能量反饋機制在電梯自動控制中的應用

周泉 劉浩杰

(武漢理工大學 汽車工程學院，湖北武漢 430072)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電力能源需求增長很快，盡管電力能源工業(yè)發(fā)展較快，但能源供需仍比較緊張。由于我國是人口大國，人均資源較少。因此從長遠考慮，在開發(fā)能源的同時，應注重能源的節(jié)約，節(jié)約能源在我國經(jīng)濟建設(shè)中具有重要的現(xiàn)實意義。

自動扶梯作為一種方便的運輸工具，己經(jīng)越來越多地出現(xiàn)在公共建筑中，如商場、車站、機場等。一般來說，自動扶梯每天的運行時間都在10小時以上，但只有很少的時間是在額定負載的情況下運行，不少扶梯大多數(shù)時間都處于空載和輕載情況下運行，耗費了大量電能。特別是在城市軌道交通系統(tǒng)中，上述情況顯得尤為嚴重。因此，研究自動扶梯采用什么樣的節(jié)能方式運行，對我國完成節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標具有重要的意義。另外，自然界中還存在諸多其他形式的往復式運動，諸如汽車在路面行駛的上下振動、船只在水域行駛的振動等。

如何將這些運動所耗散的能量進行高效率的回收是亟待解決的問題。而“液壓整流系統(tǒng)+穩(wěn)壓處理電路”的聯(lián)合整流橋方案能有效解決振動能量回收的問題［1］。該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠等優(yōu)勢，是一種高效率的直線往復運動饋能裝置。本文將研究一種新的能量反饋機制，并將其應用到電梯傳動系統(tǒng)中，以節(jié)省資源開銷，對于建設(shè)節(jié)約型社會具有一定的價值。

1 相關(guān)工作

近幾年，眾多的學者對能量反饋機制進行了研究［1-3］，比如，文獻［4］提出一種新型能量回饋式VVVF液壓電磁速度控制系統(tǒng)，并對電梯上升和下降速度控制中的溫度控制、電梯下行過程控制中的壓力平衡、下降能量回收率等設(shè)計過程中的一系列問題進行了詳細探討和試驗研究。試驗結(jié)果表明，能量回饋式VVVF液壓電梯同傳統(tǒng)的閥控液壓電梯相比具有控制性能優(yōu)、節(jié)能效果顯著等特點。文獻［5］設(shè)計出一種新型的制動能量回饋系統(tǒng)及相應控制策略，從而顯著降低混合動力城市客車的油耗并保證車輛的制動安全。以某型混合動力城市客車為研究對象，基于開關(guān)閥和制動防抱系統(tǒng)、驅(qū)動電動機以及蓄電池儲能裝置設(shè)計出一種新型串聯(lián)式制動能量回饋系統(tǒng)，實現(xiàn)氣壓制動力和回饋制動力的協(xié)調(diào)控制、ABS系統(tǒng)與回饋制動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制;基于Matlab/Simulink軟件建立制動能量回饋系統(tǒng)的仿真模型，對制動能量回收系統(tǒng)在不同控制策略下進行中國典型城市公交循環(huán)的仿真分析;在基于dSPACE實時硬件平臺及制動系統(tǒng)硬件組成的制動能量回饋試驗臺架上，測試分析回饋制動力與氣壓制動力以及ABS系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制關(guān)系。結(jié)果表明，所研發(fā)的制動能量回饋系統(tǒng)安全可靠，ABS系統(tǒng)能夠獨立工作而不受新增系統(tǒng)的影響;回饋制動力與摩擦制動力能很好地調(diào)節(jié)，最大限度地發(fā)揮能量回饋能力;能量回饋效果顯著，中國典型城市公交循環(huán)的制動能量回收率在50%以上。文獻［6］提出了一種基于TMS320LF2407A和IPM(智能功率模塊)全數(shù)字雙SVPWM控制能量回饋電梯傳動系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。文中首先介紹了主電路及其工作原理，然后著重描述了兩個變換器的控制方案和系統(tǒng)硬件電路設(shè)計;最后給出了原型機的運行結(jié)果。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)電路簡單，功率因數(shù)高，電流電壓諧波小，節(jié)能效果明顯。

本文在借鑒了前人工作的基礎(chǔ)上，提出了一種新的“液壓整流系統(tǒng)+穩(wěn)壓處理電路”的聯(lián)合整流橋方案能有效解決振動能量回收的問題，仿真實驗表明，本文提出的方案是有效的，將其應用到電梯傳動控制中能夠達到節(jié)能的目的。

2 “液壓整流系統(tǒng)+穩(wěn)壓處理電路”的工作原理

本方案主要由液壓整流系統(tǒng)以及穩(wěn)壓處理電路兩部分組成。原理如圖1所示。

圖1 工作原理圖

液壓整流系統(tǒng)由能量回收部分和液壓傳動系統(tǒng)組成，能量回收部分用于回收振動能量，將振動轉(zhuǎn)化為活塞的上下運動，推動液體產(chǎn)生液壓流，是整個系統(tǒng)的能量來源。通過液壓傳動系統(tǒng)中單向閥、高壓油路以及蓄能器控制液體流向以及穩(wěn)定液壓，最后驅(qū)動液壓馬達轉(zhuǎn)動。穩(wěn)壓處理電路中的電機在馬達的帶動下發(fā)電，通過改變負載大小，實現(xiàn)對發(fā)電功率和系統(tǒng)阻力的控制。

總的來說，該方案是一種運動轉(zhuǎn)換裝置，將直線往復運動(振動)產(chǎn)生的機械能回收轉(zhuǎn)化為可利用的電能。下面依據(jù)該方案對其中各個組成部分的特性進行詳細闡述。

3 振動激勵下的運動特性

本方案中的振動源采用正弦激勵，參數(shù)設(shè)置為:行程=100 mm，頻率 =1.67 Hz，則正弦激勵函數(shù)為 s=0.05sin(3.34πt)。單向閥的開啟壓力為0.03 MPa～0.05 MPa，而工作回路中的液壓最大可達4 MPa，遠大于單向閥的開啟壓力，因此單向閥對液流的阻抗可以忽略不計。通過實踐論證，在該參數(shù)下，蓄能器采用2 MPa的初始壓力可以滿足較好的穩(wěn)流作用，即可以將流量穩(wěn)定在一個較小的區(qū)間中。圖2為經(jīng)過整流橋作用后進入液壓馬達前的液體時間-壓力曲線。

圖2 液壓馬達進口端壓力圖

4 發(fā)電機特性

本文論證的饋能機構(gòu)選用永磁式直流無刷電機，其特點為(1)動態(tài)響應快。(2)控制性能好。(3)體積小、重量輕、損耗小。(4)效率高，效率可達92.4%。

4.1 發(fā)電機功率特性-轉(zhuǎn)速負載特性

發(fā)電機的發(fā)電功率與負載電流、發(fā)電機轉(zhuǎn)速相關(guān)。通過可變負載控制負載電流在0-30 A進行實驗，采集到了發(fā)電機轉(zhuǎn)速分別為500 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min下不同時間的發(fā)電機的瞬時功率，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制圖3所示的發(fā)電機功率特性曲線。

圖3 發(fā)電機功率特性曲線圖

因此可以得出結(jié)論，在負載電流一定的情況下發(fā)電機轉(zhuǎn)速越高，發(fā)電功率越大。根據(jù)功率平衡方程(1-3)，其中P2=U×I為發(fā)電機輸出電功率，因此發(fā)電的電壓越高。除此之外，可以通過改變負載端的電流，理論上是可以實現(xiàn)對電壓的穩(wěn)定控制。當負載電流為25 A時，發(fā)電功率可達到1 323.06 W。

4.2 發(fā)電機效率特性

直流發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)換成電能。任何能量轉(zhuǎn)換裝置，在進行能量的轉(zhuǎn)換過程中都會有損耗，可以從負載試驗或損耗測定中確定效率大小來恒量發(fā)電機的性能。

則發(fā)電機電機效率如圖4所示。

圖4 發(fā)電機效率曲線

圖4中，縱坐標表示發(fā)電機效率，橫坐標表示負載電流。從圖中可以得到結(jié)論，在電流一定的情況下，發(fā)電機的效率與轉(zhuǎn)速相關(guān)，在負載電流為25 A，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時，發(fā)電機效率為99.3%。

5 液壓馬達

液壓馬達為本機構(gòu)中的重要執(zhí)行機構(gòu)，將整流橋輸出端的液流轉(zhuǎn)化成為圓周運動，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，其選型的原則為(1)正常工作壓力匹配回路中的液體壓力。(2)能將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一個較高的范圍內(nèi)。(3)具有一定的安全保護作用。下面將對液壓馬達的轉(zhuǎn)速進行計算

假設(shè)，液壓馬達的轉(zhuǎn)速n，流量qt，排量V，則有

另外考慮到可能存在泄露問題，實際所需流量q等于理論流量qt加上泄露流量Δq，因此液壓馬達的容積效率可以表示為

根據(jù)公式(1)和(2)可得，液壓馬達的實際轉(zhuǎn)速為

依據(jù)公式(3)，設(shè)置液壓馬達排量為10 cc/r，壓縮阻力滿足要求，液壓馬達允許的最大排量為40升/分鐘。則可求得ηV=0.9，V=10 cc/r=10-6m3/r。

最后，本文進行了AMEsim仿真實驗，得出液壓馬達速度特性-速度時間曲線圖，如圖5。

圖5 液壓馬達速度特性-速度時間曲線圖

如圖5可知，通過單向閥止回橋和蓄能器的聯(lián)合作用，可將振幅50 mm，頻率1.67 Hz的直線往復運動，轉(zhuǎn)化為所選的液壓馬達2.3 kr/min到2.6 kr/min的周轉(zhuǎn)運動，與永磁式直流無刷發(fā)電機直接剛性連接，理論上該機構(gòu)可以以95%以上的發(fā)電效率，產(chǎn)生1 KW以上的電能。

綜上所述，本文提出的“液-電混合整流橋”裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)將往復運動轉(zhuǎn)化為可以驅(qū)動發(fā)電機以較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速工作的功能。在結(jié)構(gòu)方面，本方案采用現(xiàn)有的液壓缸、單向閥、蓄能器、油缸、液壓馬達和發(fā)電機等零件，只需根據(jù)設(shè)計選用，無需單獨設(shè)計制造，設(shè)計成本低廉。該機構(gòu)通過單向閥和蓄能器的混合作用，可以實現(xiàn)對液體的整流和穩(wěn)流，并能夠推動液壓馬達帶動發(fā)電機發(fā)電。在發(fā)電性能方面，本方案能夠?qū)⒁簤厚R達的轉(zhuǎn)速控制在2.3 kr/min到2.6 r/min，并通過剛性連接，驅(qū)動發(fā)電機以 2.5 kr/min左右的轉(zhuǎn)速工作，而目前為止的其他機構(gòu)都無法使發(fā)電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一個較高的轉(zhuǎn)速值上。同時，通過處理電路，控制負載端電流在25A左右。根據(jù)發(fā)電機特性曲線，可以實現(xiàn)發(fā)電機長時間在其高效率發(fā)電區(qū)域內(nèi)工作，可實現(xiàn)對電池的充電，實現(xiàn)回收能量的儲存。下面將介紹本方案在電梯控制領(lǐng)域的應用。

6 面向電梯傳動控制系統(tǒng)的應用

根據(jù)以上基礎(chǔ)的方案，進行了節(jié)能測試，應用的電梯規(guī)格為1 600 kg，2.5 m/s，凈功率27.58 kW，控制系統(tǒng)的直流電壓穩(wěn)態(tài)值630 V，允許的最大電流波動0.15ImJ。，允許的最大電壓波動0.006 Udc，電壓環(huán)控制器輸出的最大限幅電流300 A。選取電網(wǎng)側(cè)電感L=1.1 mH，直流側(cè)電容C=5 600 μF。IPM選擇三菱的PM300DSAl20。

電梯滿載上行時測量的實驗數(shù)據(jù)為電源輸入側(cè)有效功率25.995 kW，電源輸入側(cè)功率因數(shù)0.996 8，電源輸入側(cè)電壓有效值368.14 V，電源輸入側(cè)電流有效值40.506 A，電網(wǎng)頻率50 Hz，電動機輸入側(cè)有效功率23.52 kW，電動機輸入側(cè)功率因數(shù)0.845 2，效率 90.50%。

由實驗結(jié)果可知，電梯滿載上行時效率為90.5%，電源側(cè)的功率因數(shù)為0.996 8，可近似認為電源側(cè)功率因數(shù)為1。實驗時電源側(cè)電壓總諧波畸變率≤5%，奇次諧波電壓含有率≤4%，偶次諧波電壓含有率≤2%，諧波較不可控整流的電梯系統(tǒng)有較大幅度的下降。

讓電梯空載在1樓、9樓、17樓之間連續(xù)運行7天，測試結(jié)果顯示電能消耗為625 kW·h，而相同規(guī)格的不可控整流的電梯系統(tǒng)在同等條件下電能消耗為834 kw·h，新系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。實驗波形如圖6所示。

圖6 原型機滿載上行時系統(tǒng)輸入、輸出電壓與電流波形

7 結(jié)束語

本文提出了一種新的“液壓整流系統(tǒng)+穩(wěn)壓處理電路”的聯(lián)合整流橋方案來有效解決震動能量回收的問題。并通過一系列的仿真實驗驗證了方案的有效性。下一步的研究工作主要是通過進一步研究和參數(shù)選定，將其應用到汽車減震器的饋能、混合動力傳動控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。

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