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硕士论文 基于超级电容的电梯节能控制系统研究与设计 摘要 随着经济的发展，能源需求量越来越高，能源紧缺成为限制各个领域发展的主要因 素之一。近些年来建筑业和交通业得到长足发展，电梯也得到越来越广泛的应用，而作 为耗能大户的电梯其运行能耗十分惊人。因此，研究电梯节能控制技术，具有十分重要 的社会意义和经济价值。 本文研究、设计了基于超级电容的电梯节能控制系统，主要工作如下： 首先对系统的总体需求进行了分析，在此基础上完成了节能控制系统总体设计，包 括系统整体结构和功能设计、系统控制结构设计和软硬件总体设计。 详细分析了电梯系统运行特点、电梯运行过程中速度和功率特性，对运行过程中的 能量需求和反馈电能进行了计算，在此基础上完成了对系统关键部件超级电容的选 型；同时，对超级电容装置中的均压装置也进行了分析、比较与选型。 完成了系统硬件电路设计：详细介绍了b u c k b o o s t 变换器和各种信号传感器的 选型，以高性能d s p 芯片为控制核心，设计了控制系统硬件电路，分别开发了电源模 块、隔离驱动、通讯和显示等硬件电路模块。 设计了系统节能控制算法并完成了软件系统的开发，针对d c d c 变换器开关器件 通断控制，设计p i 算法，完成系统控制；采用模块化软件设计方法，分别开发了控制 模块、通讯模块、显示模块、信号调理模块和保护等模块等程序模块。 对系统的软硬件模块进行了调试，并对结果进行了分析。最后对研究工作进行了总 结和展望。 关键字：超级电容电梯节能控制储能 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，e n e r g ys h o r t a g e sa so n eo ft h em a i nf a c t o r sl i m i tt h e d e v e l o p m e n ti ne v e r y f i e l d s i nr e c e n ty e a r st h ec o n s t r u c t i o ni n d u s t r ya n dt r a n s p o r ti n d u s t r y h a sm a d er a p i dp r o g r e s s ，a n dt h ee l e v a t o rh a sa l s ob e e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d ，b u t e n e r g y - h u n g r ya st h ee l e v a t o ro fi t se n e r g yc o n s u m p t i o ni sv e r ya l a r m i n g t h e r e f o r e ，t h e s t u d yo ne n e r g y - s a v i n ge l e v a t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yi s o fg r e a ts o c i a ls i g n i f i c a n c ea n d e c o n o m i cv a l u e i nt h i sp a p e r ，e n e r g y - s a v i n gc o n t r o ls y s t e mo fe l e v a t o ri sd e s i g n e db a s e do nt h e s u p e r - c a p a c i t o r , a n dt h em a i nj o b sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t h eo v e r a l ld e m a n do nt h es y s t e mi sa n a l y z e d ，b a s e do nw h i c ht h eo v e r a l l e n e r g ys a v i n gc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f t h ew h o l e s y s t e md e s i g n , s y s t e mc o n t r o ls t r u c t u r ed e s i g n ，h a r d w a r ea n ds o r w a r ed e s i g n t h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e v a t o rs y s t e m ，e l e v a t o rr u n n i n gs p e e da n dp o w e r c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o c e s sa r ed e t a i l e da n a l y z e d ，a n dt h ee n e r g yn e e d sa n df e e d b a c kp o w e r d u r i n gt h er u n n i n gp r o c e s sw e r ec a l c u l a t e da n db a s e do nt h ec o m p l e t i o no fw h i c ht h ek e y c o m p o n e n to ft h es y s t e m s u p e r - c a p a c i t o ri ss e l e c t e d ；a tt h es a m et i m e ，v o l t a g eb a l a n c e d d e v i c e si ns u p e r - c a p a c i t o r sh a v ea l s ob e e na n a l y z e da n dc o m p a r e d 、玑n lt h es e l e c t i o n t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g ni sc o m p l e t e d ：t h ed e t a i l so ft h eb u c k b o o s tc o n v e r t e r a n dav a r i e t yo fs i g n a l 仃a n s d u c e rs e l e c t i o na r ep r e s e n t e d ，a n du s i n gt h eh i g hp e r f o r m a n c e d s pc h i pa st h eg o r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e d i n c l u d i n gp o w e rm o d u l e s ，s e g r e g a t i o n - d r i v e n , c o m m u n i c a t i o n sa n dd i s p l a yh a r d w a r em o d u l e ， a n ds oo n e n e r g ys a v i n gc o n t r o ls y s t e ma l g o r i t h mi sd e s i g n e da n ds o t h , v a r es y s t e mi sd e v e l o p e d ； d e s i g np if o rd c d cc o n v e r t e rc o n t r o ls w i t c ho f ft h ed e v i c ea n dc o m p l e t es y s t e mc o n t r o l ； m o d u l a rs o f t w a r ed e s i g nm e t h o d sa r eu s e dt od e v e l o pc o n t r o lm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e ，s i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e sa n dp r o t e c t i o nm o d u l ep r o g r a m ，e t c t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l e so ft h es y s t e ma r ed e b u g g e d ，a n dt h er e s u l t sa r e a n a l y z e d f i n a l l y ，r e s e a r c hi ss u m m a r i z e da n dp r o s p e c t s k e yw o r d s ：s u p e r - c a p a c i t o r e l e v a t o r e n e r g y - s a v i n g c o n t r o l e n e r g ys t o r a g e i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：0 | q 年a 还黾 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：奠3 扣年6r 毯日 硕士论文 基于超级电容的电梯节能控制系统研究与设计 1 绪论 1 1 电梯与节能 1 1 1 我国电梯应用现状 随着社会经济的发展和城市化进程的加快，作为高层建筑物中的交通工具，电梯已 经得到了越来越广泛的应用，使用数量不断增长。一个国家现代化水平的高低，在一定 程度上已经可以用电梯的使用状况进行衡量。 改革开放之前，由于国家整体经济发展水平和电梯总体需求等原因，我国电梯行业 的发展非常缓慢，自改革开放以来，随着经济高速发展和电梯需求飞速增长，国家开始 采取各种措施大力发展电梯业。到目前为止，我国已经成为继美国、日本两大电梯生产 大国之后的世界第三电梯生产大国；与此同时，伴随着人民生活水平不断提高和高层建 筑的普及，我国也成为电梯使用世界第一大国。相关资料显示，2 0 0 7 年底，我国应用于 各个领域的电梯总数达到1 0 0 万部以上，并保持每年l o 万部以上的增长量，到2 0 1 0 年 末，我国的电梯使用总量将达到1 3 0 万部以上，随着电梯的普及，电梯使用过程中存在 的各类问题也得到越来越广泛的关注。 1 1 2 电梯节能技术 2 1 世纪全球面临资源紧缺问题，各国都极其重视资源和能量的利用，大力探索节能 技术，并将各类节能技术的研发提到国家发展战略中。通常情况下，一部普通电梯的日 用电量在5 0 k w h 1 5 0 k w h 之间，如果按照平均日用电量9 0 k w h 计算，到2 0 1 0 年年 末，全国每年电梯耗电总量将达到4 3 0 亿千瓦时以上，耗电量十分巨大，电梯作为建筑 行业和运输行业的耗电大户得到越来越多的关注。 电梯运行过程中驱动电梯轿厢运行的曳引机部分会消耗大部分能量，根据相关统计 数据，曳引机系统中的电机拖动耗电占电梯运行总能量的7 5 以上，如何在电机拖动耗 电过程中节约能量成为研究节能电梯的关键。根据电梯运行原理，电梯减速制动时，电 机处于发电工作状态。目前电梯一般将制动产生的能量回馈到变频器直流环节的电容中 存储，为防止变频器中电容过压，对于这部分反馈制动能量，现有技术往往是将其通过 大功率电阻耗散掉，这样不仅对能量造成大量浪费，同时由于电阻耗散会产生大量热能， 为了避免因高温对电梯机房其他部分组件产生消极影响还需要装空调等散热设备，这会 导致能量的二次浪费。 对于电梯制动所产生的能量，种能量存储节约技术是通过能量回馈装置将其回馈 至外部交流电网，如秦皂岛前景光电技术有限公司已经在这领域取得了一定的成果。 l 论i 但是在进行实时回馈时，回馈的能量难以保证与交流电阿保持频率和相位一致，而且回 馈成分中的高频部分会对电网的稳定性产生冲击，对电剐造成“污染”，电梯制动能量 回馈的不连续性也难以保证回馈能量的质量。 对于电梯在制动过程中产生的电能，如果就地进行回收再利用，不仅可以很大程度 上减少能量浪费，还可以避免增加过多的附加设备。按照较为保守的平均节能率2 6 计 算，倘若能够对制动能量成功回收利用，每年可节约近8 8 亿度电，按每度05 元价格 计算，每年可节约近4 3 亿元，节能效益十分可观；另一方面，采用节能电梯技术后可 以减少对煤炭发电的需求降低煤炭的丌采量，通过减少煤炭的使用和丌发对环境的保 护也具有十分积极的意义。 实现对电梯制动能量的回收利用需要进行能量存储，在现阶段的储能装置中，蓄电 池本身具有功率密度低、循环效率低以及环境污染等问题，难以满足要求。而一种新型 的储能装置超级电容具有许多蓄电池所不具各的优点，正在逐步进入到各个领域。 1 2 超级电容的发展现状及应用 1 2 1 超级电容发展现状 超级电容器，也叫功率电容器、双电层电容器，是近年来发展起来的一种新型储能 装置，具有能量密度高、功率密度高、无污染、循环使用寿命长、工作温度范围宽等特 点，在重用电源、电动汽车等领域已经得到了较为广泛的应用。下图为几种常用的超级 电容器外形图。 幽11 几种常用超级电容器外形图 在国外，超级电容器自t 9 8 0 年丌始就作为一种新型的储能元件进入商业运行1 9 8 5 年同本的n e c 公司又将超级电容器的容量提升到百法级【1 i 。在超级电容的产业化方面， 美国、俄罗斯等国凭着多年技术研发和经验的积累，日前处于全球的领先地位如美国 的i j a x w e l l 、俄罗斯的e c o n d 和n 本的n e c 等，这些大公司占据着全球大部分的超级电 容市场份额。我国的超级电容发展水平与其他先进国家相比还有很大的差距，这- b 超级 电容研发工作起步较晚有关，到目前为止超级电容在我国的使用历史不超过1 5 年。近 些年来，随着超级电容技术的，f _ = 断发展和应用领域的不断拓宽，超级电容受到越来越广 2 硕士论文 基于超级电容的电梯节能控制系统研究与设计 泛的关注，超级电容的研发与生产厂家不断增加，截止到2 0 0 9 年年底，全国大概有7 0 多家，如北京金正平公司、石家庄高达公司、江苏双登集团公司、锦州凯美公司、哈尔 滨巨容公司、上海奥维科技公司等【2 】，根据2 0 0 9 年年底统计，国产超级电容器已占有国 内市场6 0 - - - 7 0 的份额。与此同时，清华大学和上海交通大学等很多高校也开始了超级 电容关键技术的研究和超级电容器件的研制工作，我国超级电容整体发展水平不断提 升。 随着世界各国对超级电容越来越重视，超级电容性能水平飞速发展。8 0 年代初，超 级电容被认为是一种功率密度和能量密度都很低的存储器件，不适合广泛应用，而在现 阶段，各国都在超级电容性能方面加大研究力度，超级电容关键性能参数水平不断提升。 在超级电容非常重要的性能参数一功率密度方面，美国的m a x w e l l 在2 0 0 7 年就已经达到 5 7 2 k w k g ，n e s s 公司的产品能量密度也达到了5 7k w k g ，美国的e v a n s 公司2 0 0 9 年 研发成功近3 0 k w k g 的超级电容器f 3 1 ；通过多年的努力，我国的超级电容研发和制备水 平与世界先进水平之间的差距在不断缩小。 表1 1 国外超级电容性能参数表 国家公司 电压和容量能量密度( 瓦时千克)功率密度( 瓦千克) 日本 n e c5 l l v ，l 2 fo 55 l o 俄罗斯e s m a1 7 v ，2 0 f8 1 08 0 1 0 0 美国 e v a n s2 8 v ，0 0 2 f0 13 00 0 0 美国 m a x w e l l 3 v ，1 0 0 0 - 2 7 0 0 f 3 54 0 0 - 6 0 0 瑞典 s u p e r a r a d 4 0 v ，2 5 0 f52 0 0 3 0 0 法国s a f t3 v ，1 3 0 f35 0 0 日本 松下 3 v 。8 0 0 2 0 0 0 f3 42 0 0 4 0 0 1 2 2 超级电容的特点 超级电容作为一种新型的储能装置，与传统储能装置相比较，有着明显的优点：超 级电容既可以弥补常用的蓄电池功率密度小的缺陷，也对普通电容能量密度小的不足进 行了改进，而且超级电容的工作过程是物理过程，不会对环境造成污染，在充放电过程 中，超级电容具有充放电速度快、效率高、循环使用寿命长、正常工作温度范围宽和可 靠性高等优点。 表1 2 传统电容器、超级电容器和传统蓄电池的性能参数表 性能参数传统电容器超级电容器传统蓄电池 充电时间 1 0 4 1 0 一s1 3 0 s0 3 3 h 放电时间 1 0 4 1 0 一s1 3 0 s1 5 h 能量密度( w h k g ) 1 0 0 0 01 0 0 0 2 0 0 05 0 5 0 0 循环寿命( 次) 1 0 0 0 0 0 03 0 0 - - 1 0 0 0 循环效率( )l9 3 9 96 0 8 5 温度范围 一3 5 1 2 5 一4 0 1 0 0 1 5 3 0 1 ) 功率密度大 根据超级电容器的工作原理可知，超级电容器充放电过程就是电荷吸附和脱离的过 程，在这一过程中不发生化学变化的。目前应用最为广泛的碳极超级电容器采用碳材料 作为电极，普通活性炭每克质量的表面积约数百多平方米，通过技术改进甚至达到2 0 0 0 平方米克以上，这一优点使得超级电容在充放电过程中具有极高的功率密度，现有技 术已经可以使超级电容的功率密度达到普通铅酸蓄电池的1 0 - - 1 0 0 倍【引 4 1 。超级电容的 等效电阻很低，电容量很大，这些特点保证超级电容可以有很高的尖峰电流，这是超级 电容大功率密度的又一原因。利用超级电容器功率密度大的特点，在电梯启动瞬间或汽 车启动、加速和爬坡过程中可以产生很大的输出功率。 2 ) 能量密度大 与普通电容器相比，超级电容的能量密度可以达到前者的1 0 0 倍以上，这一显著特 点使得超级电容在应用上变得更加广泛，已经不仅仅只局限于电路滤波、小容量短时储 能等领域【5 1 。虽然现阶段超级电容的能量密度还不能与普通蓄电池相提并论，但是随着 技术的发展，在不远的将来能量密度将不再是超级电容进行大容量储能应用的瓶颈，目 前日本和美国等国家已经研制出具有普通蓄电池能量密度等级的超级电容。 3 ) 无污染 超级电容器在制备过程中采用的材料均为环保材料，不含铅、铬等重金属材料，利 用碳材料作为电极，利用电解液作为电解质，在使用过程中只发生物理变化，不会像普 通的铅酸蓄电池那样产生二次污染，不会对工作环境产生污染，也不会对相关人员的身 体健康造成影响，是综合效能和性价比非常高的能量存储器件。 4 ) 充放电速度快 普通的铅酸蓄电池在充放电过程中存在化学变化，其充电时间是小时级，而超级电 容器可以在数分钟甚至数秒之内完成充电或放电过程，大大缩短了充放电的时间。超级 电容本身的内部电阻t t t d , ，而且具有非常高的功率密度，这些特点都使得超级电容适合 短时间高功率输出，实现超级电容本身的大电流充放电。 5 ) 充放电效率高 根据超级电容的等效电路我们可以知道，超级电容的串联等效电阻和并联等效电阻 都非常小，这一特点保证了超级电容的充放电过程中电阻耗散极低，通常情况下，超级 电容的充放电效率可以达到9 5 以上。 6 ) 循环使用寿命长 4 硕士论文 基于超级电容的电梯节能控制系统研究与设计 与普通的蓄电池相比，超级电容在各个应用领域都具有循环使用寿命长的特点，这 是由于超级电容充放电本身都只发生物理变化，而普通的蓄电池在使用过程中由于发生 化学变化而导致本身寿命降低，通常情况下，超级电容的使用寿命可以达到几十万次以 上，这与电梯其它部件的寿命相比，可以视作永久性器催】。 7 ) 正常工作温度范围宽 在普通蓄电池使用过程中，温度变化对于能量交换过程中发生的化学变化会产生很 大的影响，即蓄电池在充电和放电过程中对于温度有很大的依赖性，例如有些蓄电池在 低温情况下容量会产生5 0 以上的衰减，有时候衰减甚至可以达到7 0 ：与之相反，超 级电容在使用过程中对于周围温度的依赖性非常低，在低温情况下超级电容可以表现出 与常温情况下一样的性能。在- 4 0 - + 1 0 0 的温度范围内，超级电容都可以正常的工 作而不会发生非常明显的性能衰减。 8 ) 可靠性高 超级电容本身的机械性能强度高，既防火又防爆，在使用过程中几乎不需要进行维 护。与电梯正常运行过程中的其它部件的可靠性能相比，超级电容器组具有更高的可靠 性，可以保证储能系统的稳定性。 超级电容在近些年虽然有了长足的发展，但是也存在着明显的不足，特别是在大容 量、长期使用和充放电频繁的场合，其不足之处主要有以下几个方面。 。 1 ) 超级电容器组单体均压问题 现有的超级电容单体的能量存储量和单体电压都很低，需要进行组合使用。由于超 级电容单体在生产的过程中器件参数很难做到完全一致，这会导致在组合之后单体分压 不均，为解决这一问题而装配的均压装置会提高储能系统的复杂程度并增加系统能量损 耗 6 1 。 2 ) 能量密度水平不够高 与传统的电容器相比，超级电容器的能量密度已经有了很大的提升，但是与传统的 蓄电池相比，超级电容器的能量密度还有很大差距。不过近些年超级电容的发展十分迅 速，有些国家已经制造出具有蓄电池能量密度水平的超级电容器。 3 ) 超级电容价格高 现阶段超级电容的价格较昂贵，特别是在大规模储能场合。例如已经研发成功的公 交车超级电容存储装置，价格高达几十万元。不过随着技术的不断进步和产业化进程的 加快，超级电容在不远的将来定会成为一种廉价的能量存储装置。 1 2 3 超级电容应用领域 1 ) 轨道车辆运输和航空航天领域 超级电容现阶段已经被尝试装配在轨道车辆中使用，利用超级电容本身的大功率放 电特点为车辆启动提供峰值功率并在制动的过程中对制动能量进行存储【1 6 】。 5 i 绪论 硕士论文 在航天领域，飞机启动所使用的飞机直流地面电源以往都是通过多个蓄电池组合进 行使用，现有最新技术将一个或多个超级电容与蓄电池进行组合使用，目的在于提供飞 机直流地面电源启动飞机发动机时所需要的高达2 0 0 0 a 的峰值电涮2 0 1 。 2 ) 电动汽车领域 超级电容本身具有大电流充放电的特点，适用于短时间大功率放电场合，尤其是在 寒冷环境下，大功率放电可以产生瞬时大动力【2 1 l 【2 2 1 。利用超级电容和蓄电池并联组成 混合动力系统，启动速度与单独的蓄电池动力系统时相比有很大的提升，在零下2 0 c 的 时候，传统的蓄电池动力系统性能会大大下降，而装配有超级电容的混合动力系统一般 只需要一次点火就可以发动汽车。 3 ) 小功率电子设备领域 超级电容本身良好的储能性能使其可以在一些小功率电子设备当中取代传统的蓄 电池，例如电动玩具、电脑中的主板和处理器、系统时钟、照相机、数字钟和摄影机等 等。 4 ) 工程机械领域 超级电容在世界各机械工程制造企业也得到广泛应用，超级电容可以在工程机械能 量节约、降低排放等方面大显身手。随着研究的深入，电梯和起重机等升降运输设备也 将超级电容纳入节约能量装置范围2 5 1 ，超级电容可以利用自身大电流放电的特性为其启 动过程提供峰值功率，同时在下降等制动过程对其制动能量进行存储利用，节约了大量 能量，上海奥维科技等公司已经开始了这方面的研究和探索。 5 ) 军事领域 在各类军事设备的应用环境中，通常没有公共电网作为供电来源，这种情况下需要 重新配置合适的供电和储能装置，自身特点决定了超级电容将在军事领域具有非常广泛 的应用。英国著名的莲花公司已经推出了可以广泛应用于军事领域的超级电容，并开始 产业化。 6 ) 电力系统领域 超级电容可以在可再生能源发电中得到很好的应用。在可再生能源发电系统中，发 电设备的输出功率很不稳定，利用超级电容功率密度高和储能效率高的特点，可以单独 储能也可以与其他储能装置组成混合储能系统【1 8 】。在某些分布式发电系统当中，可以利 用超级电容的大功率输出的优点对系统进行瞬时功率补偿( 如风力发电系统) ；与此同 时，在系统断电的时候可以将超级电容用作备用电源；超级电容与太阳能电池组成混合 能源系统，可以作为交通标志灯和警示牌使用。 作为电力储能装置，超级电容也可以用于电网电力峰值调整：夜间至凌晨用电量少 的时候将能量存储于超级电容当中，当白天和傍晚电能需求量达到峰值时对存储能量进 行释放，从而提升能量的利用率【2 6 1 。 6 硕士论文基于超级电容的电梯节能控制系统研究与设计 1 3 超级电容在电梯节能中的应用 超级电容本身的诸多特点使得其受到了越来越多的关注，电梯本身作为现代建筑行 业的用电大户，高能耗问题显得非常突出，已经有多家公司在将超级电容用于电梯节能 系统方面进行研究，并取得了一定的成果，如上海奥维科技有限公司【2 1 。超级电容本身 大电流放电的特点可以为电梯启动提供峰值功率，在减小系统对于外部交流电网供电等 级要求的同时，保证了电梯系统运行稳定性和安全性；充分发挥超级电容循环寿命长、 循环效率高、稳定性好等优点，将其用于电梯运行过程中制动能量的回收存储装置，电 能节约总量将十分可观。 一些研究机构提出了利用蓄电池和超级电容组成电梯混合供电系统，作为电梯系统 运行的辅助电源，为电梯运行提供瞬态能量，在外部交流电网断电的过程中用作备用电 源并对于电梯系统制动过程中产生的制动能量进行存储，但大多只是停留在理论研究和 系统模拟仿真层面。 国外相关科研机构和研发企业在对超级电容应用于电梯方面也进行了研究，一些企 业取得了不错的应用成果。例如日本的三菱电梯公司十分注重节能技术的研发，对于超 级电容这一新兴的储能装置，三菱公司已经开始针对电梯启动和制动过程的特性，试探 性将超级电容引入到电梯系统当中。瑞典学者如福尔和法国学者巴瑞德利用小型升降机 系统，引入超级电容储能系统并进行了样机实验【硐。与国外相比，国内在超级电容应用 领域的研究方面还处于相对落后的阶段。 1 4 课题背景和主要工作 由于资源的紧缺和经济发展水平的提高，节能技术的研究备受关注。目前我国的电 梯节能技术的研究还处于起步阶段。但随着电梯使用的不断普及，电梯节能技术的需求 将会日益明显。 本论文依托江苏省科技支撑计划一工业部分：电梯电力驱动与控制系统的节能核心 技术研究，研究并开发基于超级电容的电梯节能控制系统。本文主要内容安排如下： 第一章首先介绍了我国电梯的应用现状以及节能电梯和超级电容的发展现状，通过 与传统电容器和蓄电池进行比较，介绍了超级电容的优缺点，并对超级电容的具体应用 进行了探讨，此后列举了现阶段国内外相关领域研究现状，最后介绍了本文的选题依据 和研究内容、本文的章节安排等。 第二章完成了系统总体设计，包括整体系统的功能设计和控制结构设计、系统总体 硬件结构设计和总体软件结构设计等，并详细叙述了的具体设计思路。 第三章对整体系统关键部件一超级电容进行了选型，通过研究电梯运行的基本特征 以及对运行过程中相关能量计算，对超级电容的关键参数进行选型，并对超级电容器组 中单体均压装置进行了分析与设计。 7 1 绪论 硕士论文 第四章完成了整体系统硬件设计，包括系统硬件整体结构设计，系统关键器件的选 型设计，其中包核心d s p 芯片、d c d c 变换器和传感器，以及整体硬件电路的模块化设 计，其中包括电源模块、隔离驱动模块、传感器信息处理模块、通讯模块和显示模块等。 第五章软件系统设计主要包括系统软件算法和实现系统各软件功能的程序模块设 计，其中算法包括系统整体算法流程和控制算法，程序模块设计则包括主程序模块和中 断子程序模块，主程序中包括实现各个功能的子模块，其中包括：通讯模块、显示模块、 保护模块以及传感器采样信号调理模块等。 第六章系统调试，对调试成功的d c d c 变换器中开关器件的控制信号进行显示，完 成通讯、a d 采样、数据显示等模块的调试并给出调试结果。 第七章总结与展望，对本文研究工作进行总结，并对下一步研究工作进行展望。 硕士论文 基于超级电容的电梯节能控制系统研究与设计 2 系统总体设计 2 1 系统整体功能设计 2 1 1 电梯运行过程分析 通常情况下电梯负载由轿厢部分和对重部分组成，轿厢部分包括轿厢本身和轿厢内 部的负载。在实际运行过程中，轿厢部分和对重部分存在质量差，电梯运行过程中产生 很大的机械能，有相当一部分机械能在电梯制动过程中转化为电能。如下图所示，轿厢 部分上升过程中，曳引系统将电能转化为机械能，一部分供给轿厢上升的势能，一部分 供给轿厢部分运动的动能；轿厢部分下降过程中，除了动能与势能之间的部分转化之外， 在电梯制动过程机械能会转化为电能。轿厢上升过程中，往往是先进行加速运动，之后 保持匀速上升，最后在停止前作减速运动；在轿厢下降过程中，则是先做加速运动，此 后保持匀速下降，最后在停止前作减速运动。 图2 1 电梯组成部分运行示意图 电梯运行过程中： a 当电梯重载上行或轻载下行时，电机的定子绕组与电梯变频器相连，转子绕组 部分与旋转磁场的转向保持一致，当转子绕组的转速小于旋转磁场的转速时，旋转磁场 所产生的电磁转矩驱动转子绕组旋转，电机保持电动状态运行，此时的电机会通过变频 器从外部交流电网或者其他能量源吸取电能，并将这部分电能转换为电梯运行所需的机 9 2 系统总体设计硕士论文 械能，从而驱动电梯的轿厢运动。 b 电梯轻载上行或重载下行时，电机的定子绕组与电梯变频器相连，转子绕组的 转速大于旋转磁场的转速时，转子绕组中会产生感应电动势并与电动运行过程中的相 反，此时电磁转矩与转子绕组的运行方向相反，电磁转矩会起到制动作用。在这种情况 下，转子绕组中的机械能转化电能并存储至能量存储设备中。 2 1 2 系统整体功能结构 本系统作为电梯运行能量来源之一和运行过程制动能量存储装置，除了实现电梯系 统运行供能( 大电流放电) 和存储制动能量( 大电流充电) 的基本功能，还需要具有显 示、通讯和监控等功能。本文所设计系统的功能结构如下图所示： 图2 2 系统整体功能不慈图 电梯在启动和加速时，对外部交流电源提出非常高的功率要求，需要提供瞬时大电 流。本系统利用超级电容对电梯运行过程中产生的制动能量进行存储后，利用超级电容 大电流放电的特点，当电梯启动时为其供电并提供瞬时峰值功率，这样既充分利用了原 先通过电阻消耗掉能量，又可以减少对于外部交流电网的等级要求。 具体实现时，在电梯减速制动过程中，利用超级电容对电梯运行过程中产生的制动 能量进行存储。当超级电容存储电梯制动能量达到一定水平时，利用切换电路将电梯系 统从外部交流电网供电切换至超级电容供电；本系统只需要常用电压变换装置和很少的 附加电路，将存储的能量就地使用，避免了很多问题。 l o 硕士论文基于超级电容的电梯节能控制系统研究与设计 同时，系统具有信号检测和调理功能。本系统在应用过程中，需要对外部交流电网 的电压和电流信号以及超级电容器的电压和电流信号进行采样。采样结果进行处理之后 输出至核心d s p 芯片，进行决策控制。系统利用显示模块在整个系统运行过程中实时 显示运行状态，其中包括超级电容器组实时的电压和电流、电压和电流的变化曲线以及 超级电容实时充放电能量以及制动回馈能量等，有助于掌握超级电容以及整个电梯节能 装置的运行状态，便于监控。 系统利用s c i 串口和c a n 总线实现通讯功能。本系统可以利用s c i 串1 1 1 实现上位 机监控的功能，而c a n 总线作为一种电磁干扰较大场合的串行通信协议，可以实现系 统与其他电子设备的通讯。 本系统与现有技术相比，其显著优点：( 1 ) 充分利用超级电容大电流放电、电容密 度高、功率密度大以及充放电时间短等特点，存储电梯系统制动能量，节能效果明显； ( 2 ) 通过存储电梯系统制动能量，超级电容器组在外部交流电网断电时可作为电梯子 系统正常运行的备用电源，提高了电梯系统的安全性；( 3 ) 系统中的显示模块实时显示 各种状态与参数，提高系统运行过程的可视化程度，便于操作。 2 2 系统控制结构设计 系统控制结构如下图所示： 母线电流 超级电容器组电漉l t 支之 电流传感器 l 变换器的开关器件! z 号 。，z 三：，之 电压传感器电流传感器 隔离驱动电路 一土 i _ j n 、位n d t ；百：皆 。1 一 儿j 惯l j 7 r 1 啁l 7 比较器单元 事件管理器 - ，r 、 j t l l p i 调节 - i p w m 信号输出ra ，u 佞i - - i 一 一d 接口 jl 电压电 一一一v 。一 d s p t m s 3 2 0 f 2 81 2 k一 -一 一。_ 。一一。一一 图2 3 系统控制结构图 2 系统总体设计 硕士论文 采用t i 公司的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，利用电压传感器和电 流传感器分别对外部交流电网的电压和电流信号及超级电容的电压和电流信号进行采 样，电压和电流进行p i 等控制算法调节之后经过a d 转换进入核心d s p 芯片【3 8 1 。控制 系统将调理后的采样信号与系统设定的阈值相比较，并根据比较结果输出p w m 信号对 d c d c 变换器中的开关器件进行控制，迸而控制超级电容的充放电。控制系统内部有 电压电流保护模块，可以避免过电压和过电流的发生。 2 3 系统硬件总体结构设计 系统硬件结构如图2 4 所示： 图2 4 系统硬件总体结构图 整体硬件系统包括核心控制芯片、检测与调理电路、通讯模块及其接口电路、显示 电路、变换电路和超级电容器组及其相关电路等。核心控制芯片采用d s p 芯片分别与 检测与调理电路、通讯模块及其接口电路和显示电路相连，超级电容器组及其相关电路 通过变换电路与d s p 芯片相连；超级电容器组及其相关电路存储电梯系统制动能量并 为电梯系统运行供电；检测与调理电路用于采集外部交流电网的电压和电流信号以及超 级电容器组的电压和电流信号，并将采样信号进行处理后输入核心d s p 芯片；通过通 讯模块及其接口电路进行数据传输，利用p w m 信号控制变换器的开关器件，从而控制 超级电容器组的充放电过程。器件选型、模块具体设计方案以及模块电路图将在第四章 中详细阐述。 2 4 系统软件总体设计 本文研究系统的软件总体结构由主程序和中断子程序组成，其中主程序除了完成初 1 2 硕士论文 基于超级电容的电梯节能控制系统研究与设计 始化等基本功能之外，还包含各子功能模块的实现，而中断程序则用来实现采样信号转 换和控制信号生成。 系统主要工作过程为：首先对系统进行初始化，并对相关寄存器进行设置，此后进 入主程序中核心循环部分，执行各子程序模块，实现各种程序模块功能，在本文所研究 系统中的软件部分，除了主循环程序以外，通过中断程序实现a d 转换和p w m 信号控 制开关器件，并以中断方式进行数据的收发【3 2 】。 图2 5 为系统中主程序算法流程，主程序中完成了系统和变量的初始化以及相关寄 存器的设置，完成初始化后，主程序中的各个模块开始正常工作，使能定时器的周期中 断，之后进入主循环，当主循环程序执行过程中如果定时器周期到，则先相应中断子程 序。主循环中程序采用模块化设计，便于调试和功能扩展。主程序中功能模块主要包括： s c i 串口通讯模块、c a n 总线通讯模块、采样信号处理模块、显示模块和保护模块。其 中s c i 串口通讯模块和c a n 总线通讯模块完成系统的通讯功能；c a n 总线通讯模块包 括发送中断和接收中断两个部分；采样信号处理模块用来完成传感器采样信号进入核心 d s p 进行处理之前的采样信号处理工作；显示模块和保护模块分别用来显示相关数据以 及实现系统软件运行的保护作用。具体模块算法将在第五章中给出。 篁 系统初始化 寄存器设置 ，!i!：一 使能定时器 周期中断 皇 主循环 【，- - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 !l!，一 存储器读写控制 ：il!一 数据信息显示控制 。，：!i!，。一 通讯模块控制 王 保护控制 、：l l ：。一 结束 图2 5 系统主程序流程图 2 系统总体设计 硕士论文 2 5 本章小结 本章首先分析研究了电梯的实际运行过程，对节能控制系统的整体功能进行了设 计，在此基础上完成了系统整体控制结构的设计。在系统具体实施方面，进行了系统整 体硬件结构设计和系统整体软件结构设计，在系统整体硬件设计过程中对子模块进行设 计，并完成了对实现的功能的详细叙述，软件结构设计中对系统整体软件结构和主程序 模块进行了设计。 1 4 硕士论文基于超级电容的电梯节能控制系统研究与设计 3 超级电容器选型 本文所研究的系统是基于超级电容的电梯制动能量存储系统，超级电容的选型极其 关键，本节将结合电梯系统在运行过程中的基本运行情况及能量计算来对超级电容容量 及其他性能参数进行分析与设计。 电梯基本运行情况分析 电梯系统结构包括轿厢以及其内部负载、对重系统和曳引机机构三个部分，如下图 所示，其中对重系统是介于轿厢满载与轿厢空载之间的，根据电梯实际应用过程中的载 重情况，可以对对重系统的重量进行调整。 图3 1 电梯系统基本结构图 在电梯的实际运行过程中，通过外部电源对曳引机机构进行供电，利用曳引机机构 中电机带动轿厢以及负载运行，对重系统可以保证轿厢以及负载上升和下降到某一个位 置保持稳定。 图3 2 和3 3 是根据电梯系统的实际运行过程得到的位置变化曲线和速度变化曲 线。 3 超级电容选型 硕士论文 图3 2 电梯系统运行过程中轿厢及负载位置变化曲线图 图3 3 电梯系统运行过程中轿厢及负载运行速度曲线图 由图3 2 可知，电梯的运行过程中可分为以下几个阶段：电梯启动上升时，速度增 大，达到一定水平时保持不变，电梯匀速上升，经过一段时间后电梯轿厢及负载速度下 降至零，电梯系统运动停止；电梯启动下降时，速度增加，达到一定值后保持不变，电 梯匀速下降，经过一段时间后电梯轿厢及负载速度下降至零，电梯系统保持静止。从图 3 3 中可以看出，电梯系统从加速上升到停止可分为以下几个过程：电梯系统先做加速 度增加的加速运动，此后加速度保持恒定，最后加速度减小，系统一直保持加速运动状 态；当加速度减, b n 零时，系统保持匀速上升；在电梯系统停止前，电梯系统先做加速 度增加的减速运动，此后加速度保持恒定，最后加速度减小，而系统一直保持减速运动 状态。 电梯系统在运行起始阶段，超级电容切换外部交流电网为电梯系统运行供电，电梯 运行上升从起始阶段到达到匀速状态之前，超级电容处于放电状态。在超级电容的放电 时间选择上，可以通过分析电梯运行过程速度变化的时间来得到。由图3 3 可看出，电 梯系统运行的加速上升的过程为4 - 5 s ，即超级电容放电的时间。表3 1 为某办公大楼电 梯运行实际测试数据： 1 6 表3 1 电梯系统上升时间实测表 层数时间l时问2时问3 卜2 层 8 0 7s8 2 7s8 6 5s 卜3 层 1 0 5 6s9 4 3s1 0 3 5s 硕士论文基于超级电容的电梯节能控制系统研究与设计 卜4 层 1 1 0 2s1 2 2 0s1 2 0 7s 1 - 5 层 1 3 1 5s 1 3 7 3s 1 3 7 0s l - 6 层1 6 2 7s1 5 6 3s1 5 6 5s 1 - 7 层 1 7 9 4s1 8 2 5s1 7 9 4s 1 - 8 层 1 9 1 3s 1 9 2 7s1 9 3 7s i - 9 层2 1 0 5s2 1 4 6s2 1 4 ls i - 1 0 层 2 2 5 9s2 3 2 0s2 3 0 2s 1 - 1 1 层 2 5 7 4s 2 5 3 9s2 5 3 8s 卜1 2 层2 7 1 3s2 7 1 7s2 7 3 5s 卜1 3 层 2 9 1 9s 2 9 4 2s 2 9 3 2s 根据表3 1 的实测数据，通过计算可以得出系统中需要的启动加速时间( 超级电容的放 电时间) 平均为4 6 2 5 s ，放电时间是超级电容选型的一个重要参数，实际使用过程中可 以根据系统需要结合超级电容器的价格水平选择放电时间，选择的放电时间越长，对于 超级电容的容量