雙PWM同步電機調速系統的仿真研究

趙屹男，邊少鋒，曾 博

（海軍工程大學導航工程系，武漢 430033）

雙PWM同步電機調速系統的仿真研究

趙屹男，邊少鋒，曾 博

（海軍工程大學導航工程系，武漢 430033）

針對基于傳統變頻器的不可控整流調速系統存在諧波污染和能量浪費的問題，構建了一種應用PWM 整流器的變頻調速系統，在減小變頻器對電網危害的同時，可以進一步實現能量的有效利用；闡述了雙PWM調速系統的工作原理，采用電壓電流雙閉環控制策略，使功率因數接近為1，網測電流畸變小；通過Matlab/Simulink對其進行驗證。結果表明該系統調速性能良好，對電網污染較小。

雙PWM調速 雙閉環控制 Matlab/simulink

0 引言

為了實現電機高效運行，變頻調速技術應用日益廣泛。針對不可控二極管的傳統整流器作為電源端存在交流側功率因數較低、交流側電流波形畸變大,電流的諧波含量大、能量不可逆等缺點[1,2,3]。而以上缺點將導致無功功率增大，對電網造成了污染，影響電能質量；相比之下，基于全控型器件的 PWM整流器很好的克服了以上缺點，可以作為綠色電源。因此以PWM整流器作為供電前端的雙 PWM 同步電機調速系統因為其網側電流近似正弦、功率因數可控和可以實現能量的雙向流動等特性而受到廣泛關注[4]。

1 主電路拓撲及工作原理

本文采用了目前應用較為廣泛的交-直-交的結構變頻器模式。雙 PWM變頻調速系統分為PWM整流和PWM逆變兩個部分，PWM整流器的作用是使網測電流正弦化、得到高功率因數、還可以減小網測電流諧波；而PWM逆變器對電機調速，包括了電機正好反轉和加減速控制。

雙PWM變頻調速系統結構如圖1所示。

1.1 三相 PWM 整流器的數學模型

PWM 整流器回路，可以得到以下回路方程：

圖1 雙PWM變換器拓撲結構

利用坐標旋轉變換，將三相轉化為兩相電流的控制，就實現了電流的解耦，這樣就可以單獨控制dq軸電流，即簡化了設計，又使系統具有更好控制特性[5]。

應用旋轉坐標變換，將式(1)中的三相靜止坐標系的數學模型轉換到兩相坐標系下的數學模型。在旋轉坐標下，可得：

假設三相電網電壓為：

取d軸的方向與合成電壓方向一致，定為空間矢量的方向，則電網電壓在同步旋轉坐標系中的分量為：

因為參考軸與空間電壓矢量同步旋轉，三相坐標系的基波正弦量電壓分解為d、q方向上的直流量，對d,q方向可分別采用兩個PI調節器對其控制，分量的合成量即是指令電流。

而由式(4)模型可知，d，q軸電流互相耦合，不利于控制。為了消除d、q軸之間互相影響、實現對兩軸的獨立控制，應消除式(4)中的耦合項，以實現對電流的解耦。可令調制電壓為：

電流的控制互不影響，電流內環實現解耦。綜上，PWM整流器雙閉環矢量控制系統結構框圖如圖 2 所示，電壓外環的作用是維持直流側電壓恒定，測量電壓反饋給指令端，與之比較控制輸出電壓的大小。上市式中給定信號為 id；而電流內環用來實現對指令電流的快速跟蹤，可保證系統動態響應。

圖2 SVPWM整流結構圖

1.2 永磁同步電機dq坐標系下數學模型

由于永磁同步電機是一個具有非線性、多變量的系統，給永磁電機的控制帶來了諸多不便，以采用矢量控制的方式，將同步電機模型轉變類似直流電機的控制方式。可以分為轉子磁鏈向和定子磁鏈定向兩種方式，本文選用轉子磁定向坐標系轉換方式。經過轉換可以將電流矢從交流正弦量轉化為直流量，i分解為直軸分量和交軸分量，電磁轉矩勵磁磁通兩分量彼此獨立，使得勵磁磁通與電磁轉矩可以分別調節。

對以上數學模型進行dq變換，可得到矢量控

制模型：

定子電壓方程模型：

其中sdusqusdisqisdψsqψ 是定子電壓、電流與磁鏈在dq 坐標系下的值。

磁鏈方程為：

式中 LsdLsq為等效定子繞組dq軸自感，Lmd為轉子繞組與d軸定子繞組間互感，為轉子磁鏈，為虛擬勵磁繞組等效的擬勵磁電流。

轉矩方程：

其中eT為電磁轉矩，p為磁極對數。

由式(8)式可得

將式(10)代入式(9)，得

運動方程：

式(12)中，LT為負載轉矩，J為轉動機械慣量，mω，eω分別為機械和電角速度。

2 控制系統設計

永磁同步電機常用的控制方法是磁場定向矢量控制[5]，常用策略有：恒磁鏈、最大轉矩、cosφ =1 ，= 0 等控制策略。使定子電流矢量落在轉子磁場定向坐標系的q軸上，即令控制此外，對于隱極式永磁同步電機有。因而控制趨于穩定后，上節中式(9)可化簡為

通常認為轉子繞組與定子繞組間互感約等于轉子繞組等效電感，忽略其中漏感，即= Lf，代入式(13)進一步化簡有

將磁鏈方程(8)代入定子電壓方程式(7)中，其中sdL ，，用sL表示，整理得：

由于上式互相耦合，為消除耦合，對電流采取解耦，對電流環控采用 PI 控制器，解耦規律如下：

解耦后，式(15)轉化為：

經過轉換，電流勵磁分量與轉矩分量解耦，實現可以獨立控制，根據式(17)可得電流,sqi環結構圖3：

圖3 電流環結構圖

由結構圖知，速度的指令值與實測值之差信號經 PI 控制器后，可得到作為電流環的輸入給定，電流環對轉速有效控制。當實際轉速小于指令值時，增大轉速增加；當實際轉速大于給定值時，減小降低轉速，轉速穩定指令值附近。負載轉矩作為擾動作用于速度環的內部該控制結構能夠有效抑制擾動[7]。

圖4 速度環結構圖

3 控制策略的選取

利用坐標變換將模型轉換至轉子磁場定向的旋轉坐標系上，將被控電流矢量按坐標軸定向分解為磁鏈分量與轉矩分別控制，使得電機氣隙磁場與電磁轉矩能夠分別控制。在永磁同步電機的矢量控制系統中，采用id=0 控制策略，直軸電流環給定設為 0。此外，在電流環還進行了解耦[9]。為了驗證上述控制策略的可行性。圖5為電壓電流雙閉環PWM整流控制結構。

圖5 同步電機控制結構圖

4 仿真分析

為了驗證上述方案的可行性和有效性，本文使用Matlab/simulink搭建了仿真平臺，采用Matlab2013a版本，并進行仿真驗證。系統的仿真的模型結構如圖5所示。仿真參數：三相交流輸入相電壓為50 Hz/16 V（有效值），交流側電感為16 mH，交流側電阻為0.1 Ω，直流側電容C為1000 μF，直流側電容C0為500 μF。根據上文分析的整流器工作原理，PWM整流電路通過得到直流電壓。即C兩端電壓U0通過PWM整流電路獲得，則SVPWM所對應輸入的直流電壓為U0。總共的時間為3 s，在0 s空載啟動，指令轉速式400 r/min在1 s時加入1 s負載，在2 s時指令轉速降為200 r/min。如圖6所示為轉速仿真結果，圖7為整流器整流電壓仿真效果，隨著負載和轉速指令的變化有較好的跟隨性。圖8是交流側電壓和電流結果，可以看出功率因數為1。

圖6 電機轉速仿真結果

圖7 整流器的直流仿真結果

圖8 交流側的電壓和電流仿真結果

通過仿真結果得知，雙PWM同步電機調速系統由 PWM 整流器作為供電前端的雙 PWM同步電機調速系統不僅實現了良好的調速性能，而且實現了網側單位功率因數、網側電流小畸變[10]；

5 結論

本文分析了雙PWM同步電機調速系統工作原理，整流器和同步電機均采用雙閉環控制策略進行控制，并進行仿真驗證。搭建了PWM整流器和同步電機的動態數學模型，用轉子定向矢量控制方法，設計了電壓環、電流環控制結構；對于永磁同步電機調速系統，本文采用= 0 的轉子磁場定向矢量控制方法。對雙 PWM 變頻調速系統進行Simulink建模和仿真，仿真結果驗證了控制策略正確性，達到了功率因數接近為1，網測電流畸變小的控制效果。

圖9 PWM整流器仿真圖

圖10 同步電機仿真模型

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Simulation of Synchronous Motor Speed Regulating System with Double PWMs

Zhao Yinan, Bian Shaofeng, Zeng Bo
(Department of Navigation, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Aimed at the harmonic pollution and energy waste of uncontrolled rectifier speed regulating system of the traditional transducer, a variable-frequency speed regulation system with PWM rectifier is designed, which can reduce the harm of frequency converter to power grid, and further realize the effective utilization of energy. Working principle of the double PWM speed-adjusted system is expounded. By using voltage-current double close loop controlling strategy, the power factor is close to 1 and net current distortion is small. It is verified by Matlab/Simulink. The results show that the system has good speed adjustment performance, and low pollution to power grid.

double closed-loop control; Matlab/Simulink

TM921.51

A

1003-4862（2017）02-0011-05

2016-08-12

國家自然科學基金項目(41274013，41504029）

趙屹男（1989-），男，碩士在讀，研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail: 1015084139@qq.com邊少鋒，男，博士，教授，博導。研究方向：控制工程。