交流变频电梯能量回馈控制系统的设计

吴毓麟，贾传圣，沈梦洁，王雨婷

(江苏师范大学，江苏 徐州 221000)

0　引　言

当今世界，随着科技水平的提高、工业规模的扩大，人们对于能源的需求也在不断增加，导致全球范围内能源供求关系日趋紧张。在倡导绿色环保节能减排的大环境下，节能环保早已成为世界范围内的热门话题。随着电力电子技术的发展，能量回馈技术在生活中的应用越来越广泛。近年来，作为人们生产、生活中能耗最严重的电器设备之一，电梯的使用数量逐年增加，它在现代化建筑中所占的能耗比重也在持续攀升。电梯的能耗应当引起大家高度重视，运用现代电力电子技术对传统电梯工艺进行改进，促进电梯的节能具有非常重要的现实意义。

1　系统概述

1.1　电梯的工作原理

典型的发电机-电动机系统可以实现电动机的四象限运动。以电梯为例，假定轿厢上升时电机的转向为正向(顺时针)，轿厢下降时电机的转向为反向(逆时针)，则有如下工作状态：

(1)当轿厢和乘客的重量大于配重且电梯上升时，此时电机将电能转换为机械能，工作在第一象限，即正转电动状态；

(2)当轿厢上升到目标楼层附近时，电机停止电动，依靠系统的惯性继续运行一小段距离，此时电机将机械能转换为电能，工作在第二象限，即正转发电状态；

(3)当轿厢和乘客的重量大于配重且电梯下降时，系统势能转换为电能，因此工作在第三象限，即反转发电状态；

(4)当轿厢下降到目标楼层附近时，电机要产生一个正向力矩来制动，但仍然是反向转动，因此工作在第四象限，即反转电动状态。

1.2　电梯的节能原理

对于电机拖动系统而言，节能主要有两种方法，第一种是提高电机拖动系统的运行效率，这种方法目前在电梯拖动系统中应用比较广泛，具体实现方法就是采用变频调速取代调压调速。但是，通过上面的分析可以知道，在电梯启动达到运行速度后系统具有很大的机械动能，当到达目标楼层附近时要逐步减速直至停止，在这一过程中系统的动能要逐步释放；另外，在电梯空载上行或者满载下行时，也会释放出大量的机械势能。对于采用变频调压调速的电梯而言，运行过程中系统释放的机械动能和势能会通过电动机和变频器转化为电能。目前在我国中小容量电梯系统中，直流母线侧都并联一个大电容，用来储存电动机和变频器产生的直流电能。如果电梯持续工作，电容中的电能和电压就会逐渐升高，如果不及时释放电容中储存的电能，就会产生过压保护，最终使电梯停止运行。所以在实际应用当中，为了避免泵升电压过高而引发电路故障，通常都在电梯控制系统的直流母线端加制动电阻，从而将这部分电能以发热的形式消耗掉。这种办法虽然简单，但是会使能量白白浪费，而且电阻发热严重还需要安装散热设备，进一步增加了系统能耗[1]。

1.3　整体结构

电梯能量回馈系统整体结构如图1所示。它主要由滤波电路、三相全桥逆变装置以及外围电路组成。能量回馈装置的输入接在电梯控制系统的直流母线侧，输出端则接入电网中。这样 ，当电梯工作在回馈状态时，直流母线侧产生泵升电压，储存在电容中[2]。随着泵升电压的逐渐升高，整流电路停止工作，这时接通能量回馈电路，将直流母线侧储存的电能逆变为三相电，并入电网之中，实现能量回馈。该系统将三相SPWM整流电路并联作为能量回馈通道，当母线电压上升时，能量经逆变电路回馈；没有能量回馈时，电路工作在整流状态，能够滤除变频器引入的谐波。

图1　能量回馈电路总体结构

使用三相SPWM全控电路进行能量回馈可以实现逆变输出电压的正弦化，能够获得较高的功率因数，而且具有能量双向流动的特点[3]。

1.4　SPWM调制技术

按一定方法对电压的输出脉冲列中的各脉冲宽度进行改变，从而使电压的输出脉冲列在周期内相对于均值按正弦的规律变化，这就是SPWM。这种技术把等腰三角波电压当做载波信号，而调制信号则用正弦波电压，最后把这两种信号进行比对，以此来确定每个分段的矩形脉冲的宽度[4]。

因为三角波和正弦波的区别主要在于极性不一样，所以可以把SPWM分为单极性和双极性的。本次设计中采用三相桥式逆变电路，两种调试方式都可以使用，在这里采用了双极性PWM调制技术，原理如图2所示。

图2　双极性SPWM调制

2　系统设计

硬件电路如图3所示，主要由三相全桥逆变电路、LC滤波器、单片机、电压检测电路，电流检测电路以及一些外围电路组成。

图3　硬件系统

2.1　三相全桥逆变电路

2.1.1滤波电路

由于逆变输出电压还是会存在谐波污染，故在输出端要加上滤波电容，目的就是滤掉输出电压中的不平整脉动，确保得到优质的正弦波。为得到较好滤波效果，电容值要足够大，但在实际应用中依据经验选择合适值即可。

在图4的逆变电路中，在输入端串联两个大电容，从而得到输入电压的一半作为中点电位，即三相输出的参考地。

图4　三相全桥逆变电路

2.1.2IGBT的选择

如图4所示的三相全桥逆变电路，共需要用到六个IGBT， 电路的输入输出端都要与用电器连接。由于是应用在电梯控制系统中，供电直接为市电接入，所以要选用拥有足够大耐压值的IGBT。本设计选用25N120(25 A/1 200 V)，实物如图5所示。这种IGBT无论是从耐压方面还是从开关频率方面考虑都能满足设计的要求。

图5　FGA25N120实物

2.1.3驱动电路的选择

因为本设计要求简单的结构和稳定的电路，所以选择半桥式驱动电路，采用IR2104作为它的驱动芯片。一般来说，驱动单个功率开关元件时，多采用图腾柱驱动电路，具有控制简单等优点。但在本设计中，为驱动三相全桥逆变电路，与以晶体管等独立元件搭建起来的驱动电路相比，采用半桥式驱动电路则具有结构简单、可靠性强等优点，从而可以简化电路设计，降低设计难度同时提高电路的稳定性，如图6所示。该集成驱动芯片IR2104采用被动式泵荷升压原理，只要电容C的值选择恰当，驱动电路就能稳定运行。

图6　基于IR2104的半桥驱动电路

2.1.4单片机的选择

本系统设计采用MSP430F169单片机。MSP430系列单片机具有以下优点：

(1)低功耗：这也是MSP430系列单片机最主要的优点。该系列单片机采用1.8～3.6 V低电压供电，所提供的低功耗工作模式，大大降低了单片机工作的能耗;

(2)处理能力强： MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集(RISC)结构，一个时钟周期可以执行一条指令[5]；

(3)丰富的片内外设：MSP430系列单片机内部具有定时器、比较器、ADC、DAC等，可以简化电路设计。

2.2　软件设计

为了实现电路的各种功能，需要借助单片机的软件编程，将各部分有机地结合起来。通常来说，逆变电路的PWM控制主要有两种方法，即调制法和计算法。调制法是通过调制信号和载波信号的比较来控制功率开关的通断，计算法是通过近似的计算来得到功率开关打开或关断的时刻。为了简化，本设计将正弦波在一个周期内平均分成160等分，通过计算每一点处余弦值得到一系列数据，然后将这些数据按顺序做成程序列表，存储到MSP430单片机的ROM中，在编写程序时只需通过查表的方式来确定每个开关管开通和关断的时刻，就可以得到PWM波形，这样可以大大简化程序设计。为了得到更标准的正弦波，还可以等分为更多份。

3　系统测试

3.1　测试方法

在电梯能量回馈装置的输入端接入高压直流电,模拟电梯系统中的直流母线侧,借助变压器及示波器观察输出交流侧电压波形，如图7。

3.2　测试结果

通过示波器，可以看到经滤波过后逆变输出的正弦波电压可以满足电网的要求；测量滤波电路之前的波形，可以观察到SPWM波，分别如图8、图9所示。

图7　单相正弦交流输出　　　　　　　　　　图8　输出端SPWM波形

图9　SPWM脉冲宽度在半个周期内的变化

4　总　结

随着电梯使用量越来越大，电梯能量回馈技术显得尤为重要。本系统借助于电力电子技术的发展，将成熟的三相逆变技术与控制系统相结合，将制动能量回馈电网的目的。为了获得较好的逆变波形，以减少谐波对电网的污染，本设计采用SPWM调制技术，并通过仿真验证了系统的实用性。将能量回馈控制系统投入使用，一方面可以回收电梯回馈的能量，另一方面也可以改善电梯控制间的工作状况，大大减少电路释放的热量，从而节省了空调、风扇等降温设备的费用和能耗，实现绿色、节能的目的。本系统在使用中要注意以下几点：

(1)能量回馈效果是与电梯整机配置、调速系统的性能、曳引电动机的运转以及实际运行状况有关，并不是所有电梯都适合安装，建议在一些提升高度大，变频调速系统性能好，使用频率高的电梯系统中优先使用；

(2)为了确保在能量回馈系统发生故障时电梯仍能正常运行，在安装能量回馈装置时不宜把原先制动电阻拆除[6]。

参考文献：

[1]邢海清. 电梯能量回馈控制器设计研究[D]. 天津：天津大学, 2009.

[2]申瑞. 电梯能量回馈技术及应用[D]. 上海：上海师范大学, 2010.

[3]王俊龙，许林. 电梯能量回馈技术中的电能质量控制[J]. 中国电梯, 2015,26(21):29-30.

[4]王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2000.

[5]张平意. 基于心脏储备的便携式记录仪的研究[D]. 重庆：重庆大学, 2006.

[6]刘志刚, 骆云峰. 电梯能量回馈技术的研究与测试[J]. 中国科技财富, 2009，(16):49.