交流调速实验报告

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	DJK01 电源控制屏	该挂件包含“三相电源输出”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

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、画出条件（1）-(3)与SPWM调制有关信号波形，得出SPWM控制的结论，说明SPWM的调频和调压基本原理。

（1）测试三角载波信号波形

（2）测试SPWM调制之前的正弦波信号。

a)0.5Hz

b)10Hz:

c)20Hz:

d)30Hz:

e)50Hz:

（3）测试SPWM调制之后的正弦波信号。

a)0.5Hz

b)10Hz:

c)20Hz:

d)30Hz:

e)50Hz:

结论：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。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。

即以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。

调频原理：

      改变参考波频率，即可调节SPWM波的基波频率；

调压原理：

      改变参考波幅值，即可调节SPWM波的宽度，从而改变输出电压的有效值；

2、测试在0.5HZ～50Hz范围内正弦波信号的幅值与频率关系表，把结果填入下表。分析在0.5HZ～50Hz范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。

（1）把测试的结果填入下表：

频率（Hz）	0.5	10	15	20	30	40	50
幅值（V）	50	77	81	84	85	85	84

（2）绘出纵坐标为正弦波信号的幅值，横坐标为频率的幅值与频率关系曲线，得出相应的结论。

结论: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近似成线性关系。

3、测试在50HZ～60Hz 范围内正弦波信号的幅值与频率关系表，把结果填入下表。分析在50HZ～60Hz范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。

（1）把测试的结果填入下表：

频率（Hz）	50	52	52.5	53	53.5	54	56	56.5	57	57.5	58	60
幅值（V）	84	83	83	83	83	83	83	83	83	83	83	82

0

（2）绘出纵坐标为正弦波信号的幅值，横坐标为频率的幅值与频率关系曲线，得出相应的结论。

结论:正弦波幅值与三角波幅值之比为m，称为调制比。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。

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	型    号	备     注
1	DJK01 电源控制屏	该挂件包含“三相电源输出”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

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、画出条件（1）-(3)与马鞍波调制PWM有关的主要信号波形，得出相应控制的结论。 

（1）测试三角载波信号波形。

（2）测试马鞍波调制之前的正弦波信号。

a)0.5Hz

b)10Hz:

c)20Hz:

d)30Hz:

e)50Hz:

（3）测试马鞍波调制之后的正弦波信号。

a)0.5Hz

b)10Hz:

c)20Hz:

d)30Hz:

e)50Hz:

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？

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。

3、测试在0.5HZ～50Hz范围内正弦波信号的幅值与频率关系表，把结果填入下表。分析在0.5HZ～50Hz范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。

（1）把测试的结果填入下表：

频率（Hz）	0.5	10	15	20	30	40	50
幅值（V）	45	85	92	94	95	95	94

（2）绘出纵坐标为正弦波信号的幅值，横坐标为频率的幅值与频率关系曲线，得出相应的结论。

结论:正弦波幅值与三角波幅值之比为m，称为调制比。马鞍波脉宽调制的主要优点是：相比SPWM调制的线性度要平滑。

4、测试在50HZ～60Hz 范围内正弦波信号的幅值与频率关系表，把结果填入下表。分析在50HZ～60Hz范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。

（1）把测试的结果填入下表：

频率（Hz）	50	52	52.5	53	53.5	54	56	56.5	57	57.5	58	60
幅值（V）	94	94	94	94	94	94	93	93	93	93	93	93

（2）绘出纵坐标为正弦波信号的幅值，横坐标为频率的幅值与频率关系曲线，得出相应的结论。

结论:正弦波幅值与三角波幅值之比为m，称为调制比。当m>1时，马鞍波脉宽调制相比SPWM调制线性要平滑，抗饱和程度有所改善。

实验三  三相空间电压矢量SVPWM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	型    号	备     注
1	DJK01 电源控制屏	该挂件包含“三相电源输出”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

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，SPWM与SVPWM控制机制的区别。

空间电压矢量控制变频调速的原理，如果把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”。磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。 

SPWM与SVPWM控制机制的区别，经典的SPWM控制主要着眼于使变频器的输出电压尽量接近正弦波，然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。

如下图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。 

2、画出在试验中观测到的所有波形，得出相应的结论。

（1）测试三角载波信号波形。

（2）测试SVPWM控制之前(即测试点“10、11、12”)的信号。

a) 0.5Hz:

b)10Hz:

c)20Hz:

d)30Hz:

e)50Hz:

（3）测试SVPWM控制之后（即测试点“10、11、12”）信号。

调制之前SVPWM给定的PWM信号经过三角波调制后可以发现，随着频率的增加疏密程度发生相应的变化，频率越高，PWM疏密度越大。

调制之后SVPWM产生一系列脉冲编码给控制器，输出随着频率的增加编码密度越大。

3、测试在0.5HZ～50Hz范围内正弦波信号的幅值与频率关系表，把结果填入下表。分析在0.5HZ～50Hz范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。

（1）把测试的结果填入下表：

频率（Hz）	0.5	10	15	20	30	40	50
幅值（V）

（2）绘出纵坐标为正弦波信号的幅值，横坐标为频率的幅值与频率关系曲线，得出相应的结论。

4、测试在50HZ～60Hz 范围内正弦波信号的幅值与频率关系表，把结果填入下表。分析在50HZ～60Hz范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。

（1）把测试的结果填入下表：

频率（Hz）	50	52	52.5	53	53.5	54	56	56.5	57	57.5	58	60
幅值（V）

（2）绘出纵坐标为正弦波信号的幅值，横坐标为频率的幅值与频率关系曲线，得出相应的结论。

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。

(4)定量分析“零矢量”的作用时间与输出电压的关系。

二、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”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

三、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，将控制面板上的K1、K2、K3、K4四个开关均拨到下侧，记录SPWM方式下“1”点的电压值。

(3)在0～50Hz频率范围内，改变频率设定值，记录上述电压值和频率的对应关系。

(4)通过切换K1、K2、K3、K4四个开关的位置，设定不同的V/f电压函数(共有16条)，重复上述测量步骤，记录在不同的V/f电压函数设置下，曲线变化的情况。

(5)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）。

(6)将频率设定到0.5Hz，观测测试点“1”的电压波形，将控制面板上的K1、K2、K3、K4四个开关均拨到下侧，记录马鞍波方式下“1”点的电压值。

(7)在0～50Hz频率范围内，改变频率设定值，记录上述电压值和频率的对应关系。

(8)通过切换K1、K2、K3、K4四个开关的位置，设定不同的V/f电压函数(共有16条)，重复上述测量步骤，记录在不同的V/f电压函数设置下，曲线变化的情况。

(9)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）。

(10)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，将控制面板上的K1、K2、K3、K4四个开关均拨到下侧，记录空间电压矢量方式下相应的电压值及PWM的占空比。

(11)在0～50Hz频率范围内，改变频率设定值，记录上述电压值和占空比的对应关系。

(12)通过切换K1、K2、K3、K4四个开关的位置，设定不同的V/f电压函数(共有16条)，重复上述测量步骤，记录在不同的V/f电压函数设置下，曲线变化的情况。

四、实验报告

根据实验结果绘出在不同变频模式下各自的V/f曲线，并分析。

实验五　 不同的变频模式下磁通轨迹观测实验

一、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。

二、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”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

三、实验内容

观测不同变频模式下的磁通轨迹。

四、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。

五、实验报告

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。

结论分析：

（1）SPWM控制磁链轨迹近似一个圆，随着频率的增加，磁链越近似于一个平滑的圆。

（2）马鞍波控制方式下旋转磁通的轨迹也近似一个圆，随着频率的增加，磁链越近似于一个平滑的圆。

（3）空间矢量控制方式下的旋转磁通的轨迹是一个六边形，随着频率的增加，六边形曲线更加平滑。