CN201533174U - 能量回馈装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能量回馈装置，包括有源逆变电路、滤波电抗器和回馈控制电路。有源逆变电路由绝缘栅双极晶体管组成的三相电压型逆变电路构成，回馈控制电路由外围检测电路和DSP控制电路构成。外围检测电路的电压信号和同步信号，并送至DSP控制电路。DSP控制电路通过电网相序自动鉴别，起停电压计算、幅相控制算法和修正算法，发出SPWM脉冲至有源逆变电路，以控制整个能量回馈系统。本实用新型实现电梯制动电能的反馈，回馈效果良好，功率因数高，系统工作稳定可靠，使用方便。

Description

能量回馈装置

技术领域

本实用新型涉及电气工程技术领域，尤其涉及电力制动技术，具体提供了一种能量回馈装置，该装置尤其适用于电梯。。

背景技术

根据中国电梯协会提供的信息，至2009年我国在用电梯总保有量已达90万台，并以每年10万台左右的装机量持续增长。电梯年消耗电力150亿度，占所有民用耗电量的1/6，相当于一个中等规模城市一年的总用电量，而且还以每年15％左右的速度增长。业内人士已呼吁将节能电梯的使用纳入相关法规。节能型电梯的使用与推广，具有巨大的经济效益与社会意义。

目前，变频变压调速电梯已成为电梯市场上的主流。其调速原理基本都是采用单PWM控制，即由二极管等不可控整流器件对交流电源进行整流，经过中间电容的滤波稳压，最后通过PWM控制逆变器，输出电压频率可变的交流电给电梯曳引机，从而控制电梯。

采用变频调速的电梯在启动到达最大运行速度后具有最大的机械能。当电梯到达目标楼层而逐渐减速的过程中，其具有的机械能释放。这些再生的能量将储存在变频器直流环节的大电容上。另外，电梯还是一个具有位能的负载。当电梯轻载上升或重载下降时，其位能也将通过电动机转变为电能，储存在直流电容上。电梯制动时转化成的电能储存在直流电容上，会导致其电压的上升，如果能量得不到释放使电容电压升得过高，将会引起电梯的过压故障。

传统的能耗制动方式采用大功率电阻来释放电容上的能量。这种做法简单且看起来投资较小，但是电阻的发热严重。电梯运行中，电阻的温度通常都在100℃以上，机房的散热需要采用大容量的风机或空调。这将导致电梯额外的耗电量，有时散热的耗电量甚至比电梯的耗电量还要高。此外，简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高。

回馈型节能电梯是将直流电容上储存的能量通过有源逆变装置回馈电网。由于不再存在耗能电阻这个发热源，将大大减小散热所需的耗电量，同时也避免了高温、过压对电梯的不利影响。此外，由于能够向电网回馈电能，从而使电梯的实际耗电量大大减小，节能效果显著。然而，回馈型节能电梯要求电梯变频器的整流和逆变部分均采用全控器件，采用双PWM控制实现能量的双向流动。而大部分在用电梯其整流部分采用不可控二极管，能量无法双向流动，要实现能量回馈，必须更换原有电梯，因此成本较高，可行度很低。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种能量回馈装置，该装置可以解决现有技术中能源浪费、温升过高、制动效果不理想的技术问题，减小耗电量，达到节约电能的目的。

本实用新型提供的能量回馈装置，其特征在于：该装置包括有源逆变电路、滤波电抗器和回馈控制电路；

有源逆变电路包括一个由绝缘栅双极晶体管构成的三相桥式电路，三相桥式电路的直流正极输入端和负极输入端之间串联有相同的第一、第二缓冲电容器，第一、第二缓冲电容器分别并联一个均压电阻，直流正极输入端与第一二极管串接，直流负极输入端与第二二极管串联，其中，第一二极管的阴极接直流正极输入端，并与电梯变频器直流母线电压正极相连，第二二极管的阳极接直流负极输入端，阴极与电梯变频器直流母线电压负极相连；三相桥式电路的三相交流输出侧分别记为R、S、T；

滤波电抗器包括三个电感La、Lb、Lc，三个电感La、Lb、Lc的一端分别与三相交流输出侧R、S、T相连，另一端均通过交流接触器分别与三相电网相连；

回馈控制电路包括外围检测电路和DSP控制电路，外围检测电路用于检测变频器和电网的直流和交流电压信号，并将直流和交流电压信号送至DSP控制电路；DSP控制电路采用DSP芯片实现控制，通过对输入的直流和交流电压信号进行数字处理，输出正弦脉冲宽度调制脉冲至有源逆变电路中各绝缘栅双极晶体管的门极，控制绝缘栅双极晶体管的导通和关断。

本实用新型采用DSP全数字式控制，并利用有源逆变方式把制动时产生的电能回馈回电网，使得系统效率高，回馈电流波形良好，谐波畸变率低于5％，回馈功率因数接近于1。优良的控制策略保证装置能够稳定可靠的工作。本实用新型装置可以直接外挂与在用电梯上，采用电网相序自动鉴别，内置滤波电抗器，可直接与电网接驳，使用方便，具有很大的推广前景和普及率。

附图说明

图1是能量回馈装置结构示意图；

图2是能量回馈装置回馈控制电路硬件结构图；

图3是能量回馈装置电网相序自动鉴别流程图；

图4是能量回馈装置运算处理和SPWM生成程序流程图；

图5是回馈电流波形图；

图6是回馈电流、电压波形图。

具体实施方式

本实用新型的工作原理是：外围检测电路检测直流母线电压信号、交流电网电压信号和同步信号，并将其送入DSP控制电路。DSP控制电路完成电网相序的自动鉴别，并根据电网电压幅值完成起停信号和幅相控制信号的计算。在起停信号的产生中，由于采用双限值的滞环控制，可以避免系统的频繁起停，而电压自适应控制算法能够保证电压波动时系统不会误动作。幅相控制计算根据变频器直流母线电压设定值和检测到的实际值，经过PI环节计算出控制角和调制比，并进行死区效应的补偿，即在理论计算产生的调制比的基础上乘以一个修正系数。综合电网相序、起停信号和幅相控制信号，DSP发出相应的SPWM脉冲至有源逆变电路，控制整个装置的工作。

下面通过借助实施例更加详细地说明本实用新型，但以下实施例仅是说明性的，本实用新型的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1所示，能量回馈装置包括有源逆变电路1、滤波电抗器2和回馈控制电路3。

有源逆变电路1包括六个绝缘栅双极晶体管(IGBT)V1、V2、V3、V4、V5和V6，六个IGBT构成三对绝缘栅双极晶体管，每对绝缘栅双极晶体管均由一个第一绝缘栅双极晶体管和一个第二绝缘栅双极晶体管串联构成。其中，第一绝缘栅双极晶体管的发射极和第二绝缘栅双极晶体管的集电极相连。所有第一绝缘栅双极晶体管V1、V3、V5的集电极连接在一起，形成一个正极输入端，所有第二绝缘栅双极晶体管V2、V4、V6的发射极连接在一起，形成一个负极输入端。每对绝缘栅双极晶体管中的第一绝缘栅双极晶体管发射极与第二绝缘栅双极晶体管的集电极相连处引出三相交流输出侧R、S、T。正极输入端和负极输入端之间串联有两个相同的缓冲电容器C1、C2，缓冲电容器C1、C2分别并联一个均压电阻R1、R2。为了保证回馈能量的单向流动，在正极输入端和负极输入端各串联了一个二极管。其中，第一二极管VD1的阴极接正极输入端，阳极串联一个保险丝后与电梯变频器直流母线电压正极P相连，第二二极管VD2的阳极接负极输入端，阴极与电梯变频器直流母线电压负极N相连。

滤波电抗器2包括三个电感La、Lb和Lc，电感La、Lb和Lc的一端分别与逆变器三相交流输出侧R、S、T相连，另一端均通过交流接触器JR1分别与三相电网相连。

回馈控制电路3是本实用新型装置的创新关键，它包括外围检测电路4和DSP控制电路5。外围检测电路4通过直流和交流电压传感器、同步变压器等与变频器和电网相连，检测直流和交流电压信号，并将直流和交流电压信号送至DSP控制电路5，以便对系统进行控制。DSP控制电路采用DSP芯片实现控制。DSP控制电路5通过对输入的信号进行数字处理，输出SPWM脉冲至有源逆变电路1中各绝缘栅双极晶体管的门极，以控制IGBT的导通和关断。

参见图2，介绍本实用新型回馈控制电路的硬件结构和工作原理：外围检测电路4包括直流母线电压测量电路、电网同步信号电路和电网电压测量电路。

直流母线电压测量电路通过一个直流电压传感器与变频器直流母线的P、N端连接，测量得到直流母线电压信号U_dc，并送至DSP控制电路5。

电网同步信号电路为有源逆变电路1提供同步信号。本能量回馈装置采用线电压同步的方法，电网同步信号电路与电网中的任意二相连接，得到线电压U_L，经过低通滤波器后进行过零比较，输出与线电压相位相反的方波信号至DSP控制电路5。电网同步信号电路的具体实现方法有多种，本装置采用的同步信号电路见本实用新型的实施例。

电网电压测量电路包括三个交流电压传感器，各交流电压传感器的输入侧分别接电网CA两相、AB两相和BC两相，输出侧分别与DSP控制电路5相连，将得到线电压信号U_CA、U_AB和U_BC送至DSP控制电路5。

直流母线电压测量电路、电网同步信号电路和电网电压测量电路均可以采用现有技术实现，并不局限于列举的结构。

DSP控制电路5的功能是根据外围检测电路4的输入信号，通过相应的运算处理，发出SPWM脉冲，从而控制有源逆变电路的工作状况。如图2所示，DSP控制电路5分别对接收的信号进行电网相序自动鉴别和运算处理，然后生成正弦脉冲宽度调制(SPWM)脉冲。这些功能都是通过DSP内部的编程实现的。

如图3所示，电网相序自动鉴别的过程为：首先检测同步信号，然后测量电网电压，并进行逻辑判断：若U_AB＜0且U_BC＞0，则电网相序为正序；若U_AB＞0且U_BC＜0，则电网相序为负序；若两种情况都不满足，说明检测有误，重新返回到开始状态。

采用电网相序自动鉴别以后，回馈装置与电网的连接变得方便，可直接将三个端子与三相电网相连，而不需要检测电网相序，大大方便其安装。

运算处理包括下述过程：(1)对线电压信号U_CA、U_AB和U_BC进行幅值计算，得到电网电压幅值U_m；(2)利用电网电压幅值U_m进行起停电压整定计算，得到起停电压上限值U_dcH和下限值U_dcL；(3)利用起停电压上限值U_dcH和下限值U_dcL及直流母线电压信号U_dc，进行起停信号发生逻辑运算，得到起停信号flag；(4)利用直流母线电压信号U_dc、电网电压幅值信号U_m和起停电压上限值U_dcH，经过幅相控制算法后得到理论调制比M^*和控制角δ；(5)对理论调制比进行修正，即经过死区效应静态补偿，得到补偿后的修正调制比M。

幅值计算的过程为：1)根据电网电压信号U_CA、U_AB和U_BC，计算电网各相电压值： $U_A=\frac{U_{\mathrm{CA}}}{\sqrt{3}},$ $U_B=\frac{U_{\mathrm{AB}}}{\sqrt{3}},$ $U_C=\frac{U_{\mathrm{BC}}}{\sqrt{3}};$ 2)计算电网电压幅值 $U_m=\sqrt{U_A^2+U_B^2+U_C^2}$

起停电压整定计算的过程为：根据电网电压幅值U_m和开启电压预设值U_dcH ^*、关闭电压预设值U_dcL ^*，利用计算式 $U_{\mathrm{dcH}}=\frac{U_m}{380}\×{U_{\mathrm{dcH}}}^{*}$ 和 $U_{\mathrm{dcL}}=\frac{U_m}{380}\×{U_{\mathrm{dcL}}}^{*},$ 得到起停电压上限值U_dcH和起停电压下限值U_dcL。其中，开启电压预设值U_dcH ^*、关闭电压预设值U_dcL ^*为程序内部定义的参数。对于有效值为220V的三相电网，U_dcH ^*的范围为650V～700V，U_dcL ^*的范围为600V～620V。

常规的回馈控制系统一般采取单限值控制方式，一旦电压高于限值就动作，低于限值就停止，因此系统会频繁起停。本实用新型装置采用双限制的滞环控制，即系统有两个限值(即起停电压上限值U_dcH和下限值U_dcL)，可以避免系统的频繁起停。此外，在起停电压整定计算式中，包含了电网电压幅值U_m和三相电网正常情况下的电网幅值(380V)之比，因此当电网波动时，起停电压整定值也会根据比例关系自动变换，从而保证电网电压波动时装置不会误动作，这就是电压自适应控制算法。

起停信号发生逻辑的过程为：将测得的直流母线电压幅值U_dc与U_dcH、U_dcL进行逻辑比较，若U_dc＞U_dcH，则flag＝1，发出系统起动信号，开启脉冲；若U_dc＜U_dcL，则flag＝0，发出系统停止信号，关闭脉冲，能量回馈装置停止工作；若两种情况都不满足，则判别flag是否为1。

幅相控制的原理为：通过控制调制波的幅值和相位，从而控制有源逆变电路的工作情况。具体到硬件实施中，就是通过计算出调制比和控制角，使DSP发出与此调制比和控制角对应的SPWM脉冲至有源逆变电路。

幅相控制算法的步骤如下：1)电梯变频器直流侧的取样电压U_dc与起停电压上限值U_dcH比较，其输出电压偏差值经过一个PI环节运算后，得出控制角δ；2)根据外围检测电路测得的直流母线电压值U_dc和电网电压幅值U_m，并结合上一步计算出来的控制角δ，计算理论调制比M^*，计算公式为 $M^{*}=\frac{{2U}_m}{U_{\mathrm{dc}}\cos \mathrm{\δ}}.$

死区效应静态补偿的原理如下：本实用新型设计的能量回馈系统根据电压相量间的静态关系，对常规的幅相控制算法计算出的理论调制比M^*进行修正，即在理论计算的基础上乘以一个修正系数k，得到经过死区补偿后的修正调制比M，达到死区补偿的目的。经过理论分析和计算，修正系数k的计算公式为： $k\≈C({\cos }^2\mathrm{\δ}+\frac{1}{C})C{\cos }^2\mathrm{\δ}+1$

式中，C代表一个常量，C＝4f_sT_dU_dc/(πU_m)

f_s为载波频率

U_m为外围检测电路检测得到的相电压幅值

U_dc为外围检测电路测得的直流母线电压值

T_d为SPWM脉冲的死区时间

计算出修正系数k以后，就可以得到修正调制比M：

$M=k{M}^{*}=k\frac{2E_m}{U_{\mathrm{dc}}\cos \mathrm{\δ}}=\frac{2E_m}{U_{\mathrm{dc}}}\frac{C_0{\cos }^2\mathrm{\δ}+1}{\cos \mathrm{\δ}}$

死区效应静态补偿的过程为：1)根据直流母线电压信号和电网电压幅值U_m，以及其他电路参数，计算修正系数；2)根据幅相控制算法输出的理论调制比M^*，利用计算式M＝kM^*，得到修正后的调制比M。

生成正弦脉冲宽度调制(SPWM)脉冲的过程为：DSP根据电网相序自动鉴别和运算处理过程输出的修正调制比M、控制角δ和起停信号flag，发出所需要的SPWM控制脉冲至有源逆变电路1，控制整个装置的工作。

如图4所示，运算处理和SPWM生成程序流程图如下；1)程序开始后，首先检测同步信号；2)测量电网电压幅值U_m和直流母线电压幅值U_dc；3)经过起停电压整定计算得到起停电压上下限U_dcH和U_dcL；4)将测得的直流母线电压幅值U_dc与U_dcH、U_dcL进行逻辑比较：若U_dc＞U_dcH，则flag＝1，发出系统起动信号，开启脉冲；若U_dc＜U_dcL，则flag＝0，发出系统停止信号，关闭脉冲，能量回馈装置停止工作；若两种情况都不满足，则判别flag是否为1；5)当flag＝1时，系统开始进行幅相控制计算，首先将直流母线电压U_dc与U_dcH经过PI调节得到控制角δ；6)计算理论调制比M^*；7)计算修正系数k；8)计算修正调制比M＝kM^*；9)DSP根据修正调制比M和控制角δ，结合起停信号flag，发出相应的SPWM脉冲。

在本实用新型的一个实施例中，用可变直流电源模拟电梯变频器母线电压变化，对本系统进行了运行试验。DSP芯片采用TMS320F2812。

本实用新型实施例中采用的同步信号电路的构成为：同步变压器与电网A、C相连接，得到线电压U_AC，经过一个二阶低通滤波器后，送入一个过零比较器，则比较器的输出为与线电压相位相反的方波信号。为了消除测量信号中噪声的不良影响，得到稳定精准的同步信号，方波信号后连接一个施密特触发与非门，再输入至DSP控制电路。DSP通过捕捉电网同步信号同步电路输出信号的过零点和测量输出方波信号的宽度，就可以进行相应的计算得出电网电压的相位和频率。

本实用新型的运行实验参数为：开启电压预设值U_dcH ^*＝670V，关闭电压预设值U_dcL ^*＝620V。能量回馈装置工作时的电流电压波形如图5、图6所示。图5是回馈装置开启时刻电流波形。从图中可以看出，在开始几个周期，母线电压尚未达到670V，回馈装置不工作。此时输出电流很小但不为零，这是因为电网侧并有滤波电容。当电压达到开启设定值后，回馈装置开始工作。从图5中可以看出整个起动过程没有冲击，电流幅值逐渐增大，系统在约4个工频周期内达到稳态。图6是回馈装置稳定工作时的波形。从图中可以看出，回馈电流波形近乎于正弦，且回馈电流Ic滞后线电压Uca一定角度。对Ic进行分析可得，THD约为2.23％，回馈电流Ic滞后Uca的角度为32.8°，功率因数为0.9988，即实现了单位功率因数回馈。

综上所述，本实用新型能量回馈装置具有以下优点：回馈电流波形良好，谐波畸变率低；功率因数高，接近于1，实现了单位功率因数回馈；采用修正的幅相控制算法和起停滞环控制、自适应控制，系统工作可靠；内置滤波电抗器，可直接与电网接驳，方便使用；具有电网相序自动鉴别功能，与电网的连接更加方便；可直接外挂与在用电梯，节能效果显著，具有广泛的推广前景。

Claims (2)

1.一种能量回馈装置，其特征在于：该装置包括有源逆变电路(1)、滤波电抗器(2)和回馈控制电路(3)；

有源逆变电路(1)包括一个由绝缘栅双极晶体管构成的三相桥式电路，三相桥式电路的直流正极输入端和负极输入端之间串联有的第一、第二缓冲电容器(C1、C2)，第一、第二缓冲电容器(C1、C2)分别并联一个均压电阻(R1、R2)，直流正极输入端与第一二极管(VD1)串接，直流负极输入端与第二二极管(VD2)串联，其中，第一二极管(VD1)的阴极接直流正极输入端，并与电梯变频器直流母线电压正极(P)相连，第二二极管(VD2)的阳极接直流负极输入端，阴极与电梯变频器直流母线电压负极(N)相连；三相桥式电路的三相交流输出侧分别记为(R、S、T)；

滤波电抗器(2)包括三个电感(La、Lb、Lc)，三个电感(La、Lb、Lc)的一端分别与三相交流输出侧(R、S、T)相连，另一端均通过交流接触器(JR1)分别与三相电网相连；

回馈控制电路(3)包括外围检测电路(4)和DSP控制电路(5)，外围检测电路(4)用于检测变频器和电网的直流和交流电压信号，并将直流和交流电压信号送至DSP控制电路(5)；DSP控制电路(5)采用DSP芯片实现控制，通过对输入的直流和交流电压信号进行数字处理，输出正弦脉冲宽度调制脉冲至有源逆变电路(1)中各绝缘栅双极晶体管的门极，控制绝缘栅双极晶体管的导通和关断。

2.根据权利要求1所述的能量回馈装置，其特征在于：外围检测电路(4)包括直流母线电压测量电路、电网同步信号电路和电网电压测量电路；

直流母线电压测量电路与变频器直流母线的正、负端连接，测量得到直流母线电压信号(U_dc)，并送至DSP控制电路(5)；

电网同步信号电路与电网中的任意二相连接，得到线电压(U_L)，经过低通滤波器后进行过零比较，输出与线电压相位相反的方波信号至DSP控制电路(5)；

电网电压测量电路用于测量电网CA两相、AB两相和BC两相的电压U_CA、U_AB、U_BC，并将得到线电压信号送至DSP控制电路(5)。

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