基于PWM整流器的电梯能量回馈系统的研究

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图２三相电压型ＰＷＭ整流器双闭环控制结构图
Ｆｉｇ．２ Ｄｕａｌ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ
Ｃ３，矿÷
ｊ
ｃ。ｓ（ｔｏｔ）ｃｏｓ（伽一了２盯）ｃ。ｓ（饼号啊） －ｓｉｎ（ｔｏｔ）＿ｓｉｎ（础一号百）－ｓｉｎ（叫＋了２盯）
砒一 叫 砒咖 哪
（２）
ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｖａｔｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ，ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｓｐａｃｅ．ｖｅｃｔｏｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ
Ｏ引
言
于发电状态所产生的电能同馈给电网或者供给其他 用电设备使用，以达到节能目的。由ＰｗＭ整流器取代 前级的二极管整流器可实现单位功率因数及能量的 双向流动，并且可以抑制电力电子装置产生的谐波。 本文介绍了电梯能量回馈系统控制平台的工作 原理、ＰＷＭ整流器的双闭环控制结构和空间矢量调 制方法，利用ＭＡＴＬＡＢ软件搭建了双ＰＷＭ变频器的仿 真模型，重点分析电梯能馈系统的瞬态工作情况，并 给出了系统仿真波形，结果表明控制效果较好。 １仿真系统设计
Ｐ。和屯、ｉｑ（这里ｄ轴表示有功分量，ｑ轴为无功分量）。为 了实现直接电流控制策略，在（西ｑ）坐标系下按照式
（４）、式（５）对ｉ。、ｉ。进行解耦控制，其中，期望的有功电流
３
ｉ，由直流母线电压经过外环的ＰＩ调节后产生得到。而
虬ｉ屯ｉ
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．ｑ 嘏
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改变无功分量的期望值‘僦可以改变功率因数，所以
一６９一
万方数据
Ｆｉｇ．３ Ｓｐａｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ
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１．４空间矢量调制 ＳＶＰＷＭ（空间矢量调制）的基本原理是，当电压矢 量逆时针旋转到某一扇区时，由该扇区两个相邻的非 零空间矢量和零空间矢量合成所需的电压矢量，如图３ 所示。这里采用一种实现ＳＶＰＷＭ的快速算法【卅。将电压
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ
ｏｎｅ
ｓａｖｉｎｇ ｅｌｅｖａｔｏｒ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｅｌｅｖａｔｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ
１．２
ｊ秽户√舢ｉｑ托。
【＇／３ｒｑ－－－－－吲’唧—越屯＋ｅｇ
席仲
（４）
将（４）式代入（３）式，得：
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＝一
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唧
由式（５）可知，ｄ、ｑ轴上的电流值实现了解耦。采用 普通的ＰＩ调节器即可实现电流和电压的良好控制。双 闭环控制系统如图２所示。
ＰＷＭ整流器 假设电网电压三相平衡，三相电压型ＰＷＭ整流
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图１电梯双ＰＷＭ变频器结构图
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｌｅｖａｔｏｒ ｄｕａｌ ｐｗｍ
两部分组成：前级的能量回馈系统和后级的交流电机 变频驱动系统。 系统可以实现电能的双向传输。随着电梯负载及 运行方向的变化，当电机处于电动状态时，网侧的 ＰＷＭ整流器工作于整流状态，交流电源先经过整流 器向储能电容充电，再输送给电机，系统从电网吸收 电能；当电机处于发电状态时，网侧ＰｗＭ整流器工作 于有源逆变状态，将直流母线上储能电容的泵升能量 转化为符合并网条件的交流电，向电网馈人能量，以 保持直流母线上电压的稳定１２１。 电梯能馈系统主要是通过控制三相电压型ＰＷＭ 整流器来保持直流母线上电压的相对恒定并实现系 统的单位功率因数，使得后级的电机无论工作在电动 状态还是发电状态都能正常运行。
ｖ，（ｏｌｏ） ｌＢ ＫＯＩＯ）
式中Ｉｖ ＩＩ＝ｌｖ２１＝２／３ｘＵｅ，可解得：
Ｌ＝乏ｂ－ｙ孚％）
ｚ：—Ｖ＂３—－ｖ＃Ｔ，
２
（８）
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ｒ．＝ｒ－ｒ，－ｒ． ｔ‘型
同时需判断，当兀与孔之和大于正时，即出现了过 饱和现象，此时需要对式（８）进行处理。令：
图３空间电压矢量调制图
ＴＩ。＝Ｌ－ｒ １一ｒ２ 至此，求得新的兀、疋、瓦。其他扇区计算方法同上。
据此可以确定各扇区每相在Ｔ，／２内的导通时间‰、
‰、‰。
在得到扇区号以及相应的矢量作用时间后，就可 以合成ＳＶＰＷＭ波。为减少谐波含量，进行七段调制 法。将零矢量分成三段，零矢量秽。被均匀地分配在矢 量秽，的起点和终点，而零矢量秽，则分布在矢量秽ｆｌ的中 点处，且在一个采样周期内，Ｖ０的作用时间与秽，的作用 时间相等，相邻的两个非零矢量则对称分布在上面。 ２仿真分析 根据以上设计思想，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ上搭 建电梯能馈系统的计算机仿真模型，前级的能馈系统 主要由ＰＷＭ整流器组成，后级的电机驱动系统为永 磁同步电机矢量控制系统。设置仿真参数如下：三相
Ｖ０１．４７ Ｎｏ．５３８ Ｏｃｔ．２０１０
１，一■＿一一己：ｊ，一一［一一［＝．一］ｒ，． ≮：４≮｛最ｒ：｝ ｉ≮；～：｝～：｛
式中ｅ。、ｅ，、ｉａ，ｉ。分别为电源电压矢量和电流矢量在似 ｑ）坐标系下的值。 １．３双闭环控制 在三相电压型ＰＷＭ整流器控制系统的设计中， 一般采用电压外环和电流内环的双闭环控制结构。电 压外环主要是稳定母线电压在预设值，而电流内环则 有功率因数调节和谐波抑制的控制效果。 从（３）式可以看到，整流器的ｄ、ｑ轴变量相互耦合， 妨碍了被控参数和控制变量之间的独立控制。为消除 这种影啊，把相互关联的控制过程转换为两个彼此独 立的ＳＩＳＯ控制过程来处理，以实现系统的解耦控制１３｝。 令：
器在三相静止坐标系他６，ｃ）下的矢量表达式为：
Ｌ警＝Ｅ删』１
式中最为电网电动势矢量；ｔ为交流侧电流矢量；Ｖ，为 交流侧电压矢量；Ｌ，Ｒ分别为滤波电感和等效电阻。 为方便控制，将坐标系他６，ｃ）下的系统变量变换 到与电网基波频率同步旋转的似ｑ）坐标系下。假定ｄ 轴按三相电网电动势矢量Ｅ定向，口轴超前ｄ轴９００，则 其变换矩阵ｃ３曲为：
ｏｒ ｃａｎ
ｗｏｒｋ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｓｔｅａｄｙ ｄｃ ｂｕｓ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｗｈｅｔｈｅｒ ｉｎ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｓｔａｇｅ
ｉｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｔａｇｅ．Ｉｔ ａｌｓｏ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ。ｏｆ ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｏｗ．
１４３０；
Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
Ｅｌｅｖａｔｏｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ＰＷＭ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ
ＺＨＯＮＧ Ｃｈｕｎ—ｂｏｔ，ＴＩＡＮ Ｌｉａｎ—ｆａｎｇ‘。ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｈｏｎ９１，ＷＡＮＧ Ａｎ－ｇｕ０２，ＪＩＡ Ｙｕ－ｈｕｉ３
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ ０６４０，
ｓｏｕｒｃｅ
ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｔｈｅ
ｏｎ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆ，ｄｕａｌ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ
ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ．ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉＳ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉＳ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｓｙｓｔｅｍ
ｓｏｕｒｃｅ
ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ
要实现对ＰＷＭ整流器的控制，首先需采样网侧 电压和网侧电流，从而得到在坐标系他６，ｃ）下的ｅ。、ｅ。、
式中∞为电网角频率。 在（ｄ，口）坐标系下的三相电压型ＰｗＭ整流器的数 学模型为：
彩 ．吨 詹
耐
ｅ。和ｉ。、ｉ６、ｉｃ，再经过ｐａｒｋ变换，得到他ｑ）坐标系下的ｅｄ、
总第４７卷第５３８期 ２０１０年第ｌＯ期
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
电测与仪表 Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ｈ略ｈⅥｍｅｎｔ霉ｆｉｏｎ
、ｄ铂ＮｏＳ强
Ｏｃｔ．２０ＩＯ
要实现单位功率因数，可令ｉ。‘－－－０。经过外环电压调节 和内环电流调节，由此可确定交流侧电压矢量秒，。，再 经过空间矢量调制，即可得到主电路上六个开关管的 驱动信号，完成双闭环的控制算法。
广东省重大科技专：ｒ项（２００９Ａ０８０３０５００４）： 广州市番禹科技攻关项目（２００９一ｚ一３９—１） 一６８一
电梯双ＰＷＭ变频器工作原理 电梯双ＰＷＭ变频器结构见图ｌ所示，整个系统由
万方数据
总第４７卷第５３８期 ２０１０年第ｌＯ期
电测与仪表
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
１．１
目前大多数的ＶＶＶＦ控制电梯，前级一般由二极 管整流器对交流电源进行整流，经过中间电容稳压后 通过ＰＷＭ逆变器控制电梯曳引机。这种变频器结构 存在如下缺点：（１）功率因数低；（２）网侧谐波污染严 重；（３＞无法实现能量的再生利用【ｌＩ。传统的电梯变频： 器，当电机处于再生发电状态时，再生的电能由于前 级二极管的不可逆性而无法回馈到电网，只能消耗在 外挂的制动电阻上，这部分电能转化成热能白白地耗 费了；电梯中应用再生能源技术是将电梯曳引机工作