工程硕士开题正式版本

1、 . . . 工程硕士学位论文选题报告与论文工作计划课 题名 称超级电容在电梯节能中的应用前景探讨 一、立论依据课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、工程应用价值1.1 课题来源和依据 电梯在垂直升降的过程中，由于功率变化围很大，节能潜力巨大。在超高层建筑中，快速、高效、平稳的垂直服务是不可缺少的。电梯作为垂直交通工具，对其数量的配置、控制方式与有关参数的选定将不仅直接影响建筑物的一次投资一般电梯投资约占建筑物总投资的10左右），而且还将影响建筑物的使用安全和经营服务质量。在建筑物，恰当地选用电梯的台数、容量、运行速度、控制方式非常重要，而建筑物的电梯一经选定和安装使用就几乎成了永久的事

2、实，以后若想增加或改型非常困难，甚至是不可能的了，因此，在设计中应该在设计开始时对电梯供电装置和供电系统的配置应予以充分重视。因此本文对超级电容在电梯节能中的应用前景探讨。1.2 研究背景见下文国外研究现状1.3 研究目的 本课题旨在研究超级电容在电梯运行控制中的应用，如今，超级电容器在国的应用技术还不是很成熟，其控制系统的设计还有待优化，本文的研究目的就是通过设计电路和DSP控制策略来完善超级电容器充放电控制系统，具有可观的实用性。1.4 应用价值高性能的电子电路要求高度洁净的电源。然而目前在供电线路上的各种电器设备会产生许多高次谐波，对供电质量造成影响。开关型稳压电源以与DC-DC变换器都

3、在输入回路中采用开关管作为斩断电流的器件。高频变压器把脉动的电流信号由初级回路传输到次级回路，再通过采样反馈到初级，实现稳压调节。在典型的电源电路中，尽管输入端与输出端不共地，但高频变压器作为电磁耦合通道，其传递函数有一定的频率选择性。输入端电源窄脉冲干扰含有十分丰富的频率分量，会耦合到输出端，使电源的供电质量下降，存在使微机程序跑飞的可能性。二、文献综述国外研究现状、发展动态2.1 国外研究现状2.1.1 如今，日本松下、EPCOS、NEC，美国Maxwell、Powerstor、Evans，法国SAFT，澳大利亚Capxx，国NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃 。总的来说，当前

4、美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场，实现产业化的超级电容器基本上都是双电层电容器。2.1.2 英国特鲁姆斯指出，超级电容器与直流母线直接相连吸收回馈能量超级电容器直接与变频器的直流母线连接。当曳引机处于电动状态时，超级电容按照其功率需求进行放电；当曳引机处于发电状态时，超级电容按照其回馈功率进行充电。变频器直流母线电压在513 -539 V 之间变化，而超级电容的单体电压在2-3V 之间，此结构会导致串联单体数量过多，成本高昂。直流母线可以看做电压源，其与超级电容器连接构成一阶RC 电路，不论母线电压在哪个围波动，超级电容的充放电效率始终为50%。1.4 超级电容器通过双向

5、DC-DC 与直流母线连接吸收回馈能量超级电容器通过双向DC-DC 与变频器直流母线连。当曳引机处于电动状态时，超级电容进行恒流快速放电；当曳引机处于发电状态时，超级电容进行恒流转恒压充电。2.1.3 德国物理学家威廉.德林认为，电机处于电动状态时的控制规则超级电容的优势是能够快速、大电流充放电，提供电机峰值功率。因此在电容电量低于一定值而电机要求功率也小于一定量时，电机需求电功率完全由电网提供，其余均由超级电容和电网共同提供电机需求的电量，二者分别提供多少电量则由电机需求功率和此时的电容电量共同决定。基本控制规律是：当电容电量 SOC 偏低(不低于下限值)时，无论电机要求多少功率都由电网提供

6、；其余情况所需功率都由电网和电容共同提供。电机要求功率非常小,若电容电量足，由电容供电；电容电量也不足，电机所需功率由电网提供。电机要求功率适中，若电容电量足，电容与电网共同供电；若电容电量不足，电机所需功率完全由电网提供。2.1.4 美国吉姆.加比特指出，电机要求功率很大，若电容电量足，电容与电网共同供电，但放电电流不能超过放电电流额定值；若电容电量不足，SOC 已达到0.5，此时电容的电量已放出了，若再放电效率也会很低，则电机所需功率完全由电网提供；直流母线电压不低于下限值如果出现因电网停电导致电梯困人情况，当超级电容完成应急电源功能后电压低于下限值并且电网恢复供电时，电网给超级电容充电至

7、电压下限值。2.2国应用研究动态 2.2.1我国从20世纪8O年代开始研制超级(双电层)电容器，并将其列入电子工业部38项攻关课题，由于关键材料与设备依赖进口，未能实现商品化，也未得到广泛使用，而大功率超级电容器的市场销售已经启动，用户群体和目标市场正在形成。目前，国大功率超级电容器的商业化产品已经问世，但是产业化水平与国外尚有差距。2.2.2 宋波在中国建筑能耗现状与节能策略 J一书中强调机拖动系统节约电能的途径主要有两大类：第一类是提高电机拖动系统的运行效率。例如，采用变频器调速来取代异步电动机调压调速，是目前使用最广泛的提高电动机运行效率的节能措施；除了采用变频器调速技术外，永磁同步无齿

8、轮曳引机技术的发展和应用，使电梯电机拖动系统的运行效率更高，节能效果更加显著。第二类是将运动中负载上的机械能通过能量回馈装置变换成电能（再生电能）并回馈给交流电网，再生运行或供附近其他用电设备使用，使电机拖动系统在单位时间消耗电网电能下降,从而达到节约电能的目的。2.2.3 关林, 晓宇在节能电梯与节能效果分析 J中指出，电梯系统在轻载上行（载重量不足额定值的一半）和重载下行（载重量超过额定值的一半时）两种状态运行时，曳引机作为发电机运行，此时发出了再生电能。作为客用电梯，在每天的正常运行中上述情况频繁发生，电梯中的能量回馈装置便有了可观的回馈电能用来回收。一般来说，电梯额定速度越快、提升高度

9、越高，节能效果越显著，收回成本也越早，反之则节能效果不明显，收回成本时间较长，因此在低速电梯中应用较少。对于采用交直交变频器的单个电梯而言，能量回馈系统主要分为以下几种结构：采用逆变器将再生能量回馈到电网此结构所示，当曳引机处于电动状态时，它与传统的交直交变频器工作方式一样；当曳引机处于发电状态时，通过左侧的逆变器将电梯再生能量回馈到电网。2.2.4 马信在谈电梯节能对缓解全国用电紧的贡献 J中指出，采用电池吸收回馈能量电池组通过双向DC-DC 与变频器的直流母线连接，当曳引机处于电动状态时，电池进行恒流放电；当曳引机处于发电状态并且直流母线电压超过某一预设值时，电池开始充电并且充电电流可以根

10、据曳引机回馈功率进行控制。该方案可回收能量有限，并且电池需要按期更换，虽理论上存在可行性，但应用并不广泛。电梯在正常运行中会频繁产生回馈能量，电池需要频繁深度充放电，因此将严重影响化学电池的寿命；其次，化学电池其充放电效率低，影响节能效果；再次，电梯运行中曳引机需求的峰值功率需要由电池提供一部分，回馈的电功率由电池全部吸收，但电池的比功率有限无法满足。三、研究容1主要研究容与拟关键技术1.1 研究容摘要Abstract 第一章 绪论1.1 电梯再生能量原理和电梯再生能量处理方法的发展1.1.1 电梯再生能量的基本原理1.1.2 电梯再生能量处理方法的发展1.1.3 基于超级电容的电梯节能装置的

11、原理与优点1.2 本设计所用电梯数据1.3 研究中本人的工作1.4 基于超级电容的电梯节能装置要求第二章 基于超级电容的电梯节能装置原理2.1 基于超级电容的电梯节能装置的整体介绍2.2 基于超级电容的放电电路和充电电路2.2.1 超级电容放电boost 升压电路工作原理2.2.2 超级电容充电buck 降压电路工作原理2.3 大功率电阻消耗电梯电机再生电能工作原理2.4 本章总结第三章 基于超级电容的电梯节能装置的电路参数确定3.1 设计电梯的具体参数3.2 曳引电梯反馈再生能量情况分析3.2.1 曳引电梯曳引力分析3.2.2 曳引电梯反馈能量3.3 由曳引电梯反馈再生能量确定所用超级电容数

12、值3.4 超级电容充放电节能电路中开关元件的选择和所用频率3.4.1 超级电容节能电路开关元件的选择3.4.2 超级电容节能电路开关元件的频率3.5 超级电容充放电电路参数的确定3.5.1 超级电容充放电boost/buck 电路合并后的电路图3.5.2 由boost 电路，而不由buck 电路确定电路参数的理由3.5.3 超级电容boost 放电电路的占空比的确定3.5.4 超级电容boost 放电电路的电感的确定3.6 本章总结34-35第四章 基于超级电容的电梯节能装置的电路元件4.1 超级电容介绍4.1.1 超级电容原理4.1.2 超级电容与其它储能电池比较4.1.3 超级电容的应用情

13、况4.1.4 超级电容的仿真模型4.2 IGBT 元件介绍4.2.1 IGBT 仿真模型4.3 大功率电阻消耗电路功率电阻4.4 本章总结第五章 基于超级电容的电梯节能装置的电路仿真5.1 仿真软件5.1.1 OrCAD/PSpice 发展5.1.2 OrCAD/PSpice 介绍5.2 基于超级电容的电梯节能装置的仿真5.2.1 基于超级电容的电梯节能装置的仿真电路图5.2.2 基于超级电容的电梯节能装置的电路仿真方法5.3 超级电容的电梯节能装置充电和放电情况下IGBT 驱动脉冲5.4 基于超级电容的电梯节能装置的电路元件仿真参数5.5 超级电容升压放电电路仿真5.5.1 超级电容boos

14、t 放电电路的参数值5.5.2 超级电容boost 放电电路仿真方法5.5.3 超级电容boost 放电电路仿真主要项目5.5.4 超级电容boost 放电电路仿真要求5.5.5 超级电容boost 放电电路仿真电路图5.5.6 超级电容boost 放电电路仿真结果5.5.7 超级电容boost 放电电路仿真小结5.6 超级电容充电电路仿真5.6.1 超级电容buck 充电电路的参数值5.6.2 超级电容buck 充电电路仿真占空比和充电电压确定5.6.3 超级电容buck 充电电路仿真方法5.6.4 超级电容buck 充电电路仿真主要项目5.6.5 超级电容buck 充电电路仿真要求5.6.

15、6 超级电容buck 充电电路仿真图5.6.7 超级电容buck 充电电路仿真结果5.6.8 超级电容buck 充电电路仿真小结5.7 大功率电阻消耗再生能量电路仿真5.7.1 大功率电阻消耗再生能量电路仿真方法5.7.2 大功率电阻消耗再生能量电路仿真主要项目5.7.3 大功率电阻消耗再生能量电路仿真要求5.7.4 大功率电阻消耗再生能量电路仿真图5.7.5 大功率电阻消耗再生能量电路仿真结果5.7.6 大功率电阻消耗再生能量电路仿真小结5.8 本章总结第六章 总结和展望6.1 本论文研究总结6.2 基于超级电容的电梯节能装置电路图6.3 在本次研究中本人所做工作6.4 基于超级电容的电梯节

16、能装置电路仿真结果6.5 前景展望致参考文献攻硕期间取得的研究成果1.2 关键技术本文为储能装置设计了基于DSP（数字信号处理器）全数字控制的具有多种工作方式的双向DC/DC变换器的小功率样机，在电容器放电时，以恒流模式向直流母线输送能量；在电容器充电时，以分段恒流模式或恒压模式进行充电。2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案与可行性分析2.1 研究方法查阅资料法、调研法、建模、仿真分析2.2 技术路线本文为储能装置设计了基于DSP（数字信号处理器）全数字控制的具有多种工作方式的双向DC/DC变换器的小功率样机，在电容器放电时，以恒流模式向直流母线输送能量；在电容器充电时，以分段恒流模式或恒压

17、模式进行充电。2.3 实施方案 本文主要工作在于结合电梯系统的特点，对超级电容储能系统中超级电容容量需求与其他相关参数的设置进行详细讨论。也对与之配套的双向DC/DC变换器进行研究。 本文在研究了电梯系统的结构和运行特点的基础上，对其运行过程中能量状态的变化进行了详细分析，得到了储能装置中超级电容器容量的计算方法，并在此基础上，根据超级电容器容量需求与系统前级双向整流器功率的关系，提出了一套简单有效的能量管理方案，减少了储能装置中超级电容器的容量需求。并且对于超级电容容量设置给出了一般的原则。 储能装置与系统直流母线之间需要双向变换器进行能量传递，本文对于各种双向直流变换器拓扑的优缺点进行了比

18、较，结合在超级电容储能装置中的具体应用需要，得出BUCK/BOOST型变换器更适合本文中的应用。2.4 可行性分析 文中给出了详细的硬件电路以与数字控制部分的设计过程，并通过实验进行验证。3预期目标1) 完成超级电容充放电分析工作2) 完成仿真测试3) 完成控制系统控制模型的搭建4) 完成DSP控制器的程序设计5) 完成硬件设计与调试四、研究基础4.1理论基础 国际国的研究成果，为本文的研究提供了充分的理论借鉴，理论基础。4.2应用示例 超级电容器目前用途广泛： a.用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力； b.用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代

19、传统的蓄电池； c.用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的燃机、改造现有的无轨电车； d.用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。此外还可用于其他机电设备的储能能源。4.3实验基础 实验室现有设备：超级电容器，电动车电机，示波器，稳压电源，DSP开发系统，变频器，与控制系统相关的元器件等。4.4 参考文献1宋波. 中国建筑能耗现状与节能策略 J. 建设科技2关林, 晓宇. 节能电梯与节能效果分析 J. 建筑3马信. 谈电梯节能对缓解全国用电紧的贡献 J. 智能建筑4黄娟丽, 万杰, 少纲. 电梯节能技术综述 J. 能源与环境5缪步升

20、, 金声. 推动电梯节能技术发展 J. 建设科技6晶晶;燃料电池与超级电容器混合驱动系统的研究与仿真D;理工大学;2006年7王鉴光;电梯速度最优控制J;计算技术与自动化;1994年01期8王鉴光，江亚群;电梯速度优化研究与软件设计J;大学学报;1995年02期9江，吉臻，大中，嘉琦;大型机组电梯控制装置的分析与技术改造J;电力情 报;1995年01期10徐书确，唐崇森;微机控制双位式交流调速电梯总系统的设计与运行J;大学学报(自然科学版);1994年05期11马力妮;PC在电梯控制上的应用J;新技术新工艺;1994年05期12立清;伟;白文杰;常玉华;逢春;纯电池电动客车超级电容器系统匹配和控制策略研究A;2002中国电动汽车研究与开发C;2002年13关榆君;基于EX40的交流双速电梯速度控制系统A;2000中国控制与决策学术年会论文集C;2000年14符若文;雷勇强;碳气凝胶的制备与应用于超级电容的研究A;2004年中国材料研讨会论文摘要集C;2004年15PLC特殊功能模块在生产线和电梯控制上的应用A;04'中国企业自动化和信息化建设论坛暨中南六省区自动化学会学术年会专辑C;2004年16包淑