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)能效率是近些年來電梯行業(yè)研究的熱點。能夠?qū)崿F(xiàn)能量回饋節(jié)能控制的主電路拓撲有多種，本文針對其中一種在傳統(tǒng)ac-dc-ac 結(jié)構(gòu)中加入以雙向dcdc 連接超級電容為儲能源并連接于母線的拓撲進行matlab 仿真，討論分析母線電壓動態(tài)切換對于永磁同步電機運行的影響，指出母線動態(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)過優(yōu)化的能量回饋控制方案。關(guān)鍵詞： 永磁同步電機控制；節(jié)能電梯；能量回饋；matlab 仿真0 引言近年來，隨著電梯行業(yè)競爭日趨激烈，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掉。目前電梯廠家和學(xué)者的研究集中在曳引傳動方式、主電路拓撲、新技術(shù)新能源等方面2。將超級電容作為儲能源，通過雙向dcdc 與能耗電阻一起并聯(lián)在母線上的拓撲結(jié)構(gòu)，可以將從曳引電機回饋的能量首先存入超級電容，在電機處于電動狀態(tài)時將能量釋放掉，這樣可以有效地減少能量消耗。本文從說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，針對母線動態(tài)切換對電機速度的影響進行仿真和定性分析，得出問題存在的可能性并提出解決問題的方法，最后給出本設(shè)計中節(jié)能電梯的控制方案，對實際項目的進行具有指導(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程產(chǎn)生的瞬時浪涌高電壓，這種能量反饋時間非常短，雖然可以瞬時產(chǎn)生高電壓對開關(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，所以只需用合適的防浪涌電路加以抑制即可；第二種是由負載帶動電機運轉(zhuǎn)，也就是電機處于發(fā)電狀態(tài)，電機反電勢高與母線電壓值，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時永磁同步電機在電動和發(fā)電狀態(tài)下的矢量圖，相比較可以看出發(fā)電狀態(tài)與電動狀態(tài)的定子電流方向相反，即iq 反向。在整個過程中電機繞組中三相電流方向不變，考慮前一個給定矢量v（100）時回路中的狀態(tài)，則當給定為零矢量v(0

4、00)時， a 相下橋臂v4 管導(dǎo)通，并通過續(xù)流二極管d6、d2構(gòu)成三相回路，如圖3（a）所示，在此過程中，電機定子電阻消耗小部分能量，大部分的能量儲存在三相定子電感中。此后給定電壓矢量為v(100)，這個狀態(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。進入下一個狀態(tài)v（110），b 相上橋臂v3 管導(dǎo)通，流過續(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v3 在b 相繞組中續(xù)流，如圖3（c）所示。當進入電壓零矢量v(111)狀態(tài)時，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)時三相繞組短接，由于反電動勢存在，定子電感中儲存的磁場能量增加，在v（100）和v（110）狀態(tài)時電機繞組通過續(xù)流二極管向直流側(cè)回饋能量，整個過程就是電機轉(zhuǎn)子的機械能轉(zhuǎn)化成直流母線側(cè)的電能。2 母線動態(tài)切換對于電機控制影響的仿真與分析當電梯處于能量再生回饋狀態(tài)，即轎廂反拖動 上一頁 1 2 3 下一頁機，轎廂和配重的機械通過電機轉(zhuǎn)變成電能。在電梯遇到特殊時段，比如公司電梯在下班時迎來乘客下樓高峰，電梯連續(xù)處于上行輕載狀態(tài)，下行重載狀態(tài)，機械能不間斷轉(zhuǎn)變成電能，這會使母線電壓驟升。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消耗回饋的電能，本設(shè)計增加了超級電容通過雙向dcdc

6、 并連接到母線上作為儲能源來回收由逆變器回饋回來的電能。圖 4 母線端口示意圖電機運行時，尤其運行在發(fā)電狀態(tài)時，母線上各端口相互切換，母線電壓不斷變化會影響到電機的穩(wěn)定運行，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態(tài)切換對電機轉(zhuǎn)速的影響。下面基于matlab/simulink，根據(jù)本設(shè)計各項實際參數(shù)建立仿真模型，并對母線動態(tài)切換對于電機的影響進行仿真。圖 5 是電機運行在電動狀態(tài)下的仿真結(jié)果。電網(wǎng)線電壓200v，頻率50hz，經(jīng)過三相整流之后變?yōu)楹蓄l率為300hz 諧波，幅值為282v 的直流電壓，由于驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，幅值有所下降。由于電流、轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，電機轉(zhuǎn)速沒

7、有受到母線諧波的明顯影響。圖 6 電機發(fā)電，只接能耗電阻仿真結(jié)果當電機一直處于發(fā)電狀態(tài)時，如果只接能耗電阻而不接雙向dcdc 和超級電容的儲能源，母線電壓隨著能量的積累而快速上升，當上升到能耗電阻開啟電壓時，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 電機發(fā)電，接入能耗電阻和超級電容仿真結(jié)果同樣情況下通過雙向dcdc 接入超級電容儲能源，在超級電容沒有充滿電之前，仿真結(jié)果如圖7，電壓在超級電容充電門限值附近（超級電容在300v 時充電），變化平穩(wěn)，從而電機轉(zhuǎn)速也就沒有明顯變化。發(fā)電狀態(tài)下電

8、機電壓方程為：其中：電機反電勢e =s f ，當不考慮溫度對永磁體供磁影響時，認為 f 是恒定的，所以u 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)，所以繞組電流對于u 變化的響應(yīng)迅速并且幅度小，而轉(zhuǎn)速對于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 對應(yīng)電梯速度2m/s，則能耗電阻開通時的平均加速度應(yīng)為：明顯高于電梯行業(yè)的加速度標準6 0.5m / s2 a 1.5m/ s2，可見仿真中能耗電阻開通時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以下兩點可以有效避免電機速度變化過大情況的出現(xiàn)：1能耗電阻閾值電壓不能過大；2系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試時，需要測試由于能耗電阻作用使母線電壓驟降時電機速度的變化情況。另外本設(shè)計中為了優(yōu)化電梯節(jié)能方案，有以下幾點原則：1.在電機及電機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超級電容中的能量要及時泄放，這是由于超級電容