0 引 言
基于干式高壓試驗變壓器系統(tǒng)設(shè)計高放電功率優(yōu)點，又如電池一樣具有較大電荷儲存能力，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，是理想的綠色環(huán)保電源，目前國內(nèi)外對它的應(yīng)用研究正蓬勃展開。利用超級電容器優(yōu)異的蓄能和釋放功能組成的各類拖動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。
電梯作為一種在運動過程中不斷吸收和釋放能源的電力拖動裝置，對**、可靠運行要求極高，超級電容器的出現(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，將電梯運行中的能量轉(zhuǎn)化為超級電容器中的電能進(jìn)行儲存，并作為電梯運行過程中的后備保護(hù)動力電源的混合動力系統(tǒng)，在不增加額外能源(如自備發(fā)電機、大型蓄電池等)的情況下，對電梯的運行提供更加**的保障。
1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
系統(tǒng)以超級電容器模組為儲能裝置，將電梯正常運行時的勢能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行儲存，在外部供電電源失效時，將電梯的供電系統(tǒng)切換到由超級電容器模組提供的備用電源上，保證電梯能**運行到*近的樓層，**開啟廂門，保證電梯內(nèi)的人員得到**、及時的疏散。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機處于能耗反饋時，從變頻器直流母線上獲取直流電能，以與超級電容器模組額定電壓相同的直流電壓向超級電容器模組充電，完成電能的儲備；逆變電路則是在嵌入式處理器控制下，將超級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，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)測控制下實現(xiàn)外部供電電源與超級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)測和控制超級電容器模組的電能儲存和釋放。
2基于干式高壓試驗變壓器系統(tǒng)設(shè)計
以超級電容器模組為主體的后備電源設(shè)計應(yīng)保證在外部電源失效后維持整個系統(tǒng)正常工作30 S，使電梯**運行至*近樓層，打開轎廂。電梯拖動系統(tǒng)采用10 kW 三相交流異步電動機，超級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單體超級電容器串聯(lián)構(gòu)成模組。模組整體性能指標(biāo)計算如下：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，模組滿電時的總儲能量為675．3 kJ。
2．7 V／1 200 F單體超級電容器內(nèi)阻在1．6 mn以內(nèi)，考慮連接內(nèi)阻，以1．6 mlq粗略計算：模組內(nèi)阻=0．001 6×180=0．29 n
由此得到超級電容器模組整體指標(biāo)：容量6．67 F；額定電壓450 V，儲能量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，故整個模組需要釋放能量百分比為300／675．3×100％ =44．4％ 。
該超級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**運行至*近樓層所需能量計算，*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，提高電容器能量實際利用率。電容器模組在放電過程中，當(dāng)電壓降至300 V時，仍能提供300 kJ以上的能量。在后接DC 300～450 V的逆變電路時，可保證電梯運行所需功率和AC 380 V的交流穩(wěn)定電壓，保證整個后備系統(tǒng)工作的穩(wěn)定、可靠。
3 控制電路設(shè)計
控制電路的設(shè)計主要包括蓄能控制電路、單片機測控電路、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機處于能耗反饋時，基于干式高壓試驗變壓器系統(tǒng)設(shè)計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)換為供超級電容模組充電使用的電壓，且需用功率較大，所以設(shè)計合適的電路參數(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。實際的開關(guān)元件選用驅(qū)動功率小、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)；由單片機計算產(chǎn)生的PWM信號加到IGBT的控制極，控制其導(dǎo)通和截止。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，輸入能量傳遞到輸出端；開關(guān)截止時，則被隔斷。PWM信號的占空比經(jīng)試驗測定與超級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，U。=U 輸入電壓 通過濾波器加在負(fù)載上。開關(guān)截止時，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)載實際為不斷被充電的超級電容器模組，當(dāng)充電脈沖波經(jīng)濾波電路濾波施加于負(fù)載時，則在超級電容器模組兩端得到不斷上升的直流電壓 。試驗表明，直流電壓 的上升速率與一個周期中開關(guān)管接通的時間t。 有關(guān)。續(xù)流二極管的作用是在開關(guān)管截止時，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 單片機測控電路
單片機測控電路采用Microchip公司的dsPIC30F系列單片機作為控制芯片，控制電路硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。該控制電路對電梯混合動力系統(tǒng)的能量回饋、充放電控制、正常電源檢測、超級電容狀態(tài)檢測及開關(guān)切換等進(jìn)行處理。
超級電容電壓檢測模塊在超級電容器兩端通過電阻分壓，將超級電容器電壓信號轉(zhuǎn)換至0～ 5 V內(nèi)，再通過雙光耦隔離電路，將信號傳遞至單片機。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，可以實現(xiàn)在某個區(qū)域內(nèi)線性度良好，因此，需要對雙光耦隔離電路的線性區(qū)進(jìn)行調(diào)整，而超級電容器接近滿充時的狀態(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。單片機根據(jù)超級電容器電壓檢測結(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)將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所以設(shè)置為當(dāng)由電源供電驅(qū)使電機拖動系統(tǒng)工作時，霍爾元件輸出負(fù)電壓信號，當(dāng)電機拖動系統(tǒng)反饋制動時，霍爾元件輸出正電壓信號，由單片機檢測。外部電源掉電檢測通過交流接觸器的常開輔助觸點形成的開關(guān)信號完成檢測。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，其常開輔助觸點也閉合，對單片機輸入引腳輸入高電平信號；反之，輸入低電平信號。
PWM充電控制信號由PIC單片機的CCP功能引腳直接輸出，基于干式高壓試驗變壓器系統(tǒng)設(shè)計，送出適當(dāng)?shù)腜WM信號控制蓄能控制電路中主功率開關(guān)管動作，實現(xiàn)對超級電容器的充電控制。其PWM工作頻率為2 kHz，占空比根據(jù)超級電容器模組電壓及充電策略計算。備用電源啟動、失電報警等信號以開關(guān)量形式送出。當(dāng)單片機檢測到外部電源掉電時，啟動切換電路和逆變電路，同時送出信號給電梯的PLC控制器，啟動緊急處理程序。
3．3 電源切換電路
電源切換電路實現(xiàn)外部供電電源與超級電容器備用電源之間的切換。該電路主要由兩個三相交流接觸器互鎖構(gòu)成，一個交流接觸器控制外部電源，用接觸器常開觸點控制主回路；另一個交流接觸器控制備用電源(超級電容器電源)，其常開觸點控制超級電容的充電回路，常閉觸點控制超級電容的放電回路和逆變器的輸出回路。
