0 引 言
基于干式高壓試驗(yàn)變壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)高放電功率優(yōu)點(diǎn)，又如電池一樣具有較大電荷儲(chǔ)存能力，它具有充放電循環(huán)壽命長，功率密度大，高溫性能好，容量配置靈活等特點(diǎn)，是理想的綠色環(huán)保電源，目前國內(nèi)外對(duì)它的應(yīng)用研究正蓬勃展開。利用超級(jí)電容器優(yōu)異的蓄能和釋放功能組成的各類拖動(dòng)裝置中的能源再生混合供電系統(tǒng)具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
電梯作為一種在運(yùn)動(dòng)過程中不斷吸收和釋放能源的電力拖動(dòng)裝置，對(duì)**、可靠運(yùn)行要求極高，超級(jí)電容器的出現(xiàn)為它提供了一種綠色、**的新型供電方式。本文以電梯的綠色、**運(yùn)行為目標(biāo)，構(gòu)建了一種能進(jìn)行能源再生回收，將電梯運(yùn)行中的能量轉(zhuǎn)化為超級(jí)電容器中的電能進(jìn)行儲(chǔ)存，并作為電梯運(yùn)行過程中的后備保護(hù)動(dòng)力電源的混合動(dòng)力系統(tǒng)，在不增加額外能源(如自備發(fā)電機(jī)、大型蓄電池等)的情況下，對(duì)電梯的運(yùn)行提供更加**的保障。
1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
系統(tǒng)以超級(jí)電容器模組為儲(chǔ)能裝置，將電梯正常運(yùn)行時(shí)的勢能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行儲(chǔ)存，在外部供電電源失效時(shí)，將電梯的供電系統(tǒng)切換到由超級(jí)電容器模組提供的備用電源上，保證電梯能**運(yùn)行到*近的樓層，**開啟廂門，保證電梯內(nèi)的人員得到**、及時(shí)的疏散。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由圖1可以看出，該系統(tǒng)核心部分為超級(jí)電容器模組、蓄能控制電路、逆變電路、電源切換電路與嵌入式處理器測控電路。其中，蓄能控制電路在電梯下降電動(dòng)機(jī)處于能耗反饋時(shí)，從變頻器直流母線上獲取直流電能，以與超級(jí)電容器模組額定電壓相同的直流電壓向超級(jí)電容器模組充電，完成電能的儲(chǔ)備；逆變電路則是在嵌入式處理器控制下，將超級(jí)電容器模組輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為三相的交流電源，在外部電源失效時(shí)，為系統(tǒng)提供后備電源；電源切換電路在嵌入式處理器的監(jiān)測控制下實(shí)現(xiàn)外部供電電源與超級(jí)電容備用電源之間以及常規(guī)輔助電源與備用輔助電源之間的切換；嵌入式處理器測控電路用于監(jiān)測和控制超級(jí)電容器模組的電能儲(chǔ)存和釋放。
2基于干式高壓試驗(yàn)變壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
以超級(jí)電容器模組為主體的后備電源設(shè)計(jì)應(yīng)保證在外部電源失效后維持整個(gè)系統(tǒng)正常工作30 S，使電梯**運(yùn)行至*近樓層，打開轎廂。電梯拖動(dòng)系統(tǒng)采用10 kW 三相交流異步電動(dòng)機(jī)，超級(jí)電容器模組向逆變電路提供直流電壓的范圍為300～450 V。
采用2．7 V／1 200 F單體超級(jí)電容器串聯(lián)構(gòu)成模組。模組整體性能指標(biāo)計(jì)算如下：模組直流電壓為450 V，考慮單體電容器串聯(lián)的適當(dāng)降壓，以2．5 V為單體電容器電壓計(jì)算值，所需串聯(lián)電容器數(shù)量為180只。由于單體電容器容量為1 200 F，可得出模組的總電容量為6．67 F，模組滿電時(shí)的總儲(chǔ)能量為675．3 kJ。
2．7 V／1 200 F單體超級(jí)電容器內(nèi)阻在1．6 mn以內(nèi)，考慮連接內(nèi)阻，以1．6 mlq粗略計(jì)算：模組內(nèi)阻=0．001 6×180=0．29 n
由此得到超級(jí)電容器模組整體指標(biāo)：容量6．67 F；額定電壓450 V，儲(chǔ)能量675．3 kJ，內(nèi)阻<0．29 n。
由于在10 kW／30 s恒功率放電所需要能量為300 kJ，故整個(gè)模組需要釋放能量百分比為300／675．3×100％ =44．4％ 。
該超級(jí)電容器模組組成方案以電梯外部電源失效后，后備電源為保證電梯**運(yùn)行至*近樓層所需能量計(jì)算，*大限度地減少串聯(lián)電容器數(shù)量，減小重量和體積，降低成本，提高電容器能量實(shí)際利用率。電容器模組在放電過程中，當(dāng)電壓降至300 V時(shí)，仍能提供300 kJ以上的能量。在后接DC 300～450 V的逆變電路時(shí)，可保證電梯運(yùn)行所需功率和AC 380 V的交流穩(wěn)定電壓，保證整個(gè)后備系統(tǒng)工作的穩(wěn)定、可靠。
3 控制電路設(shè)計(jì)
控制電路的設(shè)計(jì)主要包括蓄能控制電路、單片機(jī)測控電路、電源切換電路等。
3．1 蓄能控制電路
蓄能控制電路在電梯下降且電動(dòng)機(jī)處于能耗反饋時(shí)，基于干式高壓試驗(yàn)變壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)從變頻器直流母線上獲取直流電能，采用直流斬波原理，并通過嵌入式處理器控制直流斬波周期，將電能變換為可供超級(jí)電容器模組充電使用的二次性電源，即蓄能控制電路硬件部分實(shí)現(xiàn)將變頻器直流母線上的直流電變?yōu)橐环N占空比可調(diào)的脈沖電源，為超級(jí)電容器模組充電。蓄能控制電路采用串聯(lián)PWM非隔離型開關(guān)電源形式，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。蓄能控制電路需將變頻器直流母線上450 V電壓轉(zhuǎn)換為供超級(jí)電容模組充電使用的電壓，且需用功率較大，所以設(shè)計(jì)合適的電路參數(shù)，可使該電路處于電流連續(xù)工作方式。
蓄能控制電路主要由3部分組成，包括開關(guān)調(diào)整元件、控制電路和濾波電路。開關(guān)調(diào)整元件串聯(lián)在電源的輸入和負(fù)載之間，構(gòu)成串聯(lián)型電源電路。實(shí)際的開關(guān)元件選用驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低、開關(guān)速度快、開關(guān)損耗低、載流密度大、可靠性高的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)；由單片機(jī)計(jì)算產(chǎn)生的PWM信號(hào)加到IGBT的控制極，控制其導(dǎo)通和截止。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入能量傳遞到輸出端；開關(guān)截止時(shí)，則被隔斷。PWM信號(hào)的占空比經(jīng)試驗(yàn)測定與超級(jí)電容器模組的電壓直接相關(guān)，在不同的充電電壓下是不同的，以充電電壓和充電時(shí)間都達(dá)到*佳來確定。濾波電路由濾波電感與濾波電容組成。
當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，U。=U 輸入電壓 通過濾波器加在負(fù)載上。開關(guān)截止時(shí)，UD：0。開關(guān)交替通斷，從而在濾波器的輸入端產(chǎn)生矩形脈沖波。由于該電路的負(fù)載實(shí)際為不斷被充電的超級(jí)電容器模組，當(dāng)充電脈沖波經(jīng)濾波電路濾波施加于負(fù)載時(shí)，則在超級(jí)電容器模組兩端得到不斷上升的直流電壓 。試驗(yàn)表明，直流電壓 的上升速率與一個(gè)周期中開關(guān)管接通的時(shí)間t。 有關(guān)。續(xù)流二極管的作用是在開關(guān)管截止時(shí)，濾波電感感應(yīng)的反電勢通過二極管續(xù)流釋放，保護(hù)開關(guān)管。
3．2 單片機(jī)測控電路
單片機(jī)測控電路采用Microchip公司的dsPIC30F系列單片機(jī)作為控制芯片，控制電路硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。該控制電路對(duì)電梯混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量回饋、充放電控制、正常電源檢測、超級(jí)電容狀態(tài)檢測及開關(guān)切換等進(jìn)行處理。
超級(jí)電容電壓檢測模塊在超級(jí)電容器兩端通過電阻分壓，將超級(jí)電容器電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換至0～ 5 V內(nèi)，再通過雙光耦隔離電路，將信號(hào)傳遞至單片機(jī)。其中，雙光耦隔離電路由于不是專用高精度線性光耦，而是通過與雙光耦光電特性幾乎相似的原理，由反饋回路消除部分誤差，可以實(shí)現(xiàn)在某個(gè)區(qū)域內(nèi)線性度良好，因此，需要對(duì)雙光耦隔離電路的線性區(qū)進(jìn)行調(diào)整，而超級(jí)電容器接近滿充時(shí)的狀態(tài)是系統(tǒng)較關(guān)鍵的狀態(tài)，所以將雙光耦隔離電路的線性區(qū)調(diào)整覆蓋該區(qū)域。單片機(jī)根據(jù)超級(jí)電容器電壓檢測結(jié)果，確定充電策略。
前端能源回饋檢測模塊通過直流霍爾元件完成電流方向的檢測。由于霍爾元件可以通過霍爾效應(yīng)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，所以設(shè)置為當(dāng)由電源供電驅(qū)使電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，霍爾元件輸出負(fù)電壓信號(hào)，當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)反饋制動(dòng)時(shí)，霍爾元件輸出正電壓信號(hào)，由單片機(jī)檢測。外部電源掉電檢測通過交流接觸器的常開輔助觸點(diǎn)形成的開關(guān)信號(hào)完成檢測。當(dāng)外部供電電源支路的交流接觸器由于外部供電電源有電而閉合時(shí)，其常開輔助觸點(diǎn)也閉合，對(duì)單片機(jī)輸入引腳輸入高電平信號(hào)；反之，輸入低電平信號(hào)。
PWM充電控制信號(hào)由PIC單片機(jī)的CCP功能引腳直接輸出，基于干式高壓試驗(yàn)變壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，送出適當(dāng)?shù)腜WM信號(hào)控制蓄能控制電路中主功率開關(guān)管動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容器的充電控制。其PWM工作頻率為2 kHz，占空比根據(jù)超級(jí)電容器模組電壓及充電策略計(jì)算。備用電源啟動(dòng)、失電報(bào)警等信號(hào)以開關(guān)量形式送出。當(dāng)單片機(jī)檢測到外部電源掉電時(shí)，啟動(dòng)切換電路和逆變電路，同時(shí)送出信號(hào)給電梯的PLC控制器，啟動(dòng)緊急處理程序。
3．3 電源切換電路
電源切換電路實(shí)現(xiàn)外部供電電源與超級(jí)電容器備用電源之間的切換。該電路主要由兩個(gè)三相交流接觸器互鎖構(gòu)成，一個(gè)交流接觸器控制外部電源，用接觸器常開觸點(diǎn)控制主回路；另一個(gè)交流接觸器控制備用電源(超級(jí)電容器電源)，其常開觸點(diǎn)控制超級(jí)電容的充電回路，常閉觸點(diǎn)控制超級(jí)電容的放電回路和逆變器的輸出回路。
