基于PWM整流器的电梯能馈控制系统的设计仿真∗

刘 航 郎宝华

（西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021）

1 引言

当前社会迫切倡导节能减排，开发绿色能源，提高能源利用率。电梯作为重要的运输工具，其数量与日俱增，消耗大量的电能，传统电梯由变频器、电机和负载轿厢组成。由于负载和传送方向的变化，电梯电机将工作在发电状态和电动状态，电动状态时，将电能转化为动能；而工作在发电状态时，电机通过逆变器将电能传输到直流母线侧，使得直流母线电压升高，传统电梯的网侧整流器采用的是不可控器件，直流母线上的电能无法回馈到电网，对于这部分电能，传统电梯采用在直流母线侧并联能耗电阻，以热能的形式释放。这种方式电能利用率低，浪费电能，而且释放的热量使得机房温度过高，容易引发故障。

针对传统电梯采用的不可控整流器无法向电网回馈电能，本文采用可控的三相电压型PWM整流器，其可在整流和逆变之间切换，将电机处于发电状态产生的电能通过逆变回馈到电网，供周围用电设备再次利用，起到节能减排的作用。

2 电梯能馈装置原理

电梯分为轿厢、拽引电机和配重三部分，根据轿厢和配重的质量关系，可分为重载上行、重载下行，轻载上行和轻载下行。重载上行和轻载下行时，电机工作在电动状态，电梯从电网吸收电能；当重载下行和轻载上行时，电机工作在发电状态。如前文所述的能量不能回馈的问题，本文采取双PWM变频器予以解决［1］。

2.1 电梯双PWM变频器工作原理

如图1所示，电梯双PWM变频器系统分为前级能量回馈部分和后级交流电机变频驱动系统。当电机工作在电动状态时，系统从电网吸收电能。当电机工作在发电状态时，将电能经逆变器回馈到电网，实现电能的双向流动［2］。

图1 PWM变频器结构图

2.2 PWM整流器数学模型

假设电网电压三相平衡，由基尔霍夫电压定律得三相电压型PWM整流器的矢量表达式为［3］

式（1）中，Es为电网电动势；Is为交流测电流；Vr为交流测电压矢；L为滤波电感；R为等效电阻。

为控制简单，将原三相静止坐标系下的变量经（a，b，c）→（d，q）转换到与电网基波频率同步的两相旋转坐标系下。

变换后三相电压型PWM整流器的数学模型为

式中ed、eq为电压矢量，id、iq为电流矢量。

2.3 双闭环控制

在PWM整流器控制系统的设计中，采用电压外环和电流内环构成双闭环控制结构。本文采取直接电流控制策略，其中，电压外环直流母线电压与参考值的偏差经过PI调节做电流内环给定有功电流id*。经电压电流调节后，再经过电压空间矢量调制，即可得到主电路上前级PWM逆变器的驱动信号，完成系统的闭环控制［4～5］，如图2所示。

图2 双闭环控制系统

2.4 空间矢量调制

SVPWM（空间矢量调制）的电压矢量是由圆形旋转磁场上与某一扇区相邻的空间矢量合成，如图3所示，在复平面上，通过不同的开关状态构成8个空间矢量来合成电压矢量，形成SVPWM波［6］。

2.5 双闭环PI参数的整定

为了得到良好的暂态和稳态性能，降低系统误差，需对系统的PI参数做进一步的整定，本系统采用电压外环、电流内环的双闭环控制，需对电压和电流环的PI参数进行配置［7］。

图3 空间电压矢量调制图

2.5.1 电流环PI参数的配置

由于两闭环电流的对称性，本文以id为例，对电流内环的PI参数进行计算。为了滤除直流电压中的二次谐波，添加一个一阶的低通滤波器，其传递函数为

PWM逆变器的置后时间记为Ts，放大系数记为KPWM，假定电流有功分量和无功分量完全解耦，互不影响，且在计算电流环参数时，不考虑网侧电压，则电流环控制结构图如图4所示。

图4 电流环结构框图

为加快响应速度，简化传递函数，且由于Tf较小，可将两个小惯性环节合并为一个环节，即开环传函简化为

由图可得，电流环开环传递函数为

电流内环较小惯性环节时间常数Ti＜＜RC，可忽略不计，系统按典型Ⅱ型系统设计。从而求得整定关系：

将系统中的电感值L，等效电阻R，PWM整流器放大倍数Kpwm，时间常数Ts代入式（6），便可求出电流环 PI参数 Kip，KiI。

2.5.2 电压环PI参数的配置

电压环和电流环构成双闭环控制系统，电压外环维持直流母线电压的稳定，与参考电压求偏差后作为电流内环的给定；而电流内环则起到功率因数调节和抑制谐波的作用。首先就要确定有功电流和直流母线电压的关系［8］。

三相电压型PWM整流器直流侧电流可表示为

开关函数Sa、Sb、Sc表示成仅含基波分量的表达式为

其中m为PWM的调制比。

三相输入电流表达式为

结合以上式（7）、（8）、（9）可得：

由于m＜1，所以可将增益最大化，即

根据以上分析，得到电压环控制框图如图5所示。

图5 电压环控制框图

所以，电压环的开环传递函数为

系统按典型二型整定，得电压的PI参数为

只需将对应的直流母线上电容值，电压采集延时时间Tvs，Ts代入式（12），便可求出电压环PI参数［9］。

计算法求得的PI值一般来说符合理想状态下的要求，因此，需根据实际波形，对PI参数做进一步调整。

3 系统仿真

根据本文所采用的方法，运用Matlab/SIMULINK对系统的前级的能馈系统进行仿真分析，验证能量的双向流动性。仿真主要包括三相电网模块、滤波电感、电压电流检测模块、三相整流桥、直流母线侧电容（用恒定电压源代替）、坐标转换模块、SVPWM调制模块等。仿真参数如下：电源电压频率为50Hz，幅值为220√2，滤波电感为5mH，等效电阻为0.3Ω，直流侧给定电压设为700V，综合以上，基于PWM整流器的电梯能量回馈系统的仿真如下：当直流母线电压大于给定值时，逆变系统开始工作，将直流母线上的电能逆变为交流电回馈到电网中。图6为整个系统的仿真。

以下是对系统仿真各个部分功能介绍：

图6 系统仿真图

1）相位采集及坐标转换模块。

图7 三相锁相环

图8 （a，b，c）转（d，q）模块

为保证逆变回馈的电压电流与网侧保持同频同相［10］，需采集网侧电压、电流及相位，如图7所示。得到在三相静止坐标系（a，b，c）下的电压ea，eb，ec和电流 ia，ib，为控制简单，将原三相静止坐标系下的变量经（a，b，c）→（d，q）转换到与电网基波频率同步的两相旋转坐标系下，其变量的d、q分量都是直流量。如图8所示。规定d轴与Es的矢量方向相同，q轴超前d轴90°，其变换矩阵C3-2为

式中ω为电网角频率。

2）PI控制模块

以电压环为例，图9中输入（Error）为直流母线侧电压与给定参考值所求的偏差，作为电压环的给定Id*，输出Out为有功电流Id。

图9 PI控制模块

3）空间矢量调制模块

通过坐标变换将电压矢量变换到两相静止坐标系（α，β）下，由［11］：

经过变换后的电压矢量Vr*在坐标系（α，β）下的分量为Vα，Vβ。

为合成电压矢量Vr*，以扇区1为例，需确定矢量作用时间T1，T2，T0。按照伏秒平衡原则有：

当系统出现了过饱和现象，即T1与T2之和大于Ts时此时，需对式（19）进行处理。令：

至此，求得新的T1、T2、T0。在得到扇区号以及相应的矢量作用时间后，就可以合成SVPWM波。SVPWM波合成模块如图10所示，其中包括判断电压矢量所在扇区、各矢量作用时间以及开关导通时间三部分。

图10 SVPWM合成模块

4）双闭环控制部分

实现PWM整流器的控制，首先需对电网电流、电压，包括其幅值和相位进行采样，得到在三相静止坐标系（a，b，c）下的电压ea，eb，ec和电流ia，ib，ic，再经过变换，得到两相旋转坐标系（d，q）下的电压ed、eq和电流 id、iq。对 id，iq进行解耦［12～13］，其中电压外环直流母线电压与参考值的偏差作为电流内环的给定，当母线电压大于参考值，启动逆变，所得偏差经过PI调节做电流内环给定有功电流id*，无功分量iq*主要是改变功率因数，令其为0可实现单位功率因数。经电压电流调节后，将得到的交流侧电压矢量Vr*经坐标变换到两相静止坐标系（α，β）下，再经过电压空间矢量调制，即可得到主电路上前级PWM逆变器的驱动信号，完成系统的双闭环控制。

图11 直流母线侧电压为750V时，网侧A相电压电流波形

图12 直流母线侧电压为800V时，网侧A相电压电流波形

图13 从逆变临界点到启动逆变，网侧A相电压电流波形

仿真波形如图（11）、（12）、（13）所示。

由图可知，电压动态响应迅速，电流经过短暂波动后与网侧电压基本达到同频同相，图（11）和图（12）表明电压幅值不变电流幅值随着直流母线电压的增大而增大，由图（13）［14］开始直流母线侧电压值与给定值相等，在0.045s处将直流侧电压置为800V，表明当直流侧电压满足逆变条件时，系统迅速启动逆变，符合并网条件，证明电能是可双向流动的，当电机处于发电状态时，电能从电机流向电网，实现电梯能量的回馈。

4 结语

电梯作为重要的运输工具，有着广泛的应用，因此提高电梯电能的重复利用符合节能减排的号召［15］。本文从电梯的工作原理出发，分析了传统电梯在电能重复利用方面的局限性，而采用前后级均为PWM整流器构成的双PWM变频系统，能够将直流母线上的泵升电能逆变回馈到电网，实现了电能的重复利用，而前级的PWM逆变器采用空间电压矢量调制，减少了开关损耗，提高传输效率，延长系统的使用寿命。搭建Matlab/SIMULINK的仿真模型，验证了能量双向传输的可行性。