节能电梯能量反馈仿真分析

1、节能电梯能量反馈仿真分析    摘 要：提高节能效率是近些年来电梯行业研究的热点。能够实现能量回馈节能控制的主电路拓扑有多种，本文针对其中一种在传统ac-dc-ac 结构中加入以双向dcdc 连接超级电容为储能源并连接于母线的拓扑进行matlab 仿真，讨论分析母线电压动态切换对于永磁同步电机运行的影响，指出母线动态切换是有可能影响到电梯舒适度的。最后给出避免的方法和经过优化的能量回馈控制方案。关键词： 永磁同步电机控制；节能电梯；能量回馈；matlab 仿真0 引言近年来，随着电梯行业竞争日趋激烈，仅仅是安全和舒适早已不能满足电梯用户的要求，环保和节能

2、已经成为新的主题1。传统电梯直接使用能耗电阻将由曳引电机回馈母线的能量转化成热能消耗掉，这样使大量可利用的能源浪费掉。目前电梯厂家和学者的研究集中在曳引传动方式、主电路拓扑、新技术新能源等方面2。将超级电容作为储能源，通过双向dcdc 与能耗电阻一起并联在母线上的拓扑结构，可以将从曳引电机回馈的能量首先存入超级电容，在电机处于电动状态时将能量释放掉，这样可以有效地减少能量消耗。本文从说明了能量回馈的微观原理，并着重从电梯舒适度的角度考虑，建立matlab/simulink 仿真模型，针对母线动态切换对电机速度的影响进行仿真和定性分析，得出问题存在的可能性并提出解决问题的方法，最后给出本设计中节

3、能电梯的控制方案，对实际项目的进行具有指导意义。1 能量回馈原理能量反馈的产生原因一般有两种3：一种是由主回路换相过程产生的瞬时浪涌高电压，这种能量反馈时间非常短，虽然可以瞬时产生高电压对开关功率器件造成破坏，但是在能量聚集角度却可以忽略不计，所以只需用合适的防浪涌电路加以抑制即可；第二种是由负载带动电机运转，也就是电机处于发电状态，电机反电势高与母线电压值，所以向母线回馈电能，这种情况可以使母线电压升高明显。下面是id = 0时永磁同步电机在电动和发电状态下的矢量图，相比较可以看出发电状态与电动状态的定子电流方向相反，即iq 反向。在整个过程中电机绕组中三相电流方向不变，考虑前一个给定矢量v

4、（100）时回路中的状态，则当给定为零矢量v(000)时， a 相下桥臂v4 管导通，并通过续流二极管d6、d2构成三相回路，如图3（a）所示，在此过程中，电机定子电阻消耗小部分能量，大部分的能量储存在三相定子电感中。此后给定电压矢量为v(100)，这个状态a 相下桥臂关断，续流二极管d1 导通，电感内的能量通过续流二极管d1、d2、d6 反馈到直流母线侧，如图3（b）所示。进入下一个状态v（110），b 相上桥臂v3 管导通，流过续流二极管d1 的电流一部分反馈回直流侧，另一部分经过v3 在b 相绕组中续流，如图3（c）所示。当进入电压零矢量v(111)状态时，c 相上桥臂v5 管导通，续流

5、二极管d2 截止，如图3（d）。在v（000）和v（111）状态时三相绕组短接，由于反电动势存在，定子电感中储存的磁场能量增加，在v（100）和v（110）状态时电机绕组通过续流二极管向直流侧回馈能量，整个过程就是电机转子的机械能转化成直流母线侧的电能。2 母线动态切换对于电机控制影响的仿真与分析当电梯处于能量再生回馈状态，即轿厢反拖动· 上一页· 1· 2· 3· 下一页        机，轿厢和配重的机械通过电机转变成电能。在电梯遇到特殊时段，比如公司电梯在下班

6、时迎来乘客下楼高峰，电梯连续处于上行轻载状态，下行重载状态，机械能不间断转变成电能，这会使母线电压骤升。传统的处理方式是在母线上并联接入可控的能耗电阻来消耗回馈的电能，本设计增加了超级电容通过双向dcdc 并连接到母线上作为储能源来回收由逆变器回馈回来的电能。图 4 母线端口示意图电机运行时，尤其运行在发电状态时，母线上各端口相互切换，母线电压不断变化会影响到电机的稳定运行，电梯速度的变化是最可以被电梯乘客直接感受到的，所以需要研究母线动态切换对电机转速的影响。下面基于matlab/simulink，根据本设计各项实际参数建立仿真模型，并对母线动态切换对于电机的影响进行仿真。图 5 是电机运行

7、在电动状态下的仿真结果。电网线电压200v，频率50hz，经过三相整流之后变为含有频率为300hz 谐波，幅值为282v 的直流电压，由于驱动电机运转，幅值有所下降。由于电流、转速的双闭环调节，电机转速没有受到母线谐波的明显影响。图 6 电机发电，只接能耗电阻仿真结果当电机一直处于发电状态时，如果只接能耗电阻而不接双向dcdc 和超级电容的储能源，母线电压随着能量的积累而快速上升，当上升到能耗电阻开启电压时，能耗电阻导通，母线电压迅速下降至能耗电阻关断电压。如果能耗电阻开通关断阈值设定很大（仿真中是100v），则速度有可能瞬间发生明显变化，如图6。图 7 电机发电，接入能耗电阻和超级电容仿真结

8、果同样情况下通过双向dcdc 接入超级电容储能源，在超级电容没有充满电之前，仿真结果如图7，电压在超级电容充电门限值附近（超级电容在300v 时充电），变化平稳，从而电机转速也就没有明显变化。发电状态下电机电压方程为：其中：电机反电势e =s f ，当不考虑温度对永磁体供磁影响时，认为 f 是恒定的，所以u 发生变化将引起定子电流和同步转速发生变化。由于电流环为内环，转速环为外环，所以绕组电流对于u 变化的响应迅速并且幅度小，而转速对于u 变化的响应慢并且幅度较大。设仿真结果图5 中104rad/s 对应电梯速度2m/s，则能耗电阻开通时的平均加速度应为：明显高于电梯行业的加速度标准6 0.5

9、m / s2 a 1.5m/ s2，可见仿真中能耗电阻开通时明显影响了电梯的舒适度。3 节能电梯控制方案可以通过以下两点可以有效避免电机速度变化过大情况的出现：1能耗电阻阈值电压不能过大；2系统闭环调试时，需要测试由于能耗电阻作用使母线电压骤降时电机速度的变化情况。另外本设计中为了优化电梯节能方案，有以下几点原则：1.在电机及电机控制器可以正常工作情况下，不使用能耗电阻，以减小损耗；2.双向dcdc 不接收来自电网的电能，这是由于双向dcdc 的传输效率小于1 决定的；3超级电容中的能量要及时泄放，这是由于超级电容容量过大会使成本大大增加7。根据以上原则确定节能电梯的控制方案为：1.测量母线电容电压，测量