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ＩＳＳＮ １００８－９４４６ 承德石油高等专科学校学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｎｇｄｅ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｏｌｌｅｇｅ 第８卷第２期，２００６年６月 Ｖｏ１．８，Ｎｏ．２，Ｊｕｎ．２００６ 了 交流异步电动机ＳＶＰＷＭ变频调速的研究 陈奇栓，王 力，康 金，刘春哲 （承德石油高等专科学校电气与电子工程系，河北承德０６７０００） ，摘要：分别用同步调制、异步调制、混合调制三种方法实现电压空间矢量脉宽调制型逆变器在一台三相异步 电动机上进行了试验调试，实验结果表明：与同步和异步调制相比，混合调制时电机电流的谐波小电压利用 率高，电机的高频噪声低。 ，关键词：电压空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）；同步调制；异步调制；混合调制 中图分类号：ＴＭ３４３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８—９４４６（２００６）０２４）０４２４）３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＳＶＰＷＭ ｏｆ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ Ｓｐｅｅｄ Ａｊｕｓｔｉｎｇ ｏｆ Ａｓｙｎｃｈｒ０ｎ０ｕｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ ＣＨＥＮ Ｑｉ—ｓｈｕａｎ，ＷＡＮＧ Ｌｉ，ＫＡＮＧ Ｊｉｎ，ＬＩＵ Ｃｈｕｎ．ｚｈｅ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｅｎｇｄｅ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｃｈｅｎｇｄｅ，Ｈｅｂｅｉ ０６７０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ＳＶＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂｙ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ａｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｉｎｇ ｍｏｄｕｌａ— ｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｘｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ ａｎｄ ｄｅｂｕｇｇｅｄ ｏｎ ａ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ａｓｙｎ— ｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｉｘｅｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｈａｓ ｌｏｗｅｒ ｃｕｒ— ｒｅｎｔ ｈａｒｍｏｎｉｃ，ｍｏｒｅ ｅｆｉｃｉｅｎｔｆ ｕｓｅ ｏｆ ｓｕｐｐｌｙ ｖｏｌｔａｇｅ，ｌｏｗｅｒ ｎｏｉｓｅ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＶＰＷＭ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ａｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｍｉｘｅｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ 随着电力电子技术和微电子技术的发展，以及计算机控制的应用，交流电机变频调速技术１３益成 熟，交流调速正逐步取代原有的直流调速，在变频调速系统中，电压空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）信号 的生成方法及实现技术至关重要。ＳＶＰＷＭ控制技术是工业控制领域中特别是在三相电机的控制中应 用最为广泛的一种变频电源控制的技术．对其控制问题已做了大量的研究工作．在三相电机控制中，对 系统的性能稳定性和有效控制谐波电压等方面有很高的要求，而载波比的选择、调制方式的选择、采样 方法的选择等问题正是解决这些问题的关键所在．文章针对三相电机变频控制应用中ＳＶＰＷＭ的几个 关键问题，结合具体的工程实践得出了一些结论，为实践应用中相关问题的解决提供了参考…。 １ 系统硬件部分 图１为变频调速系统原理图，变频调速系统主电路由 交直单相桥式不可控整流电路、直交三相桥式全控逆变转 换电路组成，由单片机控制系统产生的脉宽调制信号去控 制逆变器中的六个主开关器件的通断，得到的信号控制三 相异步电动机。 Ｕ ＵＨ ＼ １ ｒ ｌ电压检测Ｉ ｌ电流检测ｌ 电流检测 单片机控制系统｝．．一 图１变频调速系统原理 系统中功率器件采用智能模块ＩＰＭ，ＩＰＭ是一种由六个高速，低功耗的ＩＧＢＴ，优化的门极驱动和各 收稿日期：２００５—１２－２０ 作者简介：陈奇栓（１９７３一），男，天津宁河县人，承德石油高等专科学校电气与电子工程系助教，硕士，从事电力电 子与电力传动研究与教学工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com
陈奇栓，等：交流异步电动机ＳＶＰＷＭ变频调速的研究 ・４３・ 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，提高了系统的可靠性。 系统采用８７Ｃ１９６ＭＣ单片机控制，８７Ｃ１９６ＭＣ芯片内部有专门用于三相交流感应电机和直流无刷 电机控制的硬件，也能用于电源逆变器中。在ＭＣ内部有独特的功能部件波形发生器ＷＧ。它可以产生 三相互补不重叠的ＰＷＭ脉冲。在采用边沿触发时，具有１２５ ｎｓ的分辨能力；中心触发时，具有２５０ ｎｓ 的分辨能力。ＷＧ具有多种可编程频率、占空比和消隐时间，每路波形输出的驱动能力很强，输出极性 可以编程，并能强制为高或低电平。此外，还具有保护功能：当发生某意外事件时，响应该外部事件能立 即停止输出。片内３路ＰＷＭ，都有８位分辨率。既可同时控制，也可控制。本系统用ＷＧ产生的 ＰＷＭ信号去控制ＩＰＭ内的三相桥式逆变器中ＩＧＢＴ的通断，获得频率变化的电压去控制异步电动机。 ２ 系统软件部分 采用空间矢量调制时，有同步调制、异步调制和混合调制方式三类，同步调制时，将主频分量的每 １／６个周期（相当于电角度Ｉｒ／３，称为一个扇区，整个空间分为六个扇区，如图２所示）均匀的分为１１个 时间间隔 ，。为了使波形对称，ｎ一般取奇次整数。 平均电压空间矢量ｕ 应按圆磁场的要求，每过一个 ，就 转过一个电角度△ ，△ ：ｚｒ３ｎ。然后根据某一时刻ｕ 的大 小和幅角，设计一个形成 。 的方法。例如在某一时刻，ｕ。 位于第一扇区，在ｕ，、ｕ 之间，幅角为０，如图３所示； 为了形成这个ｕ…可将每个 ，分成４个阶段，各个阶 段中逆变器的电压空间矢量可依次为ｕ。、ｕ，、ｕ 、ｕ，，也可以 是ｕ 、ｕ 、ｕ。、ｕ。。因为每个 中，ｕ。 对时间的积分应等于 逆变器输出电压空间矢量对时间的积分，即可得出 ： ｕ Ｔ，＝／／＇ｏｔ０＋ｕＩｔＩ＋Ｉ／＇２ｔ２＝／／＇７ｔ７ （１） 图２逆变器输出电压空间矢量及扇区划分 式中， ＝ｔ０＋ｔｌ＋ｔ２＋ｔ７；ｔ０、ｔｌ、ｔ２、ｔ７分另Ｕ为ｎ０、ｕｌ、“２、 ｕ，停留的时间。 因为ｕ０＝ｕ７＝０，所以： Ｕａｖ： 。 “ （２）（ｚ 由图中的三角关系可得到： 唁＝ 由此可得出： ㈩ 图３平均电压空间矢量Ⅳ 式中，Ｕｏ，为矢量ＩＺａｖ的长度；Ｕ，为矢量“－的长度，Ｕ－＝÷ ６ 同理： ｉｎ（ ） ） （４） （５） （６） ｔ０＋ｔ７＝Ｔｌ一（ｔｌ＋ｔ２）＝Ｔｌ—ｔ 式中，ｔ 为有效调制时间。 维普资讯 http://www.cqvip.com
・４４・ 承德石油高等专科学校学报 ２００６年第８卷第２期 至于ｔ。和ｔ，之间的分配，为了简单起见，可以取ｔ。＝ｔ，。Ｕ 一般不能设定得太大。可以证明，若ｔ 达到极限值 ，ｌｇａｖ的矢端将落在由“。、“：、“，、“ 、“ 、“ 的矢端构成的六边形上。若ｔ ＜ ，ｔｒ的矢端将 ａｙ不能超出六边形的范围。若要得到圆形旋转磁场，“。 的矢端轨迹最大为此六边形的内切圆，也就是说， 在圆磁场条件下，“ 的矢量长度最大为： ，，＝…ｌ／． 亍Ｕｄｓｉｎ６０。＝ Ｊ √３ 令空间矢量调制系数ｍ：Ｕ ／Ｕ ，则： ｔｌ＝ｍＴ／ｓｉｎ（６０。一 ） ｔ２＝ｍ ｓｉｎ（０） （７） （８） ｍ与给定频率／的关系为：ｍ＝ｆ／５ｏ。若“ 位于其他扇区，计算公式相仿，只要把公式中“。、“：换成 该扇区边界上的电压矢量就可以了…。 若“。 在“。与“：之间的扇区中，逆变器的开关模式序列可 取为０００、１００、１ １０、１１ １，１ｌ１、ｌ１０、１００、０００，０００、１００、１ １０、１１ １、 …。若旋转到“：与“，之间的扇区中，开关模式序列则取为 １１１、１１０、０１０、０００ ０００、０１０、１１０、１ １１，１ １１ １ １０ ０１０ ０００、… 些开关模式序列可列成表格，供程序依次取用。当然，相邻的两 个０００（或两个１１１）也可以合并成一个。上述开关模式序列使 逆变器输出的ＰＷＭ波形接近对称，可以减少有害的低次谐波 分量；同时在状态转换时，每次只改变一对桥臂的开关状态，可 减少逆变器各桥臂的开关次数，减少逆变器的开关损耗。 若是异步调制方式，则“。 每次转过的电角度 不受，ａＯ＝７ｒ／ ３ｎ的，可以是任意值；ｔｒａｙ转过的△ 时间 ，也可以是任意值。 于是主频分量的周期不一定能被 整除，逆变器输出的ＰＷＭ波形 就可能不对称，有害的低次谐波分量就可能比较大，还可能出现频 率低于主频分量的谐波。不过只要ＡＯ足够小，异步调制造成的波 形不对称就不很明显，低次谐波分量也不会特别大。 混合调制就是分段同步调制，在每个频段内采用同步调制 方法。图４为中断服务程序框图，主程序框图略。 ３ 结论 实验所用到的主要设备。三相鼠笼异步电动机：额定功率 Ｐ ＝１００ Ｗ，线电压Ｕ ＝２２０ Ｖ，额定电流 ＝０．４８Ａ，额定转速 ｎ＝１ ４００ ｒ／ｍｉｎ，Ｙ接法。 通过对不同调制频率下异步电动机线电压波形的观察与分 析，得出如下结论 ： 同步调制中，载波比Ｎ为常数，输出电压半波内的矩形脉 冲数是固定不变的，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲问的间 图４中断服务程序框图 距增大，谐波会显著增加，使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。 异步调制提高了低频时的载波比，使输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，相 应的减少了负载电机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能，它的缺点是当载波比随着输出频 率的降低而连续变化时，它不可能总是３的倍数，将使输出电压波形及其相位发生变化，难以保证三相 （下转第６４页） 维普资讯 http://www.cqvip.com
・６４・ 承德石油高等专科学校学报 ２００６年第８卷第２期 存，而且应以图表为主。在需要讲解零部件工作原理的地方还应以超级链接的方法链接一个能够清晰 的反映工作过程的动画。因此教师不能认为一门课程的课件如果做完，便是一劳永逸的事情，应该在后 续的授课中不断对课件加以修改和补充，提高课件的质量，这样才能发挥多媒体教学的优势。 ２．３发挥教师的主导作用 有经验的人都知道，学生容易接受在教师组织下有特色、有针对性的讲解。但是有的采用多媒体授 课的教师过分的依赖计算机，上课时只要坐在电脑前，点点鼠标，读读课件，就称之为“讲课”，甚至一节 课连粉笔都不动一下。这样的教学方式难免会压制教师和学生的灵感，使教师成为信息技术的奴隶 。 在《汽车构造》课程中，复杂的图形和曲线应该反映在屏幕上，但是像发动机特性这样比较简单的曲线 教师还应该用粉笔亲自画在黑板上，边画边引导，这样才能加深学生的理解，体现出教师在教学过程中 的主导地位。 ３ 结论 多媒体是一门新兴的技术，在教学中多媒体技术已经得到了广泛的应用。汽车构造课程是一门偏 重于结构和工作原理的课程，由于教学过程中要大量的采用图表教学，综合分析了多媒体教学的优势和 弊端之后，笔者认为采用多媒体教学较传统教学相比有很多可取的地方，因此利大于弊。但是，也不容 忽视教学过程中存在的问题，否则，会适得其反，将直接影响教学效果。不要由传统的“教师灌输”变为 “机器灌输”，也不能忽视教师的主导作用，同时要处理好多媒体教学与传统教学的关系等问题。在今 后的教学实践中，我们还要积极探索，充分利用好多媒体技术，促进教学方法、教学手段改革，提高教学 质量和教学效率。 参考文献： ［１］ 刘新平．多媒体技术在汽车构造课程教学中的运用［Ｊ］．邢台职业技术学院学报，２００４，（３）：２４—２５・ ［２］ 郭素红，刘永．多媒体教学系统与教学方法研究［Ｊ］．郑州航空工业管理学院学报（社会科学版），２００４，（４）：３７—３８ （上接第４４页） 输出的对称性，引起电机工作不平稳。 混合调制综合了上面两种方法的优点，不论频率高低，异步电动机线电压谐波很小，运行中转矩脉 动和噪声很小。 参考文献： ［１］ 李华德．交流调速控制系统［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３－ ［２］ 熊健，康勇，张凯，陈坚．电压空间矢量调制与常规ＳＰＷＭ的比较研究［Ｊ］－电力电子技术，１９９９，２（１）：２５－２８
