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双PWM控制能量回馈电梯传动系统的设计

发布日期：2008-1-12 9:42:39 访问次数:223 [电气传动]

摘要：双PWM交流传动系统由于其高功率因数、低谐波污染和能量可逆已成为“绿色电能变换”的新星之一，而空间矢量PWM与普通的SPWM控制相比具有直流电压利用率高，开关频率低，动态性能好的优点。给出了一种基于TMS320LF2407A和IPM（智能功率模块）全数字双SVPWM控制能量回馈电梯传动系统的实现方案。首先介绍了主电路及其工作原理，然后着重描述了两个变换器的控制方案和系统硬件电路设计；最后给出了原型机的运行结果。实验结果表明，该系统电路简单，功率因数高，电流电压谐波小，节能效果明显。

1 引言
随着交流调速技术的不断发展，基于矢量变换控制变压变频调速技术的电梯产品已成为目前市场上的主流。但是在绝大多数的VVVF控制电梯中，特别是对于2.5 m/s，1350kg（22KW）及以下规格的电梯，调速几乎无一例外地采用单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。这种调速系统存在如下缺点：1）功率因数低；2）网侧谐波污染严重；3）无法实现能量的再生利用。由PWM整流器和PWM逆变器构成的双PWM可逆整流控制系统无需增加任何附加电路，通过对变换器的开关器件按照一定的控制规律进行通断控制就可消除网侧谐波污染，实现高功率因数及能量双向流动，方便电机4象限运行，并且电机动态响应时间短，是高质量能量回馈技术的最新技术之一。目前国际上只有知名的电梯厂商，如日本三菱、美国OTIS等少数几家公司在大规格电梯中采用了双PWM控制技术。在国内，还没有一个电梯厂家拥有和掌握自主知识产权的双PWM控制技术。本文阐述了一种基于TMS320F2407A和IPM的全数字双SVPWM控制的能量回馈型电梯传动系统。

2 电梯双PWM控制传动系统的工作原理
系统主要包括两个部分：能量回馈单元和进行异步电机变频调速的矢量控制变频驱动系统。主电路由扼流电抗器、电网侧变换器、电机侧变换器和电梯曳引电动机组成。用6个全控型功率开关器件IGBT替代了三相二极管整流桥。整个系统拓扑如图1所示。

工作原理如下。
1）能量由三相交流电网流向电梯曳引机。当曳引机工作在电动状态时，电网侧变换器和电机侧变换器分别工作在整流、逆变状态。网侧变换器使用PWM方式控制交流电网的电流和电压同相位，同时电机侧变换器在PWM方式的控制下使输出电压和工作频率成正比，使得交流电机得到恒转矩特性，同时输入到电动机的电流为正弦波，减少了高次谐波电流的损耗。
2）电梯曳引机产生的再生能量馈入三相电网。当曳引机工作在发电状态时，网侧变换器工作在有源逆变状态，负责将曳引机产生的、聚集在直流电容上的泵升能量转化为符合并网条件的交流电，回馈给电网，以保持直流测电压的相对恒定。整个系统的功率因数约等于1。此时储能电容器C也能对交流电源输入电路的漏抗所产生的无功电流起到补偿作用。

3 双PWM变流器控制方案
3.1 电网侧变换器的控制
电网侧变换器采取跟踪指令电压的SVPWM电流控制。系统的控制框图如图2所示。原理如下：对三相电流i_a，i_b，i_c采样，并进行3s/2r坐标变换，得到其在两相旋转坐标系下的电流分量i_d，i_q（此处d轴表示有功分量，q轴表示无功分量。改变

就可以改变功率因数，

时单位功率因数为1）；直流电压与给定参与电压的偏差经PI调节形成d轴的参考电流

；

和i_q，

和i_d各自的偏差经过PI调节，并通过前馈解耦运算后输出控制参考电压V*；最后通过2r/2s坐标变换，将此控制信号输入SVPWM控制模块中，使电网侧变换器的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而达到电流控制的目的，使电网侧的输入电流为正弦波，功率因数可调。矢量控制采用目前流行的SVPWM，可以提高电压利用率，减小谐波。

3.2 电机侧变换器及异步电机的控制
采用磁场定向矢量控制策略，原理框图如图3所示。整个系统采用双闭环结构，外环为速度环，内环为电流环。系统通过霍尔电流传感器测得电机的定子电流i_a，i_b，并利用i_c＝－（i_a＋i_b）求出i_c。，再通过3s/2r和2s/2r坐标变换将所测电流变成旋转坐标系中的直流量i_d，i_q；另一方面系统通过增量式编码器测得电机的机械角位移，在DSP内将其转换成转速n，其与给定转速的偏差经过速度PI调节器，输出用于转矩控制的q轴电流分量的

。电流反馈量与参考分量

的偏差经过电流PI调节器，结合先前用电流—磁链位置转换求出的转子磁链位置，求得在d－q旋转坐标系上的相电压分量

，然后再经过2r/2s坐标变换将其转换成直角坐标系的定子相电压矢量

。通过SVPWM控制使逆变器的输出电压跟踪指令电压

，实现基于转子磁场定向的矢量控制，交流电机得到恒转矩特性。
以上操作全部采用软件来完成，从而实现电梯的全数字实时控制。

4 控制系统的硬件实现
系统的硬件主要由控制芯片、PWM驱动电路、保护电路、电网相角检测电路及速度、电压、电流反馈电路等组成。系统的控制框图如图4所示。两个变换器的功率开关器件选用基于IGBT的智能功率模块；控制系统采用TI公司的高性能数字信号处理器TMS320LF2407A芯片；相角检测用到锁相环电路。DSP捕获锁相环发出的过零信号，通过脉冲数的换算，计算相角的位移。锁相环电路通过锁相环专用芯片MC74HC4046A和FPGA结合进行设计；隔离驱动实现PWM信号的功率放大与电气隔离；直流侧电压和定子电流、电网电流分别由LEM电压传感器和，霍尔传感器检测，检测量经过DSP的A/D转换后，分别送到各自的控制单元，构成回馈部分的受控对象；电机转速检测采用增量式光电编码器，利用TMS320LF2407A的正交编码脉冲单元（QEP）实现码盘输出信号的4倍频，通过定时器T₄对脉冲进行计数，最后通过M/T法求得转速。

4.1 PWM驱动隔离电路
从DSP输出的PWM信号不能直接驱动智能功率模块，必须经过驱动、隔离。其中一路的PWM通道的电路如图5所示。PWM低电平信号经过74LS14反相器反相后输出高电平，再经达林顿管阵列MC1413驱动，将高电平送到光耦输入端，此时光耦的发光二极管不导通，6脚输出为高电平，IPM截止。反之，当PWM信号为高电平时，IPM导通。

通道的核心采用高速，高共模比的IPM接口专用光耦HCPLA504。其第8脚接＋15 V（VUP）工作电源，第5脚接地，5，8脚间接一0.1μF的去耦电容C₄₅，以抗电源干扰。6脚为信号的输出端，与IPM相连，6，8脚接上拉电阻R₅₆，IPM功率越大上拉电阻阻值越小。为了减少干扰，设计电路板时要注意6脚到IPM输入端的引线不要超过2cm。
4.2 保护电路
当IPM出现欠压（UV）、过热（OT）、过流（OC）、短路（SC）等故障时，IPM会立即封锁门极驱动电路关断IPM，同时输出非保持性的故障信号。如果故障源在故障信号持续时间结束后仍旧没有排除，IPM就会重复自动保护的过程，反复动作，这对IPM的伤害非常大，因此需要外加的保护。DSP有专门的功率驱动保护中断，当引脚

接受来自IPM的故障信号时，DSP会将PWM输出引脚置为高阻态，封锁PWM波的输出，彻底关断IPM，以施行进一步的保护动作。故障信号与DSP的硬件接口电路如图6所示。FPO1，FNO1分别为A相桥臂上下两个IGBT的故障信号，其余类推。所有故障信号经过与运算（通过与非门的级连来实现。因为74LS30是8输入的，引脚1，2多余，通过电阻直接接电源置1。）送到DSP的

引脚。

4.3 异常情况下主电容的放电回路
当系统异常时（如电梯突然断电），电梯发电状态产生的电能有可能因不能及时回馈电网而超出直流母线侧电容的蓄能能力，因此需要设计异常情况下电容的放电回路，如图7所示。

图7中的C＋，C－为主电容的正负极。当出现异常情况时接触器S₁的常开触点闭合，使得主电容两端的电压触发MOSFET导通，通过电阻R₈₁将主电容两端的储能释放。

5 实验结果
根据以上理论，开发了一原型机，应用的电梯规格为：1600 kg，2.5 m/s，净功率27.58 kW，控制系统的直流电压稳态值630V，允许的最大电流波动0.15I_m，允许的最大电压波动0.006U_dc，电压环控制器输出的最大限幅电流300 A。选取电网侧电感L＝1.1 mH，直流侧电容C＝5600μF。IPM选择三菱的PM300DSA120。
电梯满载上行时测量的实验数据为：电源输入侧有效功率25.995 kW，电源输入侧功率因数0.9968，电源输入侧电压有效值368.14 V，电源输入侧电流有效值40.506A，电网频率50 Hz，电动机输入侧有效功率23.52kW，电动机输入侧功率因数0.8452，效率90.50％。
由实验结果可知，电梯满载上行时效率为90.5％，电源侧的功率因数为0.9968，可近似认为电源侧功率因数为1。实验时电源侧电压总谐波畸变率≤5％，奇次谐波电压含有率≤4％，偶次谐波电压含有率≤2％，谐波较不可控整流的电梯系统有较大幅度的下降。
让电梯空载在1楼、9楼、17楼之间连续运行7天，测试结果显示：电能消耗为625 kW•h，而相同规格的不可控整流的电梯系统在同等条件下电能消耗为834 kW•h，新系统节能效果明显。
实验波形如图8所示。

6 结论
基于DSP和IPM的双PWM控制能量回馈电梯传动系统在运行时电网侧的功率因数基本上为单位功率因数，最大限度地消除了电梯运行对于电网的谐波污染，由于可实现能量流动的是双向流动，节能效果相当明显，具有显著的经济效益。

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