基于PWM整流器的電梯能饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真?

劉 航 郎寶華

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021）

1 引言

當(dāng)前社會(huì)迫切倡導(dǎo)節(jié)能減排，開(kāi)發(fā)綠色能源，提高能源利用率。電梯作為重要的運(yùn)輸工具，其數(shù)量與日俱增，消耗大量的電能，傳統(tǒng)電梯由變頻器、電機(jī)和負(fù)載轎廂組成。由于負(fù)載和傳送方向的變化，電梯電機(jī)將工作在發(fā)電狀態(tài)和電動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；而工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)通過(guò)逆變器將電能傳輸?shù)街绷髂妇€側(cè)，使得直流母線電壓升高，傳統(tǒng)電梯的網(wǎng)側(cè)整流器采用的是不可控器件，直流母線上的電能無(wú)法回饋到電網(wǎng)，對(duì)于這部分電能，傳統(tǒng)電梯采用在直流母線側(cè)并聯(lián)能耗電阻，以熱能的形式釋放。這種方式電能利用率低，浪費(fèi)電能，而且釋放的熱量使得機(jī)房溫度過(guò)高，容易引發(fā)故障。

針對(duì)傳統(tǒng)電梯采用的不可控整流器無(wú)法向電網(wǎng)回饋電能，本文采用可控的三相電壓型PWM整流器，其可在整流和逆變之間切換，將電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能通過(guò)逆變回饋到電網(wǎng)，供周?chē)秒娫O(shè)備再次利用，起到節(jié)能減排的作用。

2 電梯能饋裝置原理

電梯分為轎廂、拽引電機(jī)和配重三部分，根據(jù)轎廂和配重的質(zhì)量關(guān)系，可分為重載上行、重載下行，輕載上行和輕載下行。重載上行和輕載下行時(shí)，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，電梯從電網(wǎng)吸收電能；當(dāng)重載下行和輕載上行時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。如前文所述的能量不能回饋的問(wèn)題，本文采取雙PWM變頻器予以解決［1］。

2.1 電梯雙PWM變頻器工作原理

如圖1所示，電梯雙PWM變頻器系統(tǒng)分為前級(jí)能量回饋部分和后級(jí)交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收電能。當(dāng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，將電能經(jīng)逆變器回饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)［2］。

圖1 PWM變頻器結(jié)構(gòu)圖

2.2 PWM整流器數(shù)學(xué)模型

假設(shè)電網(wǎng)電壓三相平衡，由基爾霍夫電壓定律得三相電壓型PWM整流器的矢量表達(dá)式為［3］

式（1）中，Es為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)；Is為交流測(cè)電流；Vr為交流測(cè)電壓矢；L為濾波電感；R為等效電阻。

為控制簡(jiǎn)單，將原三相靜止坐標(biāo)系下的變量經(jīng)（a，b，c）→（d，q）轉(zhuǎn)換到與電網(wǎng)基波頻率同步的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。

變換后三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型為

式中ed、eq為電壓矢量，id、iq為電流矢量。

2.3 雙閉環(huán)控制

在PWM整流器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。本文采取直接電流控制策略，其中，電壓外環(huán)直流母線電壓與參考值的偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)做電流內(nèi)環(huán)給定有功電流id*。經(jīng)電壓電流調(diào)節(jié)后，再經(jīng)過(guò)電壓空間矢量調(diào)制，即可得到主電路上前級(jí)PWM逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制［4～5］，如圖2所示。

圖2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.4 空間矢量調(diào)制

SVPWM（空間矢量調(diào)制）的電壓矢量是由圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上與某一扇區(qū)相鄰的空間矢量合成，如圖3所示，在復(fù)平面上，通過(guò)不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)構(gòu)成8個(gè)空間矢量來(lái)合成電壓矢量，形成SVPWM波［6］。

2.5 雙閉環(huán)PI參數(shù)的整定

為了得到良好的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，降低系統(tǒng)誤差，需對(duì)系統(tǒng)的PI參數(shù)做進(jìn)一步的整定，本系統(tǒng)采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，需對(duì)電壓和電流環(huán)的PI參數(shù)進(jìn)行配置［7］。

圖3 空間電壓矢量調(diào)制圖

2.5.1 電流環(huán)PI參數(shù)的配置

由于兩閉環(huán)電流的對(duì)稱性，本文以id為例，對(duì)電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。為了濾除直流電壓中的二次諧波，添加一個(gè)一階的低通濾波器，其傳遞函數(shù)為

PWM逆變器的置后時(shí)間記為T(mén)s，放大系數(shù)記為KPWM，假定電流有功分量和無(wú)功分量完全解耦，互不影響，且在計(jì)算電流環(huán)參數(shù)時(shí)，不考慮網(wǎng)側(cè)電壓，則電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

為加快響應(yīng)速度，簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)，且由于Tf較小，可將兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并為一個(gè)環(huán)節(jié)，即開(kāi)環(huán)傳函簡(jiǎn)化為

由圖可得，電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

電流內(nèi)環(huán)較小慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)Ti＜＜RC，可忽略不計(jì)，系統(tǒng)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從而求得整定關(guān)系：

將系統(tǒng)中的電感值L，等效電阻R，PWM整流器放大倍數(shù)Kpwm，時(shí)間常數(shù)Ts代入式（6），便可求出電流環(huán) PI參數(shù) Kip，KiI。

2.5.2 電壓環(huán)PI參數(shù)的配置

電壓環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓外環(huán)維持直流母線電壓的穩(wěn)定，與參考電壓求偏差后作為電流內(nèi)環(huán)的給定；而電流內(nèi)環(huán)則起到功率因數(shù)調(diào)節(jié)和抑制諧波的作用。首先就要確定有功電流和直流母線電壓的關(guān)系［8］。

三相電壓型PWM整流器直流側(cè)電流可表示為

開(kāi)關(guān)函數(shù)Sa、Sb、Sc表示成僅含基波分量的表達(dá)式為

其中m為PWM的調(diào)制比。

三相輸入電流表達(dá)式為

結(jié)合以上式（7）、（8）、（9）可得：

由于m＜1，所以可將增益最大化，即

根據(jù)以上分析，得到電壓環(huán)控制框圖如圖5所示。

圖5 電壓環(huán)控制框圖

所以，電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

系統(tǒng)按典型二型整定，得電壓的PI參數(shù)為

只需將對(duì)應(yīng)的直流母線上電容值，電壓采集延時(shí)時(shí)間Tvs，Ts代入式（12），便可求出電壓環(huán)PI參數(shù)［9］。

計(jì)算法求得的PI值一般來(lái)說(shuō)符合理想狀態(tài)下的要求，因此，需根據(jù)實(shí)際波形，對(duì)PI參數(shù)做進(jìn)一步調(diào)整。

3 系統(tǒng)仿真

根據(jù)本文所采用的方法，運(yùn)用Matlab/SIMULINK對(duì)系統(tǒng)的前級(jí)的能饋系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證能量的雙向流動(dòng)性。仿真主要包括三相電網(wǎng)模塊、濾波電感、電壓電流檢測(cè)模塊、三相整流橋、直流母線側(cè)電容（用恒定電壓源代替）、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、SVPWM調(diào)制模塊等。仿真參數(shù)如下：電源電壓頻率為50Hz，幅值為220√2，濾波電感為5mH，等效電阻為0.3Ω，直流側(cè)給定電壓設(shè)為700V，綜合以上，基于PWM整流器的電梯能量回饋系統(tǒng)的仿真如下：當(dāng)直流母線電壓大于給定值時(shí)，逆變系統(tǒng)開(kāi)始工作，將直流母線上的電能逆變?yōu)榻涣麟娀仞伒诫娋W(wǎng)中。圖6為整個(gè)系統(tǒng)的仿真。

以下是對(duì)系統(tǒng)仿真各個(gè)部分功能介紹：

圖6 系統(tǒng)仿真圖

1）相位采集及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊。

圖7 三相鎖相環(huán)

圖8 （a，b，c）轉(zhuǎn)（d，q）模塊

為保證逆變回饋的電壓電流與網(wǎng)側(cè)保持同頻同相［10］，需采集網(wǎng)側(cè)電壓、電流及相位，如圖7所示。得到在三相靜止坐標(biāo)系（a，b，c）下的電壓ea，eb，ec和電流 ia，ib，為控制簡(jiǎn)單，將原三相靜止坐標(biāo)系下的變量經(jīng)（a，b，c）→（d，q）轉(zhuǎn)換到與電網(wǎng)基波頻率同步的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，其變量的d、q分量都是直流量。如圖8所示。規(guī)定d軸與Es的矢量方向相同，q軸超前d軸90°，其變換矩陣C3-2為

式中ω為電網(wǎng)角頻率。

2）PI控制模塊

以電壓環(huán)為例，圖9中輸入（Error）為直流母線側(cè)電壓與給定參考值所求的偏差，作為電壓環(huán)的給定Id*，輸出Out為有功電流Id。

圖9 PI控制模塊

3）空間矢量調(diào)制模塊

通過(guò)坐標(biāo)變換將電壓矢量變換到兩相靜止坐標(biāo)系（α，β）下，由［11］：

經(jīng)過(guò)變換后的電壓矢量Vr*在坐標(biāo)系（α，β）下的分量為Vα，Vβ。

為合成電壓矢量Vr*，以扇區(qū)1為例，需確定矢量作用時(shí)間T1，T2，T0。按照伏秒平衡原則有：

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)了過(guò)飽和現(xiàn)象，即T1與T2之和大于Ts時(shí)此時(shí)，需對(duì)式（19）進(jìn)行處理。令：

至此，求得新的T1、T2、T0。在得到扇區(qū)號(hào)以及相應(yīng)的矢量作用時(shí)間后，就可以合成SVPWM波。SVPWM波合成模塊如圖10所示，其中包括判斷電壓矢量所在扇區(qū)、各矢量作用時(shí)間以及開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間三部分。

圖10 SVPWM合成模塊

4）雙閉環(huán)控制部分

實(shí)現(xiàn)PWM整流器的控制，首先需對(duì)電網(wǎng)電流、電壓，包括其幅值和相位進(jìn)行采樣，得到在三相靜止坐標(biāo)系（a，b，c）下的電壓ea，eb，ec和電流ia，ib，ic，再經(jīng)過(guò)變換，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d，q）下的電壓ed、eq和電流 id、iq。對(duì) id，iq進(jìn)行解耦［12～13］，其中電壓外環(huán)直流母線電壓與參考值的偏差作為電流內(nèi)環(huán)的給定，當(dāng)母線電壓大于參考值，啟動(dòng)逆變，所得偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)做電流內(nèi)環(huán)給定有功電流id*，無(wú)功分量iq*主要是改變功率因數(shù)，令其為0可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。經(jīng)電壓電流調(diào)節(jié)后，將得到的交流側(cè)電壓矢量Vr*經(jīng)坐標(biāo)變換到兩相靜止坐標(biāo)系（α，β）下，再經(jīng)過(guò)電壓空間矢量調(diào)制，即可得到主電路上前級(jí)PWM逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，完成系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制。

圖11 直流母線側(cè)電壓為750V時(shí)，網(wǎng)側(cè)A相電壓電流波形

圖12 直流母線側(cè)電壓為800V時(shí)，網(wǎng)側(cè)A相電壓電流波形

圖13 從逆變臨界點(diǎn)到啟動(dòng)逆變，網(wǎng)側(cè)A相電壓電流波形

仿真波形如圖（11）、（12）、（13）所示。

由圖可知，電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，電流經(jīng)過(guò)短暫波動(dòng)后與網(wǎng)側(cè)電壓基本達(dá)到同頻同相，圖（11）和圖（12）表明電壓幅值不變電流幅值隨著直流母線電壓的增大而增大，由圖（13）［14］開(kāi)始直流母線側(cè)電壓值與給定值相等，在0.045s處將直流側(cè)電壓置為800V，表明當(dāng)直流側(cè)電壓滿足逆變條件時(shí)，系統(tǒng)迅速啟動(dòng)逆變，符合并網(wǎng)條件，證明電能是可雙向流動(dòng)的，當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電能從電機(jī)流向電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電梯能量的回饋。

4 結(jié)語(yǔ)

電梯作為重要的運(yùn)輸工具，有著廣泛的應(yīng)用，因此提高電梯電能的重復(fù)利用符合節(jié)能減排的號(hào)召［15］。本文從電梯的工作原理出發(fā)，分析了傳統(tǒng)電梯在電能重復(fù)利用方面的局限性，而采用前后級(jí)均為PWM整流器構(gòu)成的雙PWM變頻系統(tǒng)，能夠?qū)⒅绷髂妇€上的泵升電能逆變回饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了電能的重復(fù)利用，而前級(jí)的PWM逆變器采用空間電壓矢量調(diào)制，減少了開(kāi)關(guān)損耗，提高傳輸效率，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。搭建Matlab/SIMULINK的仿真模型，驗(yàn)證了能量雙向傳輸?shù)目尚行浴?/p>