正弦波输入/输出的电流源变频系统控制的高速电梯
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2020-10-21
01:29:40
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正弦波输入正弦波输入/输出的电流源变频系统控制的高速电梯输出的电流源变频系统控制的高速电梯
本文介绍的是日立公司最新开发的正弦波输入/输出的电流源变频器系统控制的高速电梯，详细说明了该系统的
主回路、控制回路、脉宽调制及安全回路，系统的优点是节约能源，减少谐波，可用于高速电梯控制及电力再
生的领域。
文摘：本文介绍的是日立公司最新开发的
多年来，人们一直采用可控硅莱昂纳多系统和可调磁场控制方法控制高速电梯。但是，这些老式系统中存在一些问题，如
输出电压低时的功率因数及交流线路较高的谐波电流。解决这些问题的一个方案就是使用门断路整流器，这种整流器自身带有
脉宽
（1）感应电机会产生力矩脉动，除非采用平稳的正弦波脉宽调制控制装置。
（2）切断电流环路时产生异常过电压。
这些问题妨碍了用此方法对电梯速度的控制，而电梯速度控制的目的就是要使运行舒适、平稳可靠。
因此，人们研制出了一种高速电梯，其控制系统为改进后的正弦波输入/输出的电流源变频系统，该系统采用两个独立的
单片机（分别用于变频器和整流器）利用晶体管脉冲波形及输出脉宽调制波形的新一代计算方法，在没有外部逻辑回路的情况
下，计算正弦脉宽调制的脉冲波形。采用新的脉宽调制控制技术替代老式的模拟控制方法，即将梯形调制波形与三角形载波相
比较，开发出了适用于电梯控制的小力矩脉动变频器系统。
另一方面，电流源变频系统中还要考虑设置保护系统，它能检测和抑制电源降低模式下的过电压。保护系统中采用一个压
敏变阻器，还有一个连接在整流器和变频器之间的直流电抗器形成的短路，克服了以前的电流源变频器系统存在的问题。
本文研究的是整流器和变频器的正弦波脉宽调制脉冲波形的计算方法，由12个晶体管构成的整流器和变频器的脉冲波形
输出方法，整流器和变频器的基本操作，输出电流、电压和力矩脉动的模拟结果，新型曳引机，还有实验结果。
1 主回路及控制回路结构图
1.1 主回路结构图
图1所示的是正弦波输入、输出的电流源晶体管变频器系统主回路的结构图。该系统由一个整流器、一个变频器和一个直
流电抗器（Ld）构成。整流器将恒定频率的电源变为直流电源，直流电抗器（Ld）则使直流电源更加平稳，变频器则将直流
电源转变为变压变频交流电源。连接在交流输入、输出端的过电压吸收电容器（Cc，Ci）起到滤波器的作用，这样，在一定
程度上，输入和输出电流能够保持正弦波形。构成整流器和变频器的晶体管模块是由一个单向导电的二极管和晶体管构成。两
种脉宽调制控制线路的详细情况以后再论。
1.2 控制回路框图
从根本上说，整流器和变频器装置都要配用脉宽调制控制装置来产生正弦波电压和电流。另外，整流器部分采用直流耦合
电压控制装置来调节感应电机的电流值，而变频器部分利用频率和相位控制电机响应速度。图2所示的是控制回路的框图。自
动速度调节（ASR）和各种信号的管理由一个16位微机（CPU-0）作为主机来完成。主微机通过一般的矢量计算产生直流电
流指令信号i1＊，频率指令信号ω1＊和相位指令信号θ＊，ω1＊、θ＊、i1＊由下式给出：
ω1＊ = ωs + ωr （1）
θ＊ = tan-1（ωs L2/R2） （2）
i1＊ = Im·SQR（1+（ωs L2/R2）2）·sin（ω1＊t+θ＊） （3）
自动直流电流调节（ACR）由一个带有脉宽调制控制装置的独立的16位单片机（CPU-1）来完成。CPU-1的输入信号就
是电流指令信号与直流电流信号之间的偏差信号和同步信号。偏差信号供给了单片机上的模拟——数字转换端口（精确度为
10位），同步信号则提供给了单片机的高速输入端口，它可以记录中断时间，6个输出脉冲波形从单片机的高速输出端口提供
给了基极驱动电路，该端口有一个外加的辅助存储器。频率和相位指令信号则提供给了CPU-2单片机上的并行I/O（输入/输
出）端口。
2 变频器和整流器的正弦波脉宽调制控制装置
2.1 脉宽调制脉冲波形的计算方法
原来的模拟电路方法由比较电路、三角形载波发生电路和梯形调制波发生电路构成，现在已不再使用。新的脉冲波形发生
电路及配套软件已开发出来，整流器和变频器的计算方法是相同的，但对于整流器，还必须进行电源同步控制和对直流电流值
控制的负荷管理。首先来讨论脉宽计算方法的共用部分。
脉宽计算方法如图3所示。第一，在每一个确定的时间间隔内，对频率指令信号ω1＊进行积分，其结果加到相位指令信号
θ＊上得到总相位θt。在变频器部分，频率指令信号ω1＊和相位指令信号θ＊是指CPU-0计算所得的指令值。在整流器部分，θ
＊是工业用交流电源的频率，θ＊是依照电流指令与直流电流之间的偏差信号计算所得的。第二，脉宽t1，t2，t3可利用与正
弦波sinωt，sin（ωt-4/3π）和sin（ωt-2/3π）相对应的比值A、B、C来确定。同样地，也可以根据总相位θt和三个正弦波来选
取。如果上述过程每个时间段Δt1重复一次，只要通过单片机软件就可求得供给晶体管的脉冲波形。本文中Δt1的值设置为大约
370μs，晶体管的开关频率fs大约为2.7kHz，脉宽的计算间隔为370μs。尽管结果可以用于变频器部分，但用于整流器部分时
就必须加以修改。同样，ω1＊总值（Σω1＊Δt1）必须根据同步输入后的时间进行初始化，而负载控制又必须根据电流指令与
直流电流间的偏差信号，使脉宽t1，t2，t3扩大和缩小。
2.2 脉冲波形的输出方式
以前，微机发出的脉宽调制脉冲波形，其输出方法要用一个复杂的外部电路或中断处理，控制电路小型化很困难，有效缩
小最小脉宽也不可能。为此，开发出了一种采用单片机上的辅助存储器的新方法，脉冲波形输出方法如图4所示。首先，主处
理机在辅助存储器中设置了几组事件和启动时间，事件部分指示哪个晶体管应该接通/断开，这可以根据总相位θt参照通/断表
（表1）来确定。另一方面，启动时间又表明通/断动作什么时间进行。参看图3，t1，t2，t3是启动时间的示例。在辅助存储器
中，启动时间和内置计时器每隔2μs进行一次比较。当两个时间一致时，事件部分，即晶体管的通/断信号就启动。同样地，预
定事件和启动时间设定后，辅助存储器就会对输出信号进行控制，确保主机部分不受输出处理的影响。采用此方法，最小脉宽
就不受中断处理时间极限的影响，可以减小到大约10μs，这样，允许的高次谐波和力矩脉动可以减小，而老式控制方法却达
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