基于矢量控制的双PWM调速系统仿真分析

　　引 言

　　采用二极管不可控整流的传统通用变频器，在工业领域得到广泛应用，但其也存在网侧电流谐波含量大、功率因数低，能量传输不可逆等不足。由全控器件组成的脉宽调制( PWM)整流电路，通过适当的控制，可以使网侧电流正弦化、实现单位功率因数，直流电压恒定可控，甚至能量双向流动，真正实现绿色电能转换，从而弥补了传统二极管整流的不足。经过几十年的研究和发展，其拓扑及控制技术已日趋成熟，并已经应用于有源滤波器、超导储能及高压直流输电控制等多个方面。

　　将PWM整流器作为异步电机矢量控制系统的供电前端，即构成双PWM系统，其结构框图如图1所示。本文首先针对PWM整流器和异步电机同步旋转坐标系下数学模型中存在的耦合，引入了前馈解耦单元，进而分别设计了空间矢量脉宽调制( SVPWM)的电压、电流双闭环PWM整流器矢量控制系统和基于转予磁场定向的异步电机矢量控制系统;在此基础上，构建双PWM调速系统的Simulink模型，对矢量控制系统的有效性进行仿真验证，并详细分析了系统运行中的几个重要过程。

　　1 PWM整流器

　　1.1PWM整流器的数学模型

　　三相电压型PWM整流器拓扑结构如图l左半部分所示，L为交流侧滤波电感，电阻R为表征滤波电感工串联等效电阻和功率开关管损耗的总电阻，C为直流侧滤波电容，ea、eb、ec为三相平衡的电网相电压，设为：

　　可以得到三相PWM整流器在三相静止坐标系下的数学模型为：

　　上述数学模型中，ea、eb、ec和ia、ib、ic之间存在耦合，为了更加清晰地了解各个变量之间的关系，利用坐标变换理论，将三相静止坐标系下的数学模型变换到二相同步旋转( d-g)坐标系下，其中d轴与电网三相相电压合成矢量同向，并以角速度m逆时针旋转。二相同步旋转坐标系下的数学模型为：

　　1.2 PWM整流器控制系统设计

　　根据是否选取瞬态输入交流电流作为反馈控制量，PWM整流器控制分为间接电流控制和直接电流控制两种。后者由于动恋响应快、控制精度高的优点，成为PWM整流器控制策略的主流。另外在直接电流控制中利用矢量控制技术，可以将整流器输入电流分解为有功分量id、无功分量iq，从而可实现对它们的单独控制，提升系统的控制性能。

　　而由式(1)可知，d、g轴电流没有完全解耦，为了实现对两轴的独立控制，可采用前馈解耦控制策略。令调制给定电压为：

　　将式(2)代人式(1)，可得完全解耦的方程：

　　式(3)表明，电流内环实现了解耦，id、iq的控制互不影响。三相PWM整流器双闭环矢量控制系统整体结构框图如图2所示，电压外环的作用是维持直流母线电压恒定，根据实测电压的大小决定输出功率的大小和方向，输出为电流的给定信号id;电流内环实现对指令电流id、iq的快速跟踪，保证系统的动态响应。主电路元器件参数的选择及PI调节器系数的整定参见文献。