计算机辅助分析在单元串联式多电平叠加中压变频器理论方面的应用

                                  计算机辅助分析在单元串联式多电平叠加中压变频器理论方面的应用

     Application of the computer aided analysis to the cascading power cell multi-levels medium-frequency inverter theory         

        国内目前应用和研究中的中高压变频器多以单元串联式多电平叠加理论为基础,采用正弦波对三角载波进行调制,以两波线的交点为脉宽,得到宽窄不等的正弦调制脉冲波,用调制后的脉冲和移相的调制脉冲去控制每相串联的各功率单元,使功率单元的输出IGBT按照调制脉冲的规律通断,再将每相各功率单元的输出串接起来,每相的合成输出波则为接近正弦规律的阶梯波。调制的方法有多种，上述仅为水平移相的情况。         

         在水平移相的情况，首先必须产生按照控制要求的调制脉冲波，以这个脉冲波为基础，产生每相每单元的移相脉冲波，产生其它相的移相脉冲波，然后进行相内叠加，得到相电压和线电压。在这样的过程中，调制脉冲波和移相对输出相电压究竟产生怎样的影响，现在运用计算机进行分析。        

         能对PWM进行计算机分析的应用软件比较多，如MATLAB等，现在采用数值图形处理软件“活图（中文版活图ver8.1现在是常州微识自动化科技有限公司产品之一http://www.microverify.com/col.jsp?id=114）”进行分析，之所以采用“活图”的原因是因为其包含有众多的科学计算函数，有灵活的做图方法和直接和数据相连进行计算和表示的功能，详见网页http://www.osk.3web.ne.jp/~cutwin/的介绍。        

        本题主要是考虑调制脉冲波和单元移相角对输出相电压的影响，因此在用计算机进行辅助分析时设定两个外部参数“相对调制频率”（既脉冲个数/每180电角度）和“单元移相角”，用相对调制频率代表调制脉冲波，用单元移相角代表功率单元之间的移相角，其余的参数仅是图形输入辅助参数了。        

         为了用计算机进行分析，首先按照单极性调制原理作出动态调制图，如图1所示，图1上部为调制图，下部为对应输出的调制脉冲波，应用输入参数是脉冲个数（每180电角度内的脉冲个数），由于在计算机程序内进行了度量处理，载波的周期是定值，每180电角度内的脉冲个数越多则表示调制频率越低。

                                                                        图1

                                                                       图2

                                                                             图3

                                                                      图4

 

                                                                             图5

                                                                         图6

 

        图2是脉冲个数等于3的情况；图3是脉冲个数等于5的情况；图4是脉冲个数等于10的情况；图5是脉冲个数等于15的情况；图6是脉冲个数等于30的情况。        

        第二步是把图1下部的输出脉冲波按照精度进行量化，取载波周期为1000个点进行量化，得到标准的调制脉冲波输出，如图7的A相单元1。

                                                                              图7

        第三步是对基本调制脉冲波进行移相，为了进行分析移相角大小对合成波的影响，此处使用先头设置的一个图形输入参数功率单元移相角，改变功率单元移相角，相内各单元的初相角随之变化，图8是经过移相后A相各功率单元的移相后的调制脉冲波（以6单元串联为例）

                                                                     图8

           第四步是作出A相各单元调制脉冲的叠加图，如图9所示。

                                                                                 图9        

        到此，作成了一个可以分析两个主要控制参数对输出的影响的工具，图10是分析时的图形界面。工具的作成过程中需要编程及计算，此处不详细介绍了。

                                                                     图10        

        顺便说明一下，图10最下的部分是合成脉波的频谱分布图（为进一步分析时使用）。        

        本工具图的特征是参数的动态连动，无论是改变相对调制频率还是改变单元移相角，经过内部计算后立即表现出来，结果一目了然。        

        下面我们用此工具分析一下，把单元移相角固定在180电角度时，改变频率时合成波形的变化情况。将参数08单元移相角设定成500（对应半个周期），改变调制频率由大到小，看每一频率下的合成波形，分别取5，10，15，20，25和30，得到的结果如图11所示。

                                                                  相对调制频率=5

                                                              相对调制频率=10

                                                             相对调制频率=15

                                                            相对调制频率=20

                                                                 

                                                        相对调制频率=25

                                                         相对调制频率=30                                                                     

                                                                   图7

        从图7我们可以看到，调制频率越低，合成的相电压波形越接近理想的阶梯波形，波形异变越小，意味着谐波成分越少。同时可以推论出只要保证调制频率较高时相电压合成波形的完美性，则低频时更加完美的结论。对应某一单元移相角，载波频率设定在一定值以上，就可以得到无论在高频段还是在低频段都很完美的合成波形。       

        另外用本应用图可以很方便的分析不同移相角对输出合成波的影响等，因为仅只需要改变输入参数的取值，马上就可以得到输出的结果，可以根据实际需要进行分析。        

         图8是改变单元移相角后图7的结果（单元移相角从500变成1000）。

 

                                               相对调制频率=5

                                                      相对调制频率=10

                                                        相对调制频率=15

                                                相对调制频率=20

 

                                         相对调制频率=25

                                                        相对调制频率=30                                                                 

                                                                   图8

        本文章所用软件和针对多级单元串联型多电平高压变频器（罗宾康型 ROBINCON）的计算机辅助分析专用应用图软件都是作者自行编制的,其中的中文版数值图形处理软件"活图"是作者在日本工作期间经公司许可将原日文版"活图"软件完全移植成中文版的,是作者自己的东西。本文中专门用“活图”编制的多级单元串联型多电平高压变频器的计算机辅助分析专用应用图软件，除了完成上述文章分析的内容外，还可以改变参数“调制系数”来分析欠调和过调情况下波形的各种表现，应用在高压变频器研制阶段非常方便，应该是这一方面的一个利器。