电平检测（共3篇）
电平检测 篇1
摘要：文中基于理论分析,提出了一种宽频带高精度功率检测方法。通过使用测试仪器进行简单的测量,建立实际电路中各工作频率待测功率值与检测电压值之间的计算关系,克服电路器件的参数随频率变化的问题,进而提高对宽带功率信号的检测精度。实测结果表明,对于40~56 d Bm电平值范围的功放输出信号,检测值与实测值误差<0.8 d B。
关键词：定向耦合器,功率检测,对数检波器
功放[1]是通信、雷达等电子设备发射机中必不可少的组成部分,为提高设备发射机自检、保护以及功率控制等功能的有效性和可靠性,通常功放输出信号电平值检测是发射机设计重点考虑因素之一。目前基于定向耦合器[2]的功率检测电路,由于其电路简单、体积小等优点,应用广泛[3,4,5]。本文针对这种检测电路进行了理论分析,提出了一种宽带功放输出信号电平值精确检测的方法。
1 检测电路理论分析
典型的发射机框图如图1 所示,其中采用定向耦合器将功放输出的极小部分能量耦合输入至对数检波器进行检波,完成对发射信号电平值的检测。
图1 中,pa为功放输出的功率值,Γ1为耦合器输出端口与后级电路的反射系数,Pt为发射机天线端口实际发射功率,根据定向耦合器的耦合系数C、定向系数D及插损值IL可按照式( 1)[6,7],计算出耦合器耦合出的功率值Pj
根据文献[8]中的计算结果可知,对于典型定向耦合器,当后级电路驻波系数为2. 5 时,电平值检测的最大变化量为0. 73 d B。如图1 所示,在耦合器后设置隔离器,可大幅度降低反射功率输入值,即使在后级电路出现严重失配情况下,仍然可保证反射功率只对功率检测精度造成微小的影响,因此式( 1) 可简化为
考虑功放输出端口到天线端口之间耦合器、隔离器及滤波器等电路级联后的插损值总和为 Δ 时
对数检波器具有线性度高、温度特性稳定、动态范围大等特性,应用较广泛,其输出的检测电压值和待测信号电平值基本呈线性关系,如式( 4) 所示
式( 4) 中,S参数为对数检波器的斜率,单位d Bm/V;而参数A为一个固定值,将式( 3) 带入式( 4) 中,经过推算可得
由于耦合器耦合系数C,电路插损值 Δ 是随频率变化的变量,甚至检波的斜率参数同样随频率变化,因此由式( 5) 可得出,对于相同检测功率,由于信号频率不同,则检测的电压值将不同,这一影响在工作频带较宽,发射信号频率捷变的系统中更为明显。
使用仪器对某型设备发射机进行了实际测试,该设备发射机功率检测电路按图1 所示框图设计。当该发射机发射50 d Bm电平值时,如图2 所示,在f0±60 MHz的频率范围内,检测电压值的变化>100 m V,若按照对数检波器斜率为25 d Bm/m V计算,功率检测值的误差将>4 d B。
2 检测方法的设计与实现
固定的发射机电路,对于某一频率fn,耦合器的耦合系数C与电路差损值 Δ 等参数是确定的,但当发射机电路研制完成时,由于存在加工误差、射频寄生参数以及器件之间并不是完全匹配等因素影响,发射机各级电路叠加后的实际插损值、耦合器的实际耦合系数难以通过仿真、测量准确获取。
对于固定频率fn,式( 5) 可简化为
式( 6) 中,M和N为固定值,若使用测试仪器测量出两组相对应的检测电压值和功率值: Vj1、Pt1和Vj2、Pt2,则可计算出M和N,如式( 7) 和式( 8) 所示
将式( 7) 和式( 8) 计算所得M和N,带入式( 6)后,对于固定频率点fn,根据任意检测电压值Vj,可计算出功率值Pt。对于上述某型设备,搭建试验环境,如图3 所示。
通过计算机控制使设备工作在f1频率,分别输出56 d Bm、40 d Bm电平值,这两个电平值可由功率计准确测量,同时通过通信协议计算机分别读取此时发射功率对应的检测电压值Vmax和Vmin,然后通过计算机将这两个值写入设备控制电路中的Flash中,按照上述方法测试,可在Flash中建立所有工作频点的Vmax和Vmin值的查找表。
当设备发射功率时,发射机上位机实时将发射信号的频率传输至FPGA,FPGA根据传输的频率信息,查找Flash中相应频率点的Vmax和Vmin值,然后根据式( 6) 、式( 7) 和式( 8) 可计算出当前检测电压值对应的发射功率值。
基于上述方法,在1 000 MHz和1 200 MHz两个工作频点上设备发射40 ~ 56 d Bm电平值,如图4 所示,实际测量的功率值与检测值误差<0. 8 d B,具有较高的精度。
3 结束语
本文提出的宽频带功放输出信号电平值检测方法,主要解决了由于实际电路中耦合器、滤波器等器件的参数随频率变化难以准确计算或者测量,造成宽带功放信号输出电平值无法准确检测的问题。该检测方法实现简单,通过使用一般的测试仪器进行简单的测量,可建立实际电路中各工作频率待测功率值与检测电压值的之间的计算关系,利用功放的FPGA数字控制电路进行简单的编程,可完成检测方法中涉及的相关计算。在实际应用中,对于40 ~ 56 d Bm电平值范围的功放输出信号,检测值与实测值误差<0. 8 d B,证明了该方法的有效性。
参考文献
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[2]Rajesh Mongia,Inder Bahl,Prakash Bhartia.RF and microwave coupled-line circuits[M].New York:Artech House,1999.
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[4]Amin M Abbosh,Marek E Bialkowski.Design of compact directional couplers for UWB applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2007,55(2):189-194.
[5]王斌,赵伟刚.发射机驻波保护电路设计[J].电子信息对抗技术,2008,23(1):62-64.
[6]宋大伟.波导定向耦合器的设计研究[D].成都:电子科技大学,2013.
[7]周萌.带状线定向耦合器的分析与设计[D].西安:西安电子科技大学,2009.
[8]柯林,章国豪,冯卫峰.关于功率放大器中功率检测在负载失配下的研究[J].移动通信,2014,38(12):55-58.
电平检测 篇2
场平工程监理实施细则
编制: __________ 审核: ____________ 批准: ____________
重庆三环建设监理咨询有限公司 涪陵-长寿垃圾发电项目监理部
2015年11月
目 录
1、工程概况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.2、监理细则编制总则.................................2
3、施工质量监理.....................................5
4、施工进度控制....................................10
5、施工投资控制....................................11
6、施工安全控制....................................11
7、工程支付与合同管理制度...........................13
8、信息管理........................................14
9、工程验收........................................14
一、工程概况
1、工程名称：涪陵-长寿生活垃圾焚烧发电项目土石方平场工程
2、建设地点：重庆涪陵区石沱镇天府村
3、建设规模：“涪陵-长寿生活垃圾焚烧发电项目”建设用地面积93434.43m2，其中进场道路占地18352.83m2，生产厂区占地75081.60m2；总建筑面积37017m2采用大型工程挖掘机、工程运输车、推土机等场平方式。
本细则依据工程承建合同文件、设计文件以及有关规程、规范等要求编制。
本工程项目主要采用的技术标准、规程和规范目录 *
1、中华人民共和国建筑法1997年主席令91号
2、建筑工程质量管理条例2000国务院279号令
3、建设工程安全管理条例2003国务院393号令
4、建设工程测量规范GB50026-2007
5、建设工程监理规范GB50319-2013
6、建筑工程地基基础工程施工验收规范GB50202-2002
7、建筑工程边坡技术规范GB50330-2013
8、建筑施工技术统一验收规范GB50300-2013
二、开工许可申请程序
2.1 承建单位应在施工放样21天以前，完成施工测量控制网设计和建立，并将下列成果资料报监理部批准。（1）控制网布置图及测量技术设计书。（2）控制网测量平差计算成果。
（3）施工控制网加密测量技术设计书，技术总结及成果表。
2.2 承建单位应在施工放样14 天以前，根据设计文件要求及施工条件，完成放样测量措施计划，并报送监理部批准。措施计划应包括下述内容：（1）施工区周围平面和高程控制点设置、校测、编号及平面图。（2）计算放样数据。
（3）放样方法及其点位精度估算。（4）放样程序、技术措施及要求。（5）数据记录及资料整理制度。
（6）测量专业人员设置，设备配置及其检验和校正情况。（7）质量控制与验收措施。
2.3 承建单位应在工程开工前14 天以前，根据设计文件、有关施工规程规范、现场地形地质条件和施工水平，完成土石方工程施工组织设计编制，并报送监理部批准。施工组织设计应包括下述主要内容：（1）工程概况。（2）施工布置图。
（3）挖、填方法、程序和施工作业措施（包括可能发生的特殊部位或特殊条件下挖填）。（4）边坡和岩基保护措施。（5）土石方调配方案。（6）施工质量控制措施。（7）施工排水措施。（8）施工进度计划。
（9）施工安全与环境保护措施。（10）施工设备、辅助设施及配置计划。（11）劳动力及材料供应计划。
（12）施工组织管理机构与质量控制措施。
2.4承建单位在任一土石方分部工程开工7 天以前，应进行施工区地形的实测和开挖面的实地放样，并将成果报监理部审核。
2.5上述报送文件连同相应的B类表，经承建单位项目经理（或其授权代表）签署并加盖公章后报送，监理部审阅后限时返回，审查意见包括“ 同意”、“修改后再报”、“不同意”等内容。
2.6 除非接到的审查意见为“同意”，承建单位可即时向监理 部申请开工许可证。监理部将于接受承建单位申请后的48h 内开出相应工程项目的开工许可证或开工批复文件。
2.7 如果承建单位未能按期向监理部报送上述文件，由此造成施工工期延误和其他损失，均由承建单位承担合同责任。若承建单位在期限内未收到监理部的审查意见或批复文件，可视为已报经审阅。
三、施工质量控制
3.1 施工过程中，承建单位应按报经批准的施工组织设计和施工技术规范按章作业、文明施工，加强质量和技术管理，做好原始资料的记录、整理和工程总结工作。当发现作业效果不符合设计或施工技术规程、规范要求时，应及时修订施工组织设计，报送监理部批准后执行。3.2挖方 3.2.1土方工程开挖前应对开挖地块的标高和范围进行测量或复核。土方开挖宜从上到下分层分段依次进行，随时作成一定的坡势，以利泄水，并不得在影响边坡稳定的范围内积水。
3.2.2在挖方上侧弃土时，应保证挖方边坡的稳定。弃土堆坡脚至挖方上边缘的距离，应根据挖方深度、边坡坡度和土的性质确定。弃土堆应连续堆置，其顶面应向外倾斜，防止山坡水流入挖方场地。
3.2.3在挖方上侧弃土时，应将弃土表面整平并向外倾斜，弃土堆表面应低于相邻挖方场地的设计标高，或在弃土堆与挖方场地之间设置排水沟，防止地面水流入挖方场地。
3.2.4在土方开挖过程中，如出现滑坡迹象（如裂缝、滑动等）时，应立即暂停施工，必要时，所有人员和机械撤至安全地点；并通知设计单位及相关单位提出处理措施；根据滑动迹象设置观测点，观测滑坡体平面位移和沉降变化，并作好记录。
3.2.5施工单位在土方开挖到设计标高后，经质检员自检合格,填写《工程隐蔽检查验收记录》，填报《工程报验申请表》。监理人员根据监控要点进行检查，合格者签返《工程报验申请表》，同意进入下一道工序；不合格则退回《工程报验申请表》，要求施工单位进行整改，重新报验。3.3填方
3.3.1填方工程施工前，应对填方地块进行标高和范围进行测量或复核。填方基底的处理,应符合设计要求，对填方基底和已完隐蔽工程进行检查和中间验收，并作出记录，经监理人员验收合格后方可进行填土。3.3.2填方土料应符合设计要求，并作相应的试验确定土料含水量的控制范围。应根据施工规范和施工方案确定每层填方的虚铺厚度。3.3.3填方施工应接近水平地分层填土、压实和测定压实后土的干容重，检验其压实系数和压实范围符合设计要求后，才能填筑上层。填土压实的质量要求和取样数量应符合施工规范的有关规定。3.3.4采用机械填方时，应保证边缘部位的压实质量。
3.3.5分段填筑时，每层接缝处应作成阶梯形，辗迹重迭1.0-1.2M。上、下层接缝应错开不小于1M。
3.3.6填方应按设计要求预留沉降量，如设计无要求时，可根据工程性质、填方高度、填料种类、压实系数和地基情况等与监理及建设单位共同确定（沉降量一般不超过填方高度的3%）。
3.3.7挖方边坡采用1:1.5~1.75放坡，填方边坡采用1:1.5放坡，每8米为一级，两级边坡中间设2米宽护坡道。
3.3.8在地形、工程地质复杂地区内的填方，且对填土密实度要求较高时，应采取措施（如排水暗沟、护坡等），以防填方土粒流失，不均匀下沉和坍滑等。
3.3.9施工单位每层填方施工后，经质检员自检合格,填写《工程隐蔽检查验收记录》，填报《工程报验申请表》。监理人员根据监控要点进行检查，合格者签返《工程报验申请表》，同意进入下一道工序；不合格则退回《工程报验申请表》，要求施工单位进行整改，重新报验。3.3.10监理人员每日填写监理日记，对施工监理过程中发现的不合格项签发《监理工程师通知单》，要求施工单位及时整改，施工单位整改后填报《监理工程师通知回复单》，监理人员确认整改后签返《监理工程师通知回复单》。对需存证且需向业主说明的事项以《监理工作联系单》通报有关单位。
3.6按合同或设计文件规定进行边坡稳定监测，以便及时判断边坡的稳定情况和采取必要的加固措施。
3.7 除非另行报经监理部批准，否则承建单位应在完成上一工序并完成相应部位地形测量和地质测绘后，报经监理质量检验合格后，方可进行下一工序施工。监理的质量检验均应在承建单位的三级自检合格基础上进行，且不减轻承建单位应承担的任何合同责任。3.8施工过程中，承建单位若：（1）不按批准的施工组织设计实施；
（2）违反国家有关技术规范、劳动保护条例施工；（3）不按规定的路线、场区出碴、弃碴；（4）出现重大安全、质量事故等情况；
（5）因弃碴不当造成造成对环境的污染和次生地质灾害；（6）其他违反工程承建合同文件的情况。
监理人员有权采取口头违规警告、书面违规警告，直至返工、停工整改等方式予以制止。由此而造成的一切经济损失和合同责任，均由承建单位承担。
3.9场平工程完成后，承建单位应及时完成施工区域完工测量。3.10在整个施工期间，承建单位应依照合同文件规定，做好安全监测和施工原始记录及其整理工作。3.11按照设计和规范要求，土方挖方、填方和场平工程完成后，场平区域精度要求为：
（1）表面标高：人工清理—±50mm；机械清理—±100mm；（2）长度、宽度（由设计中心线向两边量）：不应偏小；
（3）边坡坡度：人工施工—表面平整、不应偏陡；机械施工—基本成型、不应偏陡；
（4）地面、路面下的地基：水平标高—0～－50 mm，平整度（用2m直尺检查）—±20mm。
四、施工进度控制
4.1审查和批准承包人在开工前提交的总施工进度计划，以及在施工阶段提交的各种单项计划和变更计划；
4.2批承包人根据批准的总进度计划编制的阶段性计划；
4.3根据已批准的施工进度计划，监理工程师将每天应完成的工程量进行对比，掌握偏差量，向总监汇报，且每周进行一次对比汇总； 4.4由于承包人的原因造成的工程进度延误时，监理部有权按合同及相关文件规定，要求承建单位加快工程进度，调整或修改计划，以使施工进度符合施工承包合同对工期的要求。如果承包人拒绝接受监理部加快工程进度的指令，或虽采取了加快工程进度的措施，但仍不能赶上预期的工程进度并在合同工期内难以完成时，监理部有权按合同及相关文件规定，对承包人的施工能力重新进行审查评价，并发出书面警告，同时向业主提出书面报告。4.5由于业主或监理工程师的原因，或承包人在实施工程中遇到不可遇见或不可抗拒的因素，使工程计划延误，监理部有权按合同文件规定，要求承包人对原进度计划进行调整，并按调整后的进度计划实施。
五、施工投资控制 5.1对计量的控制
监理工程师根据承包合同规定的程序和方法对工程准确计量，避免因工程隐蔽而无法对工程量进行复核而导致索赔事件。5.2对变更的控制
监理工程师结合工程施工特点和施工条件，对工程变更的必要性，可行性与合理性继续研究分析，通过技术经济比较后向业主提出建议，慎重决策，减少不必要的变更。5.3对索赔的控制
监理工程师采用谨慎的态度，合理的方法，尽量避免和减少工程承包人向业主提出索赔，同时作好业主向承包人的合同索赔调查，认证和费用计算工作。5.4对风险的控制
监理工程师对施工部位进行风险预测，制定风险防护措施，尽可能地减少风险对投资和工程施工进度的影响。
六、施工安全控制
6.1坚决贯彻执行“安全第一，预防为主”的方针，严格执行国家现行的安全生产的法律、法规，建设行政主管部门的安全生产的规章和标准，企业的安全生产的规章制度； 6.2督促施工单位落实安全生产的组织保证体系，建立健全安全生产责任制度；
6.3督促施工单位对工人进行安全生产教育及分部分项工程的安全技术交底；
6.4认真审查施工安全技术措施；
6.5检查并督促施工单位，按照建筑施工安全技术标准和规范要求，应结合项目施工的特点，落实分部、分项工程或各关键工序、重点部位的安全防护措施；
6.6监督检查施工现场的消防工作、冬季雨季和夜间施工措施、交叉施工措施、安全文明施工和成品保护措施等项工作；
6.7定期和不定期组织安全综合检查，按施工安全检查评分标准进行评价，对存在问题和隐患提出处理意见并限期整改；
6.8发现违章冒险作业的要责令其停止作业，发现隐患的要责令其停工整改。
七、工程支付与合同管理制度
工程支付坚持以“承包合同为依据，分项工程为基础，施工质量 为保证，量测核定为手段”的原则。对承包人提交的工程支付申请，监理部实行四级审核制度，即：监理员负责核定其所负责的施工项目 的工序、分项工程工程量的计量，监理工程师复核合格工程量，总监全面核定计量并签署工程款支付凭证。
八、信息管理 施工过程中的各种往来文件、表格、记录，由总监办公室分发签收并按业主和监理部档案管理的要求，分门别类整理编目，妥善保管。如需查阅，须经总监批准，不得携带离开。
九、工程验收
9.1挖方、填方工程竣工验收时，承建单位应提供以下资料：（1）土石方竣工图；
（2）有关设计变更和补充设计的图纸和文件；（3）施工原始纪录；（4）隐蔽工程验收记录；（5）质量检查和验收纪录
（6）永久性控制桩和水准点的测量结果；（7）工程竣工报告。
电平检测 篇3
2003年,R.Marquardt和A.Lesnicar提出了模块化多电平变换器(MMC)的概念,并介绍了这种变换器的基本工作原理[1,2],由于其具有模块化的结构设计,容易实现冗余等优点,非常适用于中高压应用领域。因而,这种变换器一经提出,便获得了广泛的重视,特别是在高压直流输电领域,研究十分广泛[3,4,5,6,7],在无功发生[8,9,10]、电机驱动[11]等领域也有应用。
文献[12-13]提出了一种最佳电平逼近调制策略,通过最佳电平逼近法产生了N+1电平(N为每个桥臂模块的数量)。文献[12,14-15]通过载波移相的策略实现了MMC的2 N+1电平输出,但其电容均压是通过为每个模块设计一个闭环控制器来实现,较为复杂。文献[16]则指出采用载波重叠的方法也可以产生2 N+1电平,但没有阐明产生的原因。文献[17]分析了输出2 N+1电平时,桥臂电感所受的影响,但没有研究电平产生和环流控制之间的关系。
模块电容均压的一般方法是在每个开关周期内,根据各个模块电容电压的大小,及桥臂电流的方向,来调整各个模块的开通和关断,从而保证各个模块电容电压的均衡[16],这种方法需要每个开关周期进行调整,比较复杂,文献[18]通过设置电压波动的上限和下限,牺牲均压精度的方法来减小算法的执行次数,但算法执行时间仍无法调整。
本文从电平产生和环流之间的关系出发,将MMC输出电平分为“基本电平”和“插入电平”,并由此提出了基本电平和全电平输出的概念,研究了全电平输出对系统环流以及桥臂电感电压的影响, 研究了电平产生、环流及电容电压控制的一般原理。 在此基础上,针对载波重叠脉宽调制(PWM)提出了一种基于PWM信号轮换的桥臂电容均压策略。实验研究证实了本文的结论及策略。
1 MMC拓扑结构及工作状态
MMC的拓扑结构图如图1所示,其每相有两个桥臂,每个桥臂由N个模块和一个电感组成,模块是一个半桥结构,上下开关管互补工作。如果每个模块电容具有相同的电压,从桥臂电平变化的角度来看,每个模块电容可以等效为一个电压源,显然,通过接入不同数量的模块就可以改变桥臂电平, 从而改变输出电平。
假设上下桥臂接入电平的数量分别为p和q, 则输出电压vuo可以表示为:
式中:vau和vub分别为u相上下桥臂电感电压。
对于iZu回路,根据回路方程有:
式中:vL=vau+vub为桥臂电感的电压和,其表达了环流iZu的变化。
显然,上下桥臂接入电压源数量(开通模块数量)之差决定了输出电压,之和会引起系统环流的变化。如果假设电压源V(模块电容的平均电压)的值为Vd/N,表1列出了当N=4时,系统所有状态。
注:表中第一列p+q表示上下桥臂开通模块数量之和;第二列p和第三列q分别表示上下桥臂开通模块的数量;第四列Lev表示上下桥臂模块开通数量之差,其值除以2即为输出电平;第五列LevDiff为加在电感两端的电平数量,其表征了环流的变化,显然当加在电感两端的电平不为0时,会产生额外的环流,如果控制不当,可能会引起系统的不稳定,如果加在电感两端的电平为0,不会产生额外的环流。
从表1可以看出,系统输出电平一共有9种(2 N+1种),绝大部分输出电平存在冗余,这为系统环流及电容电压的控制提供了很大的空间。表中红色部分的输出电平一共有5个(N +1个),这5种状态有一个共同点,即p+q=4,也就是说工作在这5种状态,上下桥臂开通模块数量之和等于N, 由于每个模块电容电压的平均值为Vd/N,因此加在电感上的额外电平为0,不会产生额外的环流,系统工作在这5种状态无疑是最为稳定可靠的,因此把这几种电平称为“基本电平”(basic level),“基本电平”在表中是关于0对称的,控制“基本电平”的输出,可以得到一个正负对称的阶梯波,把这种只输出 “基本电平”的调制策略称为“基本电平调制”策略, 显然“基本电平调制”策略是MMC最为稳定可靠的调制策略。
与“基本电平”状态输出电平不同的电平,本文称之为“插入电平”(inserted level),一共有N个,在表1中,这些电平被“插”在N+1个“基本电平”中间。如果一种调制策略在一个调制周期内产生这2 N+1种电平,则这种调制策略可以被称为“全电平调制”策略。
2全电平产生及环流和电容电压控制原理
上面的分析表明,如果系统处于“插入电平”状态,则上下桥臂开通的模块数量不等于N,即p+q≠N,这样子模块堆的电压和输入电压相差若干个电容电压,这一电压差会加在电感两端,从而造成额外的环流,如果控制不当会引起系统不稳定。 但如果能利用这些“插入电平”,从而构成“全电平” 输出,将使输出电平达到2 N+1个,会改善输出电压谐波质量。
分析表1可以发现,这些“插入电平”均具有冗余,且这些冗余状态中加在电感两端的电平数量(Diff_Lev)关于0对称,如果在一个给定的时间内, LevDiff=-1,而在下一个相同的时间内时LevDiff=1, 这样在电感中产生的平均电流等于0,从而保证了环流的稳定。这便是全电平产生的思想。图2所示表现了这种思想,在“插入电平”产生期间,用一个虚拟的PWM信号(即vPWM)去控制上下桥臂开通的数量,在vPWM高电平期间,在保证输出电平不变的前提下,使p+q=N+1,此时LevDiff=1,产生的额外环流iadd上升,在vPWM低电平期间,使p+q=N-1, 此时LevDiff=-1,额外环流iadd下降。显然如果模块电容电压相同,且vPWM的占空比为0.5,则iadd的平均值为0。在电流增大期间,iadd可以表示为:
式中:Lev为电感两端的电平数量LevDiff的绝对值;ton为vPWM的高电平持续时间。
式(3)表示了在产生全电平时,电感额外环流的波动,显然其和LevDiff及其持续时间ton呈正比,和桥臂电感L的大小成反比,如果需要产生全电平,则在设计电感时需要考虑iadd的波动。iadd的平均值可以表示为:
式中:D为vPWM的占空比;VC为模块电容电压。显然,通过控制D就可以控制i-add的大小,从而控制环流的大小。事实上,不仅是在产生“插入电平”时,需要图2所示的控制。在输出“基本电平”时,也可以通过图2所示的控制方法来控制环流,此时,式(3) 和式(4)仍然成立。
可见,环流的控制是通过调节上下桥臂开通模块电容电压之和与输入电压的差进行的。事实上, 环流的产生也是因为输入电压和上下桥臂开通模块电容电压之和间存在差值,这个差值通过桥臂电感和电阻形成环流。
如果D取一个固定值,并且大于0.5,那么i-add将大于0,输入电源将对模块电容充电,电容平均电压上升,这时式(4)需要修改为:
随着VC的增大,i-add逐渐减小,直至为0,此时VC将稳定不变为:
可见,控制D不仅可以控制环流,还可以控制模块电容平均电压的大小,这是MMC不同于其他逆变器的一个重要特点,即电容电压大小可以根据需要进行调节。值得注意的是,当正弦波幅值大于最大电平电压时,在输出最大和最小电平时,没有冗余的电平,无法进行环流控制,如果用式(6)来控制电容电压,稳态时相当于在上下桥臂注入了一个基波频率的脉冲波,由于上下桥臂的对称关系,相当于在直流回路中叠加了一个两倍基波频率的脉冲波, 从而引起偶次谐波环流。
图3所示为载波重叠PWM产生方法原理图。 图3中从上到下4个坐标系分别表示上桥臂PWM产生、下桥臂PWM产生、上下桥臂开通模块个数之差(决定输出电平的形式)以及上下桥臂开通模块个数之和(影响环流将要发生的变化)。 载波重叠PWM是用N个相同的载波重叠起来和调制信号进行比较,这样每个桥臂就有N个比较器,其输出控制N个桥臂模块,上下桥臂的调制波幅值相同, 相位相反,如果上下桥臂三角波的相位相反,则输出将产生N+1电平,如果上下桥臂三角波的相位相同,则输出将产生2 N+1电平。比较图3(a)和(b) 可知,全电平调制输出不仅输出电平比基本电平调制输出的电平数量多N个,而且在相同的载波频率下,输出的等效开关频率多出1倍,大大降低了输出谐波含量。但在全电平调制时,上下桥臂开通模块的数量并不总是等于N,这必然会造成环流的高频波动,给系统带来干扰和额外的环流损耗。图3(b) 的第4个坐标系中的波形反映了上下桥臂开通模块数量之和,可以发现,开通模块的数量在N±1之间波动,但平均起来等于N,这和图2所示的全电平产生原理是一致的。事实上,所有全电平调制策略都遵守图2所体现的思想。不仅如此,在进行环流控制时,也遵守这种虚拟PWM控制思想,且期望的环流可以用式(5)获得。这意味着,在使用快速环流控制策略时,加在电感两端的电平数量可能会大于1, 这样加在电感两端的高频方波电压会更高,从而对电感的设计提出了要求。
3电容均压策略
传统的均压算法需要在每个开关周期对电容电压进行排序,决定模块的开通与截止,每个开关周期,都会有均压需要而发生的开关动作,而这些开关动作不会对开关调制规律有任何贡献,显然其会增加系统损耗并加大死区效应。因此,尽可能减小均压算法执行而引起的开关动作次数十分必要。为此,针对载波重叠PWM调制策略,本文提出一种PWM信号轮换均压策略,以有效减小均压算法引起的开关动作。
图3为载波重叠PWM产生原理图,一个重叠的三角波和同一个正弦信号进行比较得出一个桥臂控制所需的4路PWM信号,系统有4个比较器,从上到下,其输出分别为inPWM1~inPWM4,这4个PWM信号就是桥臂模块开通与截止的基准控制信号。在一个调制波周期内,这4个PWM信号为“1” 的个数显然是不同的,inPWM1为“1”的个数最少, inPWM2次之,而inPWM4为“1”的个数最多。考虑到一般情况,如果一个桥臂有N个重叠的三角波,必然有N个比较器,N个PWM信号,在一个正弦波调制周期内,三角波载波电平最小的那路PWM信号,即inPWMn含“1”的个数最多,依次递减,到inPWM1,即三角波电平最大的那路PWM信号含“1”的个数最小。
用这N个PWM信号去控制桥臂的N个模块的开通与截止,PWM为“1”控制模块开通,模块电容被接入电路,并根据桥臂电流的方向进行充放电, PWM为“0”控制模块截止,模块电容被旁路,则保持其能量不变。可见,如果直接用这N个PWM信号去控制N个桥臂模块,必然会造成模块电容电压的不平衡。如果桥臂电流大于0,即流进电容,那么inPWMn控制的模块电容因充电时间最多,而电压增加最高,inPWM1控制的模块电容因充电时间最小而电压增加最小;反之,如果桥臂电流小于0,即流出电容,那么inPWMn控制的模块电压就会下降最多,inPWM1控制的模块电容电压下降最少。
如果改变inPWM1~inPWMn的控制对象,那么模块获得开通和截止的机会将会发生变化,如果模块电容容量相同,每个模块获得开通和截止的机会在一定时间内相同,那么在这个时间内,模块电容的平均电压是相同的。根据这一思想,可以得出一种PWM信号平均轮换的均压策略,其实现原理图如附录A图A1所示。
首先,测量出每个模块电容电压,并找出最大值和最小值,如果最大值和最小值的差小于期望的范围,则PWM信号连接状态保持不变,直接退出均压程序。如果最大值和最小值的差大于期望的范围, 则往下执行均压算法,首先判断桥臂电流i的方向, 如果i>0,说明模块电容处于充电状态,此时将电容电压按照降序排列,并按照电容电压所处队列的位置序号去控制所处模块对应的数据选择器。
图4所示为桥臂模块数量为4,i>0时的选择策略。
图4中有两个数据队列,一个是电容电压队列, 用于电容电压的排序,一个是信号选择队列,用于存储控制数据选择器输出的数字量,一个4路输入(0~3)一路输出的数据选择器的控制数字为0~3, 队列从上到下,里面存储的数字量依次控制数据选择器1~4的输出。信号选择队列中的数据和电容电压队列中电容电压的序号是关联的,图中电容电压按照降序排列,即VC2最大,VC4次之,VC3再次之, 而VC4最小,那么信号选择队列就按照电容电压所处的位置来决定对应的数据,控制数据选择器1~4的数字量依次为3,0,2,1,这样模块1~4所将连接的PWM信号分别为inPWM4,inPWM1, inPWM3,inPWM2,这样不同模块根据电容电压的不同获得不同的充电时间,从而使电容电压快速趋于一致。当i<0时,电容电压根据升序排列,而信号选择队列和电容电压队列的关联方式相同,这样使得电容电压最高的连接三角波电平最低的输出PWM信号,从而使其获得更多的放电时间,并且根据电容电压的减小,获得的放电时间依次减小。
执行该算法的时机可以任意选择,也不必在每个开关周期内进行,可以根据电容电压误差范围灵活选择均压算法的执行。
4实验及仿真结果
MMC一般用于中高压领域,模块数量较多,开关频率较低,一般不超过1kHz,但由于其输出电平多,因而输出谐波含量很低。为验证本文的结论及均压策略,搭建了一个低压实验平台,其桥臂模块数量为4,桥臂电感为2mH,模块电容为2 200μF,输入直流为560 V,交流输出负载为22 Ω 电阻和25mH电感的串联,为了获得理想的输出谐波含量,开关频率选为5 kHz。 控制系统以DSP+ FPGA为核心,DSP完成相应的控制算法,FPGA则完成PWM产生、电容电压测量等功能。模块电容测量方法为在模块中将电容电压转变为脉宽信号,通过光耦传递给控制器,由控制器的FPGA测量其脉宽,就可以算出模块电容电压。
附录A图A2所示为输出分别为N+1电平和2 N+1电平的输出电压,可以看出,2 N+1电平明显接近标准正弦波。从本文第2节的分析可以看出,产生2 N+1电平时,由于有额外的电平加在桥臂电感两端,这会带来环流的高频波动,附录A图A3所示为产生N+1电平和2 N+1电平的输出电流和环流波形,对比可以发现,输出电流的大小没有发生改变,环流的形状和大小也没有发生改变,但产生2 N+1电平时,环流的高频纹波明显加大,其幅值可以通过式(3)进行确定,这表明输出电平的变化,改变的是环流的高频分量和输出THD,对系统基波分量没有影响,因而在MMC的实际应用中,如果输出2 N+1电平,则需要考虑这一环流高频分量的影响。图5所示为上下桥臂电容电压波形图,设定允许误差为1V,可以发现,图中,桥臂的电容电压误差在控制范围内。
为了进一步验证均压策略的正确性,图6给出了一相上下桥臂所有模块电容电压的动态仿真波形,仿真参数和实验参数相同,轻载时负载阻值为220Ω,重载时负载阻值为22Ω,负载电感值不变。 系统在0.3s时刻和0.4s时刻发生了负载突变,可以发现电容电压的平均值略小于输入直流的1/4, 这是由于桥臂电阻、IGBT死区及饱和压降的影响造成的。在整个动态和稳态过程中,同一桥臂的电容电压基本相同,这显示了均压策略的有效性。由于上下桥臂电容电压交流成分基波方向相反,这造成负载由重突变为轻时(图中0.4s),上下桥臂电容平均电压平均值不相等,但都朝着期望的方向变化, 最终趋同。
5结语
本文研究了MMC多电平产生以及环流和电容电压控制的一般原理,根据电平产生过程中对桥臂电感电压的影响,将系统调制分为“基本电平调制” 和“全电平调制”,分别产生N+1电平和2 N+1电平,从理论上分析了全电平产生和环流及电容电压控制的相同本质,为MMC电平输出及环流和电容电压控制提供了理论基础。针对载波重叠PWM提出了基于PWM信号轮换的电容均压策略,该策略可以根据需要调整期执行周期,并通过设定允许误差来降低执行次数。