交流變頻電梯能量回饋控制系統的設計

吳毓麟，賈傳圣，沈夢潔，王雨婷

(江蘇師范大學，江蘇 徐州 221000)

0　引　言

當今世界，隨著科技水平的提高、工業規模的擴大，人們對于能源的需求也在不斷增加，導致全球范圍內能源供求關系日趨緊張。在倡導綠色環保節能減排的大環境下，節能環保早已成為世界范圍內的熱門話題。隨著電力電子技術的發展，能量回饋技術在生活中的應用越來越廣泛。近年來，作為人們生產、生活中能耗最嚴重的電器設備之一，電梯的使用數量逐年增加，它在現代化建筑中所占的能耗比重也在持續攀升。電梯的能耗應當引起大家高度重視，運用現代電力電子技術對傳統電梯工藝進行改進，促進電梯的節能具有非常重要的現實意義。

1　系統概述

1.1　電梯的工作原理

典型的發電機-電動機系統可以實現電動機的四象限運動。以電梯為例，假定轎廂上升時電機的轉向為正向(順時針)，轎廂下降時電機的轉向為反向(逆時針)，則有如下工作狀態：

(1)當轎廂和乘客的重量大于配重且電梯上升時，此時電機將電能轉換為機械能，工作在第一象限，即正轉電動狀態；

(2)當轎廂上升到目標樓層附近時，電機停止電動，依靠系統的慣性繼續運行一小段距離，此時電機將機械能轉換為電能，工作在第二象限，即正轉發電狀態；

(3)當轎廂和乘客的重量大于配重且電梯下降時，系統勢能轉換為電能，因此工作在第三象限，即反轉發電狀態；

(4)當轎廂下降到目標樓層附近時，電機要產生一個正向力矩來制動，但仍然是反向轉動，因此工作在第四象限，即反轉電動狀態。

1.2　電梯的節能原理

對于電機拖動系統而言，節能主要有兩種方法，第一種是提高電機拖動系統的運行效率，這種方法目前在電梯拖動系統中應用比較廣泛，具體實現方法就是采用變頻調速取代調壓調速。但是，通過上面的分析可以知道，在電梯啟動達到運行速度后系統具有很大的機械動能，當到達目標樓層附近時要逐步減速直至停止，在這一過程中系統的動能要逐步釋放；另外，在電梯空載上行或者滿載下行時，也會釋放出大量的機械勢能。對于采用變頻調壓調速的電梯而言，運行過程中系統釋放的機械動能和勢能會通過電動機和變頻器轉化為電能。目前在我國中小容量電梯系統中，直流母線側都并聯一個大電容，用來儲存電動機和變頻器產生的直流電能。如果電梯持續工作，電容中的電能和電壓就會逐漸升高，如果不及時釋放電容中儲存的電能，就會產生過壓保護，最終使電梯停止運行。所以在實際應用當中，為了避免泵升電壓過高而引發電路故障，通常都在電梯控制系統的直流母線端加制動電阻，從而將這部分電能以發熱的形式消耗掉。這種辦法雖然簡單，但是會使能量白白浪費，而且電阻發熱嚴重還需要安裝散熱設備，進一步增加了系統能耗[1]。

1.3　整體結構

電梯能量回饋系統整體結構如圖1所示。它主要由濾波電路、三相全橋逆變裝置以及外圍電路組成。能量回饋裝置的輸入接在電梯控制系統的直流母線側，輸出端則接入電網中。這樣 ，當電梯工作在回饋狀態時，直流母線側產生泵升電壓，儲存在電容中[2]。隨著泵升電壓的逐漸升高，整流電路停止工作，這時接通能量回饋電路，將直流母線側儲存的電能逆變為三相電，并入電網之中，實現能量回饋。該系統將三相SPWM整流電路并聯作為能量回饋通道，當母線電壓上升時，能量經逆變電路回饋；沒有能量回饋時，電路工作在整流狀態，能夠濾除變頻器引入的諧波。

圖1　能量回饋電路總體結構

使用三相SPWM全控電路進行能量回饋可以實現逆變輸出電壓的正弦化，能夠獲得較高的功率因數，而且具有能量雙向流動的特點[3]。

1.4　SPWM調制技術

按一定方法對電壓的輸出脈沖列中的各脈沖寬度進行改變，從而使電壓的輸出脈沖列在周期內相對于均值按正弦的規律變化，這就是SPWM。這種技術把等腰三角波電壓當做載波信號，而調制信號則用正弦波電壓，最后把這兩種信號進行比對，以此來確定每個分段的矩形脈沖的寬度[4]。

因為三角波和正弦波的區別主要在于極性不一樣，所以可以把SPWM分為單極性和雙極性的。本次設計中采用三相橋式逆變電路，兩種調試方式都可以使用，在這里采用了雙極性PWM調制技術，原理如圖2所示。

圖2　雙極性SPWM調制

2　系統設計

硬件電路如圖3所示，主要由三相全橋逆變電路、LC濾波器、單片機、電壓檢測電路，電流檢測電路以及一些外圍電路組成。

圖3　硬件系統

2.1　三相全橋逆變電路

2.1.1濾波電路

由于逆變輸出電壓還是會存在諧波污染，故在輸出端要加上濾波電容，目的就是濾掉輸出電壓中的不平整脈動，確保得到優質的正弦波。為得到較好濾波效果，電容值要足夠大，但在實際應用中依據經驗選擇合適值即可。

在圖4的逆變電路中，在輸入端串聯兩個大電容，從而得到輸入電壓的一半作為中點電位，即三相輸出的參考地。

圖4　三相全橋逆變電路

2.1.2IGBT的選擇

如圖4所示的三相全橋逆變電路，共需要用到六個IGBT， 電路的輸入輸出端都要與用電器連接。由于是應用在電梯控制系統中，供電直接為市電接入，所以要選用擁有足夠大耐壓值的IGBT。本設計選用25N120(25 A/1 200 V)，實物如圖5所示。這種IGBT無論是從耐壓方面還是從開關頻率方面考慮都能滿足設計的要求。

圖5　FGA25N120實物

2.1.3驅動電路的選擇

因為本設計要求簡單的結構和穩定的電路，所以選擇半橋式驅動電路，采用IR2104作為它的驅動芯片。一般來說，驅動單個功率開關元件時，多采用圖騰柱驅動電路，具有控制簡單等優點。但在本設計中，為驅動三相全橋逆變電路，與以晶體管等獨立元件搭建起來的驅動電路相比，采用半橋式驅動電路則具有結構簡單、可靠性強等優點，從而可以簡化電路設計，降低設計難度同時提高電路的穩定性，如圖6所示。該集成驅動芯片IR2104采用被動式泵荷升壓原理，只要電容C的值選擇恰當，驅動電路就能穩定運行。

圖6　基于IR2104的半橋驅動電路

2.1.4單片機的選擇

本系統設計采用MSP430F169單片機。MSP430系列單片機具有以下優點：

(1)低功耗：這也是MSP430系列單片機最主要的優點。該系列單片機采用1.8～3.6 V低電壓供電，所提供的低功耗工作模式，大大降低了單片機工作的能耗;

(2)處理能力強： MSP430系列單片機是16位單片機，采用了目前流行的、頗受學術界好評的精簡指令集(RISC)結構，一個時鐘周期可以執行一條指令[5]；

(3)豐富的片內外設：MSP430系列單片機內部具有定時器、比較器、ADC、DAC等，可以簡化電路設計。

2.2　軟件設計

為了實現電路的各種功能，需要借助單片機的軟件編程，將各部分有機地結合起來。通常來說，逆變電路的PWM控制主要有兩種方法，即調制法和計算法。調制法是通過調制信號和載波信號的比較來控制功率開關的通斷，計算法是通過近似的計算來得到功率開關打開或關斷的時刻。為了簡化，本設計將正弦波在一個周期內平均分成160等分，通過計算每一點處余弦值得到一系列數據，然后將這些數據按順序做成程序列表，存儲到MSP430單片機的ROM中，在編寫程序時只需通過查表的方式來確定每個開關管開通和關斷的時刻，就可以得到PWM波形，這樣可以大大簡化程序設計。為了得到更標準的正弦波，還可以等分為更多份。

3　系統測試

3.1　測試方法

在電梯能量回饋裝置的輸入端接入高壓直流電,模擬電梯系統中的直流母線側,借助變壓器及示波器觀察輸出交流側電壓波形，如圖7。

3.2　測試結果

通過示波器，可以看到經濾波過后逆變輸出的正弦波電壓可以滿足電網的要求；測量濾波電路之前的波形，可以觀察到SPWM波，分別如圖8、圖9所示。

圖7　單相正弦交流輸出　　　　　　　　　　圖8　輸出端SPWM波形

圖9　SPWM脈沖寬度在半個周期內的變化

4　總　結

隨著電梯使用量越來越大，電梯能量回饋技術顯得尤為重要。本系統借助于電力電子技術的發展，將成熟的三相逆變技術與控制系統相結合，將制動能量回饋電網的目的。為了獲得較好的逆變波形，以減少諧波對電網的污染，本設計采用SPWM調制技術，并通過仿真驗證了系統的實用性。將能量回饋控制系統投入使用，一方面可以回收電梯回饋的能量，另一方面也可以改善電梯控制間的工作狀況，大大減少電路釋放的熱量，從而節省了空調、風扇等降溫設備的費用和能耗，實現綠色、節能的目的。本系統在使用中要注意以下幾點：

(1)能量回饋效果是與電梯整機配置、調速系統的性能、曳引電動機的運轉以及實際運行狀況有關，并不是所有電梯都適合安裝，建議在一些提升高度大，變頻調速系統性能好，使用頻率高的電梯系統中優先使用；

(2)為了確保在能量回饋系統發生故障時電梯仍能正常運行，在安裝能量回饋裝置時不宜把原先制動電阻拆除[6]。

參考文獻：

[1]邢海清. 電梯能量回饋控制器設計研究[D]. 天津：天津大學, 2009.

[2]申瑞. 電梯能量回饋技術及應用[D]. 上海：上海師范大學, 2010.

[3]王俊龍，許林. 電梯能量回饋技術中的電能質量控制[J]. 中國電梯, 2015,26(21):29-30.

[4]王兆安.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社,2000.

[5]張平意. 基于心臟儲備的便攜式記錄儀的研究[D]. 重慶：重慶大學, 2006.

[6]劉志剛, 駱云峰. 電梯能量回饋技術的研究與測試[J]. 中國科技財富, 2009，(16):49.