双馈电机在升降机中的应用与控制分析

宋一凡　邱扬　周楠

摘 要：针对升降机节能问题，提出一种将双馈电机作为曳引机应用于升降机系统的方案，采用双PWM换流器对双馈电机转子进行交流励磁，不仅可调节定子侧功率因数，实现无极调速，还可将消耗在转子电阻上的电能回馈电网。在已有双馈异步电机数学模型的基础上确定了機侧变流器定子磁链定向的矢量控制策略，通过软件仿真验证功率流。在与传统VVVF调速式的升降机的能耗进行比较中，结果表明本方案具有可行性及良好的节能效益。

关键词：双馈电动机 升降机 定子磁链矢量定向控制 节能

中图分类号：TM301 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（c）-00-02

在现代生活中，升降电梯作为一种垂直运输工具，在各行各业得到了广泛的应用。传统电梯采用变压变频（VVVF）调速技术，电机从电网取电，能量只能单向流动，这就决定了在制动、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上以热能的形式散失，不能回馈给电网，不仅造成能量的浪费，同时降温设备还将带来附加能耗。双馈电机的应用方案，将给这个问题提出一个新的解决思路。

1 系统结构分析

1.1 双馈升降机系统

系统结构设计如下：将绕线式电机定子绕组接三相电源，转子三相绕组用滑环引出，经双PWM变频器接三相电源。系统采用背靠背恒压源PWM调制电路，转子侧变流器和网侧变流器随能量流动的方向不同，通过矢量控制生成触发脉冲，使其交替工作在整流和逆变状态。变频器两侧接滤波环节以改善电压波形。电机转轴连接减速器、滑轮等传动装置（可沿用现有装置）带动电梯厢或重物。结构如图1所示。

1.2 矢量控制策略

对于双馈调速的绕线型感应电机来说，定子实际电流和转子实际电流分别是工频和转差频率的交流量，若只对实际的交流电流进行闭环控制，效果并不理想。为了达到直流电动机的控制性能，必须将实际的交流量分解成有功和无功分量，并分别对两个分量进行闭环控制，这就构成了双通道从属调节的控制结构[3]。

实际上可作为定向矢量的选择是多样的[4-5]，该文重点研究按电机定子磁链定向的矢量控制[6]。对于并网运行的双馈异步电机，可以认为定子侧电压的幅值和频率都是常数。在忽略定子绕组电阻的前提下，定子电压矢量与定子感应电动势矢量重合，而已知磁链矢量超前感应电动势矢量90 °，因此，定子磁链矢量超前定子电压矢量 90 °相角。基于这些分析，若选择两相同步旋转坐标系的轴与定子磁链矢量的方向一致，轴系的旋转速度与定子磁场的旋转速度一致，则轴就与定子电压矢量在一条直线上。于是，定子磁链轴分量为0，定子电压轴分量也为0，就可以大大简化控制模型。令、分别为定子电压的轴、轴分量，为定子磁链矢量的幅值，为电网电压的幅值。在忽略各种损耗的前提下，双馈异步电机在稳态时定子侧输出的有功功率为：。则电机定子侧有功功率、无功功率为：

从以上功率方程可以看出，在定子磁链定向的条件下，双馈异步电机定子功率的表达式变得非常简单，定子输出的有、无功功率直接由定子电流的两个分量独立控制[7]。至此，已经实现了双馈异步电机定子输出有功功率、无功功率的解耦。

1.3 控制分析

作为简易电梯模型，整定其运动过程如下：上升过程分为匀加速、匀速、匀减速三个阶段，下降过程同样分为匀加速，匀速，匀减速，加速度大小均为。综合分析，可以得到电梯在各个运行阶段中的能量流动状态如图2所示。结合双馈电机的五种运行状态，制定最佳的馈能设计方案如表1所示。

通过改变双馈电机的转子外加电源的幅值和频率，实现电机转速的精确控制；通过12路触发脉冲控制IGBT的通断为能量流动提供双通道，将电梯制动时的动能和下降时的重力势能转化为电能回馈电网，实现节能的目的。

2 双PWM控制系统仿真分析

2.1 仿真模型

仿真所用电机模型按照实际电梯的相关参数，设其额定电压380 V，功率10 kW，频率50 Hz，转速1380 r/min，载重量1500 kg。仿真模拟了双馈电机与普通电机加相同负载且设定转速运行时，随时间的推进，电机总的耗能情况。设定电机在额定转速运行时，电梯速度为1 m/s，加速时间为1s，电梯满载。同时检测电机转速，经矢量分析生成转子侧变流器和定子侧变流器的触发脉冲，从而使定子电压U2c与转子感应电动势同频率。使用PSCAD 4.2搭建主电路。

2.2 仿真结果

测量定子功率、转子功率，则电机总的吸收功率为。因双馈电机在电梯制动和下降时可向电网馈送能量，故表现为耗能曲线下降。由计算可知，按照仿真设定的最理想运行状态，结束时，总计节能约70%。实际运行中，电梯可能随机处于不同的运行状态，节能效益会略有减小。

3 结语

该文通过理论推导讨论了双馈电动机在升降机系统中的应用并通过仿真验证。在已知双馈异步电机的数学模型基础上制定升降机运行方案，确定了机侧变流器定子磁链定向的矢量控制策略，最后通过软件仿真验证在不同的运行状态下，电机内部的功率的流动情况，证明了该方案的可行性和系统良好的节能效益，具有较好的未来应用前景，在升降机节能方向上做出了新的探索。

参考文献

[1] 李发海，朱东启.电机学[M].北京：科学出版社，2007：458-466.

[2] 姚兴佳，宋俊.风力发电机组原理与应用[M].2版.北京：机械工业出版社，2009：82-89.

[3] 宋文超.变速恒频双馈发电机PWM变流器设计与研究[D].甘肃：兰州理工大学，2011.

[4] 梅意安.双馈异步电机双PWM变流器控制的仿真研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[5] 吴胜.双馈电机的控制系统研究[D].武汉：华中科技大学，2005.

[6] 刘小虎.基于矢量控制的双馈电机调速性能研究[D].武汉：华中科技大学，2009.

[7] 蒋辉.双馈电动机节能控制技术研究[D].辽宁：沈阳工业大学，2009.