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1、 . 理工大学“国家级大学生创新性实验计划”项目申请表 填表时间： 2009 年 10月 7日 项目名称电梯节能装置的研制一、申请理由（包括自身具备的知识条件：自己的特长、兴趣等） 随着社会经济的迅速发展， 能源问题在当今社会中受到越来越多的关注。变频调速系统以其优良的调速性能而广泛应用于工业领域。但是由于受到技术条件的制约，电机制动时产生的能量往往通过制动电阻发热消耗掉，造成了电能的极大浪费。能量回馈系统可将再生能量反馈回电网，能大幅降低变频调速系统的能耗。 本项目涉与电力电子技术中的整流、SPWM逆变技术，以与与能量回馈相关的自动控制、数字信号处理（DSP）等控制技术，可综合培养学生的理论
2、与实践能力，为以后的工作和深造打下坚实的基础。 特长和兴趣：丁梓健作为班级委员有着扎实的专业基础知识，参加了全国大学电子竞赛，具备较强的单片机软、硬件开发能力和系统设计能力。对电子制作和程序设计有着浓厚的兴趣。劲帆曾获校特等奖学金，擅长利用Protel软件进行电路设计和制作PCB电路板。对优化电路设计和电子制作有着浓厚的兴趣。周宇帆曾获校三等奖学金，能很好的应用MATLAB软件对系统建模和仿真。对自动控制理论和数学建模有着浓厚的兴趣。建军曾获校三等奖学金，具备较强的C语言的开发技能和变流技术应用能力。对程序开发和电机控制方面有着浓厚的兴趣。二、立项背景（研究现状、趋势、研究意义等，参考文献和其
3、他有关背景材料）1研究的意义据中国电梯协会提供的信息显示，全国在用电梯总保有量已超过90万台，成为世界上电梯总保有量最多的国家。而且，随着我国城市化进程进入快速发展期，每年都将有超过15万台新增电梯（新增电梯数量世界第一）投入使用。电梯作为交通工具，已经成为人们日常生活不可缺少的一部分。 电梯运营离不开电能，一般正常使用的普通电梯，每天用电量大约在30度至150度之间，如果按照一部电梯每天用电80度计算，每年耗电量达29200度。由此可见，电梯能耗已经成为建筑能耗的重要部分。电梯在使用过程中，有电动运行与发电运行（也叫制动运行）两种状态。其中的发电运行状态会产生一部分能量，我们称之为再生能源。
4、目前市场上使用的电梯（除进口高速电梯之外，约占总量的2%）将再生能源消耗在制动电阻上，在浪费这些能源的同时，也造成了电梯控制柜的发热。如果将这部分再生能源收集起来，每年节约的电能相当可观。我们简单计算一下，一般使用能量回馈装置来收集电梯再生能源，可以节省15%45%的耗电量。按照平均20%的数据计算，如果全国的电梯都安装了能量回馈装置，每年可以从电梯中回收52.56亿度电。这个数字是什么概念呢？我们看一下，据中国水利网数据，国家黄河小浪底水电厂每年发电量平均为51亿度，也就是说，全国的电梯使用能量回馈装置来收集电梯再生能源，相当于又造了一个小浪底水电厂！使用能量回馈装置收集电梯再生能源，同时也
5、降低了电梯运行中的发热量，将大大降低电梯控制系统的故障率，延长使用寿命。21世纪能源将日益紧，我国又是能源消耗大国，节能势在必行。因此，使用能量回馈装置收集电梯再生能源是利国利民的一件好事，是造福子后代的大事！ 2研究的现状与趋势 对于交流变频调速系统，由于二极管的单向导电性能，电机制动的再生能量无法回馈给电网。为了装置的安全运行，这部分能量必须通过一定的途径消耗掉。在中小容量系统中，一般采用能耗制动方式1-5，即通过置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行。该方法虽然简单，但是有如下缺点：浪费能量，系统效率低；电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作；简单的能耗
6、制动不能与时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了性能的提高。 PWM整流器6-8可实现能量可双向流动，不仅具有AC/DC变流特性(整流)，而且还可实现DC/AC变流 (有源逆变)，因而可将电机制动产生的再生能源回馈到电网。PWM整流器实现了网侧电流正弦化且运行于单位功率因数，具有绿色电能变换特性。此外，由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使PWM整流器与其控制技术的应用领域得到了发展和拓宽，如静止无功补偿(SVG)、有源电力滤波(APF)、统一潮流控制(UPFC)，超导储能(SMES)、高压直流输电(HVDC)、电气传动(ED)，新型UPS以与太阳能、风能等可再生能源的并网发电
7、等。但PWM整流器承担了负载功率的传递，因而不适合大功率的应用场合，而且，如果应用到现有的二极管整流的变频器中，需要对变频器进行改造，增加了应用的难度和成本。 串级调速可将电动机的转差功率通过有源逆变回馈给电网，提高了电机的电能使用效率，还可以把定子侧的高压调速问题转化为转子侧的低压来解决，用低压设备来控制高压电机，避免了直接在定子侧采用电力电子变换器进行调速带来的一系列问题。特别是近年来，PWM串级调速技术的发展，解决了传统串级调速方法存在回馈电能功率因数低和电流畸变严重的缺点。但应用串级调速技术需要对电动机进行改造，因而不适合解决电梯节能的问题。 能量回馈装置通过对变频器在电机制动时产生的
8、泵升电压进行控制，利用PWM逆变技术可将再生能源回馈给电网。近年来国外大公司纷纷投入此项研究之中，比如，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交直交变频器，日本富士公司也成功研制了电源再生装置，如RHR系列、FRENIC系列电源再生单元,它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧,将再生能量回馈到电网中。但这些产品普遍存在的问题是这些装置价格昂贵,再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。 综上所述，PWM整流器在未来的中小容量变频器应用中有着广阔的前景，而能量回馈装置在变频器的改造和低压大容量变频器的再生能源的利用方面，有着明显的
9、优势。3参考文献1 承慧, 珂, 杜春水, 等. 基于幅相控制的变频器能量回馈控制系统 J . 电工技术学报, 2005, 20 (2) : 41 - 45.2 刁利军,志刚,郝荣泰,等.能量回馈式PWM整流器并网的工程设计方法J.电工技术学报,2005,20(11):75-79.3 葵银,王辉,吴峻; 基于DSP的三相PWM整流器电压空间矢量控制的研究 J;电力系统通信; 2004年06期4 崇巍,兴.PWM整流器与其控制M.:机械工业,2003.5 宜峰.级联型多电平逆变器的均衡控制策略DJ.航空航天大学,硕士学位论文，2005.6 Malinowski M, Kazmierkowski
10、M P, TrzynadlowskiA. Direct Power Control with Virtual Flux Estimationfor Three-phase PWM Rectifiers. IEEE InternationalSymposium on Industrial Electronics, 2000:442-44777 Malinowsk M, Kazmierkowski M P. Direct PowerControl of Three-phase PWM Rectifier Using Spaceector Modulation-simulation Study. P
11、roceedings ofthe 2002 IEEE International Symposium on IndustrialElectronics, 2002,4:1114-11188 Lee Woo-Cheol, Hyun Dong-Seok, Lee Taeck-Kie. ANovel Control Method for Three-phase PWM Rectifi-ers Using a Single Current Sensor. IEEE Transactionson Power Electronics, 2000:861-8709 江友华.高压大功率异步电动机驱动风机_泵类
12、负载调速技术的研究, 博士学位论文，2006.10 王春杰.大功率异步机转子变频调速系统与其控制策略的研究.大学博士论文.大学,2005.11 吴国祥; 江友华;转子变频调速系统的性能分析和研究.电气传动,2007,37(10):10-13.4已有的实验条件本项目的研究工作依托理工大学电气与信息工程学院，学院的电力系统与其自动化学科为省重点学科，其电力系统工程中心拥有良好的研究和实验条件，包括分布式发电实验系统，电力系统动模实验室，配电网综合自动化系统，以与实验室场地、仪器仪表、计算机、Internet网络、元器件以与专业绘图、分析与仿真软件等；同时，项目组还拥有前期研究工作中的自制设备，如模
13、拟谐波源、谐波监控分析系统等，这些条件为本项目的顺利开展和实施提供了有力的物质保障。尚需补充和完善的条件是本项目研究过程中少量有针对性的特殊研究条件以与元器件的备件。5导师的简历2001年和2005年分别获中南大学控制理论与控制工程专业硕士和博士学位，2005年到理工大学任教，2006年进入大学控制科学和工程博士后流动站， 2009年3月答辩出站，期间于2007年3月至2008年3月到理工大学做访问学者，2008年晋升副教授。主要研究方向为柔性交流输电系统理论与技术、逆变型并网发电技术和现代电力电子技术。近年来，主持省自然科学基金一项，参与多项国家与省部级科研项目，获省部级一等奖一项、三等奖一
14、项，发表中英文学术论文20余篇，其中SCI、EI检索10余篇。三、项目方案1研究容 能量回馈装置的核心技术是PWM逆变技术。当电机电动运行时，逆变器的开关器件全被封锁,处于关断状态;当电动机处于再生发电状态时，能量由电机侧回馈直流侧，导致直流母线电压升高。当直流母线电压超过电网线电压峰值时，整流桥由于承受反压而关断；当直流母线电压继续升高并超过启动逆变器工作电压时，逆变器开始工作，将能量从直流侧回馈电网。当直流母线电压下降到关闭逆变器工作电压时，关闭逆变器。一个完善的能量回馈控制系统应满足相位、电压、电流等三方面的控制条件，这要求回馈过程必须与电网相位保持同步关系；只有直流母线电压超过一定值时
15、才启动有源逆变装置；系统应该能够控制回馈电流的大小，从而可以控制电机的制动转矩，实现精确制动。 系统的整体框图如图1所示。图1 系统的整体结构图1） 主电路设计主电路直接承担了电能转换和传送的任务，本项目拟采用全控型逆变电路的拓扑结构，其电路图如图2所示。研究电机再生发电的工作原理和泵升电压产生的原因，为主电路电力电子器件和电力滤波电容的参数计算提供理论依据。图2 主电路结构图2）控制电路设计 控制电路实现对泵升电压检查并产生PWM控制脉冲的功能，其结构图如图3所示。控制电路的研究主要包括同步电路、检测电路和PWM调制电路。（1） 同步电路同步是实现高品质电能回馈的关键 。所谓同步，是使回馈的三相电流与电网电压同频同相，实现单位功率因数为1的能量回馈。同步电路设计的好坏直接关系到回馈无功电流以与谐波含量的高低。（2） 检测电路检测电路实现对变频器直流电压和PWM逆变器电流的检测，保证回馈装置可靠动作，并为电流闭环控制提供反馈信号。（3） PWM调制电路 PWM调制电路利用期望信号与三角波进行调制，产生一系列的等幅不等宽的脉冲，从而控制电力电子开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相
