CN102957162A - 有源电能回馈型节能装置数字控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电能回馈型节能装置数字控制系统，其特征在于包括：主电路和控制电路：所述主电路由IPM模块、隔离二极管、滤波电感、电容组成；IPM模块是主电路中的核心元件，它将直流电能逆变为与交流电网同步的三相电流回送电网；控制电路由单片微机、可编程逻辑芯片、外围信号采样器构成；配以冗余度高的软件设计，使控制电路能自动识别三相交流电网的相序、相位、电压、电流瞬时值，有序的控制IPM工作在PWM状态，保证直流电能及时的回馈再生利用；为了便于人工观察有源能量回馈器的工作状态，控制电路配有错相、过流、能量回馈等状态指示灯。该系统有效提高电动机负载的运行效率，使机械能反变换成电能回馈再生利用，有效提高电能利用效率。

Description

有源电能回馈型节能装置数字控制系统

技术领域

本发明涉及一种有源电能回馈型节能装置数字控制系统。

背景技术

以电梯节能为例：由于电梯运行过程中，通过电阻产生的热量非常之高，电阻局部温度通常都是在100℃以上，为了使机房降低到常温状态，使电梯不因高温而产生故障；用户就需要安装大排风量的空调或风机；在电梯功率较大的机房，往往需要空调、风机同时使用，或是多台空调、多台风机同时启动。在有些地方降温设备的耗电量往往比电梯的用电量还要高；用户明知能耗严重，却毫无办法。采用电梯能量回馈节能技术，由于没有了电阻发热源，电梯机房温度明显下降，不仅减少电梯故障率，延长了电梯的使用寿命，也节省了机房降温设备的耗电量。经测算，根据电梯曳引机功率从11KW-30KW不等，每天运行10个小时，其中有一半时间电动机处于拖动用电状态，另一半属于发电状态{电梯曳引机拖动的负载由载客轿厢和对重平衡块组成，只有当轿厢载重量约为50％(1吨载客电梯乘客为7人左右)时，轿厢和对重平衡块才相互平衡，否则，轿厢和对重平衡块就会有质量差，使电梯运行时产生机械位能}；则每台电梯用电量也不同，每台电梯每天用电量从50度-150度；按照每台电梯平均每天用电量约为80度/天计算，全国58万台电梯每天用电约为14亿度，每年消耗电量电约为168亿度。在加上为了解决机房高温的降温设备(如空调、风机等)的消耗电量，全年电梯耗电将达到300亿度。耗能极大，所以一种浪费能量，降低了系统的效率。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种有源电能回馈型节能装置数字控制系统。本发明采用的技术手段如下：

一种有源电能回馈型节能装置数字控制系统，其特征在于包括：主电路和控制电路：

所述主电路由IPM模块、隔离二极管、滤波电感、电容组成；IPM模块是主电路中的核心元件，它将直流电能逆变为与交流电网同步的三相电流回送电网；其完善的保护功能，保证了有源能量回馈器的安全可靠运行，隔离二极管可防止有源能量回馈器反送电能给变频器，确保系统安全运行，电感、电容等电力器件构成高次谐波滤波器，阻止IPM模块高频开关产生的二次谐波电流干扰电网，提高有源能量回馈器的电磁兼容性能；

控制电路由单片微机、可编程逻辑芯片、外围信号采样器构成；配以冗余度高的软件设计，使控制电路能自动识别三相交流电网的相序、相位、电压、电流瞬时值，有序的控制IPM工作在PWM状态，保证直流电能及时的回馈再生利用；为了便于人工观察有源能量回馈器的工作状态，控制电路配有错相、过流、能量回馈等状态指示灯。

所述直流母线电压与给定值之差，通过PI调节器，得到电流的给定值与测量到的电网电压相位查表得到的三相正弦基准值相乘，得到三相输出电流的给定值，然后进行简单的PI调节得到三相输出电压的给定值后与三角载波进行比较，产生的调制波作为开关管的触发信号。

所述单片微机采用TMS320LF2407芯片；CPU及其外围电路、信号检测与调理电路、驱动电路和保护电路，其中，电网侧电感电流、直流母线电压及交流电网电压过零信号，经信号检测与调理电路后输入主控系统CPU，以便DSP完成整个控制系统，CPU的外围电路主要有时钟电路和复位电路。

系统基于嵌入式技术和分层设计思想及模块化的设计方法，采用DSP数字中央处理器，应用双向自动电压跟踪的PWM脉宽调制技术，采用中断方式实现数字采样、A/D转换以及控制算法，形成三相输出电压的给定值并输入到PwM控制模块中，最终产生PwM信号，控制主电路有规律地开关，进而有效提高电动机负载的运行效率，使机械能反变换成电能回馈再生利用，有效提高电能利用效率。

附图说明

图1有源能量回馈电路原理框图；

图2有源能量回馈网侧变流器的电流控制算法框图；

图3控制系统框图；

图4电流检测与调理电路的原理图；

图5电网电压过零检测电路

具体实施方式

有源能量回馈型节能产品是将电机已转换到负载上的机械能反变换成电能回馈再生利用，使电动机和负载在单位时间内消耗的电网电能下降，从而达到节电的目的。如图1所示电动机及其负载节约电能的途径主要有两大类：一是提高电动机负载的运行效率，如风机，水泵调速是以提高负载运行效率为目标的节能措施，再如电梯驱动用变频器调速取代传统的交流异步电动机调压调速是以提高电动机运行效率为目标的节能措施。二是将电机已转换到负载上的机械能反变换成电能回馈再生利用，使电动机和负载在单位时间内消耗的电网电能下降，从而达到节电的目的。有源能量回馈型节能产品即属于第二类节约电能的典型装置。众所周知，电动机拖动负载旋转运动即具备了机械动能，如果电动机曳引上，下运动的负载(如电梯，吊车，水库闸门等)又具备了位能。当电动机拖动负载减速运动时，其机械动能将释放出来，当位能性负载下降运动时(位能减少)，其机械位能也将释放出来，如果能有效地将这两部分机械能转换成电能并回馈再生利用，就可达到节约电能地目的。下面以电梯运行为例具体介绍第二类节能装置地节能原理。采用变频调速的电梯启动达到最高运行速度后具有最大的机械动能，电梯到达目标层前要逐步减速直到电梯停止运动为止，这一过程是电梯负载释放机械动能的时段。变频调速器通过电动机可以将这一时段的机械能转变成电能存储在变频器直流环节的大电容中，此时大电容好比一座储量有限的小水库，由机械动能转变的电能好比储存在小水库重的水量。如不及时排放小水库中注入的水量，则水库会发生溢出事故。同理，如不及时泄放大电容中的电量，也会发生过压保护事故。目前变频器泄放大电容中电量的方法是，采用制动单元和外加大功率电阻，将大电容中电量消耗到外加大功率电阻上白白浪费掉。有源能量回馈器则可以将大电容中储存的电量无消耗地回收再利用。从而既达到节电目的，又无耗电发热大功率电阻。大大改善了系统的运行环境。电梯还是一个位能性负载，为了均匀拖动负荷，电梯负载由载客轿厢和对重平衡块组成。只有当轿厢载重量约为50％(如1吨载客电梯乘客为7人左右)时，轿厢和对重平衡块才处于双方质量基本平衡状态，否则，轿厢和对重平衡块就会有质量差，使电梯运行时产生机械位能。电梯质量重的部件上行时，由电动机吸收电网电能转换的机械位能增加。电梯质量重的部件下行时，机械位能减少，这减少的机械位能释放出来通过电动机转变为变频器直流环节大电容重储存的电能，有源能量回馈器再将这部分电能回馈到局域网络，供给其它正在用电设备使用，使总电度表走慢，起到节约电能的目的。分析计算和样机实测表明，电梯的梯速越快，楼层越高，机械传动消耗越小，则可以回馈的能量越多，最多回馈电量可达电梯总消耗量的46％，即节电率达46％之高。以上分析表明，在电梯，吊车等快速上下运动的装备中，采用有源能量回馈器具有明显的节能效果。此外，在电力机车，龙门刨床等频繁起制动运行的装备中，也有较明显的节能效果。

主电路由智能模块IPM(IGBT)、隔离二极管、滤波电感、电容等元件组成。IPM模块是主电路中的核心元件，它将直流电能逆变为与交流电网同步的三相电流回送电网。其完善的保护(过压、欠压、过流、过热等)功能，保证了有源能量回馈器的安全可靠运行。隔离二极管可防止有源能量回馈器反送电能给变频器，确保系统安全运行。电感、电容等电力器件构成高次谐波滤波器，阻止IPM模块高频开关产生的二次谐波电流干扰电网，提高有源能量回馈器的电磁兼容(EMC)性能。

控制电路由单片微机、可编程逻辑芯片、外围信号采样器构成。配以冗余度高的软件设计，使控制电路能自动识别三相交流电网的相序、相位、电压、电流瞬时值，有序的控制IPM工作在PWM状态，保证直流电能及时的回馈再生利用。为了便于人工观察有源能量回馈器的工作状态，控制电路配有错相、过流、能量回馈等状态指示灯。外来强干扰造成误故障动作可以通过单片微机自动识别自动清除，也可以通过人工按清除故障键清除，增强了系统工作的可靠性。对网侧变流器的控制方法采用电流追踪型PWM控制，如2所示：这种简化的算法直接将实测的直流母线电压与给定值之差，通过PI调节器，得到电流的给定值与测量到的电网电压相位查表得到的三相正弦基准值相乘，得到三相输出电流的给定值，然后进行简单的PI调节得到三相输出电压的给定值后与三角载波进行比较，产生的调制波作为开关管的触发信号J。这样，电流误差放大器的输出直接控制了PWM调制器的占空比，强迫实际输入电流逼近参考电流的值。这种控制算法具有开关频率固定、产生的噪声小等特点，开关损耗较小，而且系统的动态性能也较好。此控制方式算法略去了坐标变换的计算，因此与采用矢量控制方式相比具有算法简单，对控制器的计算能力要求较低的优点。但采用此种控制算法的功率因数低于标准矢量控制算法。在动态过程中，直流母线电压的波动相对较大，快速动态过程中发生直流母线过压等故障的概率相对较高。

采用TMS320LF2407芯片为核心的数字处理系统，如图3所示控制系统主要包括以下几个部分：CPU及其外围电路、信号检测与调理电路、驱动电路和保护电路。其中，电网侧电感电流、直流母线电压及交流电网电压过零信号，经信号检测与调理电路后输入主控系统CPU，以便DSP完成整个控制系统。CPU的外围电路主要有时钟电路和复位电路等。此外，为了调试方便，控制系统还扩展了一片16位RAM芯片为程序存储器。驱动电路起到提高脉冲的驱动能力和隔离的作用。保护逻辑电路则保证发生故障时系统能从硬件上直接封锁输出脉冲信号。信号检测与调理电路在整个控制系统硬件设计中占有十分重要的地位。以下重点介绍此部分的设计。

电网电感电流检测与调理电路如图4所示。其电路如图5所示LM1815是自适应可变磁阻传感放大器，专门用于信号过零检测。A相电压信号从IN端输入，当由正值穿过零点时，OUT端就输出1个同步的过零检测脉冲。该信号可以用于回馈电压频率控制，当由负值穿过零点时，没有触发脉冲输出。LM1815还具有白适应功能，能自动适应输入信号幅值的变化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种有源电能回馈型节能装置数字控制系统，其特征在于包括：主电路和控制电路：

所述主电路由IPM模块、隔离二极管、滤波电感、电容组成；IPM模块是主电路中的核心元件，它将直流电能逆变为与交流电网同步的三相电流回送电网；其完善的保护功能，保证了有源能量回馈器的安全可靠运行，隔离二极管可防止有源能量回馈器反送电能给变频器，确保系统安全运行，电感、电容等电力器件构成高次谐波滤波器，阻止IPM模块高频开关产生的二次谐波电流干扰电网，提高有源能量回馈器的电磁兼容性能；

控制电路由单片微机、可编程逻辑芯片、外围信号采样器构成；配以冗余度高的软件设计，使控制电路能自动识别三相交流电网的相序、相位、电压、电流瞬时值，有序的控制IPM工作在PWM状态，保证直流电能及时的回馈再生利用；为了便于人工观察有源能量回馈器的工作状态，控制电路配有错相、过流、能量回馈等状态指示灯。

2.根据权利要求1所述的一种有源电能回馈型节能装置数字控制系统，其特征在于所述直流母线电压与给定值之差，通过PI调节器，得到电流的给定值与测量到的电网电压相位查表得到的三相正弦基准值相乘，得到三相输出电流的给定值，然后进行简单的PI调节得到三相输出电压的给定值后与三角载波进行比较，产生的调制波作为开关管的触发信号。

3.根据权利要求1所述的一种有源电能回馈型节能装置数字控制系统，其特征在于所述单片微机采用TMS320LF2407芯片；CPU及其外围电路、信号检测与调理电路、驱动电路和保护电路，其中，电网侧电感电流、直流母线电压及交流电网电压过零信号，经信号检测与调理电路后输入主控系统CPU，以便DSP完成整个控制系统，CPU的外围电路主要有时钟电路和复位电路。

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