Controllo coordinato del doppio convertitore PWM per azionamenti per ascensori

Vengono esaminate analisi teoriche e risultati sperimentali di doppi convertitori PWM.

di Han Shuang, Zheng Jiong, Luo Zhiqun e Wan Jianru

I convertitori di frequenza a doppia modulazione di larghezza di impulso (PWM) sono una delle tecnologie per ascensori più efficienti dal punto di vista energetico. Qui ci concentreremo sul controllo coordinato di doppi convertitori PWM che integrano azionamenti per ascensori con feedback energetico. Analisi teoriche e risultati sperimentali mostrano che il sistema presentato con una struttura circuitale semplice può realizzare quanto segue: quattro quadranti del motore in funzione, flusso di energia bidirezionale, bassa distorsione armonica totale (THD) e alto fattore di potenza sul lato linea. Nel complesso, il sistema può risparmiare energia per l'ascensore e ridurre l'inquinamento elettrico causato dai convertitori sul lato rete.

As gli ascensori rappresentano circa il 20% del consumo totale di energia dei moderni grattacieli, viene prestata sempre più attenzione alle tecnologie degli ascensori a risparmio energetico. Il metodo di risparmio energetico adottato dalla maggior parte dei produttori è il motore sincrono a magneti permanenti senza ingranaggi (PMSM), che ha un certo effetto di risparmio energetico, ma spreca comunque energia rigenerativa. In alcuni ascensori, al tradizionale sistema di azionamento AC/DC/AC viene aggiunto un dispositivo di feedback energetico. Il risparmio energetico potrebbe sembrare ovvio, ma l'affidabilità del sistema è scarsa e la potenza di feedback interferisce con la rete e altre apparecchiature elettriche. Utilizzando doppi convertitori PWM, l'energia di frenata rigenerativa può essere reimmessa in rete. Inoltre, l'inquinamento elettrico sul lato rete causato dai convertitori degli ascensori può essere ridotto, ovvero realizzando un basso THD nella corrente di ingresso e un elevato fattore di potenza.

Convertitori PWM doppi per azionamenti per ascensori

I circuiti raddrizzatori a diodi non controllati sono ampiamente utilizzati nei convertitori per ascensori. Sebbene la struttura del circuito sia semplice, l'energia di frenata rigenerativa del motore viene sprecata dalla resistenza di frenatura invece di essere reimmessa nella rete. Altri svantaggi dei raddrizzatori a diodi includono armoniche di corrente ad alto ingresso e basso fattore di potenza, entrambi i quali inquinano l'energia di rete.

La modalità di frenata tradizionale spreca energia e limita le prestazioni di frenata. Di conseguenza, alcune imprese e istituti di ricerca hanno proposto di aggiungere un dispositivo di feedback energetico al raddrizzatore tradizionale (Figura 1). Questo dispositivo adotta tecniche di inversione attiva, che invertono l'energia rigenerativa in potenza AC nella stessa frequenza e fase della rete, e la restituisce alla rete. In tal modo è possibile un flusso di energia bidirezionale tra il circuito intermedio e la sorgente e l'energia di frenatura rigenerativa può essere riciclata. Tuttavia, la potenza di feedback interferisce con la rete e altre apparecchiature elettriche. Inoltre, il sistema di feedback energetico aumenta i costi, aumenta il volume del dispositivo e diminuisce l'affidabilità e la velocità di risposta dinamica.

Un doppio convertitore PWM (Figura 2) è composto da induttanza del filtro lato linea, un raddrizzatore PWM trifase costituito da traslatore bipolare a gate isolato (IGBT) e diodi antiparallelo, capacità del filtro del collegamento CC, inverter PWM trifase costituito da un IGBT e un diodo antiparallelo. Gli ascensori che utilizzano doppi convertitori PWM migliorano notevolmente la qualità dell'alimentazione CA, grazie ai vantaggi della tensione del collegamento CC costante, della bassa corrente di ingresso armonica, dell'elevato fattore di potenza e del flusso di potenza bidirezionale. Quindi, è possibile realizzare un feedback dell'energia di frenata rigenerativa nella rete, risparmiando energia. Inoltre, il motore può funzionare in quattro quadranti, il che è importante per l'ascensore.

Principio operativo e strategia di controllo

Principio di funzionamento

Quando il motore dell'ascensore è in funzione, le induttanze del filtro lato linea e il raddrizzatore PWM trifase funzionano insieme come un raddrizzatore di tipo boost, con un'uscita di tensione CC uguale alla tensione di picco di una sorgente CA o superiore. L'energia fluisce dal lato linea al collegamento CC controllando lo stato di commutazione dell'IGBT.

La capacità del filtro lato DC, come connessione tra il raddrizzatore e l'inverter, è il carico del raddrizzatore e la sorgente dell'inverter. Le caratteristiche di filtraggio della capacità possono attenuare la forma d'onda e ridurre le increspature della tensione CC. L'inverter trasforma la tensione CC in un'onda di modulazione PWM equivalente alla tensione sinusoidale del motore dell'ascensore. La rotazione avanti e indietro del motore può essere regolata controllando l'ordine di sequenza delle fasi dell'inverter.

Quando l'ascensore si trova in uno stato di carico leggero, carico pesante o frenata, genera energia rinnovabile per effetto dell'inerzia del carico. Al contrario, il raddrizzatore PWM funge da inverter e l'inverter funge da raddrizzatore. Pertanto, l'energia può fluire dal lato motore dell'ascensore al lato rete, restituendo il feedback dell'energia rigenerativa nella rete.

Controllo coordinato di doppi convertitori PWM

Il tradizionale doppio convertitore PWM, che ha un inverter e un raddrizzatore con il proprio circuito di controllo, controllato separatamente, porta ad un aumento del volume del dispositivo e risorse hardware e software aggiuntive per il sistema di controllo delle comunicazioni per i controller. Mantenere il flusso di potenza del lato raddrizzatore uguale al lato inverter consente di diminuire la differenza di energia tra raddrizzatore e inverter per unità di tempo. Ciò riduce quindi la fluttuazione di tensione e la capacità del collegamento CC.

Con doppi convertitori PWM con motori, l'energia rigenerativa viene raccolta nella capacità del lato CC, portando ad un aumento della tensione del collegamento CC, che influisce sul funzionamento sicuro del sistema. Il metodo di feed-forward della potenza di carico può limitare la fluttuazione di tensione del collegamento CC. La strategia di controllo dell'alimentazione diretta viene utilizzata per i raddrizzatori PWM. Il brusco cambiamento dello stato del motore viene anticipato, modificando direttamente il valore di riferimento dell'anello di potenza interno del raddrizzatore. La pressione di regolazione dell'anello di tensione CC viene scaricata, quindi la tensione sul lato CC può essere mantenuta costante con una capacità inferiore.

Si noti che l'istruzione di alimentazione del carico feed-forward viene calcolata in base all'istruzione di tensione e corrente; pertanto, il ritardo del controller causato dal rilevamento diretto viene ridotto. Il controllo vettoriale orientato al campo del rotore è adottato per un PMSM. La figura 3 mostra lo schema del principio di controllo del circuito software.

La Figura 4 mostra lo schema a blocchi del controllo software del processore di segnale digitale (DSP). Il sistema è controllato da doppio DSP. Il raddrizzatore lato linea è controllato con la strategia di controllo dell'alimentazione diretta da DSP1. Nel convertitore analogico-digitale della routine di interruzione DSP di DSP1, la potenza di carico viene aggiunta al segnale dell'istruzione di potenza attiva come ingresso feed-forward. L'inverter e il PMSM sono controllati con il metodo di controllo vettoriale da DSP2. DSP2 calcola anche l'istruzione di potenza di carico in base all'istruzione di tensione e corrente e la consegna a DSP1. Il doppio DSP comunica tra loro tramite il chip IDT70V261LPF, che ha due indirizzi e due bus dati collegati rispettivamente all'indirizzo della periferica DSP e ai bus dati. Il doppio DSP scambia i dati impostando il registro dell'interfaccia esterna (XINTF), che consente al DSP di accedere periodicamente allo spazio esterno.

Sperimentare

È stato costruito un sistema hardware sperimentale secondo il circuito mostrato in Figura 2, comprendente principalmente il circuito principale del lato raddrizzatore, lato DC e inverter, PMSM e scheda di controllo dual DSP (Figura 5). Si noti che il DSP è TMS320F2812 di Texas Instruments Co.

Analisi dei risultati

I parametri sperimentali sono stati impostati come segue: ingresso a 25 V, induttanza a 4 mH, capacità del circuito intermedio a 660 µF e valore di istruzione di 60 V. La potenza nominale del PMSM era di 0.55 kW, la corrente nominale era di 1.5 A, la velocità nominale era di 1,500 giri al minuto, il numero di coppie di poli era di due e il flusso del magnete permanente era di 0.66 Wb. Le forme d'onda sperimentali sono mostrate nelle Figure 6 e 7. Si noti che le forme d'onda sono emesse dal convertitore digitale-analogico DSP di DSP.

La Figura 6 mostra le forme d'onda della tensione di fase e della corrente lato rete allo stato di funzionamento del motore. Illustra anche il doppio convertitore PWM che realizza una rettifica ad alto fattore di potenza sul lato della rete. La Figura 7 mostra le forme d'onda della tensione di fase e della corrente del lato rete allo stato di simulazione dell'energia rigenerativa utilizzando il carico back-emf. Si può notare che la tensione di fase e la corrente del lato rete sono quasi opposte, il che significa che il raddrizzatore PWM è parallelo nella rete con un fattore di potenza elevato e realizza un flusso di energia bidirezionale.

Conclusione      

Analisi di simulazione e risultati sperimentali mostrano che il sistema presentato può risparmiare risorse hardware e software e risolvere il problema di gestione dell'energia rigenerativa. L'energia rigenerativa può essere reimmessa nella rete quando il motore è in stato di frenata rigenerativa, risparmiando così energia per l'ascensore. Inoltre, il sistema può ridurre l'inquinamento elettrico del lato rete causato dai convertitori degli ascensori, ovvero realizzando un basso THD della corrente di ingresso e un elevato fattore di potenza.

Referenze
[1] DW Chung, HM Ryu, YM Lee, SK Sul, SJ Kang, JH Song, JS Yoon, KH Lee e JH Seo, "Una nuova configurazione del sistema di azionamento per ascensore senza ingranaggi ad alta velocità", in Conf. Ric. IEEE IAS annuale. Incontro, 1999, pp. 307-310.
[2] Wang Jiuhe, Yin Hongren e Zhang Jinlong, "Rettificatori PWM di tipo a tensione trifase con circuito di alimentazione interno e circuito quadrato di tensione Uuter". Giornale dell'Università della Scienza e della Tecnologia di Pechino, vol. 30, n. 1, 2008, pp. 90-95.
[3] Tokuo Ohnishi, "Convertitore/Inverter PWM trifase mediante controllo istantaneo della potenza attiva e reattiva", Proc. IEEE IE-CON'1991, pp. 819-824.
[4] M. Malinowski, MP Kazmierkowski e AM Trzynadlowski, "Uno studio comparativo sulle tecniche di controllo per il raddrizzatore PWM negli azionamenti a velocità variabile CA", IEEE Trans. Elettrone di potenza, vol. 18, n. 6, 2003, pp. 1390-1396.
[5] Namho, H., Jinhwan, J., Kwanghee, N. "Uno schema di bilanciamento dell'alimentazione DC-link veloce e dinamico per un sistema convertitore-invertitore PWM", IEEE Trans Ind Electron, 2001, pp.794-803.
[6] Li Mingshui, Wan Jianru, Li Guangye e Li Bin, ricerca sulla strategia di controllo dell'alimentazione in avanti del raddrizzatore PWM. 4a Conferenza internazionale sui sistemi e le applicazioni dell'elettronica di potenza, 2011, pp.1-6.