电梯系统中的能馈技术研究

电梯系统中的能馈技术研究

陈广博

广东省特种设备检测研究院中山分院陈广博

摘要：作为电梯节能的重要发展方向，电梯能量回馈技术现在理论基本上已经成熟，而且具有了一定的应用。然而现在在电梯行业当中并没有大规模的针对能量回馈技术进行普及。本文首先介绍了电梯能量回馈系统，对其进行建模以及仿真实验，证明了其在实际应用中的可行性。

关键词：电梯系统；能量回馈；技术应用现在节能减排已经成为了大家的共识，如何通过对电力电子技术的运用，不断的改造传统电力设备，从而使之能够降低用电损耗，实现电能利用效率的提升。传统的电梯变频器当中产生的再生能量往往不能够回馈电网，因此造成了极大的浪费。

本文针对电梯能量回馈技术进行了分析和探讨，其能够使电梯的再生能量向电网当中进行回馈，这对于节能电梯的发展而言有着非常关键的意义。

1.电梯能馈技术的必要性在运行过程中的电梯有时候会处于发电的状态，有时候则会处于耗电的状态。以能量守恒定律为根据，我们可以发现当电梯在重载上行、轻载下行或者空载下行的过程中，就会处于耗电的状态，这时候电能就会朝载荷位能的能量形式进行转化；当电梯在重载下行、轻载上行以及空载上行的过程中，就会处于发电的状态，这时候电梯的载荷位能就会朝电能的能量形式进行转化。

由于在一个电容当中对这些电能进行存数，因此随着时间的逐步推移，电能在电容器当中会蓄积的越来越多，并且会产生越来越高的电压，一旦没有及时的释放掉电容器当中存储的这些电能，就很可能会导致电梯出现各种故障，并且不能够正常运行。常规的电梯往往都采用能耗制动方式，这部分能量被大功率电阻利用热能形式消耗掉了，虽然这种方式比较简单，但是却将能量大量的浪费了，并且使系统的效率不断的下降，同时电阻发热还会使系统当中其他部位的正常运行受到影响。

因此如何有效的处理这部分能量，对其进行合理的运用成为了一个非常关键的问题。而电梯能馈系统则可以在处理这些能量的同时，使其向电网当中反馈，供电梯或者其他设备使用，从而实现了节能的目的。

2.电梯能馈技术的应用原理及构成2.1电梯能馈技术的应用原理图1有两个部分一起构成了电梯双PWM变频器的整个系统：后级交流电机变频驱动系统以及前级的能量回馈系统。

其属于一种比较典型的背靠背电路结构，其中能量传输的工作由前级的PWM整流器来完成，而电梯曳引机的驱动工作则由后级的PWM逆变器来完成。

图1电梯双PWM变频器结构图电能的双向流动可以在系统当中实现。由于电梯的运行方向以及负载是不断变化的，因此处于电动状态当中的电梯曳引机需要将能量从直流母线侧吸收过来，直流侧电容能能量会不断的释放，因此母线电压也会处于不断下降的过程当中。为了能够使母线电压的稳定得到保证，前级网侧的PWM整流器就需要在整流状态下进行工作，经过整流器的交流电源能够向直流侧电容充电，同时还可以向电机进行输送，而系统能够将电能从电网当中吸收过来。处于发电状态下的电梯曳引机可以将电充给直流侧电容，为了避免电压升高的现象出现在母线电压当中，就需要保证处于有源逆变状态下的网侧PWM整流器，其能够使电容的泵升能量向着与并网要求相符合的交流电的形式进行转化，并且将能量馈入电网，从而使电压在直流母线上的稳定得到充分的保证。

电梯的能量回馈技术中直流母线上电压的相对恒定的实现主要是通过对三相电压型PWM整流器的控制来实施的，同时还能够保证网侧电流的正弦化的实现，将达到单位功率因数输入的时候，不管是处于发电状态系统中还是在电动的状态下，电梯曳引机都能够实现正常的运行[1]。

2.2电梯能馈系统的构成将传统的电梯作为基础，使其中的不可控的二极管整流器被可控的PWM整流器所取代。可以将整个系统划分为两部分，也就是控制电路以及主电路。其中主电路主要包括直流侧电容，可控整流桥以及网侧电感；而控制电路则主要由接口电路、同步信号检测电路、DSP系统、驱动与保护电路以及信号采样电路一起构成的。通过一些通信接口将后级的逆变器以及前级的PWM整流器联合起来，比如RS485通讯接口在其中的运用就能够保证协调控制前后级的实现。

作为一种三相桥式拓扑结构，主电路可以通过一定的规律有效的控制可控整流桥六个开关管，并且可以使在直流侧以及交流侧的电能能够实现双向的流动。网侧电感则同时具备滤波的功能以及Boost升压的作用。而电容在直流侧则可以针对直流侧电压谐波起到抑制作用，而且能够用于储能，最后其还具备保证直流母线的稳定以及缓冲能量的作用，而电感和电容则具有较大的灵活性，但是在具体应用的过程中存在着一定的限制。

将DSP作为控制电路的核心，通过对采样电路收集到的相关的控制信息的运用，比如网侧和直流侧的同步信号以及电压/电流信号等。在经过相应的调理之后，通过A/D模块这些电压信号能够进入到微控制器当中，然后以双闭环的控制策略作为根据，由DSP在运算之后就能够将相应六路PWM信号产生，再通过对驱动电路的运用针对整流桥的六个功率开关管进行控制，这样就能够实现稳定母线电压以及提升功率因数的目的[2]。

一般将一电压型PWM整流器设计为能馈系统的主电路，其中包括直流母线电容、可控整流桥、网侧电感等。

①选择合适的网侧电感。网侧电感能够对电流谐波进行抑制，对电流波形进行响应。通过网侧电感，可以将BoostPWMAC/DC变换功能赋予整流器。在试验初期的样机设计阶段，为了调试的便利，可以选择较大的电感值。较大的电感值可以对网侧流波型进行改善。然而由于其具有较高的成本和较大的体型，可以在后续研究中将电感量的减少作为设计目标。例如LCL电路结构就是一个很好的选择，其电感量较小，而控制效果也较为合适。

②重视对可控整流桥的选择，这是主电路中的一个重要部分。可控整流桥中使用分立的功率开关比较常见，但是其保护和驱动电路都过于复杂，给控制带来了麻烦。因此，可以将电路进行简化设计，对系统稳定性进行增强，为控制提供方便。

本设计中，可控整流桥使用的模块是IPM智能功率模块[3]。

③选择合适的直流滤波电容，直流滤波电容的主要用途是对谐波电压进行抑制，提高母线电压的稳定性。当选择较大的电容值时，就能够储存较多的能量，对直流侧之间的能量交换可以更好的缓冲，从而使直流电压具有更小的纹波系数和更高的稳定性。然而由于性能之间的制约，过大的容量也具有一些负面影响，会在刚启动系统时带来过大的启动电流，从而冲击整流桥。当然如果电容较小，则会对母线电压的波形产生一些不利的影响。因此，可以使用优化控制算法，实现PWM整流器中能量的双向快速运输。在下一步的研究中还可以继续进行直流滤波电容的减小设计，以对电路结构进行简化，达到降低成本的目的。在试验的样机设计阶段，要对电阻负载下系统的工作情况进行考虑，当电阻负载下系统可以稳定工作时，再以电机逆变器代替电阻负载，将其拓扑结构拓展为双PWM变频器，最终对电梯能馈系统的设计进行完善。

④复位电路，由于电梯系统需要处于强电的环境下工作，因此来自强电环境当中的何种干扰都会使控制系统受到影响，因此需要较高的水平的系统可靠性以及稳定性。而DSP往往具有较高的工作频率，其在处于高速运行的状态下很可能会受到强电的干扰。所以除了要采取系统抗干扰的措施针对PCB布版以及电路设计进行处理，这就需要具备一个可靠地复位电路。

在系统上电的时候，可以保证处理器实现可靠地复位[4].3.电梯能量回馈系统的建模三相电压型PWM整流器的功率因素较高，而且还能够实现能量的双向流动，可以针对功率因数进行校正，所以被广泛的应用在工业领域当中，本文针对电梯能量回馈系统的建模进行了介绍。

图2前级的能馈系统仿真模型示意图有两个部分一起构成了电梯双PWM变频器的整个系统：交流电机变频驱动系统也就是后级逆变器，前级能量回馈系统也就是三相电压型PWM整流器。为了能够将实际应用情况较好的反映出来，选择常见于小楼房曳引机中永磁同步电机作为电机模型，将永磁同步电机矢量控制系统建立起来。本文主要针对前级的能量回馈系统部分进行研究，分析在电梯能馈系统中三相电压型PWM整流器的工作原理。

由控制电路以及主电路两部分一同构成了能量回馈系统仿真模型，其中比较复杂的是控制电路部分，其主要的作用是处理并且运算被检测模块采集到的系统信息。控制电路的组成部分主要包括功率开关管驱动模块、SVPWM合成模块、PI控制模块以及dq变换模块。详情见图2[5]。

4.电梯能馈系统的仿真研究4.1电梯能馈系统建模过程在将仿真模型建立好之后，对其仿真参数进行设置：EP=2V*220为三相电源电压幅的输入值；R=0.1Ω为等效电阻值；50Hz为电网频率值；700V为电容初始电压值；L=5mH为网侧滤波电感值；u*DC=700V为直流母线电压预设值；C=2200μF为直流侧滤波电容值；10kHz为功率管开关频率。后级的永磁同步电机为：300N?m为输入负载转矩；0.011kg/m2为转动惯量；4为极对数，Lq=Ld=0.635mH。为了使观察的时候更加方便，针对电机负载转矩的给定规律进行如下设置：由0线性在0~0.01s内增加到300N?m后保持不变[6]。

图3电机输出转矩和转速波形示意图图3为保持在电动状态下的电机工作的仿真波形，该电动状态的方向与输出转矩相同。保持168r/min的转速。处于整流状态中的前级的PWM整流器，其具有维持在预设的700V上下的较为平稳的直流母线电压，网侧电压相位几乎等同于网侧电流相位，这时电网当中会有能量流向电梯系统。

与此同时，如果保持在再生发电状态下的电机工作的仿真波形，该电动状态的方向与输出转矩相反。保持—168r/min的转速。处于有源逆变状态中的PWM整流器利用前级的能馈系统可以使电梯驱动系统当中的能量流到电网中。直流母线具有波动较小的电压，并且会维持在预设值的附近，这样网侧电压相位就会与网侧电流相位相反。

从上述的讨论中，我们可以发现，电梯能馈系统通常具有可逆的能量流向，处于电动状态当中的电机工作时，电网当中会有能量流向电梯系统。处于再生发电状态下的电机工作时，电梯驱动系统当中的能量则会流到电网中。同时，不管能量回馈系统处于哪一种工作状态，都能够保证一定的单位功率因数，而且具有较小的谐波。除此之外，母线电压在前级电梯能馈系统的调节之下可以长期处于比较平稳的状态，这样就能够有效的保证后级电机变频驱动系统的安全可靠性。

为了对在不同状态下电梯系统的波形情况进行观察，将电机转速在t=0~0.1s设置为168r/min，将电机转速在t=0.1~0.2s时切换为0；将电机转速在t=0.2~0.3s时切设置为-168r/min，将处于电动状态的电机切换为发电状态，使之保持在300N?m的转矩。在这种情况下，处于整流状态的电梯能馈系统就可以切换成为有源逆变状态，而且其还具有非常快的调节时间以及十分平稳的过渡过程，同时其母线具有波动较小的电压，并且会维持在平稳专状态。

4.2仿真结果分析仿真结果表明，按照上述方法针对电梯能馈控制系统进行设计与并网的要求相符合，网侧PWM整流器可以在不同的负载条件下使直流母线电压的相对恒定得到很好的维持，并且能够实现比较高的功率因数，网侧电流也具有比较好的波形正弦度。当处于电动状态的电机切换为发电状态的时候，处于整流状态的网侧PWM整流器也可以向着有源逆变状态进行自动切换，输入电流能够实现平稳的过渡，而且具有不变的母线电压。系统同时也具备双向输送能量的能力，这样其良好的运行特性就表现了出来[7]。

5.结语本文针对电梯系统能量回馈技术进行了介绍，该技术有效的解决了传统的电梯变频器当中产生的再生能量往往不能够回馈电网的问题。由于其具有良好的电梯回馈技术优势，必然会在电梯系统当中得到广泛的应用。

参考文献：[1]孙关林，王龙静，沈晓宇.节能电梯及能量回馈技术的分析[J].浙江建筑，2012，24（4）：51-52[2]叶友谊，张云涛.浅论电梯节能能量回馈的现状及发展途径[J].黑龙江科技信息，2012（28）：78-79[3]吴隆安，赖寿宏，涂从欢.关于能量回馈系统的设计与实现[J].电力电子技术，2013，NO.1：23-24[4]R.Ortegn，H.Sira-Ramirez，HLudvigsen.Ahybridpassivitybasedcontrollerdesignforathreevoltagesourcedreversibleboosttyperectifier.Proceedingsofthe37thIEEEconferenceondecision&control，Tampa，FloridaUSA·December20112035-2040[5]孔伟荣，朱武标，姜建国．双PWM控制能量回馈电梯传动系统的设计[J]．电气传动，2012，37（8）：8-11[6]张崇巍，张兴，刘洋天，宋子平.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2013：1-12112-153154-172226-279[7]朱俊杰，王辉，周凯，冯长武.三相PWM高功率因数整流器控制技术综述[J].湖南工程学院学报，2011，14（3）：19-22