摘要：传动系统是电梯运行中的重要组成部分，在本文中，将就双PWM控制能量回馈电梯传动系统进行一定的研究。
关键词：双PWM控制；能量回馈；电梯传动系统；
1 引言
近年来，交流调速技术获得了较快的发展，使得以矢量变换电压调速为主要技术的电梯产品成为了主流。而在很多电梯中，都以单PWM方式进行控制，即通过不可控整流器件的应用对电源整流处理，在经过电容滤波稳压后，通过逆变器将交流电实现向电梯曳引机的传递，以此实现对电梯的控制。此控制方式在实际应用中具有谐波污染严重，功率因数低以及无法再生利用能量的特点。采用PWM逆变器同PWM整流器组成的双PWM整流控制系统，不需增加附加电路，再以一定控制规律实现开关期间的通断控制即可实现网侧谐波污染的消除。在实现能量双向流动和高功率因素的基础上，便于实现电机4象限运行，且具有响应时间短的特征，可以说是能量回馈技术的新型研究。在该种情况下，我们对双PWM控制的电梯传动系统进行一定的研究。
2 工作原理
该系统由两部分组成，即异步电机变频调速变频驱动系统以及能量回馈单元。其中，主电路由电网侧变换器、电梯曳引电动机以及变频驱动系统组成，使用共6个全控功率开关器件对三相二级管整流桥进行替代。其工作原理为：第一，从三相交流电网实现能量向电梯曳引机的流动。当曳引机运行时，电机侧变换器工作在逆变状态，电网侧变换器工作在整流状态。电网侧变换器通过PWM整流方式实现交流电网电压、电流相位的控制。在电机侧PWM逆变控制下使工作频率同电机输出电压保持正比。同时，进入到电动机的电流为正弦波，并以此实现谐波电流损耗的降低；第二，曳引机再生的能量回馈到三相电网。当曳引机处于放电状态时，PWM整流电路处于有源逆变状态，将曳引机再生输出到直流电容上的能量变换成符合并网条件的交流电，回馈给电网的情况下保持电压恒定。对于该系统，其功率因数约等于 1，此时，储能电容器也将对漏抗的无功电流形成较好的补偿作用。
3 双PWM控制方案
3.1 电网侧变换器控制
电网侧变换器，以跟踪指令电压的SVPWM方式进行控制。其工作原理为：先对三相电流实施采样，进行2r/3s变换，以此获得旋转坐标系下电流分量id、iq。参考电压同直流电压偏差在经过PI调节之后，形成参考电流id*、iq*，在经过PI调节以及前馈解耦运算后将控制参考电压V*向外输出。经过坐标变化后将信号输入到控制模块，使变换器空间电压矢量实现对电压矢量指令的跟踪，以此实现对电流控制的目标，且在保证电网侧电流为正弦波的基础上可调功率因数。矢量控制方面，应用SVPWM，实现电压利用率的提升和谐波的降低。
3.2 电机侧变换器控制
使用双闭环结构的定向矢量控制策略。其中，内环为电流环，外环为速度环。采用霍尔电流传感器检测电机定子电流。计算出ic后经过坐标变换实现电流向坐标系直流量的转换。通过增量编码器测量电机机械位移，在DSP中实现转速转换，经过与给定转速偏差调节器，输出应用到转矩控制的电流分量。参考分量同电流反馈量偏差在经过PI调节器后结合磁链位置获得转子磁链位置，之后经过坐标转变获得坐标系定子相电压矢量。采用DSP检测电机运行状态，完成对电梯的实时控制。
4 系统硬件实现
系统主要由PWM驱动电路、电网相角检测电路、保护电路以及电流反馈电路等方面组成。在该系统中，变换器功率器件为IGBT智能功率模块，控制系统为TI公司高性能数字信号处理器，相角检测为锁相环电路。在实际运行中，DSP通过捕获功能获取锁相环发出的过零信号，经过脉冲数换算后计算相角位移。锁相环电路方面，采用锁相环芯片同FPGA结合设计，由隔离驱动电路对信号进行电力隔离及功率放大。用霍尔传感器检测电网电流、定子电流。采用LEM电压传感器检测直流侧电压。经过A//D转换为数字量后发送到DSP控制单元，以此形成回馈部分的受控对象。
4.1 PWM驱动隔离电路
对于从DSP输出的PWM信号，并不能够直接实现智能功率模块的驱动，而需要经过隔离、放大等一系列过程。其中，PWM低电平信号在经过反相器处理后实现高电平的输出，之后经过达林顿管阵列驱动，输入高电平到光耦输入端。此时，光耦的发光二极管不导通，输出端为高电平，IPM截止。相反，当PWM处于高电平信号时，IPM导通。通道核心采用高共模抑制比的IPM接口专用高速光耦HCPL4504，其中，第8脚同+15V电源连接，第5脚接地，5、8脚间跨接0.1μF去耦电容以抑制电源干扰，脚则为信号输出，同IPM进行连接，6、8脚接上拉电阻。IPM功率越大，上拉电阻值越小。为了避免干扰情况的发生，在对电路板进行设计时，需要做好6脚同IPM输入端引线的走线长度控制，避免引线超出2cm。
4.2 保护电路
当IPM出现过热、过流、短路以及欠压等情况时，IPM则会实施对门极驱动电路的封锁，在关断IPM的同时输出具有非保持特征的故障信号。如该故障源在信号持续时间结束后没有得到及时的排除，IPM会自动重复保护过程，对于该反复动作情况来说，将对IPM成非常大的伤害，需要做好外加保护处理。同时，DSP也具有功率驱动保护终端功能，当引脚接收到来自IPM故障信号时，DSP则会将PWM输出引脚设置为高阻态特征，以此实现对PWM波输出的封锁，在对IPM彻底关断的情况下开展后续保护动作。
4.3 异常情况电容放电回路
系统运行中发生异常情况时，如电梯产生的电能不能及时回馈到电网，母线侧可能出现超出电容储能能力的情况。针对这种情况，需要设计异常状态下的电容放电回路。其具体情况如下图所示：
图1
在上图中，C+，C-为电容正负极。当系统发生异常情况时，接触器常开触点将闭合，以此使电容两端电压触发MOSFET导通，并通过电阻实现其两端储能的释放。
5 结束语
在上文中，我们对双PWM控制能量回馈电梯传动系统的设计进行了一定的研究，在研究中发现，以IPM以及DSP为基础的双PWM控制能量回馈系统在运行时，能够最大程度地消除电梯运行中对电网造成的谐波污染，在具体运行中，其能够有效实现能量的双向流动，并因此获得了较好的节能效果以及经济价值，具有较好的研究应用价值与前景。
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作者简介
朱佳军（1986-），男，广东普宁市人，助理工程师，主要从事开关电源及嵌入式控制工作。
论文作者:朱佳军
论文发表刊物:《电力设备》2016年第24期
论文发表时间:2017/1/17
标签：变换器论文; 电流论文; 电网论文; 电梯论文; 能量论文; 电压论文; 电路论文; 《电力设备》2016年第24期论文;