SPWM变频调速系统设计

课程设计名称：《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计题目：SPWM变频调速系统设计专业：自动化课程设计任务书一、设计题目SPWM变频调速系统设计二、设计任务1）要求采用SPWM控制方式，整个系统要求采用双闭环系统。

2）设计思路清晰，给出整体设计框图；3）单元电路设计，给出具体设计思路和电路；4）分析各部分电路的工作原理，给出必要的波形分析。

5）绘制总电路图, 写出设计报告；三、设计计划1. 主电路只有一个可控的功率环节，简化结构。

2. 使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近1。

3. 逆变器在调频的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应。

4. 可获得比常规六拍阶梯更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小。

5．详细分析正弦波SPWM 型变频调速系统设计过程。

四、设计要求1.根据题目要求，分析谁并确定主电路的结构形式和调整系统的组成；2.调整系统主电路元部件的确定及其参数计算器；3驱动控制电路的造型设计；4.绘制电气原理总图指导教师：教研室主任：时间:摘要变频调速是交流调速中的发展方向，有多种方法可以实现变频调速，变频调速也有多种方法，本文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术(SPWM)的变频调速作了一定的研究，并进行了实践。

本设计首先对变频调速的对象——交流电动机的变频调速原理进行了介绍，并展开介绍SPWM变频调速的理论基础。

其次介绍了调速系统的总体设计思想以及详细设计思路，并给出了完整的硬件电路设计，变频调速的控制算法也有许多，本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制。

在硬件电路设计中，本文采用了SA868调制芯片产生SPWM信号，比传统的模拟电路产生SPWM波具有电路简单、控制性能优良及高可靠性等特点。

关键词：变频调速 SPWM SA868调制芯片目录1. 绪论 (1)1.1变频调速的发展 (1)1.2变频调速的优点 (1)1.3 SPWM变频调速的优点 (1)2. 交流电动机变频调速原理 (2)3. SPWM变频调速的理论基础 (2)3.1 SPWM的概念 (2)3.2 SPWM调制原理 (2)3.2.1 重要理论基础——面积等效原理 (2)3.2.2 SPWM调制信号的产生....................................................... 错误！未定义书签。

4. 调速系统的设计 (10)4.1 调速系统的整体设计思想 (10)4.2主电路设计 (10)4.2.1 主电路设计 (10)4.3 SA868电路设计 (10)4.3.1 SA868芯片简介 (10)4.3.2 外部引脚及内部原理框图 (11)4.3.3 工作原理及控制 (12)4.3.4 SA868的保护电路 (14)4.3.5 SA868基本外围电路设计 (14)5. 驱动和隔离电路设计................................................................................ 错误！未定义书签。

6. 结论 (20)7. 参考文献 (21)1. 绪论1.1变频调速的发展二十世纪末以来,电力电子技术及大规模集成电路有了飞速的发展，在此技术背景下SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。

众所周之早期的交-直-交变压变频器说输出的交流波形都是矩形波或六拍阶梯波，这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，会有较大的低次谐波，使电动机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能。

为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发应用PWM技术的逆变器，由于它的优良技术性能，当今国内外生产的变压变频器都已采用这种技术。

PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。

在变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DC－DC变换），后者主要应用于PWM 逆变（DC－AC变换）。

PWM控制技术有许多种，并且还在不断发展中。

但从控制思想上分，可把它们分成四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁链跟踪PWM 法（SVPWM）和电流跟踪PWM法等。

本课题设计主要介绍正弦波SPWM的变频调速控制系统。

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

1.2变频调速的优点（1）系统稳定且平滑性好，调速范围广；（2）变频器容量不断扩大，结构小型化，逐渐多功能化和高效性化；（3）在故障率方面，由于直流电动机本身的弱点，变频调速系统具有较大的优势；（4）在工作特性方面，静态特性和动态特性都能做到和直流调速系统不相上下的程度。

1.3 SPWM变频调速的优点基于集成SPWM电路构成的变频调速系统具有以下优点：（1）结构简单。

（2）运行可靠。

（3）节能效果显著。

（4）性价比高。

2.变频调速原理2.1交流电动机变频调速原理对于笼型异步电动机来说，要调节转速，可以通过改变同步转速来实现。

而同步速与频率有如下关系：n f p60/其中：p-极对数f-供电频率n-同步速由上式可知，当频率f连续可调时，电动机的同步速n也连续可调。

又n总是比同步转速n略低，所以，当n连续可调因为异步电动机的转子转速1n也连续可调。

可见，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。

时，12. 2 SPWM变频调速的理论基础2.2.1 SPWM的概念采样定理的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节时，其效果基本相同，冲量即是脉冲的面积。

在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。

当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制(SPWM).2.2.2 SPWM调制原理3.2.1 重要理论基础——面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量窄脉冲的面积用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，如图所示：对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM 波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM 波为：Oωt U d-U d根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM 波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。

Oωt U d-U dO uωt > 效果基本相同 环节的输出响应波形基本相同3．恒压频比控制的SPWM 变频系统的分析3.1变频调速控制方式分析在基频(额定频率)以下调速时，由于E1的大小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻抗压降(∆U=1I 1Z ，1Z 为定子绕组的阻抗压降，包括电阻和漏磁电抗)在电压较高时可以忽略，所以可以认为电动势和电源相电压近似相等即有U1≈E1，因此作为一种可行的方案是在电源电压较高时用电源相电压U1代替电动势E1，当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降所占比重加大，不可以忽略，所以要人为的补偿，这是一种近似的恒磁通控制，这种控制方式常用于恒转矩控制，如下图2-1.在基频以上调速时由于电压U,受额定电压的限制不能升，因此在频率升高时，迫使主磁通变小，进入弱磁变频调速，属于近似恒功率控制，如图2-1.但是用恒压频比代替恒电动势频率比的一个重要缺点是在速度降低时，电动机的带载能力也同时下降转矩利用率下降，从图2-2的a,b 可以看出a 图的临界转矩点随着速度的降低也减小，而b 图则没有变化，然而要达到b 图的效果就要保持E1/f1的比值为恒值而不仅是保持U1/f1比值为恒值了。

基于上述原因，在变频调速的基本控制方式下，改变频率的同必须改变电压，所以称之为VVVF(Variable voltage Variable Frequency)控制。

n Φt u m u 2n Φn f 1 n图2-1 异步电机变频调速的控制特恒转矩调速 恒功率调速3.2 静止式SPWM 间接变压变频装置SPWM 间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率和幅值的交流电，故又称为交一直一交变压变频装置。

其系统原理框图如图2-3所示在这类装置中，用不控器件整流，而逆变部分用SPWM 变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结构;而且由于以全波整流代替了相控整流，所以提高了输入端的功率因数，减小了谐波对电网的影响。

此外，因输出波形由方波改进为SPWM 波，减少了谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。

3.3 SPWM 调制变频技术SPWM 调制技术是PWM 多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。

如果把一个正弦半波分作n 等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样，由n 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。

同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。

如图2-4所示。

设由整流器提供的直流恒值电压为Us ，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM 脉冲序列波的幅值为2/s U 。

令第i 个矩形脉冲的宽度为i δ，其中心点相位角为i θ，则根据面积相等的等效原则，可写成：i δ2s U =m U =⎰+-t td n n 122111sin ωωπθπθm U ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--)2(cos )2cos(n k n i i πθπθ=i m n U θπsin 2sin 2 （2-3）当n 的数值较大时，近似的认为sin π/(2n)=π/(2n)，于是i sm i nU U θπδsin 2≈（2-4）相比于其它各种变频 变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯波更接近于正弦波的输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转矩脉动小。

由于电网的功率因数接近于1，大大提高了系统的整体性能。