电机调速课设实验大纲及报告单相PWMSPWM脉宽调制波形发生电路的研究Word文档下载推荐.docx
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开关S1拨向下时，DT03单元中的两运放的正向、反向输入端分别接三角波发生器及电位器，但接入的极性相反。
当运放正向输入端电压高于反向输入端电压时，运放输出高电平，反之输出低电平。
故当两运放的三角波及参考电压接入极性相反时，输出P+、P-的波形为两路相位互差180°
的PWM信号。
调节参考电压的大小可改变输出PWM信号的占空比。
在Multisim中的仿真电路及仿真波形如图2a,b,c所示，可见当三角波分别从两运放的正向、反向输入端且相同的参考电压从另一端输入时，输出为两路互差180°
的PWM信号，调节参考电压大小可改变占空比。
图1.2aPWM波形发生器的仿真电路模型
图1.2bPWM波形发生器的仿真波形
图1.2c改变参考电压幅值使输出占空比变化
2.SPWM波形检测
SPWM的调制波为正弦波，DT03采用单项双极性调制方法，利用两个放大器将调制信号和三角载波信号进行比较。
当调制波大于三角载波时，输出高电平；
当调制波小于三角载波时，输出低电平，这样就将正弦给定信号解析成了SPWM信号。
在Multisim中搭建仿真电路，得到仿真结果如图3a,b所示。
图1.3aSPWM仿真波形
图1.3b改变正弦波幅值及频率可改变输出占空比
改变正弦信号的电压值和频率可改变输出波形的占空比。
五、实验步骤
1）打开系统总电源，系统工作模式设置为“高级应用”。
2）依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关。
将波形发生器单元“DT03”的开关“S1”拨向下，此时波形发生器为PWM波形发生器。
3）调节给定电位器RP2，用示波器分别对地观测“P+”、“P-”点波形，改变给定电压，观测波形变化情况，记录不同给定情况下的输出波形。
4）参考教材相关章节的内容，分析电路工作原理。
实验完毕，依次断开挂箱电源开关、控制电路开关。
1）依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关。
将波形发生器单元“DT03”的开关“S1”拨向上，此时波形发生器为SPWM波形发生器。
2）调节正弦波给定电位器“RP1”，用示波器分别对地观测“P+”、“P-”点波形，改变正弦波的电压和频率（调节“RP1”），观测波形变化情况，记录不同给定情况下的输出波形。
3）参考教材相关章节的内容，分析电路工作原理。
六、注意事项
1.“综合实验台”及其挂箱初次使用或较长时间未用时，实验前应首先对“实验台”及其相关挂箱进行全面检查和单元环节调试，确保主电源、保护电路和相关触发电路单元工作正常。
2.每次实验前，务必设置“状态”开关，并检查其它开关和旋钮的位置。
实验接线，必须经教师审核无误后方可开始实验。
3.除非特定的实验操作要求（必要的实验方法），任何需要改接线时，必须先切除系统工作电源：
首先使系统的给定为零，然后依次断开主电路总电源、断开控制电路电源。
4.双踪示波器的两个探头，其地线已通过示波器机壳短接。
使用时务必使两个探头的地线等电位（或只用一根地线即可），以免测试时系统经示波器机壳短路。
5.每个挂箱都有独立电源，使用时要打开上面的电源开关才能工作，同时在不同挂件上的单元电路配合使用时需要共信号地。
实验二基本型三相SPWM脉宽调制波形发生电路的研究
1.了解三相SPWM波形发生电路的工作原理。
2.熟悉三相SPWM波形发生电路的一般特点。
3.熟悉三相SPWM波形发生器的应用。
SPWM波形发生器电路面板设置见图4。
图2.1SPWM波形发生器电路面板设置
左下方端子“Ukv”为电压控制端，用来控制调制信号电压幅值，“Ukf”为频率控制端，用来控制调制信号的频率。
“Tc”为三角波测试端，“Vc”为幅值测试端，“Fc”为频率测试端，对应左侧电位器为相应信号调整电位器。
左上方数显表指示调制信号的频率，“TYPE”模式控制端，用来设置波形发生器的工作模式，该端接地为基本SPWM工作模式，悬空为改进型（三次谐波注入）SPWM工作模式。
“FR”为相序控制端，悬空为正序，接地为逆序，使用时需要通过转向控制单元对其进行控制。
“封锁”端用来封锁输出脉冲信号。
“U，V，W”为三相调制信号的测试端。
“UM1，UM2，VM1，VM2，WM1，WM2”为SPWM输出脉冲测试端。
对于三相逆变器采用SPWM控制方式，三相调制参考信号var,vbr,vcr是三相对称的正弦波，三角形高频载波幅值为Vcm，频率为fc，如图5a所示。
var,vbr,vcr与双极性三角载波相比较，按双极性自然采样SPWM规律产生驱动信号，控制各桥臂全控型开关器件的通、断状态，从而控制逆变器输出的三相交流电压。
图2.2a三相调制参考信号及载波信号波形
图5a中载波比
，即
。
在simulink中创建如图5b所示的三相逆变器模型进行仿真，载波比N=15时，得到逆变器输出一相电压波形如图5c所示。
图2.2b三相逆变器仿真电路模型
图2.2c逆变器一相输出波形
图5b中，上图为A相负载与电源中点N之间电压，中图为输出A相电压，下图为A,B相之间线电压。
对A相电压进行FFT分析，得到结果如图5d所示，输出中包含载波倍频的边带谐波，THD=88.47%。
图2.2d三相逆变器A相输出相电压的FFT分析
1.打开系统总电源，将系统工作模式设置为“高级应用”。
2.用导线连接给定单元“DG01”输出“Un*1”与波形发生单元“DT05”的频率控制端“UKF”和电压控制端“UKV”；
两单元的信号地也要通过导线相连；
依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关。
3.将“DG01”单元的极性开关S1拨向正、阶跃开关拨向上方；
“DT05”单元模式控制端“TYPE”接信号地，此时波形发生器为基本型SPWM波形发生器。
4.调节给定电位器RP1，用示波器分别观测各测试点波形；
改变给定电压，观测波形变化情况，记录不同给定情况下的输出波形。
5.参考教材相关章节的内容，分析电路工作原理。
同实验1。
实验三三相锯齿波移相触发电路的研究
1.了解三相锯齿波移相触发电路的工作原理。
2.进一步熟悉锯齿波移相触发电路的一般特点。
3.熟悉三相锯齿波移相触发电路的应用。
图3.1集成三相锯齿波移相触发电路
“集成三相锯齿波移相触发电路”面板布置见图3.1，电路以一片集成三相锯齿波移相触发电路芯片（TC787）为核心，辅以少量外围器件构成。
图中“Uk2”为移相控制输入端；
“封锁”为输出脉冲封锁控制端；
“a、b、c”为同步信号测试端，其对应左侧的电位器用来调整同步信号的相位；
“u2、v2、w2”为三相锯齿波测试端；
“G21-G26”为输出脉冲测试端；
左下方三个电位器分别用来控制移相角初始偏置值和最大、最小逆变角。
电力电子变换器中，触发电路的基本作用是在确定的时刻向对应的功率器件提供控制极触发脉冲使其导通。
触发脉冲与主回路电源电压必须同步。
本实验中使用的是同步信号为锯齿波的触发电路，每相的锯齿波移相触发电路如图3.2所示。
图3.2单相锯齿波移相触发电路
该触发电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电路、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路组成。
该触发电路受电网电压波动影响较小。
锯齿波同步电压就是使锯齿波与主电源频率相同，同时满足控制角相位和移相的要求。
试验中通过DD05环节提供了主电源的六路同步正弦信号，输入到DT04后变换为与正弦波半周期同步的锯齿波信号，如与U相正弦波正向同步的锯齿波如图3.3所示。
图3.3与U向正弦波正向同步的锯齿波
锯齿波的移相的实现是一个直流电压对锯齿波进行相对电压零点的平移实现的。
触发脉冲的形成是在平移后的锯齿波超过某一值（电位零点）的位置产生脉冲。
原理如图3.4所示。
图3.4锯齿波移相的原理
实验电路的连接如图3.5所示。
图3.5三相锯齿波移相触发电路实验的连接
1.打开系统总电源，系统工作模式设置为“高级应用”。
2.用导线连接给定单元“DG01”输出“Un2*”和触发单元“DT04”的输入端“UK1”；
用同步信号电缆连接“DD05”单元输出口“XST1”与“DT04”单元GT1的同步信号输入口“XST”。
3.完成连线后，后依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关以及主电路。
将“DG01”单元的给定极性开关拨向上，调节正给定电位器，用双踪示波器测量U相电压与G21输出波形，观察两者的相位差。
通过调节触发器的偏置，使输出脉冲滞后U相电压150°
4.用双踪示波器测量G21、G22的输出波形，观察两者之间的相位差。
实验完毕，依次断开主电路、挂箱电源、控制电路。
实验四三相交流调压电路
1.掌握三相交流调压电路的基本原理和组成。
2.熟悉三相交流调压电路的基本特性
1.验证三相交流调压电路的工作特性。
2.观测三相交流调压电路的工作波形。
三、实验设备与仪器
1.触发电路挂箱II（DST02）—DT04单元。
2.主控同步变压器—DD05单元（同步信号）。
3.给定单元挂箱（DSG01）或给定及调节器挂箱（DSG02）—DG01单元。
4.可控硅主电路挂箱（DSM01）—DM01单元。
5.主控电机接口电路—DD14单元（电阻负载）。
6.电源及负载挂箱I（DSP01）—DP03单元（灯泡负载）。
7.慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器。
四、实验系统组成
实验电路主要由三相晶闸管桥电路、三相交流电源、三相锯齿波移相触发器（DT04）、脉冲隔离以及负载组成。
三相交流调压电路的工作情况与单相类似，就每一相来说与单相基本一样。
在电源的正半周期，触发信号到来时，正方向的晶闸管具备条件开通，在电源的过零点自然关断；
进入电源的负半个周期，当触发脉冲到来时，反方向晶闸管获得开通条件而导通，在电源再次过零时自然关断；
如此，只要同时控制每个晶闸管的导通时间，就能够控制正负半周的导通时间，从而达到调压的目的。
实验电路接线图如图4.1所示。
图4.1三相交流调压电路接线图
五、实验原理
在simulink中创建三相交流调压电路模型如图4.2所示，负载设为纯电阻。
六个晶闸管VT1~VT6的触发信号依序相差60°
，采用宽于60°
的宽脉冲触发，使两相晶闸管同时导电形成电流回路，将交流电源电压、电流送至负载。
图4.2三相交流调压电路simulink模型
分析交流电压控制器时，习惯上都取各相相电压的过零点为触发控制角α的起点。
三相电压控制器中，当触发角α改变时，电路可能出现三相同时工作或两相同时工作两种工作状态。
图4.3，图4.4给出了α=0°
及α=30°
时A相负载的波形。
α继续增大，电路将从三相同时工作状态变化为两相同时工作的状态。
图4.3α=0°
A相负载波形
图4.4α=30°
六、实验步骤
将主电源面板上的电压选择开关置于“1”位置，即主电源相电压输出设定为52V。
2.按图4.1完成实验接线，将DG01单元的极性开关和阶跃开关都拨向上方，正给定电位器RP1逆时针旋到头；
经指导教师检查无误后，可上电开始实验。
3.依次闭合控制电路、挂箱上的电源开关；
将DT04单元输出脉冲的相位整定在同步信号的180°
过零点处，之后闭合主电路；
用示波器分别监测每相负载两端的波形，顺时针缓慢调节给定电位器RP1，观察并记录负载电压波形的变化情况，分析电路工作原理。
4.实验完毕依次断开系统主电路、挂箱上的电源开关、控制电路以及系统总电源。
七、注意事项
1.校正脉冲触发信号时，必须保证当U*n2＝0时，α＝150°
，否则可能导致后续电机启动失败。
2.触发信号应采用宽度为60°
的单脉冲或双窄脉冲，以保证电动机可靠启动。
实验五鼠笼三相异步电动机变压调速电路的研究
1.熟悉鼠笼转子异步电动机开环变压调速系统的组成。
2.了解实验系统主要组成单元的作用及其基本调试方法与注意事项。
3.熟悉鼠笼转子异步电动机的开环机械特性及其实验测定方法。
4.熟悉鼠笼转子异步电动机变压调速系统的起、制动控制。
1.鼠笼转子异步电动机变压调速系统的电路连接及静态参数整定。
2.鼠笼转子异步电动机的开环机械特性测试。
3.鼠笼转子异步电动机变压调速系统的起、制动控制。
4.分析、讨论给定积分器在鼠笼转子异步电动机变压调速系统中的作用。
1.综合实验系统主体（主控制箱）及其主控电路、转速变换、电流检测电路等单元以及负载控制器单元。
2.可控硅主电路挂箱（DSM01）“I组晶闸管”单元。
3.触发电路挂箱II（DST02）——DT04单元GTI或GTII。
4.给定单元挂箱（DSG01）——DG01单元。
5.鼠笼转子异步电动机+磁粉制动器+旋转编码器机组。
6.慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器。
7.微机及打印机（存储、演示、打印实验波形，可无，但相应实验内容省略）。
“鼠笼转子异步电动机开环变压调速系统”是较简单的交流变压调速系统，但由于不存在转速和电流闭环，动、静态特性都很差，并无实际应用，此处仅作为基本实验内容而予以分析、讨论。
系统的组成如图5.1所示，接线电路见图5.2。
如图5.1所示，系统主要由“DG01”、“DT04”、“DSM01”和转速变换（DD02）、电流检测等基本单元以及主控电路、鼠笼转子异步电动机+磁粉制动器+旋转编码器机组等组成。
图5.1鼠笼转子异步电动机变压调速系统框图
图5.2鼠笼转子异步电动机变压调速系统
（一）异步电动机变压调速系统原理
改变定子电压调速属于异步电动机变转差率调速的一种。
异步电动机T形等效电路如图5.3所示。
图5.3异步电动机T形等效电路图
异步电动机转速
转矩
图5.4异步电动机电磁转矩与转差率的关系
当0<
s<
sm（s=0~0.2）时，
及
，所以上式可简化为
当sm<
1（s=0.2~1）时，
，上式可简化为
减小感应电动机的端电压来实现调速时，对于恒转矩负载T，减小定子端电压则转差率s增大，由异步电机转速公式可得转速n减小。
这种调速方式调速范围较小，特别是在电机空载或轻载时，调速范围就更小了。
图5.5画出了电压为Ua、Ub、Uc（Ua<
Ub<
Uc）时的机械特性，其特点是：
1）改变定子电压时n0不变；
2）
因此当定子电压U降低时，Tmax
和Tst减小很多；
3）U越低，机械特性斜率越大。
图5.5异步电动机调压调速机械特性
（二）异步电动机起、制动原理
1.三相异步电动机的起动
对于普通的鼠笼式三相异步电动机，电磁转矩
机械特性的物理表达式：
——异步电动机转矩的结构常数
——气隙每极磁通
——转子一相电流的折算值
——转子功率因数角
——转子功率因数
由感应电动机的T型等值电路图可知，起动瞬间，n=0、s=1，模拟电阻为
，故又称感应电动机处于短路状态。
这时的电流为起动电流，是很大的。
当忽略
I0时，则起动电流为：
启动转矩为：
可得出以下结论：
1）转子电阻
r2'
变化时，Tst变化；
2）Tst与U2
成正比；
3）f1增高，使Tst降低；
4）Tst与
近似成反比；
5）Tst与TN之比为感应电动机的起动转矩倍数K=（1~2）。
2.三相异步电动机的制动
电动机的制动运行是使其产生的电磁转矩方向和转子转向相反起制动作用，达到降低速度或限制转速的目的。
感应电动机采用制动运行的方法与直流电动机一样，有反接制动、能耗制动和回馈制动。
其主要目的是使电动机迅速减速、停机或反转。
（一）实验电路连接、检查及静态参数整定
1.分别按DSM01,DT02,DSG01各挂箱使用说明中相应环节的调试方法和要点，检查、调试各单元环节，直至满足要求。
本系统中“给定及给定积分器（GIR）”单元的输出务必取U*n2，且积分斜率十分重要，斜率小则制动时间太长，斜率大则引起冲击电流过大。
调试中应予注意。
该参数出厂前已经整定。
2.按图5.2所示连接系统（挂件之间有信号连接时须共信号地），并认真检查直至正确无误；
“状态切换”置“交流调速”档，将给定单元（DG01）的极性开关S1和阶跃开关S2拨向上方，并且设置正、负给定为0；
负载控制器单元（DD07）负载模式选择为恒转矩模式，负载给定调为0；
经实验指导教师检查确认后，闭合系统总电源，检查各指示灯状态，确认无异常后开始以下步骤。
注意：
主控面板显示的电压值为隔离变压器相电压，选择3档（即显示电压为220V）时，电机定子应采用星形连接！
3.闭合控制电路（左下面板控制按钮ON），用“慢扫描双踪示波器”检查“触发单元（DT04GTI）”的零位，是否满足U*n2＝0时，α＝150°
，并检查G1～G6各相脉冲是否对称。
4.闭合主电路（按下主电路按钮ON），缓慢增加给定U*n2以起动电动机直至空载转速n＝n0，同时观察运行情况，若有异常，立即按急停按钮中断实验；
读取任一相定子电压（即右上面板主电路数字显示，或用万用表测量任一相定子电压），直至US＝USnom读取此时之给定即最大给定压U*nm录于表5-1并保持之，（为何应同时满足转速n＝n0、定子电压US＝USnom？
）。
5.增大负载给定，直至电机的转速n＝nnom＝1400转/分，读取此时的负载转矩Tenom，录于表5-1。
最后缓慢减少给定至0V，待电机停止后，减小负载至0。
表5-1鼠笼转子异步电动机开环变压调速系统主要静态参数
给定（V）
负载转矩（N.m）
原始数据（按电机铭牌录入）
U*nm
Tenom
Pnom（W）
nnom
（rpm）
USnom（V）
ISnom（A）
（二）开环机械特性测试
1.缓慢增大给定至U*n＝U*nm、n＝n0保持之；
负载选择为恒转矩模式，逐步增大Te给定，获取异步特性上的一个特殊点（需反复调试），读取此时之负载转矩Te=TGm。
录于表1-2；
缓慢减小给定至0，待电机停止后，减小负载给定至0。
2.缓慢增大给定至U*n＝U*nm、n＝n0，并保持之；
逐步增大负载给定，使负载转矩在“0-TGnom-TGm”之间，分别读取五级转速n和转矩Te，并计算相应的转差率S＝（n0-n）/n0和转矩比T*e＝Te/TGm，且录于表1-2。
Te略大于TGm后，注意观察转速n和转矩Te的变化，并读取堵转时的转矩TGb以及计算堵转转矩比T*eb＝TGb/TGm也录于表1-2；
最后缓慢减少给定至0，待电机停止后减小负载转矩给定至0。
3.缓慢增大给定U*n至约（1/2）U*nm，（n＝n0’＝？
）；
重复步骤2，读取五组数据n’Te’、TG’b，并计算S’、T*G、T*Gb也录于表5-2。
4.减小给定至0，待电机停止后切断主电路，同时将负载给定至0。
5.按表5-2数据分别绘制高、低给定时的两条机械特性S=f（T*G）于图5.2中，此即异步电动机的“固有特性”和“人工特性”。
此外，还可取（2/3）U*nm、（1/3）U*nm或更多个给定，依次绘制多条“人工特性”
表5-2鼠笼转子异步电动机开环机械特性实验数据（恒转矩负载）
U*n
U*n＝U*nm
U*n＝（1/2）U*nm
Te（N.m）
TG1
TGnom
TG3
TGm
TGb
Te*
n
（r/min）
n0
（S0）
n1
（S1）
nnom
（Snom）
n3
（S3）
nm
（Sm）
n0’
（S0’）
n1’（S1’）
n2’
（S2’）
n3’（S3’）
nm’
（Sm’）
S
图5.2交流异步电动机的开环机械特性（恒转矩负载）
固有特性
人工特性
（三）系统起动与制动
1.阶跃开关拨向下方（⊥端），置给定U*n＝U*nm，负载转矩给定为零。
通过阶跃开关完成“交流异步电动机空载起、制动”实验（注意，务必取给定输出自U*n2端），同时用双踪示波器分别测转速和三相电流检测单元（DD04）的输出端，观察电机转速n和定子电流Is的波形（观察负载电流IG可否，为什么？
），临摹正向空载起、制动时的一组波形绘于图5.3a。
2.电机停止后，闭
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