用于电梯能量回馈数字设备的设计和运用
摘要
减少能源的消耗，是对解决能源危机问题和环境问题来说，非常重要的。在通常情况下，一台拥有二极管整流器的电梯，把能量浪费在了一个阻断的电阻器上发热，而这些能量来源于电力电梯的发出的能量。这篇文章提出了用于一个额定功率为18.5kW的电梯的能量回馈数字系统，这个系统可以循环使用电力电梯发出的能量：获得有接近单位的功率因素；正弦波的输出电流和在发电机操作状态下有较低的谐波失真。它具有可靠的保护电路，非常具有人工智能的接口，可以在一定程度上都可以设置的直流电压的反馈点，并且能够满足电力系统的电压的大范围变化。实际操作的结果有一个很好的表现，并且有一个很好的节约能量的效果。
关键字：能量保存；逆变器；电力电源
引言
在许多城市，随着对能量资源的需求越来越快，减少能量的消耗，是对解决能源危机问题和环境问题来说，非常重要的。现如今，大多数安装在电梯上的变频器都倾向于使用二极管整流器。它不能使功率反向溢流，并且再生的电力也只能由电阻器消耗掉。因此，在电梯的节能上存在着巨大的潜在市场。许多的业内人士也呼吁将使用能量高效的电梯纳入相关的法律和法规中。能量节省型的电梯的倡导使用有着很大的环境和社会的意义。
在最近的几年中，节约能量的电力仪器的发展已经对有效能量节约的措施需求，有了很大的响应。并且这儿有许多用于电梯节约能量的方法。其中最有效的方式就是使用能量存储系统，它具有一个双向的直流-直流转换器的充电放电的电路。使用一个超级电容容器作为 能量储存的设备。并且使用了一个电池包。这些方法不仅可以有效的把产生的电力能量存储起来，也可以在操作的时候释放出来。但是这些能量存储的器件都很昂贵，并且通常还有使用时间和可靠性的问题。矩阵转换器在上述[9]。它是可再生的，并且可以直接恢复再生的能源，并且线电流可以由具有单位功率因数控制并成为正弦波。然而，它需要比其它变换器更多的功率管。双极型脉宽调制（PWM）变换器系统工作在四象限内，并且具有最低的谐波和高的功率因素。然而它的消耗得太多了，并且它常常运用在高功率的场合。现在，在这个世界上，只有较少的公司具有这种产品，并且相关的文件也非常罕见。相比较于双极型PWM变换器，使用只有一个向功率提供通过的馈送剩余能量的逆变器，一般频率的变换器有许多优点：可以像再生能量的容量一样小的逆变器要比电梯电机要更小；高效性和逆变器一样高，这将会在电机工作在电机模式状态下运行时停止工作（双极型PWM变换器将一直工作着以维持持续的直流电压，无论在电机工作在电机工作状态还是在发电机工作状态）。事实上，当额外的逆变器连接或者断开电网时，与电网的同步必须时刻考虑到。因此，这似乎关系到更多的复杂的硬件运用和算法的控制。这篇文章提出了设计运用在一个标准电梯能量回馈的数字系统过程中的细节，包括了软件和硬件方面上的，相位和幅值的控制策略是基于DSP的；再生的电力能源将可以实时的高效的回馈到一个电力系统中去，在发电机工作状态下，保持着接近单位的功率因素和低的电流总谐波失真（THD）。相比较于现在事实在使用的类似的仪器，设计的数字一起有一些改进：直流电压的滞后控制可以避免在频率的开始和结束的时候；直流电压的滞后段和回馈点可以在一定的程度上任意的设定；这个仪器将会追踪电网的频率，并且符合它小范围的波动；其中第三方的危害器件已经植入到调制波中，符合了电网电压的大范围波动；并且在这个仪器中设计的相位方向的功能对实际的应用中也有很大的帮助。实验和实际操作的结果有一个很好的表现，并且有一个很好的节约能量的效果。
能量回馈数字装置
2.1 主电路
图一展示了一个连接了频率变换器回馈器件的主电路架构，它主要包含了由六个IGBT（V1-V6）构成的三相逆变桥，还有一个电感，一个交流接触器，还有一个电解电容器，以及一些外围电路。三相全桥逆变器是回馈仪器的核心，将再生的能量反向的从直流主线上送到能源电网中。过电流和过温度保护电路对于保护功率管是有必要的。经过逆变器之间连接的电容的过滤作用，能源电网减少了高次谐波的幅值，并且确保了好的有可能对能源电网造成危害影响的电流波形。当回馈仪器上的短路电路作用的时候，保险丝将会切断直流总线。二极管在直流总线中是重要的。它可以阻止能源从电网中经过回馈器件流向直流总线。
图 1
回馈装置的操作过程如下所述。在控制器电源打开之后，测量的交流电压和直流电压的值分别与事先设置好的值相比较。如果两者都满足回馈的条件（通常在一定情况下），直流接触器将会被打开。当电梯在发电机工作状态的时候，6个功率器件将全部关闭，并且三相全桥逆变器也将停止工作。当电梯工作在发电机状态的时候，直流总线的电压将会上升，并且电解电容器（C1和C2）上的电压会同时升高。如果直流总线上的电压达到了设定值的最大值限制的时候，三相全桥逆变器开始工作，并且将再生的能量反方向的送到能源电网中，因此直流总线上电压将会减小。如果直流总线上的电压低于设定值的最低限制的时候，三相全桥逆变器将停止工作。这就以为着回馈装置只有在电梯工作在发电机状态的时候才工作并且在电梯在电动机状态或者停止状态时停止工作。
为了不影响电梯的正常使用，也不损坏其它系统，回馈系统应该在过电流或者其它错误的时候与电网分离。因此，交流接触器很有必要切除装置与电网之间的连接，从而防止能源系统侧的扩张失败。同步信号是重要的，并且无论在装置是正常或者错误的状态时一直都是正确而且稳定的。否则，回馈装置的频率和输出电压的相位将不正常。这将会在下面的部分讨论到。
图 2
图 3
2.2 控制器和周边电路
图2展示了本文提出来的回馈数字器件的控制器和周边电路。硬件系统包括一个5伏-12伏的直流供应电源，一个DSP单元板，普通的I/O口，取样电路，一个交流-直流逆变电路，一个同步单元，保护电路，一个IGBT控制单元，一个键盘，一个展示单元，一个交互单元，等等。
用在这个装置上的DSP型号是TMS320F2812，有最大过程速度为150MHz，还有达到16个PWM输出口。它非常适用于电力电能的转换和电机控制这样的领域。根据相位和幅值的控制策略，DSP实时地计算着采样值，得到调制比和调制角度。然后，DSP通过PWM单元在每个载波周期发出6个PWM脉冲。这个脉冲应该与电网电压同步，如图3所示。
在图3（a）中，t秒延时（后面成为t延时）是同步电路发出的同步信号落后于电网电压的时间，而是第一个脉冲落后于同步信号。回馈装置将实时的改变从而得到一个统一的功率因素，而也将随着t延时而改变。因此t延时范围的变动必须尽可能的小，否则，它将造成输出电压的急剧的相位波动甚至是不稳定。因此，一个好的同步电路的设计是非常重要的。同步电路的概要在此篇文中的图3（b）中，在线电压Uca下降到低电压的地方；在经过RC滤波器和与零电压比较后，它变成一个方波，并经过一个施密特触发器后进入DSP中。
相位和幅值的控制策略满足大多数国内运用的需求，并且它也容易实现。图4展示了相位和幅值控制策略的原理，并且所有的参数都是用相量来表示的。Ea是电网电压，Ua是回馈装置的输出电压，U La是电感电压，Ia是回馈电流。从相关的电路中，可以很容易看到，如果U La是垂直于Ea的，Ia将和Ea在同一方向上，然后功率因素将接近于1。这将通过调整Ua来达到，包括调整Ua的大小和角度。
图 4
2.3 装置的设计
图5展示了设计的能量回馈装置的3D模型。为了得到好的外观和减少电磁干扰（EMI），有一个电磁吸收装置是有必要的，并且每个元件都应该位于合理的位置。通常情况下，当中继接触器和交流接触器都打开或者关断的时候，它们将通过电源线产生干扰并且可能造成保护电路和DSP的误操作。因此一个正确的吸收电路像RC电路是需要的。为了提高对干扰的免疫能力，一个共模感应器和XY电容器应该很小心的在5伏-12伏的电源中使用。
图 5
三相全桥逆变器用在这个装置中就是一个有6个功率器件的智能功率模块（IPM）。由于电网电压是380V，那么额定的IPM电压就是1200V，并且额定电流可以由下式决定
这儿的是使用在电梯中电机的再生功率的额定功率和比例系数，它通常是三分之一。是IPM电流的安全余量，通常设定为1.5-2.0之间。是能源电网电压，是装置的额定电流，是它的效率，是功率因素角。
这里有两条设计并联感应滤波器的规则：一条是感应器上的电压应该低于电网电压的百分之十五。如下
另外一个就是主要的谐波应该低于5%的基准电流，式子如下
是主要谐波的最大值，E是电网电压，是逆变器的基准电流，是装置的额定功率，而为5%。可以由一下派生
逆变器的谐波电流是
此处的占空比，是开关的频率，是修正系数。
通常情况下开关频率要比能源电网的频率要大不少，所以占空比应该是
将下式带入上式中，谐波幅值可以表示为
当
而
最后L的范围为
装置确切的需要一个散热器。散热片散去的温度根据经验公式来
是散热器的热阻，A是它表面面积，是功率模块消耗的功率
图 6
图6是流程图。图（a）是主程序，图（b）是PWM的子程序，图（c）是PDP中断子程序。
由功率模块的温度，功率损耗和热电阻决定。如下式
是功率模块的绝对温度，是周围的温度。散热器的表面积由上式派生，从而就可以选择一个合适的散热器。
2.4 程序设计
程序包括主程序，PWM子程序，电源驱动保护中断程序（PDP），和同步时间中断程序。主程序的流程图展示在图6（a）中。
在初始化之后，程序会扫描键盘并判断键盘是否操作。如果操作了，程序进入参数修改状态，而一些参数像回馈电压点，包括上限、下限值都可以修改。然后中断计时器1和PDP均确认。程序在任何时间都将等待进入循环并且直到相位确认正确声明。
PWM子程序讲一直循环执行，在每个循环中，子程序将完成以下任务：显示一些参数，像直流电压，能源电网电压，电流，调制比，功率角等等，在四个七段数码器中显示。更新计时器1的循环；采样和计算直流电压的有效值，能源电网电压，回馈电流；通过幅值和相位控制策略产生调制比和功率角；计算PWM脉冲的宽度，更新DSP中的比较寄存器；通过RS232与寄主电脑交互，发送实时运行数据并保存起来。
计时器1在每个功率频率中断；在PWM子程序中读取现在的计时器1值后从而计算新的计时器1循环，计时器1和计时器2都被清零，并且一个新的功率频率开始了。
在能量回馈装置在错误的状态完成了错误的过程，PDP中断子程序工作，就像过电流和过温度一样。当错误发生的时候，错误信号使PDP中断，然后连接器将断开，回馈装置将停止工作，一些参数，例如直流电压，能源电网电压，回馈电流，调制比和角等，将会立即保存在电可擦出只读存储器中。这些数据在以后的数据分析中非常有用。
PWM子程序将在一次载波周期中执行。在这篇文章中，载波周期为243.9微秒，因此执行PWM子程序的时间必须要少于243.9微秒，否则它将出现严重的错误。
实验和结果
3.1 实验参数
根据前面的分析，能量回馈装置是用于18.5kW的电梯。
表1展示了主要元素的实际值。
表2展示了测试时的参数。实际上能源电网的电压可能不会改变，但是实验的结果显示在电网电压从360V变到440V时装置能够工作正常。开关的频率可能更高些，这样以便减小它的电感和体积，但是IPM和散热器的消耗功率可能会增加。由于电梯有时候会停止工作或者没有处于发电机工作状态，回馈装置就不会一直工作额定电流下。因此，风扇就不必一直保持着工作状态。在这篇文章中，风扇将在IPM的温度超过65摄氏度时开始工作，在温度低于55摄氏度时停止工作。
图 7
图表 1
图表 2
3.2 实验接线
图8展示了在实验室的实验接线。这里有两个自耦变压器。T1连接着电网和二极管整流器，发出可调整的直流电源。T2连接着电网和回馈装置的输出端。
回馈向电网的功率可以表示为
因此电梯的再生能源可以通过改变来仿真实现，而其输出为T1。当通过T1改变时，回馈到电网中的功率同样也将改变。T2是用来仿真能源电网电压改变的。是能量回馈装置的输出电压，并且它通过T2转换为电网电压。
图 8
3.3 实验结果
此次实验包括稳态和动态测试。稳态测试是在回馈电流为25A时稳定的表现下进行的，而动态测试是在装置开始工作而回馈电流还没有达到额定电流时动态表现下进行的。当能源电网的电压是700V时，回馈电压就分别设置在650，680，和700V，稳态和动态的测试结果展示在图9中。图中左半部是稳态时的事的线电压CH3，还有回馈电流CH4，右部分则是动态时直流总线电压CH3和回馈电流CH4。
图 9
图 10
当回馈电压设置成680V时而电网电压为360，400，和440的时候，稳态和动态的测试结果如图10所示。
图 11
图 12
额定操作的实验数据（25A，380Vac；680Vdc）均放入MATLAB中分析了。结果显示回馈电流的THD为3.46%，如图11所示，动态响应大概在12.5毫秒。
然而，当回馈电流小于额定值的时候，THD可能超过5%。这种情况发生在再生能源很小。图
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