基于諧振恒流充電的電梯應(yīng)急電源設(shè)計(jì)

邱 銓，劉 俊，魏 銘

（深圳福田供電局，廣東 深圳 518000）

0 引 言

新型蓄能器件超級(jí)電容器既具有靜電電容器的高放電功率優(yōu)點(diǎn)，又如電池一樣具有較大電荷儲(chǔ)存能力，具有充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大、高溫性能好、容量配置靈活等特點(diǎn)，是理想的綠色環(huán)保電源。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)它的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究，而利用超級(jí)電容器優(yōu)異的蓄能和釋放功能組成的各類拖動(dòng)裝置中的能源再生混合供電系統(tǒng)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景[1]。

電梯作為一種在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷吸收和釋放能源的電力拖動(dòng)裝置，對(duì)安全、可靠運(yùn)行要求極高。超級(jí)電容器的出現(xiàn)，為它提供了一種綠色、安全的新型供電方式。本文以電梯的綠色、安全運(yùn)行為目標(biāo)，構(gòu)建了一種能進(jìn)行能源再生回收，將電梯運(yùn)行中的能量轉(zhuǎn)化為超級(jí)電容器中的電能進(jìn)行儲(chǔ)存，并作為電梯運(yùn)行過(guò)程中的后備保護(hù)動(dòng)力電源的混合動(dòng)力系統(tǒng)，在不增加額外能源（如自備發(fā)電機(jī)、大型蓄電池等）的情況下，對(duì)電梯的運(yùn)行提供更加安全的保障。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

電梯智能應(yīng)急電源系統(tǒng)包括電梯節(jié)能單元和電梯安全輔助單元[2]。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)連接于變頻器整流單元和變頻器逆變單元之間。電梯節(jié)能單元由超級(jí)電容器模塊和雙向DC-DC模塊組成。其中，雙向DC-DC模塊的低壓側(cè)與超級(jí)電容器模塊連接，雙向DC-DC模塊的高壓側(cè)與變頻器整流單元直流側(cè)連接[3]。電梯安全輔助單元的主要構(gòu)成為逆變模塊。其中，逆變模塊的直流側(cè)與電梯節(jié)能單元的雙向DC-DC模塊的高壓側(cè)連接，逆變模塊的交流側(cè)與電梯負(fù)荷相連[4]。

圖1 智能應(yīng)急電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)電梯外網(wǎng)電源正常時(shí)，電梯控制系統(tǒng)控制電梯門機(jī)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)正常工作，并通過(guò)變頻器變頻驅(qū)動(dòng)電梯正常運(yùn)行；當(dāng)電梯的轎廂側(cè)與對(duì)重側(cè)中質(zhì)量較大的一側(cè)處于下降運(yùn)行時(shí)，變頻器的逆變單元處于制動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)變頻器直流端母線電壓上升，電梯節(jié)能單元的雙向DC-DC模塊啟動(dòng)充電功能，將該制動(dòng)狀態(tài)中的能量存儲(chǔ)到超級(jí)電容器中；在電梯的轎廂側(cè)與對(duì)重側(cè)中質(zhì)量較大的一側(cè)處于上升運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)電梯節(jié)能單元的雙向DC-DC模塊放電功能，將超級(jí)電容器中的能量通過(guò)變頻器直流端釋放用于驅(qū)動(dòng)電梯。當(dāng)系統(tǒng)電源發(fā)生不可期的故障且達(dá)到重合閘一次后，電梯節(jié)能單元與安全輔助單元同時(shí)啟動(dòng)，電梯節(jié)能單元啟動(dòng)雙向DC-DC模塊放電功能維持變頻器直流端電壓穩(wěn)定不下降，安全輔助單元逆變模塊為電梯負(fù)荷提供穩(wěn)定持續(xù)電源，確保電梯的門機(jī)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等正常工作，使轎廂停靠在就近平層位置且保持在開門狀態(tài)。

2 恒流充電主電路設(shè)計(jì)

可設(shè)計(jì)負(fù)載電容C為1 000 μF，充電電壓VT為450 V，充滿時(shí)間為80 s，則滿足平均充電功率為：

假設(shè)電容器濾波后的脈動(dòng)電壓的平均值為300 V，逆變器電路和輸出整流器電路的總效率為0.85，則逆變器電路的平均輸入電流為：

整流橋設(shè)計(jì)選取50 Hz整流二極管時(shí)，主要需要考慮的參數(shù)如下。

（1）二極管的額定電壓VRR應(yīng)小于二極管的反向擊穿電壓。

（2）額定發(fā)熱所允許的正弦半波電流平均值即是二極管的額定電流IFR。

（4）主回路的諧振頻率為40 kHz，因?yàn)榇_定了充電電源工作在DCM模式下，開關(guān)器件可實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)從而降低開關(guān)損耗、提高工作效率。考慮到充電電源的體積小、充電精度高等需求，最終選擇開關(guān)器件的工作頻率fs為15 kHz。

（5）在設(shè)計(jì)串聯(lián)諧振逆變器時(shí)，計(jì)算諧振電流峰值、諧振周期、諧振電感、電容尺寸和開關(guān)頻率等。

當(dāng)充電時(shí)間為80 s時(shí)，充電電源的平均充電電流必須滿足：

綜上所述，選取諧振電容Cr=0.7μF和諧振電感Lr=22.6μH。由于Lr的值較小，可以用漆包線繞制成空心線圈制作，繞制的形狀和匝數(shù)可以參考變壓器的相關(guān)資料；將其并聯(lián)多只容量較小的材質(zhì)為聚丙烯薄膜的電容器，以滿足諧振電路中的諧振電容Cr耐電壓和耐峰值電流的要求。

3 恒流充電仿真分析

根據(jù)計(jì)算分析，這里采用Pspice電路仿真軟件對(duì)充電電源的主要波形進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證電路原理的正確性和元件參數(shù)選取的合理性。首先，用OrCAD Capture搭建電路的基本模型，如圖2所示。選擇VDC=500 V直流電源，用VPULSE方波輸入作為IGBT的電壓型驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)脈寬PW設(shè)為16.3 μs，滿足T0/2＜PW＜T0；諧振電容取0.7 μF，諧振電感取22.6 μH；從元件庫(kù)中選取線形變壓器XFRM_LINEAR，其中L1、L2分別是變壓器原邊、副邊的電感值。

仿真出充電過(guò)程開始后0.5 ms內(nèi)諧振電流的波形，仿真結(jié)果如圖3所示。可以清晰看出，諧振周期為25 μs，初始充電時(shí)的諧振電流峰值為132 A左右，與計(jì)算結(jié)果一致。

因電容容量較大，充電時(shí)間較長(zhǎng)，仿真計(jì)算量太大，因此在充電電壓仿真時(shí)，將實(shí)際的電容量改為0.022 μF進(jìn)行仿真，仿真得到的電壓波形如圖4所示。

圖2 串聯(lián)諧振充電電源PSPICE仿真原理圖

圖3 充電初始時(shí)的諧振電流波形

圖4 超級(jí)電容充電電壓波形

4 結(jié) 論

本文成功構(gòu)建了一種綠色、安全的電梯混合動(dòng)力系統(tǒng)，不增加額外能源，對(duì)電梯的運(yùn)行提供了更加安全的保障，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)理論計(jì)算和仿真分析，確定了應(yīng)急電源供電部分的參數(shù)。電梯電源充電速度快，采用軟開關(guān)技術(shù)能夠有效降低開關(guān)損耗，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有短路保護(hù)能力，可作為電梯運(yùn)行的應(yīng)急備用電源，也可作為柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池的理想替代裝置。