基于諧振恒流充電的電梯應急電源設計

邱 銓，劉 俊，魏 銘

（深圳福田供電局，廣東 深圳 518000）

0 引 言

新型蓄能器件超級電容器既具有靜電電容器的高放電功率優(yōu)點，又如電池一樣具有較大電荷儲存能力，具有充放電循環(huán)壽命長、功率密度大、高溫性能好、容量配置靈活等特點，是理想的綠色環(huán)保電源。目前，國內(nèi)外對它的應用進行了廣泛研究，而利用超級電容器優(yōu)異的蓄能和釋放功能組成的各類拖動裝置中的能源再生混合供電系統(tǒng)，具有非常廣泛的應用前景[1]。

電梯作為一種在運動過程中不斷吸收和釋放能源的電力拖動裝置，對安全、可靠運行要求極高。超級電容器的出現(xiàn)，為它提供了一種綠色、安全的新型供電方式。本文以電梯的綠色、安全運行為目標，構建了一種能進行能源再生回收，將電梯運行中的能量轉(zhuǎn)化為超級電容器中的電能進行儲存，并作為電梯運行過程中的后備保護動力電源的混合動力系統(tǒng)，在不增加額外能源（如自備發(fā)電機、大型蓄電池等）的情況下，對電梯的運行提供更加安全的保障。

1 系統(tǒng)構成及工作原理

電梯智能應急電源系統(tǒng)包括電梯節(jié)能單元和電梯安全輔助單元[2]。如圖1所示，整個系統(tǒng)連接于變頻器整流單元和變頻器逆變單元之間。電梯節(jié)能單元由超級電容器模塊和雙向DC-DC模塊組成。其中，雙向DC-DC模塊的低壓側(cè)與超級電容器模塊連接，雙向DC-DC模塊的高壓側(cè)與變頻器整流單元直流側(cè)連接[3]。電梯安全輔助單元的主要構成為逆變模塊。其中，逆變模塊的直流側(cè)與電梯節(jié)能單元的雙向DC-DC模塊的高壓側(cè)連接，逆變模塊的交流側(cè)與電梯負荷相連[4]。

圖1 智能應急電源系統(tǒng)結構圖

當電梯外網(wǎng)電源正常時，電梯控制系統(tǒng)控制電梯門機系統(tǒng)和制動系統(tǒng)正常工作，并通過變頻器變頻驅(qū)動電梯正常運行；當電梯的轎廂側(cè)與對重側(cè)中質(zhì)量較大的一側(cè)處于下降運行時，變頻器的逆變單元處于制動狀態(tài)，這時變頻器直流端母線電壓上升，電梯節(jié)能單元的雙向DC-DC模塊啟動充電功能，將該制動狀態(tài)中的能量存儲到超級電容器中；在電梯的轎廂側(cè)與對重側(cè)中質(zhì)量較大的一側(cè)處于上升運行時，啟動電梯節(jié)能單元的雙向DC-DC模塊放電功能，將超級電容器中的能量通過變頻器直流端釋放用于驅(qū)動電梯。當系統(tǒng)電源發(fā)生不可期的故障且達到重合閘一次后，電梯節(jié)能單元與安全輔助單元同時啟動，電梯節(jié)能單元啟動雙向DC-DC模塊放電功能維持變頻器直流端電壓穩(wěn)定不下降，安全輔助單元逆變模塊為電梯負荷提供穩(wěn)定持續(xù)電源，確保電梯的門機系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等正常工作，使轎廂?？吭诰徒綄游恢们冶３衷陂_門狀態(tài)。

2 恒流充電主電路設計

可設計負載電容C為1 000 μF，充電電壓VT為450 V，充滿時間為80 s，則滿足平均充電功率為：

假設電容器濾波后的脈動電壓的平均值為300 V，逆變器電路和輸出整流器電路的總效率為0.85，則逆變器電路的平均輸入電流為：

整流橋設計選取50 Hz整流二極管時，主要需要考慮的參數(shù)如下。

（1）二極管的額定電壓VRR應小于二極管的反向擊穿電壓。

（2）額定發(fā)熱所允許的正弦半波電流平均值即是二極管的額定電流IFR。

（4）主回路的諧振頻率為40 kHz，因為確定了充電電源工作在DCM模式下，開關器件可實現(xiàn)零電流開關從而降低開關損耗、提高工作效率。考慮到充電電源的體積小、充電精度高等需求，最終選擇開關器件的工作頻率fs為15 kHz。

（5）在設計串聯(lián)諧振逆變器時，計算諧振電流峰值、諧振周期、諧振電感、電容尺寸和開關頻率等。

當充電時間為80 s時，充電電源的平均充電電流必須滿足：

綜上所述，選取諧振電容Cr=0.7μF和諧振電感Lr=22.6μH。由于Lr的值較小，可以用漆包線繞制成空心線圈制作，繞制的形狀和匝數(shù)可以參考變壓器的相關資料；將其并聯(lián)多只容量較小的材質(zhì)為聚丙烯薄膜的電容器，以滿足諧振電路中的諧振電容Cr耐電壓和耐峰值電流的要求。

3 恒流充電仿真分析

根據(jù)計算分析，這里采用Pspice電路仿真軟件對充電電源的主要波形進行仿真，以驗證電路原理的正確性和元件參數(shù)選取的合理性。首先，用OrCAD Capture搭建電路的基本模型，如圖2所示。選擇VDC=500 V直流電源，用VPULSE方波輸入作為IGBT的電壓型驅(qū)動，驅(qū)動脈沖信號脈寬PW設為16.3 μs，滿足T0/2＜PW＜T0；諧振電容取0.7 μF，諧振電感取22.6 μH；從元件庫中選取線形變壓器XFRM_LINEAR，其中L1、L2分別是變壓器原邊、副邊的電感值。

仿真出充電過程開始后0.5 ms內(nèi)諧振電流的波形，仿真結果如圖3所示?？梢郧逦闯?，諧振周期為25 μs，初始充電時的諧振電流峰值為132 A左右，與計算結果一致。

因電容容量較大，充電時間較長，仿真計算量太大，因此在充電電壓仿真時，將實際的電容量改為0.022 μF進行仿真，仿真得到的電壓波形如圖4所示。

圖2 串聯(lián)諧振充電電源PSPICE仿真原理圖

圖3 充電初始時的諧振電流波形

圖4 超級電容充電電壓波形

4 結 論

本文成功構建了一種綠色、安全的電梯混合動力系統(tǒng)，不增加額外能源，對電梯的運行提供了更加安全的保障，具有較強的實用價值。通過理論計算和仿真分析，確定了應急電源供電部分的參數(shù)。電梯電源充電速度快，采用軟開關技術能夠有效降低開關損耗，且拓撲結構具有短路保護能力，可作為電梯運行的應急備用電源，也可作為柴油發(fā)電機、蓄電池的理想替代裝置。