1. ?設計需求分析

->?功率等級：10kW變頻器主要面向工業電機驅動、自動化生產線、風機水泵等應用場景，是中小型工業設備節能與智能控制的核心動力單元。

->  輸入電壓：三相380V AC，頻率50Hz，允許電壓波動范圍±15%，適應國內典型工業電網環境。

->?輸出參數：電壓0~380V 續可調，頻率0~400Hz寬范圍可調，最大輸出電流20A，滿足三相異步電機或永磁同步電機的調速需求。

->?性能指標：輸入側功率因數≥0.98，電流諧波失真（THDi）＜5%；輸出電流波形正弦度高，帶載能力與動態響應性能優異。

2.拓撲結構選擇（有源前端整流（AFE）+兩電平電壓源逆變（VSI））

        10kW變頻器系統采用“有源前端整流（AFE）+兩電平電壓源逆變（VSI）”的高性能拓撲組合，該架構以其高功率因數、低諧波污染和優異的能量雙向控制能力，成為現代工業變頻驅動的標準解決方案。

?前端整流?：采用三相六開關有源PWM整流器（AFE）。該拓撲通過全控型IGBT取代傳統二極管整流橋，不僅實現了網側電流的正弦化控制（THDi＜5%），更具備了能量雙向流動能力，可將電機制動產生的再生能量回饋電網，顯著提升系統能效。其直流母線電壓穩定可控，為后端逆變提供高質量的能源供給。

?后端逆變?：采用經典的三相兩電平電壓源型逆變器。該拓撲結構成熟、控制簡單可靠，通過高頻PWM調制可輸出高質量的三相交流電壓，驅動電機平穩運行。其直流母線電壓利用率高，動態響應快，非常適合10kW功率等級的變頻應用。

?直流母線設計?：母線電壓設置為720V，采用電解電容與薄膜電容并聯的組合方案。電解電容提供主要能量緩沖，薄膜電容抑制高頻紋波，優化系統的高頻響應與穩定性。

3. ?控制策略

• 整流雙環控制：整流器雙環控制的核心目標是控制輸入電流并穩定直流母線電壓，雙環控制兼顧了輸入電流的高輸入功率因數與低諧波失真，又保證了母線電壓的快速響應。
• 整流SPWM調制：采用正弦脈寬調制（SPWM）確保輸入電流精準跟蹤市電。
• 矢量控制（FOC）：系統核心采用磁場定向控制（FOC）。通過Clarke和Park變換，將三相交流電機電流解耦為勵磁分量（Id）和轉矩分量（Iq），分別進行閉環控制，從而實現電機轉矩的快速、精準控制，獲得媲美直流電機的動態性能。
• 電機雙閉環控制架構?：系統采用級聯的雙閉環控制。外環為速度環，接收速度指令并反饋實際轉速，其輸出作為內環（電流環）的轉矩指令。電流內環負責快速、準確地跟蹤轉矩指令，并實現輸出電流的限制與保護。這種結構兼顧了系統的穩態精度與動態響應速度。

4. ?AFE整流實現

4.1 AFE控制實現

AFE整流器采用電壓外環與電流內環的雙閉環控制。電壓外環通過調節直流母線電壓偏差，輸出電流幅值指令，以維持母線穩定。電流內環則快速跟蹤該指令，控制網側電流實現正弦化且與電壓同相，從而獲得單位功率因數與極低的電流諧波失真。

控制框架如下：

4.2 AFE閉環控制系統如下：

仿真結果如下：

5. 逆變器與電機控制實現

5.1 逆變雙閉環控制

基于轉子磁場定向的矢量控制（FOC）通過坐標變換，將定子電流分解為勵磁分量（Id）和轉矩分量（Iq），實現類似直流電機的解耦控制。

外環為轉速環：轉速PI控制器根據給定值與反饋值的誤差，輸出作為內環的q軸電流參考信號（Iq_ref），用于控制電磁轉矩。

內環為電流環：快速跟蹤Id_ref（通常設為0以維持額定磁通）和Iq_ref，通過PI調節器和前饋解耦計算，輸出控制電壓，經SPWM驅動逆變器，從而精確控制電機轉速和轉矩。

控制框架如下：

5.2 逆變閉環實現

逆變閉環系統如下:

5.3 仿真驗證?

搭建完整的FOC控制系統仿真模型。測試結果顯示：電機初始負載扭矩20N·m轉速1000；   0.7s時轉速給定變為2000，1.4s時扭矩負載變為40N·m；整個負載變換過程中， 電機動態響應迅速，過渡平滑。

6. AFE+VSI變頻器系統實現

上面已經單獨實現了AFE整流閉環控制、兩電平電壓源逆變FOC雙閉環控制，只要要將AFE整流閉控制系統的高壓輸出接到兩電平電壓源逆變FOC雙閉環控制系統直流輸入，即可實現10KW變頻器的系統仿真。

仿真波形：

7. 系統總結

         本文基于10kW工業變頻器的應用需求，完成了從系統規格定義、拓撲選型、控制策略制定到詳細仿真驗證的全流程設計。系統采用AFE整流與VSI逆變相結合的高性能拓撲，運用基于同步坐標系的矢量控制與雙閉環策略，實現了高輸入功率因數、低諧波污染、高輸出波形質量及卓越動態性能的設計目標。通過詳細的PSIM仿真，驗證了系統在不同工況下的穩定性和可靠性，為產品后續的硬件實現與調試奠定了堅實的理論基礎。