一種多電平四象限電梯驅動系統的製作方法

2024-03-05 19:40:15

專利名稱：一種多電平四象限電梯驅動系統的製作方法
技術領域：
一種多電平四象限電梯驅動系統技術領域[0001]本實用新型涉及一種多電平四象限電梯驅動系統，屬於基於混沌參數估計開關 遍歷預測控制的有源中點箝位式多電平四象限電梯驅動系統的技術領域。
背景技術：
[0002]當前，電梯的節能降耗已經引起業界的高度重視。傳統的電梯驅動系統由於採 用二極體不控整流方式，因此驅動系統只具有單向功率傳送能力，電梯在減速制動過程 電機的能量無法回饋到電網中，而通過電阻之類耗能元件浪費掉。在電梯節能的實踐應 用中，能量回饋節能要求將電梯運動過程中產生的機械能通過能量回饋器轉換成電能， 然後把這些電能輸送回交流電網供給其他用電設備來使用，這樣一來電梯使用過程中的 節電效果是相當明顯的，真正做到了綠色環保。一般認為，使用能量回饋技術之後，電 梯節電率在15-50%範圍之內。另一方面，傳統的基於兩電平變頻器的電梯驅動系統dv/ dt較大，導致電梯電機共模電壓較大、電壓輸出波形較差、諧波量畸變率較大。[0003]在電機控制方面，預測控制常被用於電機驅動系統來減小系統開關延時，提高 系統動態性能。但是預測控制需要依賴系統的參數，而系統參數往往會隨環境的變化而 有所變化。但目前基於模型參考自適應、擴展型卡爾曼、模糊以及神經元網絡等參數估 計方法多少仍存在一些技術難題1、較易針對系統中某部分參數設計估算方法和收斂準 則而保持其他參數不變，對設計針對系統中較多參數同時估算的方法和收斂準則比較復 雜；2、在估算過程中對控制參數的優化成為難點，用傳統的優化方法如梯度法易陷於局 部優化而非全局優化；3、估算方法複雜、計算量較大。實用新型內容[0004]發明目的傳統電梯驅動系統只具有單功率流向特性，電梯電機能量不能回饋 到電網中。而且傳統單功率流向電梯驅動系統電網側由於採用了不控整流方式，因此在 電網側的輸出波形較差、諧波較大，而且其功率因數無法靈活調節。為了使得電梯驅動 系統具有能量回饋的功能，系統需要增加附加的能量回饋電路，但這種方式會增加系統 的成本。基於有源中點箝位式多電平變頻器的電機驅動系統不僅可以改善系統的輸出波 形，而且可以有效平衡橋臂上不同器件的功率損耗。但是有源中點箝位式多電平變頻器 的開關數目多造成了其傳統開關策略設計十分複雜。本實用新型目的是為了解決傳統多 電平變頻器開關策略設計複雜的難題，提供一種多電平四象限電梯驅動系統，將開關策 略設計和控制集成為一體。[0005]技術方案本實用新型多電平四象限電梯驅動系統，包括入網電感，電網側 變頻器，直流母線，電機側變頻器，電梯電機，用於電網側開關遍歷選擇的成本函數模 塊，電網側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊，電網側功率計算函數模塊，電網側模型 的混沌參數估計模塊，基於電網側模型的系統狀態量的預測模塊，直流側電容的混沌參 數估計模塊，電機側所需負載功率的計算模塊，電機側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊，基於電機側模型的系統狀態量的預測模塊，電機側模型的混沌參數估計模塊，用於 電機側開關遍歷選擇的成本函數模塊，三相至兩相的變換模塊；其中入網電感的輸入端 接電網，入網電感的輸出端依次串接電網側變頻器、直流母線、電機側變頻器和電梯電 機。電網側模型的混沌參數估計模塊的輸出端動態調整基於電網側模型的系統狀態量的 預測模塊，預測模塊的輸出端接電網側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊和電網側功率 計算函數模塊的輸入端。電網側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊和電網側功率計算函 數模塊的輸出端分別串接用於電網側開關遍歷選擇的成本函數模塊後接電網側變頻器的 開關信號輸入端。直流側電容的混沌參數估計模塊的輸出端動態調整直流側電容數值。 電機側變頻器的電流信號輸出端串接三相至兩相的變換模塊後與基於電機側模型的系統 狀態量的預測模塊的輸入端串接。電機側模型的混沌參數估計模塊動態調整基於電機側 模型的系統狀態量預測模塊。預測模塊，電機側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊和基 於電機側模型的系統狀態量的預測模塊的輸出端分別串接用於電機側開關遍歷選擇的成 本函數模塊後接電機側變頻器的開關信號輸入端。[0006]電梯驅動系統電網側和電機側都採用了有源中點箝位式多電平變頻器，包括[0007]電網側變頻器採用了有源中點箝位式多電平變頻器，同一橋臂上的開關通過有 源器件和直流母線電容相連，電網側功率可雙向流動；[0008]電機側變頻器採用了有源中點箝位式多電平變頻器，同一橋臂上的開關通過有 源器件和直流母線電容相連，電機側功率可雙向流動。[0009]優選地，所述各混沌參數估計模塊結構相同，包括[0010]狀態量比較差值初始設定模塊，設置初始比較差值；[0011]混沌映射狀態量初始設定模塊，設置初始混沌映射狀態量；[0012]系統狀態量預測模塊，根據系統參數當前估計值和系統在^c時刻實測狀態量預 測系統在tk+1時刻狀態量；[0013]預測誤差計算模塊，計算當前參數估計值下系統在tk+1時刻預測狀態量和系統在 tk+1時刻實測狀態量之差；[0014]最小預測誤差判斷模塊，用於比較當前參數估計值下預測狀態量和實測狀態量 之差Δ X1和狀態量差值最小值AXmm;[0015]賦值模塊，將當前參數估計結果P(i)賦值給系統參數的估計結果P。。ns，而AX1 賦值給ΔΧ·;[0016]更新模塊，更新混沌映射的迭代次數i;[0017]迭代次數判斷模塊，判斷當前混沌映射迭代次數i是否超過給定最大迭代次數 N；[0018]混沌映射模塊，通過混沌映射產生下一次狀態量即下一次迭代對應的系統參數 估計值；[0019]結束模塊，結束混沌參數估計。[0020]多電平四象限電梯驅動系統的控制方法如下[0021]在電網側，電網側模型的混沌參數估計模塊根據、時刻實測入網電流ila, 0(tk)和V1至k時刻電網側變頻器將選擇的開關狀態對應的預測入網電流dpih)，在線估計出電網側系統參數，並實時更新電網側模型系統狀態量預測模塊；[0022]由基於電網側模型的系統狀態量預測模塊根據電網側^c時刻實測入網電流ila, e (tk)遍歷預測各可能開關狀態對應的tk+1時刻入網電流iLAtM).[0023]電網側功率計算函數模塊根據預測的tk+1時刻入網電流及入網電壓 KAt^，預測出各可能開關狀態對應的tk+1時刻入網有功和無功Qh).[0024]電網側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊根據當前^c時刻實測直流母線電壓 Vdc (tk)和各種開關狀態對應tk+1時刻預測的入網電流iFaAt;，預測出各種開關狀態對應tk+1時刻橋臂器件的最高結溫直流母線電壓和負載功率計算模塊(2.13)獲得電 網側有功功率的參考值P* ；[0025]用於電網側開關遍歷選擇的成本函數模塊根據有功功率的參考值^、無功功率 的參考值《、預測結果Plh) Qlih+x) θ[{ Μ)，根據成本函數最小原則，比較選擇獲得電網側變頻器在k至tk+1時間段內的三相開關狀態SsA、tk) Ssb(tk) Sscih).[0026]在電機側，電機側模型混沌參數估計模塊根據^c時刻實測電機電流isa, e(tk)和 至ι時刻實際選擇開關狀態對應的預測電機電流iI,糾，在線估計出電機側系統參數，並實時更新電機側模型系統狀態量預測模塊；[0027]由基於電機側模型的系統狀態量預測模塊預測出系統根據電機側^c時刻實測電 機電流isa, e(tk)遍歷預測各開關狀態對應tk+1時刻電機電流&，/。[0028]電機側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊根據當前^c時刻實測直流母線電壓 Vdc (tk)和各開關狀態對應tk+1時刻預測的電機電流《W(G+i)，預測出電機側各開關狀態對 應tk+1時刻橋臂器件的最高結溫.[0029]用於電機側開關遍歷選擇的成本函數模塊根據電機電流參考值&』&)，。時 刻各可能開關對應的預測電機電流Zfc^(L1)以及對(tk+l)，比較選擇獲得電機側變頻器在 V1至4時刻的三相開關狀態紹( )S^(tk) s^(tk).[0030]在直流母線側，直流側電容混沌參數估計模塊根據^c時刻實測直流母線電壓 Vdc (tk)和電網側和電機側變頻器在tk_i至^c時刻所選擇開關狀態對應的預測電容充電電流zfh)，實時預測出直流母線電容，其中tk_i時刻為前一時刻，k時刻為當前時刻，tk+1時刻為下一時刻。[0031]優選地，所述混沌參數估計的方法如下[0032]採用狀態量比較差值初始設定模塊，設定預測狀態量和實測狀態量之差Δ& = 狀態量差值最小值Δ Xmm;[0033]採用混沌映射狀態量初始設定模塊，將參數初始值設置選為混沌映射初值 PG)，其中混沌映射迭代次數i = ο ；[0034]採用系統狀態量預測模塊，根據系統參數當前估計值和系統在^c時刻實測狀態 量預測系統在tk+1時刻狀態量；[0035]採用預測誤差計算模塊，計算當前參數估計值下系統在tk+1時刻預測狀態量和系、統在tk+1時刻實測狀態量之差；[0036]採用最小預測誤差判斷模塊，比較當前參數估計值下預測狀態量和實測狀態量 之差Δ X1和狀態量差值最小值ΔΧ·，如果AX1小於ΔΧ·，執行賦值模塊，即將當前 參數估計結果PG)賦值給P。。ns，而八義賦值給八乂·，然後執行更新模塊，即更新混沌 映射的迭代次數i —i+Ι ；如果AX1大於ΔΧ·，則執行更新模塊，即即更新混沌映射的 迭代次數i—i+Ι ；[0037]採用迭代次數判斷模塊，判斷當前混沌映射迭代次數i是否超過給定最大迭代次 數N:如果超過了最大迭代次數，直接進入結束模塊結束混沌參數估計，得到即系統參 數的估計結果P。。ns;如果i沒有超過N，系統進入混沌映射模塊，通過混沌映射產生下一 次狀態量即下一次迭代對應的系統參數估計值，然後繼續執行系統狀態量預測模塊，循 環整個流程。[0038]有益效果本實用新型與現有技術相比，其有益效果為1、由於本實用新型 採用了四象限電梯驅動系統方案，電梯電機制動過程中的能量可以通過有源整流器回饋 到電網中，而且不需要附加的能量回饋電路；2、本實用新型採用了有源整流器，使得 電網側整流器的開關頻率變高，電網側輸出波形變好，而且可實現電網側功率因數的調 節；3、本實用新型提出了基於有源中點箝位式變頻器的電梯驅動結構，相比傳統兩電平 變頻器電梯驅動系統輸出波形更好、dv/dt更小、諧波畸變率也更小、電機側共模電壓更 小。而且有源中點箝位使得變頻器橋臂上器件損耗接近、提高了系統的輸出功率，克服 了無源中點箝位多電平變頻器橋臂器件損耗不均的缺點；4、本實用新型提出了與中點箝 位式三電平變頻器相適應的開關遍歷預測控制，即通過預測並比較各種可能的開關狀態 所對應的系統狀態，來選取其中成本函數最小的開關狀態作為下一個開關周期的開關狀 態，因此可以將系統的開關策略和控制方案結合在一起，開關策略設計簡單，解決了有 源中點箝位式多電平變頻器驅動開關策略設計困難的難題；5、本實用新型中提出了與有 源中點箝位式多電平變頻器開關遍歷預測控制相適應的混沌參數識別方法，可以實現在 參數可能範圍內的全局搜索；參數的搜索計算簡單、快速；優化準則簡單；易於程序公 用。[0039]
[0040]圖1是本實用新型所提出的基於混沌參數估計狀態遍歷預測控制的有源中點箝 位式多電平四象限電梯驅動系統結構示意圖，其中，(1.1)為有源中點箝位式四象限變 頻器，用來驅動電梯傳動系統(1.2) ； (1. 為有源中點箝位式多電平變頻器的結構放大 示意圖；(1.4)是電網，(1.5)是電梯驅動系統的入網電感；1、永磁同步電機；2、軸； 3、驅動滑輪；4、電梯箱；5、電梯箱框架；6、導向輥；7、橡膠隔振器；8、主繩； 9、牽引索；10、導向輥；11、稱垂；12、補償繩；13、補償滑輪。[0041]圖2中所示為與多電平四象限電梯驅動系統相適應的開關遍歷預測控制框圖； (2.1)是電網，(2.2)是入網電感，(2.3)是電網側變頻器(即整流器)，(2.4)是直流母 線，(2.5)是電機側變頻器(即逆變器)，(2.6)是電梯電機，0.7)是用於電網側開關遍 歷選擇的成本函數，0.8)是電網側橋臂上器件最高結溫計算函數，0.9)是電網側功率 計算函數，(2.10)是電網側模型的混沌參數估計，0.11)是基於電網側模型的系統狀態 量預測模塊，(2.1 是直流側電容的混沌參數估計，(2.1 是電機側所需負載功率的計6算模塊，(2.14)是電機側橋臂上器件最高結溫計算函數，(2.15)是基於電機側模型的系 統狀態量預測模塊，(2.16)是對電機側模型的混沌參數估計，(2.17)是用於電機側開關 遍歷選擇的成本函數，(2.18)是三相至兩相的變換；[0042]圖3所示為混沌參數估計的流程圖。[0043]具體實施方式
[0044]
以下結合附圖，對最佳實施例進行詳細說明，但是本實用新型的保護範圍不局 限於所述實施例。[0045]如圖1所示，是本實用新型所提出的基於混沌參數估計狀態遍歷預測控制的有 源中點箝位式多電平四象限電梯驅動系統結構示意圖，其中，1.1為有源中點箝位式四象 限變頻器，用來驅動電梯傳動系統1.2。1.3為有源中點箝位式多電平變頻器的結構放大 示意圖。1.4是電網，1.5是電梯驅動系統的入網電感。[0046]以圖2中所示的基於混沌參數估計開關遍歷預測控制的有源中點箝位式三電平 四象限驅動為例說明。系統額定電壓為380V，額定功率為10kW。電網2.1通過系統入 網電感2.2和電網側變頻器2.3連接。電網側變頻器2.3通過直流母線2.4和電機側變頻 器2.5相連。變頻器2.3、2.5的結構及其與直流母線2.4的連接方式如圖1所示。電機 側變頻器2.5驅動電梯電機2.6拖動電梯傳動系統。[0047]在電網側，由基於電網側模型的系統狀態量預測模塊2.11根據電網側k時刻實 測入網電流ila , e (tk)遍歷預測各可能開關狀態對應的tk+1時刻入網電流『β^、。[0048]電網側功率計算函數模塊2.9根據預測的tk+1時刻入網電流《，/『1)及入網電壓 U[aj(h+i)，預測出各可能開關狀態對應的tk+1時刻入網有功/f 和無功Qfihd。[0049]電網側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊2.8根據當前^時刻實測直流母線電壓 vdc(tk)和各種可能開關狀態對應tk+1時刻預測的入網電流iLAhJ，預測出各種可能開關 狀態對應tk+1時刻橋臂器件的最高結溫e『(h+i)。根據直流母線參考電壓和在^c時刻實 測的直流母線電壓vd。(tk)，獲得直流母線電壓控制所需的有功功率參考值Ρ^，再和負載 功率計算模塊0.13)獲得電網側有功功率相加，得電網側有功功率的參考值P*。[0050]用於電網側開關遍歷選擇的成本函數模塊(2.7)根據有功功率的參考值P*無功功 率的參考值Q*、預測結果巧p(Q+i)、QD、<(、!)，根據成本函數最小原則，比較 選擇獲得電網側變頻器2.3在4至^+1時間段內的開關狀態衫&)，SsB(tk)f S^(tk) o[0051]電網側模型的混沌參數估計模塊2.10根據k時刻實測入網電流ila, 0 (tk)和I1至 k時刻電網側變頻器將選擇的開關狀態對應的預測入網電流0； ，/&)，在線估計出電網側系 統參數，並實時更新電網側模型系統狀態量預測模塊2.11。[0052]在電機側，由三相至兩項變換模塊(2.18)將、時刻實測電機三相電流『 ν, w(tk) 變換成兩相電流isa, e (tk)。由基於電機側模型的系統狀態量預測模塊(2.15)預測出系統 根據電機側時刻實測電機電流is a, e (tk)遍歷預測獲得各可能開關狀態對應tk+1時刻電機電流iLAtM)ο[0053]電機側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊2.14根據當前^c時刻實測直流母線電7壓vd。(tk)和各可能開關狀態對應tk+1時刻預測的電機電流
權利要求1.一種多電平四象限電梯驅動系統，其特徵在於包括入網電感0. ，電網側變頻器(2.3)，直流母線(2.4)，電機側變頻器(2.5)，電梯電機(2.6)，用於電網側開關遍歷選擇 的成本函數模塊(2.7)，電網側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊，電網側功率計 算函數模塊(2.9)，電網側模型的混沌參數估計模塊(2.10)，基於電網側模型的系統狀態 量的預測模塊(2.11)，直流側電容的混沌參數估計模塊(2.12)，電機側所需負載功率的 計算模塊(2.13)，電機側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊(2.14)，基於電機側模型的 系統狀態量的預測模塊(2.15)，電機側模型的混沌參數估計模塊(2.16)，用於電機側開 關遍歷選擇的成本函數模塊0.17)，三相至兩相的變換模塊0.18)；其中入網電感0.2) 的輸入端接電網(2.1)，入網電感(2.2)的輸出端依次串接電網側變頻器0.；3)、直流母線(2.4),電機側變頻器(2.5)和電梯電機0.6)，電網側模型的混沌參數估計模塊0.10)的 輸出端動態調整基於電網側模型的系統狀態量的預測模塊(2.11)，預測模塊0.11)的輸 出端接電網側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊(2.8)和電網側功率計算函數模塊(2.9) 的輸入端；電網側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊(2.8)和電網側功率計算函數模塊 (2.9)的輸出端分別串接用於電網側開關遍歷選擇的成本函數模塊(2.7)後接電網側變頻 器(2. 的開關信號輸入端；直流側電容的混沌參數估計模塊(2.1 的輸出端動態調整直 流側電容數值；電機側變頻器(2. 的電流信號輸出端串接三相至兩相的變換模塊0.18) 後與基於電機側模型的系統狀態量的預測模塊(2.15)的輸入端串接；電機側模型的混沌 參數估計模塊0.16)動態調整基於電機側模型的系統狀態量預測模塊0.1 ；預測模塊 (2.15)，電機側橋臂上器件最高結溫計算函數模塊(2.14)和基於電機側模型的系統狀態 量的預測模塊(2.15)的輸出端分別串接用於電機側開關遍歷選擇的成本函數模塊(2.17) 後接電機側變頻器(2. 的開關信號輸入端。
2.如權利要求1所述的多電平四象限電梯驅動系統，其特徵是在電梯驅動系統電網側 和電機側都採用了有源中點箝位式多電平變頻器，包括電網側變頻器(2. 採用了有源中點箝位式多電平變頻器，同一橋臂上的開關通過有 源器件和直流母線電容相連，電網側功率可雙向流動；電機側變頻器(2. 採用了有源中點箝位式多電平變頻器，同一橋臂上的開關通過有 源器件和直流母線電容相連，電機側功率可雙向流動。
3.根據權利要求1所述的多電平四象限電梯驅動系統，其特徵在於所述各混沌參數 估計模塊結構相同，包括狀態量比較差值初始設定模塊(3.1)； 混沌映射狀態量初始設定模塊(3.2)； 系統狀態量預測模塊(3.3)； 預測誤差計算模塊(3.4)； 最小預測誤差判斷模塊(3.5)； 賦值模塊(3.6)； 更新模塊(3.7)； 迭代次數判斷模塊(3.8)； 混沌映射模塊(3.9)； 結束模塊(3.10)。
專利摘要本實用新型公開一種多電平四象限電梯驅動系統，所述驅動系統包括有源中點箝位式四象限變頻器和驅動電梯傳動系統的電機。本實用新型電梯驅動系統具雙向功率傳輸能力，電網側波形好，功率因數高，高效節能。與之相適應的控制方法簡單，並可以克服開關延時，而且系統具有參數自適應功能，魯棒性強。
文檔編號B66B1/32GK201808977SQ20102018194
公開日2011年4月27日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者王政, 程明 申請人:東南大學