Control coordinado del convertidor PWM dual para accionamientos de ascensores

Se examinan los análisis teóricos y los resultados experimentales de convertidores PWM duales.

por Han Shuang, Zheng Jiong, Luo Zhiqun y Wan Jianru

Los variadores de frecuencia de CA con modulación de ancho de pulso dual (PWM) son una de las tecnologías de ascensores de mayor eficiencia energética. Aquí, nos centraremos en el control coordinado de convertidores PWM duales que integran accionamientos de ascensor con retroalimentación de energía. Los análisis teóricos y los resultados experimentales muestran que el sistema presentado con una estructura de circuito simple puede realizar lo siguiente: cuatro cuadrantes de motor en funcionamiento, flujo de energía bidireccional, baja distorsión armónica total (THD) y alto factor de potencia en el lado de la línea. En total, el sistema puede ahorrar energía para el ascensor y reducir la contaminación de energía causada por los convertidores en el lado de la red.

As Los ascensores representan aproximadamente el 20% del consumo total de energía de los edificios modernos de gran altura; cada vez se presta más atención a las tecnologías de ascensores que ahorran energía. El método de ahorro de energía adoptado por la mayoría de los fabricantes es el motor síncrono magnético permanente sin engranajes (PMSM), que tiene un cierto efecto de ahorro de energía, pero aún desperdicia energía regenerativa. Se agrega un dispositivo de retroalimentación de energía al sistema de transmisión tradicional CA / CC / CA en algunos ascensores. El ahorro de energía puede parecer obvio, pero la confiabilidad del sistema es pobre y la potencia de retroalimentación interfiere con la red y otros equipos eléctricos. Mediante el uso de convertidores PWM duales, la energía de frenado regenerativo se puede retroalimentar a la red. Además, la contaminación de energía en el lado de la red causada por los convertidores de ascensores se puede reducir, es decir, logrando una THD baja en la corriente de entrada y un factor de potencia alto.

Convertidores PWM duales para accionamientos de ascensores

Los circuitos rectificadores de diodos no controlados se utilizan ampliamente en convertidores de ascensores. Aunque la estructura del circuito es simple, la energía de frenado regenerativa del motor se desperdicia por la resistencia de frenado en lugar de retroalimentarse a la red. Otras desventajas de los rectificadores de diodo incluyen armónicos de corriente de entrada alta y factor de potencia bajo, los cuales contaminan la energía de la red.

El modo de frenado tradicional desperdicia energía y limita el rendimiento de frenado. Como resultado, algunas empresas e instituciones de investigación han propuesto agregar un dispositivo de retroalimentación de energía al rectificador tradicional (Figura 1). Este dispositivo adopta técnicas de inversión activa, que invierten la energía regenerativa en corriente alterna en la misma frecuencia y fase que la red y la devuelven a la red. De este modo, es posible el flujo de energía bidireccional entre el enlace de CC y la fuente, y la energía de frenado regenerativa puede reciclarse. Sin embargo, la potencia de retroalimentación interfiere con la red y otros equipos eléctricos. Además, el sistema de retroalimentación de energía aumenta el costo, aumenta el volumen del dispositivo y disminuye la confiabilidad y la velocidad de respuesta dinámica.

Un convertidor PWM dual (Figura 2) se compone de inductancia de filtro del lado de línea, un rectificador PWM trifásico que consta de traductor bipolar de puerta aislada (IGBT) y diodos antiparalelos, capacitancia de filtro de enlace de CC, inversor PWM trifásico que consta de un IGBT y un diodo antiparalelo. Los ascensores que utilizan convertidores PWM duales mejoran en gran medida la calidad de la energía de CA, debido a las ventajas del voltaje de enlace de CC constante, la corriente de entrada de armónicos baja, el factor de potencia alto y el flujo de potencia bidireccional. Por lo tanto, es posible realizar una retroalimentación de la energía de frenado regenerativo en la red, lo que finalmente ahorra energía. Además, el motor puede funcionar en cuatro cuadrantes, lo que es importante para el ascensor.

Principio operativo y estrategia de control

Principio de operación

Cuando el motor del elevador está funcionando, las inductancias del filtro del lado de la línea y el rectificador PWM trifásico trabajan juntos como un rectificador de tipo boost, con una salida de voltaje de CC igual al voltaje máximo de una fuente de CA o superior. La energía fluye desde el lado de la línea hasta el enlace de CC controlando el estado de conmutación del IGBT.

La capacitancia del filtro del lado de CC, como conexión entre el rectificador y el inversor, es la carga del rectificador y la fuente del inversor. Las características de filtrado de la capacitancia pueden suavizar la forma de onda y disminuir las ondulaciones de voltaje de CC. El inversor transforma el voltaje de CC en una onda de modulación PWM equivalente al voltaje sinusoidal del motor del ascensor. La rotación hacia adelante y hacia atrás del motor se puede ajustar controlando el orden de secuencia de fase del inversor.

Cuando el ascensor está en un estado de carga ligera, carga pesada abajo o frenado, genera energía renovable debido al efecto de inercia de la carga. Por el contrario, el rectificador PWM sirve como inversor y el inversor sirve como rectificador. Por lo tanto, la energía puede fluir desde el lado del motor del ascensor hacia el lado de la red, invirtiendo la retroalimentación de la energía regenerativa en la red.

Control coordinado de convertidores PWM duales

El convertidor PWM dual tradicional, que tiene un inversor y un rectificador con su propio circuito de control, controlado por separado, genera un mayor volumen del dispositivo y recursos adicionales de hardware y software para el sistema de control de comunicaciones de los controladores. Mantener el flujo de energía del lado del rectificador igual al del lado del inversor permite que disminuya la diferencia de energía entre el rectificador y el inversor por unidad de tiempo. Esto luego disminuye la fluctuación de voltaje y la capacitancia del enlace de CC.

Con convertidores PWM duales con motores, la energía regenerativa se acumula en la capacitancia del lado de CC, lo que lleva a un aumento en el voltaje del enlace de CC, lo que afecta la operación segura del sistema. El método de alimentación de potencia de carga puede restringir la fluctuación de voltaje del enlace de CC. La estrategia de control de potencia directa se utiliza para rectificadores PWM. El cambio brusco del estado del motor se adelanta, cambiando directamente el valor de referencia del bucle de potencia interno del rectificador. La presión reguladora del bucle de voltaje de CC se alivia, por lo que el voltaje del lado de CC se puede mantener constante con una capacitancia menor.

Tenga en cuenta que la instrucción de potencia de carga de avance se calcula de acuerdo con la instrucción de voltaje y corriente; por lo tanto, se reduce el retardo del controlador causado por la detección directa. El control vectorial orientado al campo del rotor se adopta para un PMSM. La figura 3 muestra el diagrama del principio de control del circuito de software.

La Figura 4 muestra el diagrama de bloques del control de software del procesador de señales digitales (DSP). El sistema está controlado por DSP dual. El rectificador del lado de la línea se controla con la estrategia de control de potencia directa por DSP1. En el convertidor analógico a digital de la rutina de interrupción DSP de DSP1, la potencia de carga se agrega a la señal de instrucción de potencia activa como una entrada de avance. El inversor y el PMSM se controlan con el método de control vectorial mediante DSP2. DSP2 también calcula la instrucción de potencia de carga de acuerdo con la instrucción de voltaje y corriente y la entrega a DSP1. El DSP dual se comunica entre sí a través del chip IDT70V261LPF, que tiene dos buses de dirección y dos de datos conectados a los buses de datos y dirección del periférico DSP, respectivamente. El DSP dual intercambia datos configurando el registro de interfaz externa (XINTF), que permite que DSP acceda al espacio externo periódicamente.

Experimento

Se construyó un sistema de hardware experimental de acuerdo con el circuito que se muestra en la Figura 2, que incluye principalmente el circuito principal del lado del rectificador, los lados de CC y del inversor, el PMSM y el tablero de control de DSP dual (Figura 5). Tenga en cuenta que el DSP es TMS320F2812 de Texas Instruments Co.

Análisis de resultados

Los parámetros experimentales se establecieron de la siguiente manera: entrada a 25 V, inductancia a 4 mH, capacitancia del enlace de CC a 660 µF y valor de instrucción de 60 V. La potencia nominal del PMSM fue de 0.55 kW, la corriente nominal fue de 1.5 A, la velocidad nominal fue de 1,500 rpm, el número de pares de polos fue de dos y el flujo del imán permanente fue de 0.66 Wb. Las formas de onda experimentales se muestran en las Figuras 6 y 7. Tenga en cuenta que las formas de onda son emitidas por un convertidor DSP de digital a analógico de DSP.

La Figura 6 muestra las formas de onda del voltaje de fase y la corriente del lado de la red en el estado de funcionamiento del motor. También ilustra el convertidor PWM dual que realiza una rectificación de alto factor de potencia en el lado de la red. La figura 7 muestra las formas de onda de la tensión de fase y la corriente del lado de la red en el estado de simulación de energía regenerativa mediante el uso de una carga de contraefecto. Se puede ver que la tensión de fase y la corriente del lado de la red son casi contrarias, lo que significa que el rectificador PWM está paralelo en la red con un factor de potencia alto y realiza un flujo de energía bidireccional.

Conclusión      

Los análisis de simulación y los resultados experimentales muestran que el sistema presentado puede ahorrar recursos de hardware y software y resolver el problema de gestión de la energía regenerativa. La energía regenerativa se puede retroalimentar a la red cuando el motor está en su estado de frenado regenerativo, ahorrando así energía para el ascensor. Además, el sistema puede disminuir la contaminación de energía del lado de la red causada por los convertidores de ascensores, es decir, logrando una baja THD de la corriente de entrada y un alto factor de potencia.

Referencias
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