关键词：
BLDC电机
光储联合
功率平衡
四象限运行
FOC双闭环控制
摘要：
现电梯曳引设备逐渐增多,其用电量占楼宇总用电量的四分之一以上,为缓解电梯设备耗能问题,许多厂家和高校都开始研发新能源曳引设备。但在以光储直流微电网作为供电单元的新能源电梯中,其曳引机大多采用三相感应电动机。该电机启动转矩小,通过提高功率容量来提升启动转矩,易造成“大马拉小车”的现象,且电机外有减速组结构,用于负载驱动运行时容易造成短时负荷,会在电机加以大负载的时候产生效率低下、磨损快等问题;并且启动电流很大,增加的供电变压器会弱化启动特性且反电势波形谐波分量较多。
针对上述问题,本文提出了一种基于光储联合供电单元的新型BLDC曳引系统,并将其应用于电梯牵引部分;选择了一种光伏和储能联合供电的协同控制策略,以保证在光照变化时直流微网对曳引系统供电的功率平衡,在电机控制方面采用了FOC双闭环控制,保证BLDC电机在负载变化时直流母线电压的稳定。与三相感应电机相比,交流侧供电电源相同时,BLDC电机所需要的直流侧电压较低,不需要采用复杂的V/F控制,控制电路简单且效率更高、调速范围充裕、功率密度大、磁路易优化、反电势波形干净。
同时,光储微网的电源输出形式为直流电,对于用梯形方波来驱动的BLDC电机来说,直流供电单元有着天然的优势,可以有效降低MOSFET的开关频率,减小开关损耗。因此本文将BLDC电机作为曳引机,在直流供电模式下对系统进行曳引拖动研究。实验结果表明开关频率的降低可以有效减小直流母线电压的波动;当负载转矩超过额定转矩时,向光储系统回馈能量也不会造成直流母线电压越限,有利于光储系统与曳引系统的平稳运行,延长系统的使用寿命。本文做了如下几方面的研究:
首先,设计出光储联合供能曳引设备系统,根据原理拟定系统框架,确定好配件选型,并以马尔康市曳引电梯为例,在光伏供电作用于曳引设备时,对耗电量进行了数据分析,验证该方案可行。蓄电池采用双闭环充放电控制策略,在日照不足时也能保持供电母线端功率平衡。通过光储协同控制建模得出该光储联合供电系统在日照环境不同的情况下能稳定运行并快速恢复功率平衡。
其次,研究了BLDC电机的工作原理和构造,在传统PID控制算法上增加交流滤波函数进行公式推导。通过FOC磁场定向来优化电机双闭环控制并建模仿真,分析实验数据,结果表明BLDC电机该控制方式下能快速响应负载和换向的变化且保持良好的转向跟踪性,分析指令电流、给定转矩及电机转速等数据之间的关系,验证BLDC电机在曳引拖动变化时能平稳地运行。
最后对系统主要部分进行了软硬件设计,并搭建实验平台,根据电机的四象限运行原理在曳引拖动时,对其所处发电和出力状态进行实验研究,通过磁粉制动器施加制动力矩观察母线端电压波动变化,得出该电机在额定负载范围内,系统出力驱动运行能保持直流网母线端电压稳定,在发电运行时,即使处于超载状态,系统也能稳定直流母线电压。
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