实验二 异步电动机SPWM与电压空间矢量变频调速系统

一．实验目的

1．通过实验掌握异步电动机变压变频调速系统的组成及工作原理。

2．加深理解用单片机通过软件生成SPWM波形的工作原理与特点。以及不同调制方式对系统性能的影响

3．熟悉电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）的工作原理与特点。 4．掌握异步电动机变压变频调速系统的调试方法。

二．实验内容

1．连接有关线路，构成一个实用的异步电动机变频调速系统。 2．过压保护、过流保护环节测试。

3．采用SPWM数字控制时，不同输出频率、不同调制方式（同步、异步、混合调制）时的磁通分量、磁通轨迹、定子电流与电压、IGBT两端电压波形测试。

4．采用电压空间矢量控制时，不同输出频率、不同调制方式时的磁通分量、磁通轨迹、定子电流与电压、IGBT两端电压波形测试。

5．低频补偿特性测试。

三．实验系统组成及工作原理

变频调速系统原理框图如图2—3所示。它由交-直-交电压源型变频器，16位单片机80C196MC所构成的数字控制器，控制键盘与运行指示、磁通测量与保护环节等部分组成。

逆变器功率器件采用智能功率模块IPM（Intel Ligent Power Modules），型号为PM10CSJ060（10A/600V）。IPM是一种由六个高速、低功耗的IGBT，优化的门极驱动和各种保护电路集成为一体的混合电路器件。由于采用了能连续监测电流的有传感功能的IGBT芯片，从而实现高效的过流和短路保护，同时IPM还集成了欠压锁定和过流保护电路。该器件的使用，使变频系统硬件简单紧凑，并提高了系统的可靠性。

数字控制器采用Intel公司专为电机高速控制而设计的通用性16位单片机80C196MC。它由一个C196核心、一个三相波形发生器以及其它片内外设构成。其它片内外设中包含有定时器、A/D转换器、脉宽调制单元与事件处理阵列等。

在实验系统中80C196MC的硬件资源分配如下：

1．P3、P4口：用于构成外部程序存储器的16 bit 数据和地址总线。

2．WG1～WG3和WG1～WG3：用于输出三相PWM波形，控制构成逆变器的IPM。 3．EXTINT：用于过流、过压保护。

4．通过接于A/D转换器输入端ACH2和ACH1设之输入频率和改变u/f（低频补偿）。

5．利用P0和P1口的P0.4～P0.7和P1.0～P1.3 ，外接按钮开关，用于起动、停止、故障复位两种调制方法，三种调制模式的选择。

6．利用P2、P5、P6口的P2.4～P2.7，P5.4与P6.6，P6.7，外接指示灯，用于指示系统所处状态。

7．磁通观测器用于电机气隙磁通测量。其前半部分为3/2变换电路，将三相电压VA、VB、VC从三相静止坐标系A、B、C变换到二相静止坐标系α、β上，成为Vα、Vβ。电路的后半部分则分别对Vα、Vβ积分。在忽略定子漏磁和定子电阻压降的前提下，两个积分器的输出分别是二相静止坐标系中电机气隙磁通在α、β轴上的分量φα与φβ；它们的波形形状相似，相位差90°。将两个积分的输出分别接入示波器的X轴输入和Y轴输入，即可得到电机气隙磁通的圆形轨迹。

图1-3 变频调速系统原理框图RS2321AUFU电流检测UFI123C1K2IPM+4启动限流故障检测++故障信号驱动++过压保护过流保护微机控制系统80C196MCM~四．实验设备和仪器

1．教学实验台主控制屏； 2．NMCL—09组件；

3．电机导轨及测速发电机；

4．异步电动机M04； 5．双踪示波器（自备）； 6．万用表（自备）。

五．实验方法

按图1—4连接线路，经检查无误后，合上电源，实验系统缺省设置为SPWM控制，同步调制方式，对应指示灯亮。若指示灯与上述不符，可按复位按钮，使系统处于上述缺省状态，此时系统即可进行实验。若系统采用SPWM控制并工作在同步调制方式，即可按起动按钮，电动机即可起动，起动后可调节频率设定电位器，即可改变电动机转速。

U+U+IPMK2U6.5x5.56.5x5.5iU+UVC1VV123iViW电流取样UVWWW1AUFU启动限流+UFU+U-U-电流检测UFI4K28磁 通 测 量UM04电机+8+VW++过压保护+UFU++电 路 与 上 相 同88??++??过流保护+UFI++微机控制系统8+图2-4在电动机运行中，如按了空间矢量、异步调制，混合调制等按钮，系统将不会响应，必须先按停止按钮，使电动机停止运行，才能转到空间矢量控制以及其它调制方式。

低频补偿电位器在电机运行时，可按需要任意调节。

系统出现故障停机时，可在拆除故障条件下，按故障复位按钮，使红色故障指示灯灭，系统即可按要求继续运行。

1．过压与过流保护环节测试。（这时只需合上控制电源，主回路电源不加。）

（1） 断开过压保护检测线，红色故障指示灯发亮，同时微机输出驱动脉冲被封锁，表示过压保护环节工作正常。测试完毕后，按一下故障复位按钮，故障指示灯灭。

（2） 断开过流检测线，红色故障指示灯发亮，同时驱动脉冲被封锁，表示过流保护环节工作正常。测试完毕后，按一下复位按钮，故障指示灯灭。

2．采用SPWM控制，分别在输出频率为50Hz、30Hz条件下，测量与描绘不同调制方式时的电机气隙磁通分量、电机气隙磁通轨迹、定子电流、IGBT两端波形（输出U、V、W与N端之间）与定子端电压等波形，以及观察电机运行的平稳与噪声大小。

（1） 同步调制：系统设定的载波比N=12。 （2） 异步调制：系统设定的载波频率ft=600Hz。

（3） 混合调制：分三段执行。第一段0Hz～12.5Hz，载波比N1=100；第二段12.5 Hz～25 Hz，载波比N2=80；第三段，25 Hz～50 Hz，载波比N3=60。

当在低频2Hz时，若电机无法转动时，可调节低频补偿电位器（顺时针旋转时，低频补偿电压增大），直到电动机能旋转时止。

3．采用电压空间矢量控制

实验条件及观察与描绘的波形同方法2。 4．低频补偿性能测试

低频时定子压降的补偿度可通过电位器连续调节，在输出频率为1～2Hz时，调节补偿度直到电动机能均匀旋转时止，同时观察与记录直流母线电流的变化。

六．实验报告

1．列出SPWM控制时，在不同输出频率条件下所测量的各种波形与电机工作情况。 2．列出电压空间矢量控制时，在不同输出频率条件下所测量的各种波形与电机工作情况。

3．调节低频补偿度，列出电机能均匀旋转的最低工作频率。

4．SPWM控制，电压空间矢量控制，不同调制方式时的电机气隙磁通轨迹，定子电流及电机平稳性与噪声比较。

5．对实验中感兴趣现象的分析、讨论。

七．思考题

1．低频时定子压降的补偿度是否越大越好？过大了会造成何种不良结果？应该如何调节才算恰到好处？

2．SPWM控制主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，那么电压空间矢量控制的目标是什么？它与SPWM控制相比，有哪些特点？

3．设单相输入的交-直-交变频调速系统的直流母线电压为310V，按SPWM控制时电机线电压的最大值为几伏？如要达到电机线电压为220V有否可能？如何实现？

八．注意事项

1．转换不同控制与调制方式时，要等到电动机转速接近于零时，再按起动按钮，以免对电动机造成冲击。

2．主回路中的保险丝为1A，不要任意放大。