电梯驱动双PWM变换器的协调控制

检查了双 PWM 转换器的理论分析和实验结果。

作者：韩双、郑炯、罗志群、万建如

双脉宽调制 (PWM) 交流驱动器是最节能的电梯技术之一。 在这里，我们将重点介绍集成电梯驱动与能量反馈的双 PWM 转换器的协调控制。 理论分析和实验结果表明，所提出的电路结构简单的系统可以实现以下四个运行电机象限、双向能量流、低总谐波失真（THD）和线路侧高功率因数。 总之，该系统可以为电梯节约能源，减少电网侧变流器造成的电力污染。

As 电梯约占现代高层建筑总能耗的20%，节能电梯技术越来越受到重视。 大多数厂家采用的节能方式是无齿轮永磁同步电机（PMSM），具有一定的节能效果，但仍然浪费再生能量。 有些电梯在传统的交/直流/交流驱动系统中增加了能量反馈装置。 节能效果看似明显，但系统可靠性较差，反馈功率对电网等用电设备有干扰。 通过使用双 PWM 转换器，再生制动能量可以反馈到电网。 此外，还可以减少电梯变流器对电网侧的电力污染，即实现输入电流的低THD和高功率因数。

用于电梯驱动器的双 PWM 转换器

非受控二极管整流电路广泛用于电梯转换器。 虽然电路结构简单，但电机的再生制动能量没有反馈到电网，而是被制动电阻浪费掉了。 二极管整流器的其他缺点包括高输入电流谐波和低功率因数，两者都会污染电网功率。

传统的制动方式既浪费能源又限制了制动性能。 因此，一些企业和研究机构提出在传统整流器的基础上增加能量反馈装置（图1）。 该装置采用有源逆变技术，将再生能量转化为与电网同频同相的交流电，返回给电网。 因此，直流链路和电源之间的双向能量流动是可能的，并且再生制动能量可以回收。 但是，反馈功率会干扰电网和其他电气设备。 此外，能量反馈系统增加了成本，增大了装置的体积，降低了可靠性和动态响应速度。

双 PWM 转换器（图 2）由线侧滤波电感、由绝缘栅双极转换器 (IGBT) 和反并联二极管组成的三相 PWM 整流器、直流链路滤波电容、三相 PWM 逆变器组成IGBT 和反并联二极管。 由于具有恒定的直流母线电压、低谐波输入电流、高功率因数和双向潮流等优点，使用双 PWM 转换器的电梯大大提高了交流电能质量。 因此，可以实现再生制动能量回馈电网，最终实现节能。 此外，电机可以在四个象限内运行，这对电梯很重要。

运行原理和控制策略

工作原理

电梯电机运行时，线侧滤波电感和三相PWM整流器共同工作，作为升压型整流器，直流电压输出等于或高于交流电源的峰值电压。 通过控制 IGBT 的开关状态，能量从线路侧流向直流链路。

直流侧滤波电容作为整流器与逆变器的连接，是整流器的负载和逆变器的电源。 电容的滤波特性可以平滑波形，减少直流电压纹波。 逆变器将直流电压转换成相当于电梯电机正弦电压的PWM调制波。 通过控制逆变器的相序顺序可以调节电机的正反转。

当电梯处于轻载上升、重载下降或制动状态时，由于负载的惯性效应产生可再生电力。 反之，PWM整流器起逆变器的作用，逆变器起整流器的作用。 因此，能量可以从电梯电机侧流向电网侧，将再生能量反馈回电网。

双PWM转换器的协调控制

传统的双 PWM 转换器具有单独控制的逆变器和整流器及其控制电路，导致设备体积增加，控制器的通信控制系统需要额外的硬件和软件资源。 保持整流侧的潮流与逆变侧的潮流相等，使得单位时间内整流器和逆变器之间的能量差减小。 这会降低直流链路的电压波动和电容。

对于带电机的双PWM转换器，再生能量聚集在直流侧电容中，导致直流母线电压升高，影响系统的安全运行。 负载功率前馈方式可以抑制直流环节的电压波动。 直接功率控制策略用于 PWM 整流器。 电机状态的突变前馈，直接改变整流器内部功率回路的参考值。 直流电压回路的调节压力得到缓解，因此可以用较小的电容保持直流侧电压恒定。

注意前馈负载功率指令是根据电压电流指令计算的； 因此，减少了由直接检测引起的控制器延迟。 PMSM采用转子磁场定向矢量控制。 图 3 显示了软件电路的控制原理图。

图 4 显示了数字信号处理器 (DSP) 软件控制的框图。 系统由双DSP控制。 线侧整流器由DSP1采用直接功率控制策略进行控制。 在DSP1的DSP中断程序的模数转换器中，负载功率作为前馈输入加入到有功功率指令信号中。 逆变器和 PMSM 由 DSP2 采用矢量控制方法控制。 DSP2 还根据电压和电流指令计算出负载功率指令并传送给DSP1。 双DSP通过芯片IDT70V261LPF相互通信，该芯片有两条地址总线和两条数据总线，分别与DSP外设地址总线和数据总线相连。 双DSP通过设置外部接口寄存器（XINTF）来交换数据，使DSP能够周期性地访问外部空间。

实验

按照图2所示电路搭建实验硬件系统，主要包括整流侧主电路、直流侧和逆变侧、永磁同步电机和双DSP控制板（图5）。 注意DSP是德州仪器公司的TMS320F2812。

结果分析

实验参数设置如下：输入为25 V，电感为4 mH，直流母线电容为660 µF，指令值为60 V。 PMSM的额定功率为0.55 kW，额定电流为1.5 A，额定转速转速为 1,500 rpm，极对数为 0.66，永磁体的磁通量为 6 Wb。 实验波形如图 7 和图 XNUMX 所示。注意波形是由 DSP 的 DSP 数模转换器输出的。

图6为电机运行状态下电网侧相电压和电流波形。 它还说明了在电网侧实现高功率因数整流的双 PWM 转换器。 图7所示为利用反电动势负载模拟再生能量状态下电网侧相电压和相电流波形。 可以看出，电网侧的相电压和电流几乎相反，这意味着PWM整流器并联在电网中，具有较高的功率因数，实现了能量双向流动。

结语      

仿真分析和实验结果表明，所提出的系统可以节省硬件和软件资源，解决再生能源的管理问题。 当电机处于再生制动状态时，可将再生能量反馈回电网，从而为电梯节约能源。 此外，该系统还可以减少电梯变流器对电网侧的电能污染，即实现输入电流的低THD和高功率因数。

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