四、三相非同步電動機變頻調速系統
四、zt24型實驗裝置簡介
4.1裝置特點
1．裝置容量較大，基本配置機組2.2kw三相非同步電動機+2.2kw直流發電機；
2．採用高階dsp（tms320f2407a）對系統實現控制與管理；
3．功率器件採用igbt智慧型功率模組（ipm）；
4．控制電源採用開關電源；
5．採用霍爾感測器對定子電流實施檢測與保護；
6．裝置面板上繪製了系統控制原理框圖，並有訊號測試點。
4.2 實驗內容
1．三相正弦波脈寬調變（spwm）變頻原理實驗；
2．三相馬鞍波脈寬調變變頻原理實驗；
3．三相空間電壓向量(svpwm)變頻原理實驗；
4．spwm、馬鞍波、空間電壓向量調製方式下實際v/f曲線測定實驗；
5．不同變頻模式下磁通軌跡觀測實驗；
6．三相spwm、馬鞍波、svpwm變頻調速系統實驗。
五、預備知識
非同步電動機轉速基本公式為：
n＝其中n為電機轉速，f為電源頻率，p為電機極對數，s為電機的轉差率。當轉差率固定在最佳值時，改變f即可改變轉速n。為使電機在不同轉速下執行在額定磁通，改變頻率的同時必須成比例地改變輸出電壓的基波幅值。
這就是所謂的vvvf（變壓變頻）控制。工頻50hz的交流電源經整流後可以得到乙個直流電壓源。對直流電壓進行pwm逆變控制，使變頻器輸出pwm波形中的基波為預先設定的電壓/頻率比曲線所規定的電壓頻率數值。
這裡 pwm的調製方式是其中的關鍵技術。
目前常用的變頻器調製方式有spwm、馬鞍波pwm、和空間電壓向量pwm等方式。
5.1 spwm變頻調速方式
正弦波脈寬調變法(spwm)是最常用的一種調製方式。spwm訊號是通過用三角載波訊號和正弦訊號相比較的方法產生，當改變正弦參考訊號的幅值時，脈寬隨之改變，從而改變了主迴路輸出電壓的大小。當改變正弦參考訊號的頻率時，輸出電壓的頻率即隨之改變。
在變頻器中，輸出電壓的調整和輸出頻率的改變是同步協調完成的，這稱為vvvf（變壓變頻）控制。
spwm調製方式的特點是半個週期內脈衝中心線等距、脈衝等幅，調節脈衝的寬度，使各脈衝面積之和與正弦波下的面積成正比例，因此，其調製波形接近於正弦波。在實際應用中對於三相逆變器，是由乙個三相正弦波發生器產生三相參考訊號，與乙個公用的三角載波訊號相比較，而產生三相調製波，如圖1所示。
圖1 正弦波脈寬調變法
a) 三相調製波與三角載波 b)uao=f(t) c)ubo=f(t) d)uco=f(t) e)線電壓uab=f(t)
六、實驗指導
6.1 實驗注意事項
1．壓合「控制電源」鍵且將「執行狀態」鍵設定為「停止」態後，方可再設定面板上的「調製方式」和「v/f函式」選擇按鈕。「方向選擇」鍵對面板上的「頻率給定」起作用，在系統執行過程中（即「執行狀態」鍵處於「執行」態）系統對該鍵的變化將立即做出反應；但面板上的「調製方式」和「v/f函式」選擇按鈕狀態的變化在「執行狀態」鍵處於「執行」態時不起作用。
2. 壓合「控制電源」鍵後方能合上主電源（即壓合面板上主電源的「啟動」鍵），否則，主電源不可能被接通。切記壓合主電源的「啟動」鍵之前讓「執行狀態」鍵處於「停止」態且使調壓器處於零輸出。
3．待主電源的「啟動」鍵合上之後，調節調壓器可讓直流電壓公升高（面板上的電壓表指示的就是該直流電壓，不要超過540伏，為安全起見，實驗中400伏即可）。
4．結束系統執行之前，首先將調壓器調到零輸出（即逆時針旋轉調壓器至盡頭），然後斷開主電源（即按下主電源的「停止」鍵），最後斷開控制電源。
5．切記實驗過程中不要堵轉電機，否則可能會嚴重損壞裝置。
6.2 三相正弦波脈寬調變（spwm）變頻原理及交流變頻調速系統實驗實驗
（一）實驗目的
通過實驗掌握spwm的基本原理和實現方法，熟悉與spwm控制有關的訊號波形。
觀察spwm交流變頻調速系統的運**況。
（一） 實驗裝置
三相非同步電動機變頻調速系統
2. 三相調壓器
3. 雙線示波器一台
4. 交直流模擬電流錶（量程不小於15a）、交直流模擬電壓表（量程600v左右）
5. 數字萬用表
（三）實驗步驟與內容
注意：在下列實驗1-4步驟中，不必施加主電源。
1．合上總電源開關，壓合「控制電源」鍵，控制電源指示燈亮，此時「執行狀態」鍵處於「停止」態，設定面板上的「調製方式」為spwm、「v/f函式」為「1」。
2．將「執行狀態」鍵切換為「執行」態。點動「頻率給定」的「增」或「減」按鍵，將
頻率設定在1hz。用示波器測量並記錄面板上的三相正弦波訊號，即測試點ua、ub、uc（對vss）；用示波器觀察並記錄三角波訊號測試點sj（對地vss）、三相spwm輸出訊號pa、pb、pc（對地vnd）、脈衝分配後的功率管驅動訊號p1、p3、p5、p4、p6、p2（對地vnd，其中p1 和p4、p3和 p6、p5和p2驅動的功率管分別構成乙個橋臂）。然後切換「方向選擇」鍵，改變轉動方向，觀測上述各訊號的相位關係變化。
3．逐步公升高頻率，直至到達50hz處，重複以上的步驟。
4．將頻率設定為1hz－60hz的範圍內改變，在測試點「ua、ub、uc（對vss）」處觀測正弦波訊號的頻率和幅值（實際實驗中觀測一相如ua即可），並記錄它們於表1中。
表1 給定正弦波訊號的頻率和幅值
注意：在下列實驗５-８步驟中，需要施加主電源。
5. 斷開總電源開關，檢查實驗裝置的連線線。將三相調壓器輸出端子的連線線分別插入
到面板上標號為a、b、c的插入孔；交流電動機的一相（如u相，學生可自定）串入電
流表後連到面板上標號u的插入孔（即測試電機的相電流），交流電動機的另兩相分別連
到面板上標號v和w的插入孔；將交直流兩用模擬電壓表兩端連線到面板上標號為u、
v、w的任意兩個插入孔，以測量交流電動機的實際線電壓平均值。
6．合上總電源開關。壓合「控制電源」鍵，控制電源指示燈亮，此時「執行狀態」鍵處於「停止」態。設定面板上的「調製方式」為spwm、「v/f函式」為「1或2或3或4」。
7．逆時針旋轉三相調壓器手柄以保證調壓器輸出為零，繼而合上「主電源」按鍵，將「執行狀態」鍵切換為「執行」狀態。注意：任何時候在壓合「主電源」鍵之前請務必先將三相調壓器輸出電壓調至0伏，否則有可能燒壞功率管。
8．順時針旋轉三相調壓器手柄使直流母線電壓達到400伏（觀察面板上的電壓指示）。將「執行狀態」鍵切換為「執行」態，點動「頻率給定」的「增」或「減」按鍵以改變給定頻率，觀察電機的運**況。記錄給定頻率及電機的實際線電壓平均值（讀交直流兩用模擬電壓表）於表2中（注意給定頻率較低時實際線電壓平均值近似為零，此時電機不轉。
改進給定v/f曲線可改善系統低速效能）。切換「方向選擇」鍵以改變電機轉向，觀察電機的運**況。
表2 給定頻率和電機線電壓值
（四） 實驗報告要求
1．畫出與spwm調製有關訊號波形，說明spwm的基本原理。
2．分析在1hz－50hz範圍內正弦波訊號的幅值與頻率的關係。
3. 分析在50hz－60hz範圍內正弦波訊號的幅值與頻率的關係。
4．根據實驗結果繪出實際的v/f曲線。
交流傳動及控制系統複習參考
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