实验二正弦脉宽调制变频调速系统 韩畅.docx

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实验二正弦脉宽调制变频调速系统韩畅

专业：

电气工程及其自动化

姓名：

韩畅

学号：

_3120104334

日期：

2015.6.15

地点：

教二-115

实验报告

课程名称：

电机控制指导老师：

赵建勇成绩：

实验名称：

正弦脉宽调制变频调速系统同组学生姓名：

陈昱豪

一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）

三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤

五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

一、实验目的

1、加深理解自然采样法生成SPWM波的机理和过程。

2、熟悉SPWM变频调速系统中直流回路、逆变桥功率器件和微机控制电路之间的连接。

3、了解SPWM变频器运行参数和特性。

二、实验原理

SPWM变频器供电的异步电机变频调速系统的实验原理图如图1所示，其中控制键盘与运行显示布置图见图2所示。

SPWM变频调速系统主要由不控整流桥、电容滤波、直流环节电流采样（串采样电阻）、MOSFET逆变桥、MOSFET驱动电路、8031单片微机数字控制情况、控制键盘与运行显示等环节组成。

整个系统可按图1所示的接线端编号一一对应接线。

图1SPWM变频调速系统原理图

本实验系统的性能指标如下：

（1）运行频率f1可在1～60Hz的范围内连续可调。

（2）调制方式

1）同步调制：

调制比Fr=3～123可变，步增量为3；

2）异步调制：

载波频率f0=0.5～8kHz可变，步增量为0.5kHz;

3）混合调制：

系统自动确定各运行频率下的调制比。

图2SPWM变频器控制键盘与运行显示面板图

三、实验内容

（1）用SPWM变频器驱动三相异步电动机实现变频调速运行。

（2）改变调制方式，观察变频器调制波形、不同负载时的电动机端部线电压、线电流波形。

四、主要仪器与设备

（1）MCL现代运动控制技术实验台主控屏。

（2）SPWM变频调速系统实验组件挂箱。

（3）三相异步电动机一测功机组。

（4）双踪记忆示波器。

（5）数字式万用表。

五、操作步骤与实验方法

按图1连接好主电路，将该组件挂箱的控制电源端接入220V交流电，闭合控制电源开关，电源指示灯亮，表示挂箱通电。

此时，控制键盘上的数码管显示“P”，表示微机系统处于等待接受指令状态。

“运行”、“停止”键用来启动、关闭变频器。

开机或复位后变频器的缺省设置为：

混合调制方式，运行频率为50Hz，加速时间为3s，选中V/f曲线2。

SPWM变频器运行参数的设定可通过如图2所示的键盘显示部分来实现。

发光管用来指示运行方式及数码管显示内容。

按“设置”键可进入设置状态，数码管闪烁显示。

进入设置状态后，可按“加速时间”、“V/f曲线”、“同步调制”、“异步调制”、“混合调制”、“调制比”、“载波频率”、“运行频率”等键选择各个参数，按“上升”、“下降”键可进行参数设置，设置完毕后按“确认”键以输入设定的参数，同时退出设置状态，数码管恢复正常显示，设置后需再按“运行”键才能使变频器以设定好的参数运行。

“运行频率”也可在退出设置状态后，直

接按“上升”、“下降”键进行设置。

设置时应注意各个参数之间的依赖性，如在混合调制方式时，不允许设置调制比和载波频率；在同步调制方式时，不允许设置载波频率；在异步调制方式时，不允许设置调制比。

如没按允许进行设置，则系统不响应键盘。

调制方式重新设置后，相关参数将变成以下缺省值：

同步调制：

Fr=15；异步调制：

f0=500Hz，V/f曲线和加速时间这两个参数不受影响。

退出设置状态后，按“加速时间”、“V/f曲线”、“调制比”、“载波频率”、“运行频率”等键可查看相应的参数值。

实验中可通过各观察孔来观察SPWM的形成过程、合成波形（10和11之间）、各功率器件上的栅极驱动信号（建议观察下桥臂元件，即13、14、15和11之间）、开关元件上电压波形（7、8、9与5之间）、直流母线电压（1和3之间）、电流波形（5和4之间）、输出线电压波形（U、V、W之间）、输出线电流波形（7、8、9和U、V、W之间）。

本次实验内容为：

1．混合调制实验

（1）运行频率f1=50Hz和f1=25Hz，载波频率f0分别设置为450Hz。

记录以下波形：

调制波/载波和SPWM波形

电机空载运行时线电压/线电流波形

2.异步调制实验

（1）运行频率f1=50Hz，载波频率f0分别设置为500Hz和1kHz。

记录以下波形：

调制波/载波和SPWM波形

电机空载运行时线电压/线电流波形

具体实验方法：

打开试验台总电源（钥匙），打开变频器电源开关，打开试验台交流输出电源开关（绿色按钮）并调节到220V（通过电压调节旋钮旁边指针表读数）。

按照上文所述的方法设置好运行参数（以运行频率f1=50Hz，载波频率f0=500Hz为例）：

先按“设置”键进入设置状态，选择异步调制，然后设定运行频率f1=50Hz，载波频率f0=450Hz，设置完成后按“确认”键以输入设定的参数。

接上示波器（地线接11端，一个探头接10端，用来观察调制波/载波，另一个探头接12端观察SPWM波，波形不明显可以按下示波器的“STORAGE”按钮）。

接好示波器后按“运行”键使变频器开始工作，记录波形。

波形记录好后按“停止”键，使变频器停止运行，然后将示波器地线接U端，两个探头分别接V端和7端，重新运行变频器，记录电机空载运行时线电压/线电流波形。

f0=1kHz时实验方法及记录波形同上。

（2）运行频率f1=10Hz，载波频率f0分别设置为500Hz、1kHz和1.5kHz。

观察低速运行时，不同载波频率对系统性能的影响。

记录1.5kHz时的各个实验波形，方法同上。

3．同步调制实验

运行频率f1=15Hz，载波比分别为Fr=3和Fr=21。

记录以下波形：

调制波/载波和SPWM波形

电机空载运行时线电压/线电流波形

注意：

该实验必须在变频器默认参数下先按“运行”，然后在运行中按“设置”键，按要求进行参数设置，设置好后按“确认”键，然后再次按“运行”键，系统将按新的参数运行。

因为同步调制在载波比Fr=3时启动困难或者不能直接启动，应该先用其他方式使系统启动，然后在运行过程中调节参数。

实验完成后应先按试验台的红色按钮，使变频器交流输入断开，然后关掉变频器电源。

六、数据记录与处理

1、混合调制实验：

①运行频率f1=50Hz，载波频率f0为450Hz时的调制波/载波和SPWM波形：

②运行频率f1=50Hz，载波频率f0为450Hz时的线电压/相电流波形：

③运行频率f1=25Hz，载波频率f0为450Hz时的调制波/载波和SPWM波形：

④运行频率f1=25Hz，载波频率f0为450Hz时的线电压/相电流波形：

分析：

混合调制，在不同的载波频率下，调制比不同，相当于分段同步调制。

由混合调制的线电压及相电流波形可看出，混合调制的输出电流波形谐波较小，比较理想。

2、异步调制实验：

①运行频率f1=50Hz，载波频率f0=500Hz时的调制波/载波和SPWM波形：

②运行频率f1=50Hz，载波频率f0=500Hz时的线电压/相电流波形：

③运行频率f1=50Hz，载波频率f0=1kHz时的调制波/载波和SPWM波形：

④运行频率f1=50Hz，载波频率f0=1kHz时的线电压/相电流波形：

⑤运行频率f1=10Hz，载波频率f0=1.5kHz时的调制波/载波和SPWM波形：

⑥运行频率f1=10Hz，载波频率f0=1.5kHz时的线电压/相电流波形：

分析：

异步调制改变调制频率的同时，载波频率的值保持不变，使K值不断变化。

从运行频率f1=50Hz不变，载波频率f0=500Hz和f0=1kHz时的相电流波形可以看出，载波频率越高，输出谐波含量越低，波形越接近正弦波。

3、同步调制实验：

①运行频率f1=15Hz，载波比Fr=3时的调制波/载波和SPWM波形：

②运行频率f1=15Hz，载波比Fr=3时的线电压/相电流波形：

③运行频率f1=15Hz，载波比Fr=21时的调制波/载波和SPWM波形：

④运行频率f1=15Hz，载波比Fr=21时的线电压/相电流波形：

分析：

同步调制改变调制频率的同时成正比地改变载波频率，使调制比保持不变。

对于三相系统，为保持三相之间对称、互差120゜相位角，K应取3的整数倍，可以去除偶次和3N次谐波；为保证双极性调制时每相波形的正、负半波对称，该倍数应取奇数，所以实验中调制比选择了3和21。

由于波形的对称性，不会出现偶次谐波问题。

总结：

混合调制在一定频率范围内采用同步调制，保持了输出波形对称的优点。

而异步调制可以使逆变器低频运行时K值加大。

相应地减小谐波含量，以减轻电动机的谐波损耗和转矩脉动，但是，异步调制可能使K值出现非整数，相位可能连续漂移，且正、负半波不对称。

而PWM采用同步调制可以保证输出波形的对称性，但是在逆变器低频运行时，K值过小，导致谐波含量变大，使电动机的谐波损耗增加，转矩脉动相对加剧。

SPWM调制后的信号中除了含有调制信号和频率很高的载波频率及载波倍频附近的频率分量之外，几乎不含其他谐波，特别是接近基波的低次谐波。

因此，SPWM的开关频率越高，谐波含量越少，载波频率越高，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。

但载波频率的提高受到功率开关器件允许最高频率的限制。

通过查看不同控制下的线电压，相电流波形，可以看出，当调制波频率较高，载波比较高时，SPWM输出频率越高，输出相电流的谐波越小。

七、实验心得

1、通过本次正弦脉宽调制变频调速系统，我进一步理解了自然采样法生成SPWM波的机理和过程，学会了SPWM变频调速系统中主电路、控制电路的结构和连接关系，掌握了直流回路、逆变桥功率器件和微机控制电路之间的连接方法。

2、我了解了SPWM调制控制的三种控制方式、控制参数及输出波形。

对于同步调制与异步调制的区别有了更深入的认识。

同步调制保持调制波与载波的频率比恒定，使得输出SPWM不含偶次谐波，但在调制波频率较低时，调制波的频率也很低，使得载波频率与SPWM的输出频率都较低，谐波会更为严重。

故一般采用低频段异步，高频段同步的分段调制法。

3、实验操作中，系统上电后变频器交流输入应尽快调到220V，不能使交流输入长期处于较低的状态。

实验结束后，应先按停止运行，关闭输入电源后，应让电机再次启动，以释放储能元件中的能量后，在进行断电拆线操作。