图4.4 三相VSR电流内环解耦控制结构
由电流内环解耦控制结构图，可以得到电流环的框图，如图4.5所示。
图4.5 电流环结构框图
由于两电流内环的对称性，因而以电流iq控制为例讨论电流调节器的设计。考虑到电流内环信号采样的延迟和PWM控制器的小惯性特性，所以已解耦的iq电流内环结构如图4.6所示。
图4.6 iq电流环结构
在图4.6中，Ts为电流内环电流采样周期（即PWM开关周期），KPWM为桥路PWM等效增益。
为简化分析，忽略eq的扰动，且将PI调节器传递函数写成零极点形式，为：
KiP?KiI?s?1?KiPis?isKiI?KiP?i （4-6）
将小时间常数Ts/2、Ts合并，得到简化后的电流内环结构图，如图4.7所示。
图4.7无eq扰动时的iq电流内环简化结构图
表4.1 典型I型系统动态指标 阻尼比 超调量 上升时间 相角裕度 截止频率 ??0.707 ??4.3% tr?4.72? ??65.5? ?c?0.455/? 本设计采用的是典型I型系统设计电流调节器，主要是为了使电流内环具有较好的电流跟随性能，典型I型系统动态指标如表4.1所示。从图4.6可以看出，只需以PI调节器零点抵消电流控制对象传递函数的极点即可，即?i?L/R。通过校正，可以得到电流内环的开环
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传递函数为：
Woi(s)?KiPKPWM （4-7）
R?is(1.5Ts?1)由典型I系统参数整定关系可知，当系统阻尼比??0.707时，有
通过求解可得：
KiP?1.5TsKiPKPWM1? （4-8）
R?i2R?i （4-9）
3TsKPWM?R （4-10）
3TsKPWM KiI?KiP?i式中，KiP表示电流内环比例调节增益；KiI表示电流内环积分调节增益；KPWM表示桥路PWM等效增益；R表示整流电路负载电阻值；Ts表示电流内环采样周期（即亦为PWM整流器的开关周期）；?i?L/R；
?4根据任务书，可以得到：1）载波频率（开关频率）10KHZ，则Ts?1?10s；
2）负载电阻R?60?; 3）?i?L/R?2?10 5）取K?3/60?3.3?10?5
4）电流超调小于5%；
PWM?800?3.64 220根据设计要求?i?5%，并保证稳态电流无差。求解得：
R?i60?3.3?10?5??1.81 （4-11） KiP?3TsKPWM3?1?10?4?3.64 KiI?KiP?i?R60??5.5?104 （4-12） ?43TsKPWM3?1?10?3.644.5 电压PI调节器的设计
为了稳定三相VSR直流侧电压，所以需要电压调节器。本设计中采用典型II系统来设计电压外环。典型II系统的动态抗扰性能指标与参数的关系如表4.2所示。
表4.2 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 h 3 72.2% 4 77.5% 5 81.2% 6 84.0% 7 86.3% 8 88.1% 9 89.6% 10 90.8% ?Cmax/Cb tm/T 2.45 13.60 2.70 10.45 2.85 8.80 3.00 12.95 23 3.15 16.85 3.25 19.80 3.30 22.80 3.40 25.85 tv/T
图4.4表示三相VSR的电流内环解耦控制结构。对于双闭环控制系统而言，电压外环的输出电流指令对电流内环进行控制。所以可以三相VSR双闭环控制结构，如图4.8所示。
图4.8 三相VSR双闭环解耦控制结构
由三相VSR双闭环解耦控制结构图可以得到其结构框图，如图4.9所示。
图4.9 三相VSR电压环传递函数结构框图
对该控制系统做如下近似： 1）电压采样延迟时间为
1；
Tvs?12）直流侧电流idc近似等于网侧电流峰值Im，即一时变环节为：idc?0.75mcos?。m为PWM调制比，?为开关函数基波初始相位角。其中调制比m=0.7。
3）由电容的电容特性，直流侧电容环节用1表示；
Cs14）为便于设计，此处将电流内环传递函数等效为时间常数3Ts的惯性环节；
3Tss?1综上所述可以得到三相VSR电压环传递函数结构图，如图4.10所示。
图4.10 三相VSR电压环传递函数结构图
对于时变环节0.5cos?，取其最大值，即最大比例增益为0.5。同时，合并电压采样环节和电流内环等效环节为：
1 （4-13）
(3Ts?Tv)s?1Kvits?1 （4-14） ?Kvpvstvs电压环PI调节的传递函数可以写成如下形式：
Kvp?当忽略负载电流扰动iL，可以化简三相VSR电压环结构，如图4.11所示。
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图4.11 简化后的三相VSR电压环传递函数结构图
求解图4.11所示电压环的开环传递函数，可以得：
Gv(s)?
Ctvs?(3Ts?Tv)s?1?20.5Kvp(tvs?1) （4-15）
任务书桪按典型II系统设计电压调节器，所以得到参数整定关系为：
hv?1 （4-16）
Ctv2hv2Ts2同时考虑电压调节器的抗扰性和跟随性，工程上常取电压环中频宽为hv?5，所以电压环
0.5Kvp?PI调节参数设计的依据为：
Kvp4C Kvi? （4-17）
5(Tv?3Ts)Tv?3Ts式中，C表示直流侧电容大小；Ts表示开关频率的倒数；Tv为电压外环采样小惯性时间
Kvp?常数。
取Ts?Tv，所以得到：
4C4?0.042??420 （4-18） ?4Tv?3Ts4?10Kvp420??210000 （4-19） Kvi?5(Tv?3Ts)5?4?10?4 Kvp?为稳定直流侧电流，所以直流侧需要增加一个电抗器。 1、限制输出电流脉动的电感量Lm的计算，计算公式为：
(Udm/U2)?103U2 Lm?2?fdSiId(mH) （4-20）
式中，U2表示三相交流侧电压有效值；Id表示额定负载电流；Si表示电流脉动系数；fd和Udm/Id见表4.2所示。
表4.2 计算电感量的有关数值 电感量的有关数据 Lm 三相半波 150 90° 0.88 1.46 6.75 fd 最大脉动时的?角 Udm/U2 LL KL LB KB 25
本设计要求直流侧电压脉动率在?10%以内，所以可以得到电流脉动系数为：
Si?110%U/R?90%U/R?20% （4-21）
U/R所以可以得到所求电感量为：
(Udm/U2)?103U20.88?103220???77.1mH （4-22） Lm?
2?fdSiId2??15020%?800/60所以选取电感为77mH的电抗器。
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