Koordinierte Steuerung des Dual-PWM-Wandlers für Aufzugsantriebe

Theoretische Analysen und experimentelle Ergebnisse von dualen PWM-Wandlern werden untersucht.

von Han Shuang, Zheng Jiong, Luo Zhiqun und Wan Jianru

Frequenzumrichter mit dualer Pulsweitenmodulation (PWM) sind eine der energieeffizientesten Aufzugstechnologien. Hier konzentrieren wir uns auf die koordinierte Steuerung von dualen PWM-Umrichtern, die Aufzugsantriebe mit Energierückkopplung integrieren. Theoretische Analysen und experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das vorgestellte System mit einfachem Schaltungsaufbau folgendes realisieren kann: vier laufende Motorquadranten, bidirektionaler Energiefluss, geringer Klirrfaktor (THD) und hoher Leistungsfaktor auf der Netzseite. Insgesamt kann das System Energie für den Aufzug einsparen und die Strombelastung durch Umrichter auf der Netzseite reduzieren.

As Aufzüge machen ca. 20 % des Gesamtenergieverbrauchs moderner Hochhäuser aus, energiesparende Aufzugstechnologien werden immer stärker beachtet. Die Energiesparmethode der meisten Hersteller ist der getriebelose permanentmagnetische Synchronmotor (PMSM), der einen gewissen Energiespareffekt hat, aber dennoch regenerative Energie verschwendet. In einigen Aufzügen wird dem traditionellen AC/DC/AC-Antriebssystem ein Energierückkopplungsgerät hinzugefügt. Die Energieeinsparungen mögen offensichtlich erscheinen, aber die Zuverlässigkeit des Systems ist schlecht, und die Rückspeiseleistung stört das Netz und andere elektrische Geräte. Durch den Einsatz von dualen PWM-Wandlern kann die regenerative Bremsenergie ins Netz zurückgespeist werden. Außerdem kann die durch Aufzugsumrichter verursachte Stromverschmutzung auf der Netzseite verringert werden, nämlich durch die Realisierung eines niedrigen THD im Eingangsstrom und eines hohen Leistungsfaktors.

Dual-PWM-Wandler für Aufzugsantriebe

Ungesteuerte Diodengleichrichterschaltungen werden in Aufzugsumrichtern häufig verwendet. Obwohl der Schaltungsaufbau einfach ist, wird die regenerative Bremsenergie des Motors durch den Bremswiderstand verschwendet, anstatt ins Netz zurückgespeist zu werden. Andere Nachteile von Diodengleichrichtern sind hohe Eingangsstromoberwellen und ein niedriger Leistungsfaktor, die beide den Netzstrom verschmutzen.

Der traditionelle Bremsmodus verschwendet Energie und schränkt die Bremsleistung ein. Infolgedessen haben einige Unternehmen und Forschungseinrichtungen vorgeschlagen, den herkömmlichen Gleichrichter um ein Energierückkopplungsgerät zu erweitern (Abbildung 1). Dieses Gerät verwendet aktive Inversionstechniken, die die regenerative Energie mit der gleichen Frequenz und Phase wie das Netz in Wechselstrom umwandeln und in das Netz zurückgeben. Dadurch ist ein bidirektionaler Energiefluss zwischen Zwischenkreis und Quelle möglich, und die regenerative Bremsenergie kann recycelt werden. Die Rückspeiseleistung stört jedoch das Netz und andere elektrische Geräte. Außerdem erhöht das Energierückkopplungssystem die Kosten, vergrößert das Volumen des Geräts und verringert die Zuverlässigkeit und dynamische Reaktionsgeschwindigkeit.

Ein dualer PWM-Wandler (Abbildung 2) besteht aus einer netzseitigen Filterinduktivität, einem dreiphasigen PWM-Gleichrichter bestehend aus einem Bipolar-Translator mit isoliertem Gate (IGBT) und antiparallelen Dioden, einer Zwischenkreisfilterkapazität, einem dreiphasigen PWM-Wechselrichter bestehend aus ein IGBT und eine antiparallele Diode. Aufzüge, die duale PWM-Wandler verwenden, verbessern die AC-Stromqualität aufgrund der Vorteile einer konstanten Zwischenkreisspannung, eines niedrigen Eingangsstroms mit Oberwellen, eines hohen Leistungsfaktors und eines bidirektionalen Leistungsflusses erheblich. So ist es möglich, regenerative Bremsenergie ins Netz einzuspeisen und damit letztlich Energie zu sparen. Außerdem kann der Motor in vier Quadranten laufen, was für den Aufzug wichtig ist.

Funktionsprinzip und Kontrollstrategie

Funktionsprinzip

Wenn der Motor des Aufzugs läuft, arbeiten die netzseitigen Filterinduktivitäten und der dreiphasige PWM-Gleichrichter als Boost-Gleichrichter zusammen, mit einer Gleichspannung, die gleich der Spitzenspannung einer Wechselstromquelle oder höher ist. Durch die Steuerung des Schaltzustands des IGBT fließt die Energie von der Netzseite zum Zwischenkreis.

Die gleichstromseitige Filterkapazität als Verbindung zwischen Gleichrichter und Wechselrichter ist die Last des Gleichrichters und die Quelle des Wechselrichters. Filtereigenschaften der Kapazität können die Wellenform glätten und Gleichspannungswelligkeiten verringern. Der Wechselrichter wandelt die Gleichspannung in eine PWM-Modulationswelle um, die der Sinusspannung des Aufzugsmotors entspricht. Die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Motors kann durch Steuern der Phasenfolge des Wechselrichters eingestellt werden.

Wenn sich der Aufzug in einem leichten Aufwärts-, Schwerlastabwärts- oder Bremszustand befindet, erzeugt er aufgrund der Trägheitswirkung der Last erneuerbaren Strom. Umgekehrt dient der PWM-Gleichrichter als Wechselrichter und der Wechselrichter dient als Gleichrichter. Daher kann die Energie von der Aufzugsmotorseite zur Netzseite fließen, wodurch die Rückspeisung der regenerativen Energie in das Netz zurückgeführt wird.

Koordinierte Steuerung von Dual-PWM-Wandlern

Der traditionelle Dual-PWM-Wandler, der über Wechselrichter und Gleichrichter mit eigenem Regelkreis separat angesteuert wird, führt zu einem erhöhten Gerätevolumen und zusätzlichen Hard- und Softwareressourcen für die Kommunikationssteuerung der Controller. Wenn der Leistungsfluss der Gleichrichterseite gleich der Wechselrichterseite gehalten wird, kann die Energiedifferenz zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter pro Zeiteinheit verringert werden. Dies verringert dann die Spannungsschwankung und die Kapazität des Zwischenkreises.

Bei dualen PWM-Umrichtern mit Motoren wird die generatorische Energie in der DC-seitigen Kapazität gesammelt, was zu einer Erhöhung der Zwischenkreisspannung führt und den sicheren Betrieb des Systems beeinträchtigt. Die Laststrom-Feed-Forward-Methode kann die Spannungsschwankungen des Zwischenkreises begrenzen. Für PWM-Gleichrichter wird die Direktleistungsregelstrategie verwendet. Die abrupte Änderung des Motorzustands wird weitergeleitet und ändert direkt den Referenzwert der inneren Leistungsschleife des Gleichrichters. Der Regeldruck der Gleichspannungsschleife wird entlastet, so dass die gleichspannungsseitige Spannung mit kleinerer Kapazität konstant gehalten werden kann.

Beachten Sie, dass der Feed-Forward-Lastleistungsbefehl gemäß dem Spannungs- und Strombefehl berechnet wird; somit wird eine Controllerverzögerung, die durch eine direkte Erfassung verursacht wird, verringert. Für ein PMSM wird eine rotorfeldorientierte Vektorregelung verwendet. Bild 3 zeigt das Regelprinzip der Softwareschaltung.

Abbildung 4 zeigt das Blockschaltbild der Softwaresteuerung des digitalen Signalprozessors (DSP). Das System wird durch Dual-DSP gesteuert. Der netzseitige Gleichrichter wird mit der Direktleistungsregelstrategie von DSP1 gesteuert. Im Analog-Digital-Umsetzer der DSP-Unterbrechungsroutine von DSP1 wird die Lastleistung dem Wirkleistungs-Befehlssignal als Vorwärtskopplungseingabe hinzugefügt. Der Wechselrichter und das PMSM werden mit der Vektorsteuerungsmethode von DSP2 gesteuert. DSP2 berechnet auch den Last-Leistungs-Befehl gemäß Spannungs- und Strombefehl und liefert ihn an DSP1. Die dualen DSP kommunizieren miteinander über den Chip IDT70V261LPF, der über zwei Adress- und zwei Datenbusse verfügt, die mit den DSP-Peripherie-Adress- bzw. Datenbussen verbunden sind. Der duale DSP tauscht Daten aus, indem er das externe Schnittstellenregister (XINTF) setzt, das es dem DSP ermöglicht, periodisch auf den externen Raum zuzugreifen.

Experiment

Es wurde ein experimentelles Hardwaresystem gemäß der in Abbildung 2 gezeigten Schaltung aufgebaut, das hauptsächlich die Hauptschaltung der Gleichrichterseite, DC- und Wechselrichterseite, PMSM und Dual-DSP-Steuerplatine umfasst (Abbildung 5). Beachten Sie, dass der DSP TMS320F2812 von Texas Instruments Co.

Ergebnisanalysen

Die Versuchsparameter wurden wie folgt eingestellt: Eingang bei 25 V, Induktivität bei 4 mH, Zwischenkreiskapazität bei 660 µF und Sollwert 60 V. Die Nennleistung des PMSM betrug 0.55 kW, Nennstrom 1.5 A, Nenndrehzahl 1,500 U/min betrug, die Polpaarzahl zwei betrug und der Fluss des Permanentmagneten 0.66 Wb betrug. Die experimentellen Wellenformen sind in den Abbildungen 6 und 7 gezeigt. Beachten Sie, dass die Wellenformen von einem DSP-Digital-Analog-Wandler von DSP ausgegeben werden.

Abbildung 6 zeigt die Wellenformen der Phasenspannung und des Stroms der Netzseite im Betriebszustand des Motorbetriebs. Es zeigt auch den dualen PWM-Wandler, der eine Gleichrichtung mit hohem Leistungsfaktor auf der Netzseite realisiert. Abbildung 7 zeigt die Wellenformen der Phasenspannung und des Phasenstroms der Netzseite im Zustand der Simulation regenerativer Energie unter Verwendung einer Gegen-EMK-Last. Es ist zu erkennen, dass die Phasenspannung und der Strom der Netzseite nahezu gegensätzlich sind, was bedeutet, dass der PWM-Gleichrichter mit hohem Leistungsfaktor parallel im Netz liegt und einen bidirektionalen Energiefluss realisiert.

Fazit      

Simulationsanalysen und experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das vorgestellte System Hardware- und Softwareressourcen einsparen und das Managementproblem der regenerativen Energie lösen kann. Die regenerative Energie kann im regenerativen Bremszustand des Motors ins Netz zurückgespeist werden und spart so Energie für den Aufzug. Darüber hinaus kann das System die durch Aufzugsumrichter verursachte Stromverschmutzung auf der Netzseite verringern, nämlich einen niedrigen THD des Eingangsstroms und einen hohen Leistungsfaktor realisieren.

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