國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目管理申請(qǐng)知識(shí)表

1、長(zhǎng)沙理工大學(xué)“國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目申請(qǐng)表 填表時(shí)間： 2009 年 10月 7日 項(xiàng)目名稱電梯節(jié)能裝置的研制一、申請(qǐng)理由（包括自身具備的知識(shí)條件：自己的特長(zhǎng)、興趣等） 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展， 能源問(wèn)題在當(dāng)今社會(huì)中受到越來(lái)越多的關(guān)注。變頻調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。但是由于受到技術(shù)條件的制約，電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量往往通過(guò)制動(dòng)電阻發(fā)熱消耗掉，造成了電能的極大浪費(fèi)。能量回饋系統(tǒng)可將再生能量反饋回電網(wǎng)，能大幅降低變頻調(diào)速系統(tǒng)的能耗。 本項(xiàng)目涉及電力電子技術(shù)中的整流、SPWM逆變技術(shù)，以及與能量回饋相關(guān)的自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）等控制技術(shù)，可綜合培養(yǎng)學(xué)生的理論與

2、實(shí)踐能力，為以后的工作和深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 特長(zhǎng)和興趣：丁梓健作為班級(jí)委員有著扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，參加了全國(guó)大學(xué)電子競(jìng)賽，具備較強(qiáng)的單片機(jī)軟、硬件開(kāi)發(fā)能力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。對(duì)電子制作和程序設(shè)計(jì)有著濃厚的興趣。張勁帆曾獲校特等獎(jiǎng)學(xué)金，擅長(zhǎng)利用Protel軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和制作PCB電路板。對(duì)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和電子制作有著濃厚的興趣。周宇帆曾獲校三等獎(jiǎng)學(xué)金，能很好的應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)建模和仿真。對(duì)自動(dòng)控制理論和數(shù)學(xué)建模有著濃厚的興趣。張建軍曾獲校三等獎(jiǎng)學(xué)金，具備較強(qiáng)的C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)技能和變流技術(shù)應(yīng)用能力。對(duì)程序開(kāi)發(fā)和電機(jī)控制方面有著濃厚的興趣。二、立項(xiàng)背景（研究現(xiàn)狀、趨勢(shì)、研究意義等，參考文獻(xiàn)和

3、其他有關(guān)背景材料）1研究的意義據(jù)中國(guó)電梯協(xié)會(huì)提供的信息顯示，全國(guó)在用電梯總保有量已超過(guò)90萬(wàn)臺(tái)，成為世界上電梯總保有量最多的國(guó)家。而且，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程進(jìn)入快速發(fā)展期，每年都將有超過(guò)15萬(wàn)臺(tái)新增電梯（新增電梯數(shù)量世界第一）投入使用。電梯作為交通工具，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚囊徊糠帧?#160;  電梯運(yùn)營(yíng)離不開(kāi)電能，一般正常使用的普通電梯，每天用電量大約在30度至150度之間，如果按照一部電梯每天用電80度計(jì)算，每年耗電量達(dá)29200度。由此可見(jiàn)，電梯能耗已經(jīng)成為建筑能耗的重要部分。電梯在使用過(guò)程中，有電動(dòng)運(yùn)行與發(fā)電運(yùn)行（也叫制動(dòng)運(yùn)行）兩種狀態(tài)。其中的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一部分

4、能量，我們稱之為再生能源。目前市場(chǎng)上使用的電梯（除進(jìn)口高速電梯之外，約占總量的2%）將再生能源消耗在制動(dòng)電阻上，在浪費(fèi)這些能源的同時(shí)，也造成了電梯控制柜的發(fā)熱。如果將這部分再生能源收集起來(lái)，每年節(jié)約的電能相當(dāng)可觀。我們簡(jiǎn)單計(jì)算一下，一般使用能量回饋裝置來(lái)收集電梯再生能源，可以節(jié)省15%45%的耗電量。按照平均20%的數(shù)據(jù)計(jì)算，如果全國(guó)的電梯都安裝了能量回饋裝置，每年可以從電梯中回收52.56億度電。這個(gè)數(shù)字是什么概念呢？我們看一下，據(jù)中國(guó)水利網(wǎng)數(shù)據(jù)，國(guó)家黃河小浪底水電廠每年發(fā)電量平均為51億度，也就是說(shuō)，全國(guó)的電梯使用能量回饋裝置來(lái)收集電梯再生能源，相當(dāng)于又造了一個(gè)小浪底水電廠！使用能量回饋裝

5、置收集電梯再生能源，同時(shí)也降低了電梯運(yùn)行中的發(fā)熱量，將大大降低電梯控制系統(tǒng)的故障率，延長(zhǎng)使用壽命。21世紀(jì)能源將日益緊張，我國(guó)又是能源消耗大國(guó)，節(jié)能勢(shì)在必行。因此，使用能量回饋裝置收集電梯再生能源是利國(guó)利民的一件好事，是造福子孫后代的大事！ 2研究的現(xiàn)狀與趨勢(shì) 對(duì)于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于二極管的單向?qū)щ娦阅?，電機(jī)制動(dòng)的再生能量無(wú)法回饋給電網(wǎng)。為了裝置的安全運(yùn)行，這部分能量必須通過(guò)一定的途徑消耗掉。在中小容量系統(tǒng)中，一般采用能耗制動(dòng)方式1-5，即通過(guò)內(nèi)置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。該方法雖然簡(jiǎn)單，但是有如下缺點(diǎn)：浪費(fèi)能量，系統(tǒng)效率低；電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系

6、統(tǒng)的其他部分正常工作；簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了性能的提高。 PWM整流器6-8可實(shí)現(xiàn)能量可雙向流動(dòng)，不僅具有AC/DC變流特性(整流)，而且還可實(shí)現(xiàn)DC/AC變流 (有源逆變)，因而可將電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的再生能源回饋到電網(wǎng)。PWM整流器實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流正弦化且運(yùn)行于單位功率因數(shù)，具有綠色電能變換特性。此外，由于PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)出受控電流源特性，因而這一特性使PWM整流器及其控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域得到了發(fā)展和拓寬，如靜止無(wú)功補(bǔ)償(SVG)、有源電力濾波(APF)、統(tǒng)一潮流控制(UPFC)，超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)、高壓直流輸電(HVDC)、電氣傳動(dòng)(ED)，新型UPS以及太

7、陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等。但PWM整流器承擔(dān)了負(fù)載功率的傳遞，因而不適合大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，而且，如果應(yīng)用到現(xiàn)有的二極管整流的變頻器中，需要對(duì)變頻器進(jìn)行改造，增加了應(yīng)用的難度和成本。 串級(jí)調(diào)速可將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率通過(guò)有源逆變回饋給電網(wǎng)，提高了電機(jī)的電能使用效率，還可以把定子側(cè)的高壓調(diào)速問(wèn)題轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子側(cè)的低壓來(lái)解決，用低壓設(shè)備來(lái)控制高壓電機(jī)，避免了直接在定子側(cè)采用電力電子變換器進(jìn)行調(diào)速帶來(lái)的一系列問(wèn)題。特別是近年來(lái)，PWM串級(jí)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，解決了傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速方法存在回饋電能功率因數(shù)低和電流畸變嚴(yán)重的缺點(diǎn)。但應(yīng)用串級(jí)調(diào)速技術(shù)需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，因而不適合解決電梯節(jié)能的問(wèn)題。 能量回饋裝

8、置通過(guò)對(duì)變頻器在電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的泵升電壓進(jìn)行控制，利用PWM逆變技術(shù)可將再生能源回饋給電網(wǎng)。近年來(lái)國(guó)外大公司紛紛投入此項(xiàng)研究之中，比如，德國(guó)西門子公司已經(jīng)推出了電機(jī)四象限運(yùn)行的電壓型交直交變頻器，日本富士公司也成功研制了電源再生裝置，如RHR系列、FRENIC系列電源再生單元,它把有源逆變單元從變頻器中分離出來(lái)，直接作為變頻器的一個(gè)外圍裝置，可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè),將再生能量回饋到電網(wǎng)中。但這些產(chǎn)品普遍存在的問(wèn)題是這些裝置價(jià)格昂貴,再加上一些產(chǎn)品對(duì)電網(wǎng)的要求很高，不適合我國(guó)的國(guó)情。 綜上所述，PWM整流器在未來(lái)的中小容量變頻器應(yīng)用中有著廣闊的前景，而能量回饋裝置在變頻器的改造和低壓大容量變頻器

9、的再生能源的利用方面，有著明顯的優(yōu)勢(shì)。3參考文獻(xiàn)1 張承慧, 李珂, 杜春水, 等. 基于幅相控制的變頻器能量回饋控制系統(tǒng) J . 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2005, 20 (2) : 41 - 45.2 刁利軍,劉志剛,郝榮泰,等.能量回饋式PWM整流器并網(wǎng)的工程設(shè)計(jì)方法J.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,20(11):75-79.3 趙葵銀,王輝,吳峻; 基于DSP的三相PWM整流器電壓空間矢量控制的研究 J;電力系統(tǒng)通信; 2004年06期4 張崇巍,張興.PWM整流器及其控制M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.5 孫宜峰.級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的均衡控制策略DJ.南京航空航天大學(xué),碩士學(xué)位論文，2005.

10、6 Malinowski M, Kazmierkowski M P, TrzynadlowskiA. Direct Power Control with Virtual Flux Estimationfor Three-phase PWM Rectifiers. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2000:442-44777 Malinowsk M, Kazmierkowski M P. Direct Power Control of Three-phase PWM Rectifier Using Spaceecto

11、r Modulation-simulation Study. Proceedings ofthe 2002 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2002,4:1114-11188 Lee Woo-Cheol, Hyun Dong-Seok, Lee Taeck-Kie. A Novel Control Method for Three-phase PWM Rectifi-ers Using a Single Current Sensor. IEEE Transactions on Power Electronics,

12、2000:861-8709 江友華.高壓大功率異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)_泵類負(fù)載調(diào)速技術(shù)的研究, 博士學(xué)位論文，2006.10 王春杰.大功率異步機(jī)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制策略的研究.天津大學(xué)博士論文.天津大學(xué),2005.11 吳國(guó)祥; 江友華; 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能分析和研究. 電氣傳動(dòng),2007,37(10):10-13.4已有的實(shí)驗(yàn)條件本項(xiàng)目的研究工作依托長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，學(xué)院的電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)科為湖南省重點(diǎn)學(xué)科，其電力系統(tǒng)工程中心擁有良好的研究和實(shí)驗(yàn)條件，包括分布式發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室，配電網(wǎng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，以及實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、儀器儀表、計(jì)算機(jī)、Internet網(wǎng)

13、絡(luò)、元器件以及專業(yè)繪圖、分析與仿真軟件等；同時(shí)，項(xiàng)目組還擁有前期研究工作中的自制設(shè)備，如模擬諧波源、諧波監(jiān)控分析系統(tǒng)等，這些條件為本項(xiàng)目的順利開(kāi)展和實(shí)施提供了有力的物質(zhì)保障。尚需補(bǔ)充和完善的條件是本項(xiàng)目研究過(guò)程中少量有針對(duì)性的特殊研究條件以及元器件的備件。5導(dǎo)師的簡(jiǎn)歷2001年和2005年分別獲中南大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)碩士和博士學(xué)位，2005年到長(zhǎng)沙理工大學(xué)任教，2006年進(jìn)入湖南大學(xué)控制科學(xué)和工程博士后流動(dòng)站， 2009年3月答辯出站，期間于2007年3月至2008年3月到香港理工大學(xué)做訪問(wèn)學(xué)者，2008年晉升副教授。主要研究方向?yàn)槿嵝越涣鬏旊娤到y(tǒng)理論與技術(shù)、逆變型并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)和現(xiàn)代電

14、力電子技術(shù)。近年來(lái)，主持省自然科學(xué)基金一項(xiàng)，參與多項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)科研項(xiàng)目，獲省部級(jí)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)、三等獎(jiǎng)一項(xiàng)，發(fā)表中英文學(xué)術(shù)論文20余篇，其中SCI、EI檢索10余篇。三、項(xiàng)目方案1研究?jī)?nèi)容 能量回饋裝置的核心技術(shù)是PWM逆變技術(shù)。當(dāng)電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，逆變器的開(kāi)關(guān)器件全被封鎖,處于關(guān)斷狀態(tài);當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，能量由電機(jī)側(cè)回饋直流側(cè)，導(dǎo)致直流母線電壓升高。當(dāng)直流母線電壓超過(guò)電網(wǎng)線電壓峰值時(shí)，整流橋由于承受反壓而關(guān)斷；當(dāng)直流母線電壓繼續(xù)升高并超過(guò)啟動(dòng)逆變器工作電壓時(shí)，逆變器開(kāi)始工作，將能量從直流側(cè)回饋電網(wǎng)。當(dāng)直流母線電壓下降到關(guān)閉逆變器工作電壓時(shí)，關(guān)閉逆變器。一個(gè)完善的能量回饋控制系統(tǒng)應(yīng)滿足相

15、位、電壓、電流等三方面的控制條件，這要求回饋過(guò)程必須與電網(wǎng)相位保持同步關(guān)系；只有直流母線電壓超過(guò)一定值時(shí)才啟動(dòng)有源逆變裝置；系統(tǒng)應(yīng)該能夠控制回饋電流的大小，從而可以控制電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)精確制動(dòng)。 系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖1） 主電路設(shè)計(jì)主電路直接承擔(dān)了電能轉(zhuǎn)換和傳送的任務(wù)，本項(xiàng)目擬采用全控型逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其電路圖如圖2所示。研究電機(jī)再生發(fā)電的工作原理和泵升電壓產(chǎn)生的原因，為主電路電力電子器件和電力濾波電容的參數(shù)計(jì)算提供理論依據(jù)。圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖2）控制電路設(shè)計(jì) 控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)泵升電壓檢查并產(chǎn)生PWM控制脈沖的功能，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示?？刂齐娐返难芯恐饕ㄍ?/p>

16、步電路、檢測(cè)電路和PWM調(diào)制電路。（1） 同步電路同步是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)電能回饋的關(guān)鍵 。所謂同步，是使回饋的三相電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)為1的能量回饋。同步電路設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到回饋無(wú)功電流以及諧波含量的高低。（2） 檢測(cè)電路檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器直流電壓和PWM逆變器電流的檢測(cè)，保證回饋裝置可靠動(dòng)作，并為電流閉環(huán)控制提供反饋信號(hào)。（3） PWM調(diào)制電路 PWM調(diào)制電路利用期望信號(hào)與三角波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生一系列的等幅不等寬的脈沖，從而控制電力電子開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。圖3 控制電路結(jié)構(gòu)圖2創(chuàng)新之處1）采用PWM逆變技術(shù)，降低了回饋電流的畸變率提高裝置回饋電能的利用率；2）采用頻率跟蹤技術(shù)，提高了回饋電能的功率因數(shù)3）采用DSP控制芯片，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。四、預(yù)期成果 （1）申請(qǐng)應(yīng)用型專利一項(xiàng)；（2）發(fā)表科技論文一篇；（3）研制實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一臺(tái)。導(dǎo)師意見(jiàn)： 簽 名： 年 月 日學(xué)院答辯小組意見(jiàn)： 組長(zhǎng)簽名： 年 月 日學(xué)院意見(jiàn)： 簽名蓋章： 年 月 日學(xué)校專家組審核意見(jiàn)專家組長(zhǎng)簽字 年