软件平台。

（一）实验一三相空间电压矢量SVPWM变频原理实验

1.实验目的：

本次实训的目的是为了学习SVPWM调速的基本原理和实现方法和熟悉Labview图形化编程环境和编程方法。

2.实验设备：

装有Labview2014的Win764位操作系统电脑一台

3.实验原理

SVPWM是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。

空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。

SVPWM技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。

下面将对该算法进行详细分析阐述。

SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。

在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。

两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆,并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态,从而形成PWM波形。

逆变电路如图1-1示.设直流母线侧的电压是Udc，逆变器输出的三相相电压为UA、UB、UC，其分别加在空间上互差120°

的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量UA（t）、UB（t）、UC（t），它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差120°

。

假设Um为相电压有效值，f为电源频率，则有：

（1-1）

其中，θ=2πft,则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量就可以表示为：

（1-2）

可见U（t）是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值的1.5倍，Um为相电压峰值，且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量U（t）在三相坐标轴（a，b，c）上的投影就是对称的三相正弦量。

图（1-1）逆变电路

由于逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，特定义开关函数为：

（1-3）

（Sa、Sb、Sc）的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量U1（001）、U2（010）、U3（011）、U4（100）、U5（101）、U6（110）和两个零矢量U0（000）、U7（111），下面以其中一种开关组合为例分析，假设此时

图1-2矢量U4（100）

（1-4）

求解上列方程可得：

UaN=2Udc/3、UbN=-Udc/3、UcN=Udc/3,代入可得

同理可计算出其它各种组合下的空间电压矢量，列表如下

表1‐1开关状态与相电压和线电压的对应关系

Sa

Sb

Sc

UA

UC

UAB

UBC

UCA

Uout

1

-Ud/3

2Ud/3

-Ud

Ud

2eUdc/3

2ejπ/3Udc/3

-2Ud/3

Ud/3

2ej2π/3Udc/3

2ejπUdc/3

2ej4π/3Udc/3

2ej5π/3Udc/3

图1‐3八个基本电压空间矢量的大小和位置

其中非零矢量的幅值相同（模长为2Udc/3），相邻的矢量间隔60°

，而两个零矢量幅值为零，位于中心。

在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量。

由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是如图1‐3所示的圆形。

所以要产生三相正弦波电压，可以利用以上电压向量合成的技术，在电压空间向量上，将设定的电压向量由U4（100）位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。

4.实验步骤

（1）创建判断电压空间矢量Uout所在的扇区的子Vi

判断电压空间矢量Uout所在扇区的目的是确定本开关周期所使用的基本电压空间矢量。

用Uα和Uβ表示参考电压矢量Uout在α、β轴上的分量，定义Uref1，Uref2，Uref3三个变量，令：

再定义三个变量A,B,C通过分析可以得出：

若Uref1>

0，则A=1，否则A=0；

若Uref2>

0，则B=1，否则B=0；

若Uref3>

0，则C=1，否则C=0。

令N=4*C+2*B+A，则可以得到N与扇区的关系，通过下表1-2得出Uout所在的扇区（如图1‐3）。

表1‐2N与扇区的对应关系

N

3

5

4

6

2

扇区

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

打开Labview2014软件，点击创建项目，选择创建Vi，进入Vi前面板，点击主菜单中“查看”，选择“控件选板”，在“控件”中的“数值”选择相应输入、输出控件。

快捷键“ctrl+E”，调出程序框图，点击主菜单中“查看”，选择“函数选板”，在“函数选板”中选择相应模块进行图形化编程。

完成编程后需要编辑连线板，相当于封装，这样子Vi就可以被引用，以下每个子Vi完成都需要编辑连线板。

（2）创建clark变换子Vi

由于在判断扇区过程中要用到电压指令在两相静止坐标系下α，β轴分量，而给定为三相旋转坐标系下的指令电压矢量，所以控制信号要先经过从三相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换，其变换关系矩阵为：

（3）创建确定各扇区相邻两非零矢量和零矢量作用时间的子Vi

则可以推出

同理，可以以此类推可以得出其它扇区各矢量的作用时间，创建XYZ获取子Vi可以得到各个扇区T1、T2、T0作用的时间。

创建T1、T2生成子Vi，其中用到的“条件结构”模块在“函数选板”中的“结构”查找，具体模块的使用说明可以点击“主菜单”的“帮助”，选择“显示“即时帮助”再点击要查询的模块图形，即可显示出相关说明，Labview2014中的即时帮助功能非常实用，使用者如遇到不懂的模块都可进行此类操作，查看详细说明。

如果当T1+T2>

TPWM，必须进行过调制处理，则令:

（3）确定各扇区矢量切换点

定义：

三相电压开关时间切换点Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3与各扇区的关系如下表1-4所示

表1-4各扇区时间切换点Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3

Tcmp1

Tb

Ta

Tc

Tcmp2

Tcmp3

为了限制开关频率，减少开关损耗，必须合理选择零矢量000和零矢111，使变流器开关状态每次只变化一次。

假设零矢000和零矢量111在一个开关周期中作用时间相同，生成的是对称PWM波形，再把每个基本空间电压矢量作用时间一分为二。

例如图1-4所示的扇区I，逆变器开关状态编码序列000，100，110，111，110，100，000，将三角波周TPWM作为定时周期与切换点Tcmp1、Tcmp2、Tcmp3比较，从而调制SVPWM波，其输出波形如图所示。

同理，可以得到其它扇区的波形图。

图1‐17扇区1内三相PWM调制方式

（5）创建三相正弦波输入的SVPWM调制信号输出Vi，前面我们已经创建好了几个子Vi，它们的输入、输出都是互相关联的，现在需要把它们串联在一起，类似MATLAB中的simulink的各个子模块封装编程。

（6）给定输入，运行程序，生成SVPWM算法得到的三相调制波信号，记录。

以下是各个子Vi的连接图：

Clark变换子VI

T1T2标准化子VI

T1T2生成子VI

Tabc子VI

Xyz获取子VI

扇区选择子VI

参数输入

输出波形

5.实验报告

（1）简述实验原理和实验中中观察到的现象。

答：

实验原理：

SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。

两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。

现象：

Ta,Tb,Tc三对桥臂周期性开断，从而可以输出较为平滑的PWM波形。

（2）画出三相的调制波曲线

（3）SVPWM调制方法和SPWM调制方法的优势有哪些？

SVPWM调制和马鞍波调制方式有什么区别？

SVPWM和SPWM相比，优势主要有：

（1）在每个小区间虽有多次开关切换，但每次开关切换只涉及一个器件，所以开关损耗小。

（2）利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单。

（3）逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM逆变器输出电压高15%。

SVPWM和马鞍波调制方式的区别：

SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。

传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。

（2）实验二矢量控制转速开环恒压频比变频调速实验

掌握SVPWM转速开环恒压频比控制的变频调速方法，了解SVPWM电压源型变频调速的过程，验证实验一中SVPWM调制信号输出子Vi的编程，熟悉PEP‐1型实验台的操作和功能。

PEP‐1型可扩展实验平台，装有LabVIEW软件的win764位电脑，可调电阻、电容箱，电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表，直流发电机，鼠笼式异步电动机，可调电阻，双踪示波器，万用表

3.实验内容：

用PEP-1型实验台产生三相交流电压拖动三相异步电动机实现变频调速，观察变频器电流输出波形，观察并记录不同输出频率时，实验平台输出的交流电压和电流有效值以及电机转速，记录并绘制U-F曲线和电机在变频器不同输出频率下的机械特性曲线。

4.试验方法和步骤

首先检查PEP-1平台前面板，将所有空开关闭（开关拨向下），将调压器旋钮调到0，将ACL和ACN接入220V/50Hz交流电压。

此时控制器自动上电，三相交流电压表、三相交流电流表、直流电压表以及直流电流表启动就绪。

用网线将电脑和NI9030控制器的网口1相连，打开NIMAX软件，点击左上角的“远程系统”，找到控制器。

点击控制器名称，在窗口中间找到控制器IP地址，复制地址。

之后打开labview，打开“电机调速实验”项目，右键NI-crio-9030控制器，选择属性对话框，将控制器的IP地址粘贴上。

再右键NI-crio-9030控制器，点击“连接”。

双击打开“实验三转速开环恒压频比控制.VI“主程序。

“频率”框设置变频器输出的频率（不得超过50HZ）。

“升速时间”框、“降速时间”框分别设置升降速过渡过程的时间。

摇杆向下（绿色）为正常运行，摇杆拨上去（红色）暂停运行。

SVPWM调制信号输出编程部分，ctrl+E打开程序框图，三相正弦波已经编程完毕，需要完成剩下编程部分，把输出的Ta、Tb、Tc调制信号传给FPGA的写入控件，即完成编程任务。

这里Udc根据本实验要求直接写入300V，三角波频率设置为5000Hz，SVPWM调制信号输出子Vi程序框图结构如图2-4所示。

设置频率为50HZ，升速时间为3s，降速时间为1s，点击摇杆开关拨向下。

图2-2程序框图界面

图2-4SVPWM调制信号子VI程序框图

设置完以后，将PEP-1实验台前面板上的a、b、c三相的插孔，用香蕉插头分别通过三相交流电压表接到交流电机的A、B、C三相，同时将电机的绕组端口首尾相连（△接）。

再将ab两相的线电压接到交流电压表。

将实验平台前面板上的P和N端口连接到直流电压表。

打开主电路开关（左一），打开直流输出开关（左二），缓慢调节调压旋钮到300v位置，将a、b、c三相的开关打开（推上去），将测速器的电源插上电。

点击主程序中的“运行”按钮，程序自动下载运行，电机开始启动。

观察变频器输出频率为50HZ时候的电机转速和变频器输出电压有效值。

然后点击程序框图前面板中的“停止”按钮，在程序框图前面板中观察变频器输出电流波形。

调节（范围-50~50HZ）主程序前面板中的“频率”值，点击主程序中的“运行”按钮，待转速稳定后记录线电压。

记录好后，点击程序前面板上的绿色摇杆（使之变红）使电机停转，改变“频率”值，再次点击摇杆（使之变绿）再次启动电机，待转速稳定后记录线电压值。

重复操作，记录输出频率在-50~50HZ之间的多组电压和对应输出频率数据。

记录数据并绘制恒压频比（U/F）控制特性

F（Hz）

U（V）

U/F

四、实训小结