雙饋電機(jī)在升降機(jī)中的應(yīng)用與控制分析

宋一凡　邱揚(yáng)　周楠

摘 要：針對(duì)升降機(jī)節(jié)能問(wèn)題，提出一種將雙饋電機(jī)作為曳引機(jī)應(yīng)用于升降機(jī)系統(tǒng)的方案，采用雙PWM換流器對(duì)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行交流勵(lì)磁，不僅可調(diào)節(jié)定子側(cè)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，還可將消耗在轉(zhuǎn)子電阻上的電能回饋電網(wǎng)。在已有雙饋異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上確定了機(jī)側(cè)變流器定子磁鏈定向的矢量控制策略，通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證功率流。在與傳統(tǒng)VVVF調(diào)速式的升降機(jī)的能耗進(jìn)行比較中，結(jié)果表明本方案具有可行性及良好的節(jié)能效益。

關(guān)鍵詞：雙饋電動(dòng)機(jī) 升降機(jī) 定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ蚩刂?節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TM301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（c）-00-02

在現(xiàn)代生活中，升降電梯作為一種垂直運(yùn)輸工具，在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)電梯采用變壓變頻（VVVF）調(diào)速技術(shù)，電機(jī)從電網(wǎng)取電，能量只能單向流動(dòng)，這就決定了在制動(dòng)、下降等狀態(tài)下，由電梯的動(dòng)能和重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化的電能只能消耗在電機(jī)電阻上以熱能的形式散失，不能回饋給電網(wǎng)，不僅造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)降溫設(shè)備還將帶來(lái)附加能耗。雙饋電機(jī)的應(yīng)用方案，將給這個(gè)問(wèn)題提出一個(gè)新的解決思路。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

1.1 雙饋升降機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：將繞線式電機(jī)定子繞組接三相電源，轉(zhuǎn)子三相繞組用滑環(huán)引出，經(jīng)雙PWM變頻器接三相電源。系統(tǒng)采用背靠背恒壓源PWM調(diào)制電路，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器隨能量流動(dòng)的方向不同，通過(guò)矢量控制生成觸發(fā)脈沖，使其交替工作在整流和逆變狀態(tài)。變頻器兩側(cè)接濾波環(huán)節(jié)以改善電壓波形。電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接減速器、滑輪等傳動(dòng)裝置（可沿用現(xiàn)有裝置）帶動(dòng)電梯廂或重物。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 矢量控制策略

對(duì)于雙饋調(diào)速的繞線型感應(yīng)電機(jī)來(lái)說(shuō)，定子實(shí)際電流和轉(zhuǎn)子實(shí)際電流分別是工頻和轉(zhuǎn)差頻率的交流量，若只對(duì)實(shí)際的交流電流進(jìn)行閉環(huán)控制，效果并不理想。為了達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的控制性能，必須將實(shí)際的交流量分解成有功和無(wú)功分量，并分別對(duì)兩個(gè)分量進(jìn)行閉環(huán)控制，這就構(gòu)成了雙通道從屬調(diào)節(jié)的控制結(jié)構(gòu)[3]。

實(shí)際上可作為定向矢量的選擇是多樣的[4-5]，該文重點(diǎn)研究按電機(jī)定子磁鏈定向的矢量控制[6]。對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行的雙饋異步電機(jī)，可以認(rèn)為定子側(cè)電壓的幅值和頻率都是常數(shù)。在忽略定子繞組電阻的前提下，定子電壓矢量與定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)矢量重合，而已知磁鏈?zhǔn)噶砍案袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)矢量90 °，因此，定子磁鏈?zhǔn)噶砍岸ㄗ与妷菏噶?90 °相角。基于這些分析，若選擇兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的軸與定子磁鏈?zhǔn)噶康姆较蛞恢?，軸系的旋轉(zhuǎn)速度與定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度一致，則軸就與定子電壓矢量在一條直線上。于是，定子磁鏈軸分量為0，定子電壓軸分量也為0，就可以大大簡(jiǎn)化控制模型。令、分別為定子電壓的軸、軸分量，為定子磁鏈?zhǔn)噶康姆?，為電網(wǎng)電壓的幅值。在忽略各種損耗的前提下，雙饋異步電機(jī)在穩(wěn)態(tài)時(shí)定子側(cè)輸出的有功功率為：。則電機(jī)定子側(cè)有功功率、無(wú)功功率為：

從以上功率方程可以看出，在定子磁鏈定向的條件下，雙饋異步電機(jī)定子功率的表達(dá)式變得非常簡(jiǎn)單，定子輸出的有、無(wú)功功率直接由定子電流的兩個(gè)分量獨(dú)立控制[7]。至此，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雙饋異步電機(jī)定子輸出有功功率、無(wú)功功率的解耦。

1.3 控制分析

作為簡(jiǎn)易電梯模型，整定其運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：上升過(guò)程分為勻加速、勻速、勻減速三個(gè)階段，下降過(guò)程同樣分為勻加速，勻速，勻減速，加速度大小均為。綜合分析，可以得到電梯在各個(gè)運(yùn)行階段中的能量流動(dòng)狀態(tài)如圖2所示。結(jié)合雙饋電機(jī)的五種運(yùn)行狀態(tài)，制定最佳的饋能設(shè)計(jì)方案如表1所示。

通過(guò)改變雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子外加電源的幅值和頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制；通過(guò)12路觸發(fā)脈沖控制IGBT的通斷為能量流動(dòng)提供雙通道，將電梯制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能和下降時(shí)的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

2 雙PWM控制系統(tǒng)仿真分析

2.1 仿真模型

仿真所用電機(jī)模型按照實(shí)際電梯的相關(guān)參數(shù)，設(shè)其額定電壓380 V，功率10 kW，頻率50 Hz，轉(zhuǎn)速1380 r/min，載重量1500 kg。仿真模擬了雙饋電機(jī)與普通電機(jī)加相同負(fù)載且設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，隨時(shí)間的推進(jìn)，電機(jī)總的耗能情況。設(shè)定電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，電梯速度為1 m/s，加速時(shí)間為1s，電梯滿(mǎn)載。同時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)矢量分析生成轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和定子側(cè)變流器的觸發(fā)脈沖，從而使定子電壓U2c與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同頻率。使用PSCAD 4.2搭建主電路。

2.2 仿真結(jié)果

測(cè)量定子功率、轉(zhuǎn)子功率，則電機(jī)總的吸收功率為。因雙饋電機(jī)在電梯制動(dòng)和下降時(shí)可向電網(wǎng)饋送能量，故表現(xiàn)為耗能曲線下降。由計(jì)算可知，按照仿真設(shè)定的最理想運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)束時(shí)，總計(jì)節(jié)能約70%。實(shí)際運(yùn)行中，電梯可能隨機(jī)處于不同的運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能效益會(huì)略有減小。

3 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)理論推導(dǎo)討論了雙饋電動(dòng)機(jī)在升降機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用并通過(guò)仿真驗(yàn)證。在已知雙饋異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上制定升降機(jī)運(yùn)行方案，確定了機(jī)側(cè)變流器定子磁鏈定向的矢量控制策略，最后通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證在不同的運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)內(nèi)部的功率的流動(dòng)情況，證明了該方案的可行性和系統(tǒng)良好的節(jié)能效益，具有較好的未來(lái)應(yīng)用前景，在升降機(jī)節(jié)能方向上做出了新的探索。

參考文獻(xiàn)

[1] 李發(fā)海，朱東啟.電機(jī)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2007：458-466.

[2] 姚興佳，宋俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：82-89.

[3] 宋文超.變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)PWM變流器設(shè)計(jì)與研究[D].甘肅：蘭州理工大學(xué)，2011.

[4] 梅意安.雙饋異步電機(jī)雙PWM變流器控制的仿真研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[5] 吳勝.雙饋電機(jī)的控制系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[6] 劉小虎.基于矢量控制的雙饋電機(jī)調(diào)速性能研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[7] 蔣輝.雙饋電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制技術(shù)研究[D].遼寧：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2009.