实验三变频原理实验.docx
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实验三变频原理实验.docx
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实验三变频原理实验
实验三变频原理实验
一、实验原理
主要完成的实验为三相SPWM、SVPWM、及马鞍波变频原理实验及在各种变频模式下V/F曲线的测定等。
异步电机转速基本公式为:
n=
其中n为电机转速,f为电源频率,p为电机极对数,s为电机的转差率。
当转差率固定在最佳值时,改变f即可改变转速n。
为使电机在不同转速下运行在额定磁通,改变频率的同时必须成比例地改变输出电压的基波幅值。
这就是所谓的VVVF(变压变频)控制。
工频50Hz的交流电源经整流后可以得到一个直流电压源。
对直流电压进行PWM逆变控制,使变频器输出PWM波形中的基波为预先设定的电压/频率比曲线所规定的电压频率数值。
因此,这个PWM的调制方法是其中的关键技术。
目前常用的变频器调制方法有SPWM,马鞍波PWM,和空间电压矢量PWM等方式。
1、SPWM变频调速方式:
正弦波脉宽调制法(SPWM)是最常用的一种调制方法,SPWM信号是通过用三角载波信号和正弦信号相比较的方法产生,当改变正弦参考信号的幅值时,脉宽随之改变,从而改变了主回路输出电压的大小。
当改变正弦参考信号的频率时,输出电压的频率即随之改变。
在变频器中,输出电压的调整和输出频率的改变是同步协调完成的,这称为VVVF(变压变频)控制。
SPWM调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距、脉冲等幅,调节脉冲的宽度,使各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比例,因此,其调制波形接近于正弦波。
在实际运用中对于三相逆变器,是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信号,与一个公用的三角载波信号相比较,而产生三相调制波。
如图6-1所示。
2、马鞍波PWM变频调速方式
前面已经说过,SPWM信号是由正弦波与三角载波信号相比较而产生的,正弦波幅值与三角波幅值之比为m,称为调制比。
正弦波脉宽调制的主要优点是:
逆变器输出线电压与调制比m成线性关系,有利于精确控制,谐波含量小。
但是在一般情况下,要求调制比m<1。
当m>1时,正弦波脉宽调制波中出现饱和现象,不但输出电压与频率失去所要求的配合关系,而且输出电压中谐波分量增大,特别是较低次谐波分量较大,对电机运行不利。
另外可以证明,如果m<1,逆变器输出的线电压中基波分量的幅值,只有逆变输入的电网电压幅值的0.866倍,这就使得采用SPWM逆变器不能充分利用直流母线电压。
图6-1正弦波脉宽调制法
为解决这个问题,可以在正弦参考信号上叠加适当的三次谐波分量,如图6-2所示。
图中:
u=ur1 +ur3 =sinωt+1/6sin3ωt
图6-2马鞍波的形成
合成后的波形似马鞍形,所以称为马鞍波PWM。
采用马鞍波调制,使参考信号的最大值减小,但参考波形的基波分量的幅值可以进一步提高。
即可使m>1,从而可以在高次谐波信号分量不增加的条件下,增加其基波分量的值,克服SPWM的不足。
目前这种变频方式在家用电器上应用广泛,如变频空调等。
3、空间电压矢量PWM变频调速方式
对三相逆变器,根据三路开关的状态可以生成六个互差60°的非零电压矢量V1—V6,以及零矢量V0,V7,矢量分布如图6-3所示。
当开关状态为(000)或(111)时,即生成零矢量,这时逆变器上半桥或下半桥功率器件全部导通,因此输出线电压为零。
图6-3空间电压矢量的分布
由于电机磁链矢量是空间电压矢量的时间积分,因此控制电压矢量就可以控制磁链的轨迹和速率。
在电压矢量的作用下,磁链轨迹越是接近圆,电机脉动转矩越小,运行性能越好。
为了比较方便地演示空间电压矢量PWM控制方式的本质,我们采用了最简单的六边形磁链轨迹。
尽管如此,其效果仍优于SPWM方法。
二、实验内容
1、三相正弦波脉宽度调制(SPWM)变频原理实验
1.1实验目的
(1)掌握SPWM的基本原理和实现方法。
(2)熟悉与SPWM控制有关的信号波形。
1.2实验所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”,“励磁电源”等几个模块。
2
DJK13三相异步电动机变频调速控制
3
双踪示波器
1.3、实验方法
(1)接通挂件电源,关闭电机开关,调制方式设定在SPWM方式下(将控制部分S、V、P的三个端子都悬空),然后开启电源开关。
(2)点动“增速”按键,将频率设定在0.5Hz,在SPWM部分观测三相正弦波信号(在测试点“2、3、4”),观测三角载波信号(在测试点“5”),三相SPWM调制信号(在测试点“6、7、8”);再点动“转向”按键,改变转动方向,观测上述各信号的相位关系变化。
(3)逐步升高频率,直至到达50Hz处,重复以上的步骤。
(4)将频率设置为0.5HZ~60HZ的范围内改变,在测试点“2、3、4”中观测正弦波信号的频率和幅值的关系。
1.4实验报告要求
(1)画出与SPWM调制有关信号波形,说明SPWM的基本原理。
(2)分析在0.5HZ~50Hz范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。
(3)分析在50HZ~60Hz范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。
2、三相马鞍波脉宽调制变频原理实验
2.1实验目的
(1)通过实验,掌握马鞍波脉宽调制的原理及其实现方法。
(2)熟悉与马鞍波脉冲宽度调制有关的信号波形。
2.2实验所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”,“励磁电源”等几个模块。
2
DJK13三相异步电动机变频调速控制
3
双踪示波器
自备
2.3实验原理
马鞍波PWM调制技术是VVVF变频器中经常采用的技术,这种技术主要是通过对基波正弦信号注入三次谐波,形成马鞍波。
采用马鞍波做为参考波信号进行PWM调制,与SPWM调制方式相比,马鞍波调制的主要特点是电压较高,调制比可以大于1,形成过调制。
2.4实验方法
(1)接通挂件电源,关闭电机开关,并将调制方式设定在马鞍波方式下(将控制部分V、P两端用导线短接,S端悬空),然后打开电源开关。
(2)点动“增速”按键,将频率设定在0.5Hz。
用示波器观测SPWM部分的三相正弦波信号(在测试点“2、3、4”),三角载波信号(在测试点“5”),三相SPWM调制信号(在测试点“6、7、8”);再点动“转向”按键,改变转动方向,再观测上述各信号的相位关系的变化。
(3)逐步升高频率,直至50Hz处,重复以上的步骤。
(4)将频率设置为0.5Hz~60Hz的范围内改变,在测试点“2、3、4”观测马鞍波信号的频率和幅值的关系。
2.5实验报告要求
(1)画出与马鞍波调制PWM有关的主要信号波形,说明马鞍波PWM调制的基本原理。
(2)为什么采用马鞍波调制后的PWM输出电压比采用正弦波脉宽调制的PWM输出电压有较高的基波电压分量?
2.6注意事项
由于马鞍波PWM调制技术是在正弦波脉宽调制(SPWM)的基础上发展而来,其调制的原理与正弦波脉宽调制完全一致。
故与正弦波脉宽调制共用其波形测试点。
3、三相空间电压矢量变频原理实验
3.1实验目的
(1)通过实验,掌握空间电压矢量控制方式的原理及其实现方法。
(2)熟悉与空间电压矢量控制方式有关的信号波形。
3.2实验所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”,“励磁电源”等几个模块。
2
DJK13三相异步电动机变频调速控制
3
双踪示波器
3.3实验方法
(1)接通挂件电源,关闭电机开关,并将调制方式设定在空间电压矢量方式下(将控制部分S、V两端用导线短接,P端悬空),然后打开电源开关。
(2)点动“增速”按键,将频率设定在0.5Hz,用示波器观测SVPWM部分的三相矢量信号(在测试点“10、11、12”),三角载波信号(在测试点“14”),PWM信号(在测试点“13”),三相SVPWM调制信号(在测试点“15、16、17”);再点动“转向”按键,改变转动方向,再观测上述各信号的相位关系的变化。
(3)逐步升高频率,直至50Hz处,重复以上的步骤。
(4)将频率设置为0.5Hz~60Hz的范围内改变,在测试点“13”中观测占空比与频率的关系(在V/F函数不变的情况下)。
3.4实验报告要求
(1)简述空间电压矢量控制变频调速的原理。
(2)画出在试验中观测到的所有波形。
(3)简述注入“零矢量”的作用。
4、SPWM、马鞍波、空间电压矢量调制方式下V/f曲线测定
4.1实验目的
(1)通过实验,了解SPWM调制方式下V/f曲线变化规律。
(2)通过实验,了解马鞍波调制方式下V/f曲线变化规律。
(3)通过实验,了解空间电压矢量PWM方式下V/f曲线变化规律。
(4)定量分析“零矢量”的作用时间与输出电压的关系。
4.2实验所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该挂件包含“三相电源输出”,“励磁电源”等几个模块。
2
DJK13三相异步电动机变频调速控制
3
双踪示波器
4
万用表
4.3实验步骤
(1)接通挂件电源,关闭电机开关,并将调制方式设定在SPWM方式下(将控制部分S、V、P的三个端都悬空),然后打开电源开关。
(2)将频率设定到0.5Hz,观测测试点“1”的电压波形,任意选择电压函数,记录相应的电压值。
(3)将调制方式设定在马鞍波方式下(即控制部分V、P两端用导线短接,S端悬空)。
(4)将频率设定到0.5Hz,观测测试点“1”的电压波形,任意选择电压函数,记录相应的电压值。
(5)将调制方式设定在空间电压矢量方式下(即控制部分S、V两端用导线短接,P端悬空)。
(6)将频率设定到0.5Hz,观测测试点“9”的电压波形及“13”点PWM的宽度,任意选择电压函数,记录相应的电压值及PWM的占空比。
4.4实验报告要求
根据实验结果绘出不同变频模式下的V/f曲线,并分析。
5、不同的变频模式下磁通轨迹观测实验
5.1实验目的
通过实验观测旋转磁通的轨迹和转速转向等,从而加深对电机恒磁通运行的认识。
5.2实验所需挂件及附件
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”,“励磁电源”等几个模块。
2
DJK13三相异步电动机变频调速控制
6
双踪示波器
自备
5.3实验内容
观测不同变频模式下的磁通轨迹。
5.4实验方法
(1)接通挂件电源,关闭电机开关,并将设定在SPWM方式下(将S、V、P三端子悬空),然后打开电源开关,将示波器的X、Y输入端分别接磁通轨迹观测的X、Y测试孔,并将示波器置于X-Y方式。
点动“增速”键将频率设定在0.5Hz,观察示波器中显示的磁通形状,再点动“转向”按键,改变转向,观察磁通轨迹的变化,再逐渐升高频率,观察磁通轨迹的变化。
(2)设定在马鞍波PWM方式(用导线短接V、P两端子,S端悬空),重复上述的实验。
(3)设定在电压空间矢量控制方式(用导线短接S、V两端子,P端悬空),重复上述的实验。
5.5实验报告要求
(1)画出在SPWM控制方式下旋转磁通的轨迹。
(2)画出在马鞍波控制方式下旋转磁通的轨迹。
(3)画出在空间矢量控制方式下的旋转磁通的轨迹。
(4)对上述轨迹的变化做出分析。
6、三相SPWM、马鞍波、SVPWM变频调速系统实验
6.1实验目的
(1)掌握SPWM的调速基本原理和实现方法。
(2)掌握马鞍波变频的调速基本原理和实现方法。
(3)掌握SVPWM的调速基本原理和实现方法。
6.2实验所需挂件及附件
序号
编号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”,“励磁电源”等几个模块。
2
DJK13三相异步电动机变频调速控制
3
DJ24三相鼠笼式异步电动机
4
双踪示波器
6.3实验内容
(1)正弦波脉宽调制(SPWM)变频调速实验
(2)马鞍波变频调速实验
(3)空间电压矢量(SVPWM)变频调速实验
6.4实验方法
(1)将DJ24电机与DJK13逆变输出部分连接,电机接成形式,关闭电机开关,调制方式设定在SPWM方式下(将S、V、P的三端子都悬空)。
打开挂件电源开关,点动“增速”、“减速”和“转向”键,观测挂件工作是否正常,如果工作正常,将运行频率退到零,关闭挂件电源开关。
然后打开电机开关,接通挂件电源,增加频率、降低频率以及改变转向观测电机的转速变化。
(2)将频率退到零,改变设置到马鞍波PWM方式(用导线短接V、P两端子,S端悬空),增加频率、降低频率以及改变转向观测电机的转速变化。
(3)将频率退到零,设置为电压空间矢量控制方式(用导线短接S、V两端子,P端悬空),再增加频率、降低频率以及改变转向观测电机的转速变化。
在低转速的情况下,观察电机的运行状况,与正弦波脉宽调制下的进行比较。
6.5实验报告要求
观察在不同的模式下电机运行状况,并分析原因。
6.6注意事项
(1)在频率不等于零的时候,不允许打开电机开关,以免发生危险。
(2)切莫在电机运行中堵转,否则会导致无法修复的后果!
附录
DJK13挂件(三相异步电机变频调速控制)
DJK13可完成三相正弦波脉宽调制SPWM变频原理实验、三相马鞍波(三次谐波注入)脉宽调制变频原理实验、三相空间电压矢量SVPWM变频原理等实验,面板图如下:
图1DJK13面板图
1、显示、控制及计算机通讯接口
控制部分由“转向”、“增速”、“减速”三个按键及四个钮子开关等组成。
每次点动“转向”键,电机的转向改变一次,点动“增速”及“减速”键,电机的转速升高或降低,频率的范围从0.5Hz~60Hz,步进频率为0.5Hz。
从0.5Hz~50Hz范围内是恒转矩变频,50Hz~60Hz为恒功率变频。
K1、K2、K3、K4四个钮子开关为V/F函数曲线选择开关,每个开关代表一个二进制,将钮子开关拨到上面,表示“1”,将其拨到下面,表示“0”,从“0000”到“1111”共十六条V/F函数曲线。
在按键的下面有“S、V、P”三个插孔,它的作用是切换变频模式。
当三个全部都悬空时,工作在SPWM模式下;当短接“V”、“P”时,工作在马鞍波模式下。
当短接“S”、“V”时,工作在SVPWM模式下。
不允许将“S”、“P”插孔短接,否则会造成不可预料的后果。
通讯接口用于本挂件与计算机联机(操作方法详见附录),通过对计算机键盘和鼠标的操作,完成各种控制和在显示器上显示相应点的波形。
使用时必须用本公司所附带的计算机插件板,专用软件与联接电缆。
2、电压矢量观察
我们使用“旋转灯光法”来形象表示SVPWM的工作方式。
通过对“V0~V7”八个电压矢量的观察,更加形象直观的了解SVPWM的工作过程。
3、磁通轨迹观测
在不同的变频模式下,其电机内部磁通轨迹是不一样的。
面板上特别设有X、Y观测孔,分别接至示波器的X、Y通道,可观测到不同模式下的磁通轨迹。
4、PLC控制接口
面板上所有控制部分(包括V/F函数选择,“转向”、“增速”、“减速”按键,“S、V、P”的切换)的控制接点都与PLC部分的接点一一对应,经与PLC主机的输出端相连,通过对PLC的编程、操作可达到希望的控制效果。
5、SPWM观测区
SPWM及马鞍波的变频原理的波形观测(分别在对应的模式下才能观测到正确的波形)。
测试点1:
在这两种模式下的V/F函数的电压输出。
测试点2、3、4:
在SPWM模式下为三相正弦波信号,在马鞍波模式下为三相马鞍波信号。
测试点5:
高频三角波调制信号。
测试点6、7、8:
调制后的三相波形。
6、SVPWM观测区
SVPWM的波形观测(在SVPWM模式下才能观测到正确的波形)。
测试点9:
在这SVPWM模式下的V/F函数的电压输出。
测试点10、11、12:
空间矢量三相的波形。
测试点14:
高频三角波调制信号。
测试点13:
三角波与V/F函数的电压信号合成后的PWM波形。
测试点15、16、17:
三相调制波形。
7、三相主电路
主电路由单相桥式整流、滤波及三相逆变电路组成,逆变输出接三相鼠笼电机。
主电路交流输入由一开关控制。
逆变电路由六个IGBT管组成,其触发脉冲有相应的观测孔引出。
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- 关 键 词:
- 实验 变频 原理