輔助逆變器控制機箱PWM波參數測試研究

陳明奎，蘇 理，譚利紅

（株洲南車時代電氣股份有限公司技術中心，湖南株洲412001）

輔助逆變器控制機箱PWM波參數測試研究

陳明奎，蘇 理，譚利紅

（株洲南車時代電氣股份有限公司技術中心，湖南株洲412001）

為解決輔助逆變器控制機箱PWM參數復雜、難以測量的情況，介紹了一種基于PXI硬件環境和Lab-VIEW軟件環境的PWM波參數測試方法。利用該方法能準確測量到PWM的脈沖幅值、基波頻率、載波頻率、占空比、總諧波畸變等重要參數，還能計算出PWM波的基波分量到49次諧波分量。通過對無錫地鐵輔助逆變器控制機箱的PWM波的測試試驗表明，該方法能為優化控制機箱的PWM波算法提供詳實的數據參考。

PWM；輔助逆變器；控制機箱；參數測試

輔助逆變器控制機箱被稱為整個輔助變流器的“大腦”，它通過算法輸出PWM（Pulse Width Modulation：脈寬調制）波，控制逆變器IGBT的開通與關斷，進而使得逆變器IGBT模塊輸出PWM波，再經過濾波器的濾波，得到低諧波含量的準正弦波形的交流輸出電壓，最后由三相變壓器耦合得到基波有效值為380 V電壓，供空調機組、通風裝置、空壓機、電加熱器、客室照明等交流輔助負載使用。因此，對于機車或地鐵用的輔助逆變器試驗，一般會要求輸出穩定的交流電壓、電壓總諧波畸變因數（THD：Total Harmonic Distortion）等一系列要求［1］。

在設計輔助逆變器控制機箱的過程中，必須考慮各種影響電壓輸出的因素，設計合適的控制策略。其中，由控制機箱輸出的PWM波，作為整個環節最前端的控制量，對其進行各項參數的詳細測量，并以此為基礎進行算法分析和優化，進而使整個輔助逆變器對外輸出電壓符合設計要求，尤其顯得重要。

1 輔助逆變器控制機箱PWM波測試需求

以某型號的輔助逆變器控制機箱為例，其設計目的是通過DSP等硬件，產生幅值為15 V左右、50 Hz正弦波為基波、1.35 k Hz三角波為載波的PWM波，PWM波的占空比為5%～95%之間變化。

利用控制理論中“沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同”的原理［2］，機箱采用SPWM（Sinusoidal PWM：正弦波脈寬調制）波算法，使控制機箱電路輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等，以便靈活控制其最終輸出電壓的幅值和頻率。因為輔助逆變器的負載一般為三相星形負載系統，為提高直流電壓利用率，在SPWM波算法基礎上，還采用了注入三次諧波的方法［3－4］，這是因為經過PWM調制后的逆變電路輸出的相電壓雖然包含3次諧波，但是在合成線電壓時，各相電壓中的諧波相互抵消，從而使線電壓仍為正弦波，而此時則顯著提高直流電壓的利用率。

通過以上分析，對于控制機箱輸出的PWM波，其測量的主要參數包含脈沖幅值、載波頻率、基波頻率、最大占空比、最小占空比，此外為衡量PWM波的質量，還需要進一步測量各次諧波電壓、THD等參數。

2 PWM波測試方法及測試資源分析

由于控制機箱所輸出的PWM波幅值為15 V左右，而一般通用的板卡測量范圍是－10～＋10 V左右，因此需要對控制機箱直接輸出的PWM波首先進行信號調理，可選用某型號的信號調理板卡，該板卡通過電阻分壓并在其后級加運算放大器調理電路方法，能實現將－30～30 V電壓信號線性轉換為－10～10 V電壓信號，其轉化精度能達到0.1%，經調理轉化后的PWM波可用NI PXI－1042Q機箱加NI PXI－6229的采集板卡進行采集。PXI－6229采集板卡的技術指標是32路模擬輸入，16位采樣精度，帶寬為250 k Hz，經過和PWM波的參數相比較，基本滿足脈沖幅值、載波頻率、基波頻率采集要求。

采集PWM波的占空比，有3種方案可供選擇。最簡單的方案是采用計數器半周期測量，支持的計數器需要有雙邊沿分離檢測的特性，NI公司的M系列（STC2核心）、X系列（STC3核心）數據采集卡、定時器/計數器板卡（NI－TIO核心）和部分C模塊（DIO數目≤8）等，通常32位寬的計數器都支持該測量。該方案通過預設半周期時間可以得到非常高精度的測量結果。利用1個計數器測量占空比的編程方法如圖1所示。

第2種方案。對于帶2個24位計數器的板卡，如PXI－6133，可以采用脈沖寬度測量，分別測量高脈寬時間和低脈寬時間，從而計算占空比。利用2個計數器測量占空比的編程方法如圖2所示。

第3種方案。與前兩種測試方案有所不同，不是將PWM波作為數字量而是將PWM波作為模擬量來采集，使用Lab VIEW軟件中波形測量選板中的“脈沖測量”VI，根據周期性的采集數據計算占空比。只要選擇的板卡模擬采集有足夠高的采樣率，獲取足夠的波形信息，也就能根據采樣信息計算出占空比。

綜合以上分析，為減少測試成本，簡化測試方案，最終采用NI的PXI－1042Q機箱、PXI－6229數據采集卡，另外加上相應的電壓調理板卡，來構建PWM波的硬件測試環境，實現輔助逆變器控制機箱3路PWM波對“地”電壓即“相電壓”的測量。軟件方面，采用Lab-VIEW測試軟件開發平臺，并調用Harmonic Distortion Analyzer.vi計算基波頻率、THD、49次諧波分量，調用Amplitude and Levels.vi計算脈沖幅值，調用Pulse Measurements.vi分析載波頻率、最大占空比、最小占空比。

3 PWM波測試結果與分析

將PXI－6229板卡的采樣率設置為83.3 kb/s，為平滑顯示所采集的數據，每通道的采樣點設為10 000點，按照此設置，采集到輔助逆變器控制機箱的PWM波形圖如圖4所示。從圖4橫坐標的48.463 s到48.483 s時間段內，0.02 s（此參數為50 Hz正弦波一個周期波的時間）內共有變化的脈沖個數為27個，基本符合“50 Hz正弦波為基波、1.35 k Hz三角波為載波”的PWM波設計要求。

圖1 一個計數器測量PWM波占空比

圖2 兩個計數器測量PWM占空比

圖3 利用模擬通道測量PWM波占空比

圖4 控制機箱的PWM波形

通過多次測量，最后求其均值得到PWM波的基本參數如表1所示。

表1 控制機箱的PWM波基本參數

幅值的最大相對誤差：

基波頻率的最大相對誤差：

載波頻率的最大相對誤差：

最大占空比的最大相對誤差：

最小占空比的最大相對誤差：

以上相對誤差計算中，除了最小占空比的最大相對誤差大外，其余的相對誤差均在1.5%以內，這說明控制機箱的DSP硬件及控制算法基本正常。

圖5 泰克示波器測量的PWM最小脈沖時間

為進一步明確及分析最小占空比的最大相對誤差大的原因，采用泰克示波器，對控制機箱的PWM波進行測量，測量時間為5 min，如圖5所示，示波器捕捉到的最小脈沖持續時間27.60μs，按照此值計算最小占空比，其中載波的采樣周期為

則示波器測量的最小占空比為：

示波器測量的最小占空比的相對誤差：

由以上分析可知，測試系統測量的控制機箱PWM波最小占空比確實存在偏差較大的現象，后期可在此基礎上進一步分析對輔助逆變器最終輸出電壓波形的影響，以便改進算法。表2為控制機箱的3個PWM波通道各次諧波分量（到49次）測量分析結果。

觀察表2中的實測數據，可以看出數值較大的分量基本集中在直流分量、基波、3次諧波、25次諧波、27次諧波、29次諧波上，其余的諧波分量均較小。理論上分析，采用SPWM波算法［5］，較大的諧波分量應該為：

式中ωc為載波頻率；ωr為基波頻率；并且當n＝1，3，5，…時，k＝0，2，4，…，且此時PWM波中不含低次諧波，只含有載波頻率ωc及附近的諧波。

分析表2中的數據，可看到3個通道的PWM波，都含有直流分量，這是因為控制機箱采用了“單極性PWM控制方法”，所以存在直流分量。

如前面所述的原因，為提高直流電壓利用率，在SPWM波算法的基礎上，采用了注入3次諧波的方法，所以在線電壓的測量中，3次諧波分量較為顯著，但此諧波對逆變器最終相電壓輸出影響不大。

在高次諧波中，諧波分量較突出的為25次、27次、29次諧波，且27次諧波分量最大，這是因為27次諧波頻率正好對應載波頻率（1 350 Hz＝50 Hz×27），25次諧波頻率對應ωc－2ωr，相應的29次諧波頻率對應ωc＋2ωr，這與理論分析相吻合。

綜合以上數據及分析，對輔助逆變器最終端輸出相電壓有較大影響的是載波頻率及附近的諧波，控制機箱后續的輔助逆變器電路按照載波頻率設計低通濾波器，那么頻率為ωc、2ωc、3ωc等高次諧波以及附近的諧波就會同時被濾除，使得輔助逆變器整體對外輸出的電壓符合設計要求。

表2 控制機箱PWM的諧波分量

4 結束語

控制機箱PWM的參數測量在輔助逆變器設計優化中，具有很重要的作用。本文在分析PWM波測試需求的基礎上，構建了基于PXI機箱的數據測試系統，利用Lab VIEW軟件的強大分析功能，準確測量到了PWM波的脈沖幅值、載波頻率、基波頻率、最大占空比、最小占空比、THD等參數，還進一步分析了各次諧波電壓。該測試方法及測試系統已運用到無錫地鐵輔助逆變器控制機箱的PWM波檢測中，后續也將應用在同類型的控制機箱PWM波測量分析中，測量分析結果為進一步優化控制機箱PWM的算法提供了詳實的數據參考。

［1］ 王文軍.300 km/h動車組輔助逆變器并聯控制技術研究［D］.北京：北京交通大學，2003.

［2］ 丁榮軍，黃濟榮.現代變流技術與電氣傳動［M］.北京：科學出版社，2008.

［3］ 韓 琳，陳柏超，陳曉國.三相整流電路諧波注入濾波方法［J］.高電壓技術，2003，（29）7：24-25，53.

［4］ 李小青.基于三次諧波注入的諧波抑制技術研究［D］.杭州：浙江大學，2007.

［5］ 王兆安，黃 俊.電力電子技術［M］.北京：機械工業出版社，2000.

Study on Parameters measurement for Control Enclosure’s PWM of Auxiliary Inverter

CHEN Mingkui，SU Li，TAN Lihong
（Technology Center，Zhuzhou CSR Times Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 Hunan，China）

A method of PWM parameters measurement based on PXI hardware and Lab VIEW software is introduced，in order to solve the problem that auxiliary inverter control enclosure’s PWM parameters are complex and difficult to test.By this way，many important parameters of PWM，such as pulse amplitude，fundamental frequency，carrier frequency，duty rate and total harmonic distortion，can be accurately obtained.Another benefit of this method is that the harmonic content up to 49th can be figured out.This technology has been applied in auxiliary inverter control enclosure’s PWM parameters measurement system for Wuxi Metro，and the abundant test data contribute to improving control algorithm of PWM.

PWM；auxiliary Inverter；control Enclosure；parameters measurement

U264.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.15

1008－7842（2014）03－0062－04

9—）男，工程師（

2013－10－29）