能量反馈机制在电梯自动控制中的应用

周泉 刘浩杰

(武汉理工大学 汽车工程学院，湖北武汉 430072)

0 引言

随着我国经济的发展，电力能源需求增长很快，尽管电力能源工业发展较快，但能源供需仍比较紧张。由于我国是人口大国，人均资源较少。因此从长远考虑，在开发能源的同时，应注重能源的节约，节约能源在我国经济建设中具有重要的现实意义。

自动扶梯作为一种方便的运输工具，己经越来越多地出现在公共建筑中，如商场、车站、机场等。一般来说，自动扶梯每天的运行时间都在10小时以上，但只有很少的时间是在额定负载的情况下运行，不少扶梯大多数时间都处于空载和轻载情况下运行，耗费了大量电能。特别是在城市轨道交通系统中，上述情况显得尤为严重。因此，研究自动扶梯采用什么样的节能方式运行，对我国完成节能减排的战略目标具有重要的意义。另外，自然界中还存在诸多其他形式的往复式运动，诸如汽车在路面行驶的上下振动、船只在水域行驶的振动等。

如何将这些运动所耗散的能量进行高效率的回收是亟待解决的问题。而“液压整流系统+稳压处理电路”的联合整流桥方案能有效解决振动能量回收的问题［1］。该方案具有结构简单、成本低廉、工作可靠等优势，是一种高效率的直线往复运动馈能装置。本文将研究一种新的能量反馈机制，并将其应用到电梯传动系统中，以节省资源开销，对于建设节约型社会具有一定的价值。

1 相关工作

近几年，众多的学者对能量反馈机制进行了研究［1-3］，比如，文献［4］提出一种新型能量回馈式VVVF液压电磁速度控制系统，并对电梯上升和下降速度控制中的温度控制、电梯下行过程控制中的压力平衡、下降能量回收率等设计过程中的一系列问题进行了详细探讨和试验研究。试验结果表明，能量回馈式VVVF液压电梯同传统的阀控液压电梯相比具有控制性能优、节能效果显著等特点。文献［5］设计出一种新型的制动能量回馈系统及相应控制策略，从而显著降低混合动力城市客车的油耗并保证车辆的制动安全。以某型混合动力城市客车为研究对象，基于开关阀和制动防抱系统、驱动电动机以及蓄电池储能装置设计出一种新型串联式制动能量回馈系统，实现气压制动力和回馈制动力的协调控制、ABS系统与回馈制动系统的协调控制;基于Matlab/Simulink软件建立制动能量回馈系统的仿真模型，对制动能量回收系统在不同控制策略下进行中国典型城市公交循环的仿真分析;在基于dSPACE实时硬件平台及制动系统硬件组成的制动能量回馈试验台架上，测试分析回馈制动力与气压制动力以及ABS系统的协调控制关系。结果表明，所研发的制动能量回馈系统安全可靠，ABS系统能够独立工作而不受新增系统的影响;回馈制动力与摩擦制动力能很好地调节，最大限度地发挥能量回馈能力;能量回馈效果显著，中国典型城市公交循环的制动能量回收率在50%以上。文献［6］提出了一种基于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。文中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。

本文在借鉴了前人工作的基础上，提出了一种新的“液压整流系统+稳压处理电路”的联合整流桥方案能有效解决振动能量回收的问题，仿真实验表明，本文提出的方案是有效的，将其应用到电梯传动控制中能够达到节能的目的。

2 “液压整流系统+稳压处理电路”的工作原理

本方案主要由液压整流系统以及稳压处理电路两部分组成。原理如图1所示。

图1 工作原理图

液压整流系统由能量回收部分和液压传动系统组成，能量回收部分用于回收振动能量，将振动转化为活塞的上下运动，推动液体产生液压流，是整个系统的能量来源。通过液压传动系统中单向阀、高压油路以及蓄能器控制液体流向以及稳定液压，最后驱动液压马达转动。稳压处理电路中的电机在马达的带动下发电，通过改变负载大小，实现对发电功率和系统阻力的控制。

总的来说，该方案是一种运动转换装置，将直线往复运动(振动)产生的机械能回收转化为可利用的电能。下面依据该方案对其中各个组成部分的特性进行详细阐述。

3 振动激励下的运动特性

本方案中的振动源采用正弦激励，参数设置为:行程=100 mm，频率 =1.67 Hz，则正弦激励函数为 s=0.05sin(3.34πt)。单向阀的开启压力为0.03 MPa～0.05 MPa，而工作回路中的液压最大可达4 MPa，远大于单向阀的开启压力，因此单向阀对液流的阻抗可以忽略不计。通过实践论证，在该参数下，蓄能器采用2 MPa的初始压力可以满足较好的稳流作用，即可以将流量稳定在一个较小的区间中。图2为经过整流桥作用后进入液压马达前的液体时间-压力曲线。

图2 液压马达进口端压力图

4 发电机特性

本文论证的馈能机构选用永磁式直流无刷电机，其特点为(1)动态响应快。(2)控制性能好。(3)体积小、重量轻、损耗小。(4)效率高，效率可达92.4%。

4.1 发电机功率特性-转速负载特性

发电机的发电功率与负载电流、发电机转速相关。通过可变负载控制负载电流在0-30 A进行实验，采集到了发电机转速分别为500 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min下不同时间的发电机的瞬时功率，根据实验数据绘制图3所示的发电机功率特性曲线。

图3 发电机功率特性曲线图

因此可以得出结论，在负载电流一定的情况下发电机转速越高，发电功率越大。根据功率平衡方程(1-3)，其中P2=U×I为发电机输出电功率，因此发电的电压越高。除此之外，可以通过改变负载端的电流，理论上是可以实现对电压的稳定控制。当负载电流为25 A时，发电功率可达到1 323.06 W。

4.2 发电机效率特性

直流发电机是将机械能转换成电能。任何能量转换装置，在进行能量的转换过程中都会有损耗，可以从负载试验或损耗测定中确定效率大小来恒量发电机的性能。

则发电机电机效率如图4所示。

图4 发电机效率曲线

图4中，纵坐标表示发电机效率，横坐标表示负载电流。从图中可以得到结论，在电流一定的情况下，发电机的效率与转速相关，在负载电流为25 A，发电机转速为2 500 r/min时，发电机效率为99.3%。

5 液压马达

液压马达为本机构中的重要执行机构，将整流桥输出端的液流转化成为圆周运动，驱动发电机发电，其选型的原则为(1)正常工作压力匹配回路中的液体压力。(2)能将转速稳定在一个较高的范围内。(3)具有一定的安全保护作用。下面将对液压马达的转速进行计算

假设，液压马达的转速n，流量qt，排量V，则有

另外考虑到可能存在泄露问题，实际所需流量q等于理论流量qt加上泄露流量Δq，因此液压马达的容积效率可以表示为

根据公式(1)和(2)可得，液压马达的实际转速为

依据公式(3)，设置液压马达排量为10 cc/r，压缩阻力满足要求，液压马达允许的最大排量为40升/分钟。则可求得ηV=0.9，V=10 cc/r=10-6m3/r。

最后，本文进行了AMEsim仿真实验，得出液压马达速度特性-速度时间曲线图，如图5。

图5 液压马达速度特性-速度时间曲线图

如图5可知，通过单向阀止回桥和蓄能器的联合作用，可将振幅50 mm，频率1.67 Hz的直线往复运动，转化为所选的液压马达2.3 kr/min到2.6 kr/min的周转运动，与永磁式直流无刷发电机直接刚性连接，理论上该机构可以以95%以上的发电效率，产生1 KW以上的电能。

综上所述，本文提出的“液-电混合整流桥”装置，能够实现将往复运动转化为可以驱动发电机以较稳定的转速工作的功能。在结构方面，本方案采用现有的液压缸、单向阀、蓄能器、油缸、液压马达和发电机等零件，只需根据设计选用，无需单独设计制造，设计成本低廉。该机构通过单向阀和蓄能器的混合作用，可以实现对液体的整流和稳流，并能够推动液压马达带动发电机发电。在发电性能方面，本方案能够将液压马达的转速控制在2.3 kr/min到2.6 r/min，并通过刚性连接，驱动发电机以 2.5 kr/min左右的转速工作，而目前为止的其他机构都无法使发电机转速稳定在一个较高的转速值上。同时，通过处理电路，控制负载端电流在25A左右。根据发电机特性曲线，可以实现发电机长时间在其高效率发电区域内工作，可实现对电池的充电，实现回收能量的储存。下面将介绍本方案在电梯控制领域的应用。

6 面向电梯传动控制系统的应用

根据以上基础的方案，进行了节能测试，应用的电梯规格为1 600 kg，2.5 m/s，净功率27.58 kW，控制系统的直流电压稳态值630 V，允许的最大电流波动0.15ImJ。，允许的最大电压波动0.006 Udc，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=5 600 μF。IPM选择三菱的PM300DSAl20。

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0.996 8，电源输入侧电压有效值368.14 V，电源输入侧电流有效值40.506 A，电网频率50 Hz，电动机输入侧有效功率23.52 kW，电动机输入侧功率因数0.845 2，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0.996 8，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6所示。

图6 原型机满载上行时系统输入、输出电压与电流波形

7 结束语

本文提出了一种新的“液压整流系统+稳压处理电路”的联合整流桥方案来有效解决震动能量回收的问题。并通过一系列的仿真实验验证了方案的有效性。下一步的研究工作主要是通过进一步研究和参数选定，将其应用到汽车减震器的馈能、混合动力传动控制系统等领域。

［1］周敏.能量回馈制动装置在自动扶梯上的应用研究［D］.上海:上海交通大学，2009.

［2］柳鹏.数字式能量回馈系统的研究［D］.杭州:浙江大学，2004.

［3］许新兰，沈少雄.电能量回馈技术及其节能应用［J］.电力需求侧管理，2008，10(2):172-174.

［4］张健民，杨华勇，路甬祥.能量回馈式VVVF液压电梯速度控制系统研究［J］.机械工程学报，2000，36(7):106-112.

［5］张俊智，薛俊亮，陆欣，等.混合动力城市客车串联式制动能量回馈技术［J］.机械工程学报，2009，45(6):136-143.

［6］孔伟荣，朱武标，姜建国.双PWM控制能量回馈电梯传动系统的设计［J］.电气传动，2007，37(8):8-13.