第三章 变频原理实验
本章节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。 一、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。
二、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。
60f(1?s) p
图3-1 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3-2 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。
三、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3-3 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。
实验一 三相正弦波脉宽度调制（SPWM）变频原理实验
一、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。 二、实验所需挂件及附件 序号 型 号 备 注 1 2 3 TKDD-1型 电源控制屏 DK28三相异步电动机变频调速控制 双踪示波器 该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。 三、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。
四、实验报告
(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。
实验二 三相马鞍波脉宽调制变频原理实验
一、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。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 型 号 TKDD-1型 电源控制屏 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。 DK28三相异步电动机变频调速控制 双踪示波器 自备 三、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。
四、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。
五、实验报告
(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？
六、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。
实验三 三相空间电压矢量变频原理实验
一、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。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 型 号 TKDD-1型 电源控制屏 DK28三相异步电动机变频调速控制 双踪示波器 三、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）。
四、实验报告
(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。
备 注 该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。 实验四 SPWM、马鞍波、空间电压矢量调制方式下V/f曲线测定
一、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。