宋一凡　邱揚　周楠

摘 要：針對升降機節(jié)能問題，提出一種將雙饋電機作為曳引機應用于升降機系統(tǒng)的方案，采用雙PWM換流器對雙饋電機轉子進行交流勵磁，不僅可調節(jié)定子側功率因數，實現無極調速，還可將消耗在轉子電阻上的電能回饋電網。在已有雙饋異步電機數學模型的基礎上確定了機側變流器定子磁鏈定向的矢量控制策略，通過軟件仿真驗證功率流。在與傳統(tǒng)VVVF調速式的升降機的能耗進行比較中，結果表明本方案具有可行性及良好的節(jié)能效益。

關鍵詞：雙饋電動機 升降機 定子磁鏈矢量定向控制 節(jié)能

中圖分類號：TM301 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-00-02

在現代生活中，升降電梯作為一種垂直運輸工具，在各行各業(yè)得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)電梯采用變壓變頻（VVVF）調速技術，電機從電網取電，能量只能單向流動，這就決定了在制動、下降等狀態(tài)下，由電梯的動能和重力勢能轉化的電能只能消耗在電機電阻上以熱能的形式散失，不能回饋給電網，不僅造成能量的浪費，同時降溫設備還將帶來附加能耗。雙饋電機的應用方案，將給這個問題提出一個新的解決思路。

1 系統(tǒng)結構分析

1.1 雙饋升降機系統(tǒng)

系統(tǒng)結構設計如下：將繞線式電機定子繞組接三相電源，轉子三相繞組用滑環(huán)引出，經雙PWM變頻器接三相電源。系統(tǒng)采用背靠背恒壓源PWM調制電路，轉子側變流器和網側變流器隨能量流動的方向不同，通過矢量控制生成觸發(fā)脈沖，使其交替工作在整流和逆變狀態(tài)。變頻器兩側接濾波環(huán)節(jié)以改善電壓波形。電機轉軸連接減速器、滑輪等傳動裝置（可沿用現有裝置）帶動電梯廂或重物。結構如圖1所示。

1.2 矢量控制策略

對于雙饋調速的繞線型感應電機來說，定子實際電流和轉子實際電流分別是工頻和轉差頻率的交流量，若只對實際的交流電流進行閉環(huán)控制，效果并不理想。為了達到直流電動機的控制性能，必須將實際的交流量分解成有功和無功分量，并分別對兩個分量進行閉環(huán)控制，這就構成了雙通道從屬調節(jié)的控制結構[3]。

實際上可作為定向矢量的選擇是多樣的[4-5]，該文重點研究按電機定子磁鏈定向的矢量控制[6]。對于并網運行的雙饋異步電機，可以認為定子側電壓的幅值和頻率都是常數。在忽略定子繞組電阻的前提下，定子電壓矢量與定子感應電動勢矢量重合，而已知磁鏈矢量超前感應電動勢矢量90 °，因此，定子磁鏈矢量超前定子電壓矢量 90 °相角。基于這些分析，若選擇兩相同步旋轉坐標系的軸與定子磁鏈矢量的方向一致，軸系的旋轉速度與定子磁場的旋轉速度一致，則軸就與定子電壓矢量在一條直線上。于是，定子磁鏈軸分量為0，定子電壓軸分量也為0，就可以大大簡化控制模型。令、分別為定子電壓的軸、軸分量，為定子磁鏈矢量的幅值，為電網電壓的幅值。在忽略各種損耗的前提下，雙饋異步電機在穩(wěn)態(tài)時定子側輸出的有功功率為：。則電機定子側有功功率、無功功率為：

從以上功率方程可以看出，在定子磁鏈定向的條件下，雙饋異步電機定子功率的表達式變得非常簡單，定子輸出的有、無功功率直接由定子電流的兩個分量獨立控制[7]。至此，已經實現了雙饋異步電機定子輸出有功功率、無功功率的解耦。

1.3 控制分析

作為簡易電梯模型，整定其運動過程如下：上升過程分為勻加速、勻速、勻減速三個階段，下降過程同樣分為勻加速，勻速，勻減速，加速度大小均為。綜合分析，可以得到電梯在各個運行階段中的能量流動狀態(tài)如圖2所示。結合雙饋電機的五種運行狀態(tài)，制定最佳的饋能設計方案如表1所示。

通過改變雙饋電機的轉子外加電源的幅值和頻率，實現電機轉速的精確控制；通過12路觸發(fā)脈沖控制IGBT的通斷為能量流動提供雙通道，將電梯制動時的動能和下降時的重力勢能轉化為電能回饋電網，實現節(jié)能的目的。

2 雙PWM控制系統(tǒng)仿真分析

2.1 仿真模型

仿真所用電機模型按照實際電梯的相關參數，設其額定電壓380 V，功率10 kW，頻率50 Hz，轉速1380 r/min，載重量1500 kg。仿真模擬了雙饋電機與普通電機加相同負載且設定轉速運行時，隨時間的推進，電機總的耗能情況。設定電機在額定轉速運行時，電梯速度為1 m/s，加速時間為1s，電梯滿載。同時檢測電機轉速，經矢量分析生成轉子側變流器和定子側變流器的觸發(fā)脈沖，從而使定子電壓U2c與轉子感應電動勢同頻率。使用PSCAD 4.2搭建主電路。

2.2 仿真結果

測量定子功率、轉子功率，則電機總的吸收功率為。因雙饋電機在電梯制動和下降時可向電網饋送能量，故表現為耗能曲線下降。由計算可知，按照仿真設定的最理想運行狀態(tài)，結束時，總計節(jié)能約70%。實際運行中，電梯可能隨機處于不同的運行狀態(tài)，節(jié)能效益會略有減小。

3 結語

該文通過理論推導討論了雙饋電動機在升降機系統(tǒng)中的應用并通過仿真驗證。在已知雙饋異步電機的數學模型基礎上制定升降機運行方案，確定了機側變流器定子磁鏈定向的矢量控制策略，最后通過軟件仿真驗證在不同的運行狀態(tài)下，電機內部的功率的流動情況，證明了該方案的可行性和系統(tǒng)良好的節(jié)能效益，具有較好的未來應用前景，在升降機節(jié)能方向上做出了新的探索。

參考文獻

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[2] 姚興佳，宋俊.風力發(fā)電機組原理與應用[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2009：82-89.

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[6] 劉小虎.基于矢量控制的雙饋電機調速性能研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[7] 蔣輝.雙饋電動機節(jié)能控制技術研究[D].遼寧：沈陽工業(yè)大學，2009.