CN202978810U - 基于双pwm变频式双馈电机的升降机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于升降机控制技术领域，特别涉及一种基于双PWM变频式双馈电机的升降机构。双馈电机的定子绕组通过电机定子侧三相端子与三相的工频交流电源连接，双馈电机的转子绕组通过电机转子侧三相端子与双PWM变频器连接后，再与工频交流电源连接；双馈电机的输出端通过测速器与齿轮减速器连接，再通过齿轮减速器与升降机构连接。能量可由电网经双PWM变频器流入双馈电机转子，亦可由双馈电机转子经双PWM变频器回馈电网。双馈电机定、转子绕组与电网之间均有能量可双向流动的通道，将升降机构减速时的动能、下降时的重力势能转化而来的电能回馈电网，实现节能效果。经仿真和实验验证，节能效益可达到28.8%。

Description

基于双PWM变频式双馈电机的升降机构

技术领域

本实用新型属于升降机控制技术领域，特别涉及一种基于双PWM变频式双馈电机的升降机构，适用于升降式电梯、矿井提升机领域。

背景技术

目前，绝大多数升降式电梯、矿井提升机均采用变压变频(VVVF)调速技术，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，从而控制电梯运行，是一种单PWM控制方式。这导致在制动、下降等状态下，由电梯的动能和重力势能转化的电能只能消耗在电机电阻和外接耗能电阻上以热能形式散失，造成能源浪费，且因此而引入的降温设备又将带来附加能耗。此外，精确变频调速须保证定子感应电动势与频率比值相同，但在实际中定子感应电动势难以获得，通常以定子电压代替，由此使得转矩特性变软，速度控制性能变差。

已有的改进方案有：1.在变频器稳压电容处并联另一逆变器，在电机处于发电状态时通过此逆变器将能量经定子绕组回馈电网；2.将双PWM变频器接于电机转子绕组，定子绕组短接，电机处于发电状态时可直接从转子绕组将能量回馈电网。

发明内容

为克服现有技术设备及节能方案的不足，本实用新型提供一种基于双PWM变频式双馈电机的升降机构。该机构不仅能实现能量的双向流动，而且能实现转矩的直接控制，并改善定子侧功率因数。

本实用新型采用的技术方案为：

双馈电机的定子绕组通过电机定子侧三相端子与三相的工频交流电源连接，双馈电机的转子绕组通过电机转子侧三相端子与双PWM变频器连接后，再与工频交流电源连接；双PWM变频器输出幅值连续可调的电压接于双馈电机的转子端，与定子端电压共同作用形成旋转磁场，通过直接转矩控制实现双馈电机四象限运行，从而调节其转速。

双馈电机的输出端通过测速器与齿轮减速器连接，再通过齿轮减速器与升降机构连接。

所述双PWM变频器的结构为：第二滤波器与转子侧变流器串联后，经滑环与具有双PWM变频器的矢量控制模块的一侧连接，矢量控制模块的另一侧经滑环与电网侧变流器连接，再与第一滤波器串联；电网侧变流器和转子侧变流器之间并联均压电容。

所述电网侧变流器和转子侧变流器均采用IGBT三相桥结构形式。通过改变IGBT三相桥的触发脉冲，使双馈电机正转、反转的不同运行状态下工作在整流或逆变状态。

所述双馈电机转速满足以下关系：转速的折合频率等于定子电流频率与转子电流频率之差。定子电流频率为50Hz，转子电流频率可通过双PWM变频器改变，以适应调速需求。

所述双馈电机定、转子均外接三相电源，为能量提供双向流动通道，从而将电梯减速时的动能、下降时的重力势能回馈电网。

本实用新型的有益效果是：

双馈电机定子、转子绕组均可实现能量由电网流向电机或由电机流向电网的双向流动；电机在正、反转状态加速、匀速、减速时分别具有不同能量流动方向，将原来耗散在电阻上的由电梯动能、重力势能转化而来的电能回馈给电网，经仿真和实验验证，节能效益可达28.8%；通过直接改变转子电压调节电机转速，进行直接转矩控制，缩短电机动态响应时间，实现电机转速精确调节；可调节定子侧无功功率，改善功率因数。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构图。

图2是本实用新型的矢量控制图。

图中标号：

1-工频交流电源；2-第一滤波器；3-电网侧变流器；4-矢量控制模块；5-均圧电容；6.转子侧变流器；7-第二滤波器；8-补偿链；9-轿厢；10-配重；11-滑轮；12-齿轮减速器；13-测速器；14-双馈电机；15-电机定子侧三相端子；16-电机转子侧三相端子。

具体实施方式

本实用新型提供了一种基于双PWM变频式双馈电机的升降机构，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

如图1所示：双馈电机14的定子绕组通过电机定子侧三相端子15与三相的工频交流电源1连接，双馈电机14的转子绕组通过电机转子侧三相端子16与双PWM变频器连接后，再与工频交流电源1连接。双PWM变频器的结构为：第二滤波器7与转子侧变流器6串联后，经滑环与具有双PWM变频器的矢量控制模块4的一侧连接，矢量控制模块4的另一侧经滑环与电网侧变流器3连接，再与第一滤波器2串联；电网侧变流器3和转子侧变流器6之间并联均压电容5；其中，电网侧变流器3和转子侧变流器6均采用IGBT三相桥结构形式。

双馈电机14的输出端通过测速器13与齿轮减速器12连接，再通过齿轮减速器12与升降机构的滑轮11连接，缆绳挂于滑轮11上，带动轿厢9、配重10及补偿链8运动。

双PWM变频器可生成触发脉冲，通过触发脉冲控制12个IGBT导通或关断，使两组三相桥可分别工作于整流或逆变状态，在转子侧变流器端口输出三相幅值、频率可调的电压，从而调节电机转速。

第一滤波器2和第二滤波器7可过滤PWM波中的高频谐波，降低电机噪音，减少对电网的谐波污染。

测速器13测量电机实际转速并转化为电信号输送至矢量控制模块4，经矢量控制算法生成PWM参考波的频率，进而改变输出电压的频率f₂，适应调速要求。

在图2所示矢量控制模块4中，包含了生成IGBT触发脉冲的矢量控制算法及脉冲生成模块。双馈电机可以实现有功、无功功率的调节，按照发电机的转速功率输出曲线，给定不同的电机转速情况下的功率输出目标。有功功率决定于转子侧励磁电流q轴分量大小，无功功率决定于转子侧励磁电流d轴分量大小，经过控制算法，给定转子侧励磁电流、电压的d、q轴分量，经过旋转坐标系变换后，变换为精制坐标系下的a、b、c分量，再通过PWM输出满足要求的IGBT触发脉冲，控制转子侧和电网侧的变流器运行状态，具体控制框图如图2所示。

当转子侧变流器6输出电压U₂=U_N/n（U_N为双馈电机额定电压，n为其变比），频率为50Hz时，双馈电机转轴上定转子磁场所施加转矩平衡，电机不转。

电机正转以带动电梯上升时，应减小U₂，使转子磁场施加于电机转轴的转矩减小，同时通过矢量控制算法将测速器所给的转速信号，自动生成所需转子电压频率，通过PWM调制改变实际频率，使电机稳定正向加速运行。转速达到预设转速时，U₂、f₂均不再改变，电机以预设转速稳定运行。增大U₂、f₂，使电机正向减速至停止。

电机反转以带动电梯下降时，应增大U₂，使转子磁场施加于电机转轴的转矩增大，同时通过矢量控制算法将测速器所给的转速信号，自动生成所需转子电压频率，通过PWM调制改变实际频率，使电机稳定反向加速运行。转速达到预设转速时，U₂、f₂均不再改变，电机以预设转速稳定运行。减小U₂、f₂，使电机反向减速至停止。

正转的加速及匀速阶段，能量由定子流入，一部分用于电梯加速及上升，一部分从转子流出，回馈电网。此时，转子侧变流器6工作在整流状态，电网侧变流器3工作在逆变状态，输出为与电源幅值、频率均相同的电压波。

正转的减速阶段，能量改由转子流入，且轿厢9的动能转化为电能，从转轴流入双馈电机14，两部分能量共同经定子流出，回馈电网。此时，转子侧变流器6工作在逆变状态，电网侧变流器3工作在整流状态。

反转的加速阶段，能量由转子流入，一部分用于电梯加速，一部分从定子流出，回馈电网。此时，转子侧变流器6工作在逆变状态，电网侧变流器3工作在整流状态。

反转的匀速和减速阶段，能量改由定子流入，且轿厢9下降的重力势能和减速时的动能转化为电能，从转轴流入双馈电机14，两部分能量共同经转子流出，回馈电网。此时，转子侧变流器6工作在整流状态，电网侧变流器3工作在逆变状态。

Claims (4)

1.基于双PWM变频式双馈电机的升降机构，其特征在于，双馈电机（14）的定子绕组通过电机定子侧三相端子（15）与三相的工频交流电源（1）连接，双馈电机（14）的转子绕组通过电机转子侧三相端子（16）与双PWM变频器连接后，再与工频交流电源（1）连接； 

双馈电机（14）的输出端通过测速器（13）与齿轮减速器（12）连接，再通过齿轮减速器（12）与升降机构连接。

2.根据权利要求1所述的基于双PWM变频式双馈电机的升降机构，其特征在于，所述双PWM变频器的结构为：第二滤波器（7）与转子侧变流器（6）串联后，经滑环与具有双PWM变频器的矢量控制模块（4）的一侧连接，矢量控制模块（4）的另一侧经滑环与电网侧变流器（3）连接，再与第一滤波器（2）串联；电网侧变流器（3）和转子侧变流器（6）之间并联均压电容（5）。

3.根据权利要求2所述的基于双PWM变频式双馈电机的升降机构，其特征在于，所述电网侧变流器（3）和转子侧变流器（6）均采用IGBT三相桥结构形式。

4.根据权利要求1所述的基于双PWM变频式双馈电机的升降机构，其特征在于，所述双馈电机（14）转速的折合频率等于双馈电机定子电流频率与双馈电机转子电流频率之差。 

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