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摘要：传统曳引式电梯控制器主电路采用AC/DC-DC/AC二级变换拓扑结构，AC/DC变换一般采用三相不控整流方式，电压源型整流器可通过高压大电容滤波以获得较为平滑的直流电压，但却导致了输入功率因数低、谐波分量大的缺点。本文将新颖的基于电流滞环和SVPWM技术的电压、电流双闭环电梯整流技术代替传统的二极管整流技术，先进的控制策略使电梯控制电路的网侧输入具有接近于1的功率因数和小于5%的电流总畸变率。在对控制器进行系统小信号建模分析的基础上，重点对高功率因数SMR(开关模式整流器)的电流滞环和SVPWM控制器分析设计。仿真分析证明了此系统的合理性与先进性。
关键字：电梯；节能；整流；小信号建模
中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
目前，电梯保有量随着国民经济的飞速发展而急速上升，而其所消耗的电能也与日俱增，电梯的能耗与谐波污染也日益收到研究学者的关注，采用三相PWM高功率因数开关模式整流器(SMR)以提高输入功率因数和改善网侧电流波形质量为目前的研究热点，常规的SPWM控制方式由于对直流侧的电压利用率较低，为了实现网侧高功率因数，需显著提高直流母线电压[2]，进而造成整流桥与逆变桥功率器件的电压应力。
2 系统结构
2.1 常规电梯控制系统
曳引式电梯控制系统采用的常规拓扑结构如图1所示，其中输入部分VSR采用二极管不控整流时，输入电流的峰峰值较大，电流与电压之间的相位差值也比较大，功率因数一般为0.6~0.7左右，在电梯空载下行或满载上行的情况下，电流的畸变更加严重，这就导致了整个电梯控制系统能量效率的降低、功耗加大、对输入电能利用率低以及对外部及自身控制回路EMI干扰的加重。
为改善电梯控制系统能量运行状况、实现网侧单位功率因数、低电流谐波分量和功率双向传输的要求，应采用三相新型PWM高功率因数开关模式整流器(SMR)。
图1 常规电梯控制系统主电路图
2.2小信号建模分析
采用三相PWM整流器的电梯控制器主电路拓扑结构如图2所示，为方便分析，将逆变器及曳引系统部分等效为ZL负载。
图2 三相PWM整流器的拓扑图
交流侧的电感L既作为网侧高次谐波电流的滤波元件、又作为储能元件保证输入电流的连续性，R为电感L的等效电阻， C0为直流母线高压滤波电容。
控制网侧输入电流ia,b,c跟踪输入电压ea,b,c，忽略电流中的谐波分量，其电流可以表示为：
（1）
其中im为交流侧三相输入电流幅值。故电源的瞬时输入功率为：
（2）
其中um为交流侧三相输入电压幅值。根据输入输出的能量守恒，可得：
（3）
整流器瞬时的输出功率为：
（4）
电阻电感上耗费的功率分别为：
（5）
（6）
将式（4）～（6）带入（3）可得：
（7）
另外，根据KCL定律，可得：
（8）
将加在稳态工作点附近的扰动、、和引入，带入（7）（8）并消去稳态分量及高次分量，可得三相PWM-SMR整流器的小信号模型为：
（9）
其中：
由此可得出系统状态方程的特征根为：
（10）
根据李亚普诺夫第二法则，从式（10）可以得出，三相PWM-SMR整流器的小信号模型的稳定条件为：。
2.3 滞环SVPWM设计
2.3.1 控制系统结构及原理
根据以上分析，PWM-SMR整流器的控制系统要实现对开关器件的有效控制，进而使电能的输送与回馈双向传输均达到最优，并使系统具有良好的稳态及动态性能。控制系统结构如图3所示，TA为电流传感器。
图3 系统控制原理图
其中，系统采用电压电流双闭环结构，外环为采用电压PI调节器(AVR)控制的电压环，使系统的输出电压达到稳态无误差；内环为采用滞环控制的电流环，使系统的电流响应更加快速，并使SMR具有良好的动态特性与鲁棒性，SVPWM控制进一步提高直流侧电压的利用率。AVR输出为系统的内环电流控制提供电流有功分量iq的参考值iq﹡。为获得单位的功率因数控制性能，则电流的无功分量参考给定值id﹡＝0。交流侧的电流信号通过Park变换后获得实际检测值(id,iq)分别与两参考值(id﹡,iq﹡)相比较，其误差信号通过积分环节分别得到V﹡在dq轴上的投影值vd﹡、vq﹡[3]。进而可以判断出V﹡所在的区域。电流的误差信号经过Park反变换后，通过滞环比较环节，可得出其相应的状态信号值Ba、Bb、Bc。
2.3.2 扇区的确定及Vk的选择
设（α,β）为两相垂直静止坐标系。当t＝0时，q轴与α轴重合，（d,q）坐標系以角速度ω逆时针旋转。三相VSR交流侧指令电压矢量V﹡的坐标系（d,q）分解如图4所示。
图4 V﹡的坐标系（d,q）分解图
则可以得出V﹡与α轴的夹角θ为：
（11）
故可以得出V﹡所在的区域i与θ的关系为：
；（12）
若V﹡处于第i区，则令RV﹡(i)＝1，否则
RV﹡(i)＝0。。
由状态信号值Ba、Bb、Bc可得ΔI区域的判定逻辑关系为：
（13）
式中，当位于第区时，＝1，否则＝0。。
故Vk的选择如表1所示。
表1 、V﹡与Vk选择表
3 仿真研究
基于以上理论分析，基于以上分析，本文利用Pspice软件对改系统进行了仿真研究，并进行了谐波频谱分析，给出了分析结果。电梯控制系统的输入电流可以很好的跟踪输入电网电压，达到较高的功率因数及较小的输入电流总畸变率。
4 结论
本文将基于电流滞环的SVPWM控制引入到电梯控制系统的整流装置中，在对PWM整流器小信号建模分析的基础上，详述了基于电流滞环的SVPWM控制整流器的工作原理，并说明了扇区的确定及矢量电压的选择。大大减少了系统对外围设备及自身控制、驱动回路的电磁干扰，同时也使输入电源的功率因数系统接近于1，使电梯控制系统更加高效节能，具有一定的经济意义和推广应用价值。
参考文献：
[1] ISO Standard. Energy performance of lifts and escalators –Part 1: Energy measurement and conformance [S]. ISO/DIS 25745-1. 2008.
[2] 熊健,康勇,张凯,陈坚.电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究[J],电力电子技术,1999 (1)： 25～28.
[3] Byung-Duk Min, Jang-Hyoun Youm, Bong-Hwan Kwon. A space vector modulation based hysteresis current controller for the PWM rectifier with voltage link. INT.T.Electronic,1999,86（3）：363～377.
关键字：电梯；节能；整流；小信号建模
中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
目前，电梯保有量随着国民经济的飞速发展而急速上升，而其所消耗的电能也与日俱增，电梯的能耗与谐波污染也日益收到研究学者的关注，采用三相PWM高功率因数开关模式整流器(SMR)以提高输入功率因数和改善网侧电流波形质量为目前的研究热点，常规的SPWM控制方式由于对直流侧的电压利用率较低，为了实现网侧高功率因数，需显著提高直流母线电压[2]，进而造成整流桥与逆变桥功率器件的电压应力。
2 系统结构
2.1 常规电梯控制系统
曳引式电梯控制系统采用的常规拓扑结构如图1所示，其中输入部分VSR采用二极管不控整流时，输入电流的峰峰值较大，电流与电压之间的相位差值也比较大，功率因数一般为0.6~0.7左右，在电梯空载下行或满载上行的情况下，电流的畸变更加严重，这就导致了整个电梯控制系统能量效率的降低、功耗加大、对输入电能利用率低以及对外部及自身控制回路EMI干扰的加重。
为改善电梯控制系统能量运行状况、实现网侧单位功率因数、低电流谐波分量和功率双向传输的要求，应采用三相新型PWM高功率因数开关模式整流器(SMR)。
图1 常规电梯控制系统主电路图
2.2小信号建模分析
采用三相PWM整流器的电梯控制器主电路拓扑结构如图2所示，为方便分析，将逆变器及曳引系统部分等效为ZL负载。
图2 三相PWM整流器的拓扑图
交流侧的电感L既作为网侧高次谐波电流的滤波元件、又作为储能元件保证输入电流的连续性，R为电感L的等效电阻， C0为直流母线高压滤波电容。
控制网侧输入电流ia,b,c跟踪输入电压ea,b,c，忽略电流中的谐波分量，其电流可以表示为：
（1）
其中im为交流侧三相输入电流幅值。故电源的瞬时输入功率为：
（2）
其中um为交流侧三相输入电压幅值。根据输入输出的能量守恒，可得：
（3）
整流器瞬时的输出功率为：
（4）
电阻电感上耗费的功率分别为：
（5）
（6）
将式（4）～（6）带入（3）可得：
（7）
另外，根据KCL定律，可得：
（8）
将加在稳态工作点附近的扰动、、和引入，带入（7）（8）并消去稳态分量及高次分量，可得三相PWM-SMR整流器的小信号模型为：
（9）
其中：
由此可得出系统状态方程的特征根为：
（10）
根据李亚普诺夫第二法则，从式（10）可以得出，三相PWM-SMR整流器的小信号模型的稳定条件为：。
2.3 滞环SVPWM设计
2.3.1 控制系统结构及原理
根据以上分析，PWM-SMR整流器的控制系统要实现对开关器件的有效控制，进而使电能的输送与回馈双向传输均达到最优，并使系统具有良好的稳态及动态性能。控制系统结构如图3所示，TA为电流传感器。
图3 系统控制原理图
其中，系统采用电压电流双闭环结构，外环为采用电压PI调节器(AVR)控制的电压环，使系统的输出电压达到稳态无误差；内环为采用滞环控制的电流环，使系统的电流响应更加快速，并使SMR具有良好的动态特性与鲁棒性，SVPWM控制进一步提高直流侧电压的利用率。AVR输出为系统的内环电流控制提供电流有功分量iq的参考值iq﹡。为获得单位的功率因数控制性能，则电流的无功分量参考给定值id﹡＝0。交流侧的电流信号通过Park变换后获得实际检测值(id,iq)分别与两参考值(id﹡,iq﹡)相比较，其误差信号通过积分环节分别得到V﹡在dq轴上的投影值vd﹡、vq﹡[3]。进而可以判断出V﹡所在的区域。电流的误差信号经过Park反变换后，通过滞环比较环节，可得出其相应的状态信号值Ba、Bb、Bc。
2.3.2 扇区的确定及Vk的选择
设（α,β）为两相垂直静止坐标系。当t＝0时，q轴与α轴重合，（d,q）坐標系以角速度ω逆时针旋转。三相VSR交流侧指令电压矢量V﹡的坐标系（d,q）分解如图4所示。
图4 V﹡的坐标系（d,q）分解图
则可以得出V﹡与α轴的夹角θ为：
（11）
故可以得出V﹡所在的区域i与θ的关系为：
；（12）
若V﹡处于第i区，则令RV﹡(i)＝1，否则
RV﹡(i)＝0。。
由状态信号值Ba、Bb、Bc可得ΔI区域的判定逻辑关系为：
（13）
式中，当位于第区时，＝1，否则＝0。。
故Vk的选择如表1所示。
表1 、V﹡与Vk选择表
3 仿真研究
基于以上理论分析，基于以上分析，本文利用Pspice软件对改系统进行了仿真研究，并进行了谐波频谱分析，给出了分析结果。电梯控制系统的输入电流可以很好的跟踪输入电网电压，达到较高的功率因数及较小的输入电流总畸变率。
4 结论
本文将基于电流滞环的SVPWM控制引入到电梯控制系统的整流装置中，在对PWM整流器小信号建模分析的基础上，详述了基于电流滞环的SVPWM控制整流器的工作原理，并说明了扇区的确定及矢量电压的选择。大大减少了系统对外围设备及自身控制、驱动回路的电磁干扰，同时也使输入电源的功率因数系统接近于1，使电梯控制系统更加高效节能，具有一定的经济意义和推广应用价值。
参考文献：
[1] ISO Standard. Energy performance of lifts and escalators –Part 1: Energy measurement and conformance [S]. ISO/DIS 25745-1. 2008.
[2] 熊健,康勇,张凯,陈坚.电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究[J],电力电子技术,1999 (1)： 25～28.
[3] Byung-Duk Min, Jang-Hyoun Youm, Bong-Hwan Kwon. A space vector modulation based hysteresis current controller for the PWM rectifier with voltage link. INT.T.Electronic,1999,86（3）：363～377.