節(jié)能電梯能量反饋仿真分析

1、節(jié)能電梯能量反饋仿真分析摘 要：提高節(jié)能效率是近些年來(lái)電梯行業(yè)研究的熱點(diǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)能量回饋節(jié)能控制的主電路拓?fù)溆卸喾N，本文針對(duì)其中一種在傳統(tǒng)ac-dc-ac 結(jié)構(gòu)中加入以雙向dcdc 連接超級(jí)電容為儲(chǔ)能源并連接于母線的拓?fù)溥M(jìn)行matlab 仿真，討論分析母線電壓動(dòng)態(tài)切換對(duì)于永磁同步電機(jī)運(yùn)行的影響，指出母線動(dòng)態(tài)切換是有可能影響到電梯舒適度的。最后給出避免的方法和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的能量回饋控制方案。關(guān)鍵詞： 永磁同步電機(jī)控制；節(jié)能電梯；能量回饋；matlab 仿真0 引言近年來(lái)，隨著電梯行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，僅僅是安全和舒適早已不能滿足電梯用戶的要求，環(huán)保和節(jié)能已經(jīng)成為新的主題1。傳統(tǒng)電梯直接使用能耗電阻將由

2、曳引電機(jī)回饋母線的能量轉(zhuǎn)化成熱能消耗掉，這樣使大量可利用的能源浪費(fèi)掉。目前電梯廠家和學(xué)者的研究集中在曳引傳動(dòng)方式、主電路拓?fù)?、新技術(shù)新能源等方面2。將超級(jí)電容作為儲(chǔ)能源，通過(guò)雙向dcdc 與能耗電阻一起并聯(lián)在母線上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以將從曳引電機(jī)回饋的能量首先存入超級(jí)電容，在電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)將能量釋放掉，這樣可以有效地減少能量消耗。本文從說(shuō)明了能量回饋的微觀原理，并著重從電梯舒適度的角度考慮，建立matlab/simulink 仿真模型，針對(duì)母線動(dòng)態(tài)切換對(duì)電機(jī)速度的影響進(jìn)行仿真和定性分析，得出問(wèn)題存在的可能性并提出解決問(wèn)題的方法，最后給出本設(shè)計(jì)中節(jié)能電梯的控制方案，對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的進(jìn)行具有指導(dǎo)意義。

3、1 能量回饋原理能量反饋的產(chǎn)生原因一般有兩種3：一種是由主回路換相過(guò)程產(chǎn)生的瞬時(shí)浪涌高電壓，這種能量反饋時(shí)間非常短，雖然可以瞬時(shí)產(chǎn)生高電壓對(duì)開關(guān)功率器件造成破壞，但是在能量聚集角度卻可以忽略不計(jì)，所以只需用合適的防浪涌電路加以抑制即可；第二種是由負(fù)載帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)反電勢(shì)高與母線電壓值，所以向母線回饋電能，這種情況可以使母線電壓升高明顯。下面是id = 0時(shí)永磁同步電機(jī)在電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)下的矢量圖，相比較可以看出發(fā)電狀態(tài)與電動(dòng)狀態(tài)的定子電流方向相反，即iq 反向。在整個(gè)過(guò)程中電機(jī)繞組中三相電流方向不變，考慮前一個(gè)給定矢量v（100）時(shí)回路中的狀態(tài)，則當(dāng)給定為零矢量v(0

4、00)時(shí)， a 相下橋臂v4 管導(dǎo)通，并通過(guò)續(xù)流二極管d6、d2構(gòu)成三相回路，如圖3（a）所示，在此過(guò)程中，電機(jī)定子電阻消耗小部分能量，大部分的能量?jī)?chǔ)存在三相定子電感中。此后給定電壓矢量為v(100)，這個(gè)狀態(tài)a 相下橋臂關(guān)斷，續(xù)流二極管d1 導(dǎo)通，電感內(nèi)的能量通過(guò)續(xù)流二極管d1、d2、d6 反饋到直流母線側(cè)，如圖3（b）所示。進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)v（110），b 相上橋臂v3 管導(dǎo)通，流過(guò)續(xù)流二極管d1 的電流一部分反饋回直流側(cè)，另一部分經(jīng)過(guò)v3 在b 相繞組中續(xù)流，如圖3（c）所示。當(dāng)進(jìn)入電壓零矢量v(111)狀態(tài)時(shí)，c 相上橋臂v5 管導(dǎo)通，續(xù)流二極管d2 截止，如圖3（d）。在v（000）和

5、v（111）狀態(tài)時(shí)三相繞組短接，由于反電動(dòng)勢(shì)存在，定子電感中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量增加，在v（100）和v（110）狀態(tài)時(shí)電機(jī)繞組通過(guò)續(xù)流二極管向直流側(cè)回饋能量，整個(gè)過(guò)程就是電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成直流母線側(cè)的電能。2 母線動(dòng)態(tài)切換對(duì)于電機(jī)控制影響的仿真與分析當(dāng)電梯處于能量再生回饋狀態(tài)，即轎廂反拖動(dòng) 上一頁(yè) 1 2 3 下一頁(yè)機(jī)，轎廂和配重的機(jī)械通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能。在電梯遇到特殊時(shí)段，比如公司電梯在下班時(shí)迎來(lái)乘客下樓高峰，電梯連續(xù)處于上行輕載狀態(tài)，下行重載狀態(tài)，機(jī)械能不間斷轉(zhuǎn)變成電能，這會(huì)使母線電壓驟升。傳統(tǒng)的處理方式是在母線上并聯(lián)接入可控的能耗電阻來(lái)消耗回饋的電能，本設(shè)計(jì)增加了超級(jí)電容通過(guò)雙向dcdc

6、 并連接到母線上作為儲(chǔ)能源來(lái)回收由逆變器回饋回來(lái)的電能。圖 4 母線端口示意圖電機(jī)運(yùn)行時(shí)，尤其運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，母線上各端口相互切換，母線電壓不斷變化會(huì)影響到電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，電梯速度的變化是最可以被電梯乘客直接感受到的，所以需要研究母線動(dòng)態(tài)切換對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。下面基于matlab/simulink，根據(jù)本設(shè)計(jì)各項(xiàng)實(shí)際參數(shù)建立仿真模型，并對(duì)母線動(dòng)態(tài)切換對(duì)于電機(jī)的影響進(jìn)行仿真。圖 5 是電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)下的仿真結(jié)果。電網(wǎng)線電壓200v，頻率50hz，經(jīng)過(guò)三相整流之后變?yōu)楹蓄l率為300hz 諧波，幅值為282v 的直流電壓，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，幅值有所下降。由于電流、轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]

7、有受到母線諧波的明顯影響。圖 6 電機(jī)發(fā)電，只接能耗電阻仿真結(jié)果當(dāng)電機(jī)一直處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，如果只接能耗電阻而不接雙向dcdc 和超級(jí)電容的儲(chǔ)能源，母線電壓隨著能量的積累而快速上升，當(dāng)上升到能耗電阻開啟電壓時(shí)，能耗電阻導(dǎo)通，母線電壓迅速下降至能耗電阻關(guān)斷電壓。如果能耗電阻開通關(guān)斷閾值設(shè)定很大（仿真中是100v），則速度有可能瞬間發(fā)生明顯變化，如圖6。圖 7 電機(jī)發(fā)電，接入能耗電阻和超級(jí)電容仿真結(jié)果同樣情況下通過(guò)雙向dcdc 接入超級(jí)電容儲(chǔ)能源，在超級(jí)電容沒(méi)有充滿電之前，仿真結(jié)果如圖7，電壓在超級(jí)電容充電門限值附近（超級(jí)電容在300v 時(shí)充電），變化平穩(wěn)，從而電機(jī)轉(zhuǎn)速也就沒(méi)有明顯變化。發(fā)電狀態(tài)下電

8、機(jī)電壓方程為：其中：電機(jī)反電勢(shì)e =s f ，當(dāng)不考慮溫度對(duì)永磁體供磁影響時(shí)，認(rèn)為 f 是恒定的，所以u(píng) 發(fā)生變化將引起定子電流和同步轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。由于電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，所以繞組電流對(duì)于u 變化的響應(yīng)迅速并且幅度小，而轉(zhuǎn)速對(duì)于u 變化的響應(yīng)慢并且幅度較大。設(shè)仿真結(jié)果圖5 中104rad/s 對(duì)應(yīng)電梯速度2m/s，則能耗電阻開通時(shí)的平均加速度應(yīng)為：明顯高于電梯行業(yè)的加速度標(biāo)準(zhǔn)6 0.5m / s2 a 1.5m/ s2，可見(jiàn)仿真中能耗電阻開通時(shí)明顯影響了電梯的舒適度。3 節(jié)能電梯控制方案可以通過(guò)以下兩點(diǎn)可以有效避免電機(jī)速度變化過(guò)大情況的出現(xiàn)：1能耗電阻閾值電壓不能過(guò)大；2系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試時(shí)，需要測(cè)試由于能耗電阻作用使母線電壓驟降時(shí)電機(jī)速度的變化情況。另外本設(shè)計(jì)中為了優(yōu)化電梯節(jié)能方案，有以下幾點(diǎn)原則：1.在電機(jī)及電機(jī)控制器可以正常工作情況下，不使用能耗電阻，以減小損耗；2.雙向dcdc 不接收來(lái)自電網(wǎng)的電能，這是由于雙向dcdc 的傳輸效率小于1 決定的；3超級(jí)電容中的能量要及時(shí)泄放，這是由于超級(jí)電容