0 引 言
基于干式高压试验变压器系统设计高放电功率优点，又如电池一样具有较大电荷储存能力，它具有充放电循环寿命长，功率密度大，高温性能好，容量配置灵活等特点，是理想的绿色环保电源，目前国内外对它的应用研究正蓬勃展开。利用超级电容器优异的蓄能和释放功能组成的各类拖动装置中的能源再生混合供电系统具有非常广泛的应用前景。
电梯作为一种在运动过程中不断吸收和释放能源的电力拖动装置，对**、可靠运行要求极高，超级电容器的出现为它提供了一种绿色、**的新型供电方式。本文以电梯的绿色、**运行为目标，构建了一种能进行能源再生回收，将电梯运行中的能量转化为超级电容器中的电能进行储存，并作为电梯运行过程中的后备保护动力电源的混合动力系统，在不增加额外能源(如自备发电机、大型蓄电池等)的情况下，对电梯的运行提供更加**的保障。
1 系统构成及工作原理
系统以超级电容器模组为储能装置，将电梯正常运行时的势能转换为电能进行储存，在外部供电电源失效时，将电梯的供电系统切换到由超级电容器模组提供的备用电源上，保证电梯能**运行到*近的楼层，**开启厢门，保证电梯内的人员得到**、及时的疏散。系统结构如图1所示。
由图1可以看出，该系统核心部分为超级电容器模组、蓄能控制电路、逆变电路、电源切换电路与嵌入式处理器测控电路。其中，蓄能控制电路在电梯下降电动机处于能耗反馈时，从变频器直流母线上获取直流电能，以与超级电容器模组额定电压相同的直流电压向超级电容器模组充电，完成电能的储备；逆变电路则是在嵌入式处理器控制下，将超级电容器模组输出的直流电源转换为三相的交流电源，在外部电源失效时，为系统提供后备电源；电源切换电路在嵌入式处理器的监测控制下实现外部供电电源与超级电容备用电源之间以及常规辅助电源与备用辅助电源之间的切换；嵌入式处理器测控电路用于监测和控制超级电容器模组的电能储存和释放。
2基于干式高压试验变压器系统设计
以超级电容器模组为主体的后备电源设计应保证在外部电源失效后维持整个系统正常工作30 S，使电梯**运行至*近楼层，打开轿厢。电梯拖动系统采用10 kW 三相交流异步电动机，超级电容器模组向逆变电路提供直流电压的范围为300～450 V。
采用2．7 V／1 200 F单体超级电容器串联构成模组。模组整体性能指标计算如下：模组直流电压为450 V，考虑单体电容器串联的适当降压，以2．5 V为单体电容器电压计算值，所需串联电容器数量为180只。由于单体电容器容量为1 200 F，可得出模组的总电容量为6．67 F，模组满电时的总储能量为675．3 kJ。
2．7 V／1 200 F单体超级电容器内阻在1．6 mn以内，考虑连接内阻，以1．6 mlq粗略计算：模组内阻=0．001 6×180=0．29 n
由此得到超级电容器模组整体指标：容量6．67 F；额定电压450 V，储能量675．3 kJ，内阻<0．29 n。
由于在10 kW／30 s恒功率放电所需要能量为300 kJ，故整个模组需要释放能量百分比为300／675．3×100％ =44．4％ 。
该超级电容器模组组成方案以电梯外部电源失效后，后备电源为保证电梯**运行至*近楼层所需能量计算，*大限度地减少串联电容器数量，减小重量和体积，降低成本，提高电容器能量实际利用率。电容器模组在放电过程中，当电压降至300 V时，仍能提供300 kJ以上的能量。在后接DC 300～450 V的逆变电路时，可保证电梯运行所需功率和AC 380 V的交流稳定电压，保证整个后备系统工作的稳定、可靠。
3 控制电路设计
控制电路的设计主要包括蓄能控制电路、单片机测控电路、电源切换电路等。
3．1 蓄能控制电路
蓄能控制电路在电梯下降且电动机处于能耗反馈时，基于干式高压试验变压器系统设计从变频器直流母线上获取直流电能，采用直流斩波原理，并通过嵌入式处理器控制直流斩波周期，将电能变换为可供超级电容器模组充电使用的二次性电源，即蓄能控制电路硬件部分实现将变频器直流母线上的直流电变为一种占空比可调的脉冲电源，为超级电容器模组充电。蓄能控制电路采用串联PWM非隔离型开关电源形式，其结构图如图2所示。蓄能控制电路需将变频器直流母线上450 V电压转换为供超级电容模组充电使用的电压，且需用功率较大，所以设计合适的电路参数，可使该电路处于电流连续工作方式。
蓄能控制电路主要由3部分组成，包括开关调整元件、控制电路和滤波电路。开关调整元件串联在电源的输入和负载之间，构成串联型电源电路。实际的开关元件选用驱动功率小、饱和压降低、开关速度快、开关损耗低、载流密度大、可靠性高的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；由单片机计算产生的PWM信号加到IGBT的控制极，控制其导通和截止。当开关导通时，输入能量传递到输出端；开关截止时，则被隔断。PWM信号的占空比经试验测定与超级电容器模组的电压直接相关，在不同的充电电压下是不同的，以充电电压和充电时间都达到*佳来确定。滤波电路由滤波电感与滤波电容组成。
当开关导通时，U。=U 输入电压 通过滤波器加在负载上。开关截止时，UD：0。开关交替通断，从而在滤波器的输入端产生矩形脉冲波。由于该电路的负载实际为不断被充电的超级电容器模组，当充电脉冲波经滤波电路滤波施加于负载时，则在超级电容器模组两端得到不断上升的直流电压 。试验表明，直流电压 的上升速率与一个周期中开关管接通的时间t。 有关。续流二极管的作用是在开关管截止时，滤波电感感应的反电势通过二极管续流释放，保护开关管。
3．2 单片机测控电路
单片机测控电路采用Microchip公司的dsPIC30F系列单片机作为控制芯片，控制电路硬件系统结构框图如图3所示。该控制电路对电梯混合动力系统的能量回馈、充放电控制、正常电源检测、超级电容状态检测及开关切换等进行处理。
超级电容电压检测模块在超级电容器两端通过电阻分压，将超级电容器电压信号转换至0～ 5 V内，再通过双光耦隔离电路，将信号传递至单片机。其中，双光耦隔离电路由于不是专用高精度线性光耦，而是通过与双光耦光电特性几乎相似的原理，由反馈回路消除部分误差，可以实现在某个区域内线性度良好，因此，需要对双光耦隔离电路的线性区进行调整，而超级电容器接近满充时的状态是系统较关键的状态，所以将双光耦隔离电路的线性区调整覆盖该区域。单片机根据超级电容器电压检测结果，确定充电策略。
前端能源回馈检测模块通过直流霍尔元件完成电流方向的检测。由于霍尔元件可以通过霍尔效应将电流信号转换为电压信号，所以设置为当由电源供电驱使电机拖动系统工作时，霍尔元件输出负电压信号，当电机拖动系统反馈制动时，霍尔元件输出正电压信号，由单片机检测。外部电源掉电检测通过交流接触器的常开辅助触点形成的开关信号完成检测。当外部供电电源支路的交流接触器由于外部供电电源有电而闭合时，其常开辅助触点也闭合，对单片机输入引脚输入高电平信号；反之，输入低电平信号。
PWM充电控制信号由PIC单片机的CCP功能引脚直接输出，基于干式高压试验变压器系统设计，送出适当的PWM信号控制蓄能控制电路中主功率开关管动作，实现对超级电容器的充电控制。其PWM工作频率为2 kHz，占空比根据超级电容器模组电压及充电策略计算。备用电源启动、失电报警等信号以开关量形式送出。当单片机检测到外部电源掉电时，启动切换电路和逆变电路，同时送出信号给电梯的PLC控制器，启动紧急处理程序。
3．3 电源切换电路
电源切换电路实现外部供电电源与超级电容器备用电源之间的切换。该电路主要由两个三相交流接触器互锁构成，一个交流接触器控制外部电源，用接触器常开触点控制主回路；另一个交流接触器控制备用电源(超级电容器电源)，其常开触点控制超级电容的充电回路，常闭触点控制超级电容的放电回路和逆变器的输出回路。
