基于dsp的電梯能效測量軟件開發設計論文-資料下載頁

【導讀】的電梯能耗已經引起社會和政府職能部門的密切關注。建立合理的電梯能評價方式，可。的審查和監管提供技術支撐，對于促進節能電梯的開發和推廣具有重要的指導意義。全、便捷測量得到電梯能效指標。即差額質量速度積分計算電梯輸送有。效載荷所作的機械能。是電梯空載與20%額定載荷的質量差，空載電能與20%載荷

　　

【正文】 質量絕對值作為衡量電梯所作機械能的方法。 該方法具 有如下特點： (1)采用比例放大到噸千米工作量后的計算當量電量，作為電梯能效指標。由于工程上定義的電梯能效是電梯重復按循環運行，根據電梯的特性，每次循環的耗電量是基本一樣的，所以可以進一步簡化。簡化的電梯能效指標：一個循環周期內，根據電梯實際完成的工作量與實際消耗的電量，比例放大到噸千米工作量后的計算當量電量，作為電梯能效指標，如公式 28 所示。 ?一個循環周期內的實際工作量 一個循環周期內的耗電量 噸千米 計算當量電量 (28) 把 “計算當量電量 ”作為能效指標比把 “噸千米的用電量 ”作為能效指標可以大大縮短測試時間，如果每 次測量是精準的，則并未降低測量精度。公式 28 中的 “一個循環周期內的實際工作量 ”是指不包括轎廂本身的有效電梯載荷的工作量。本設計電梯能效測量第二章 電梯能效評價方法 15 儀工作采樣頻率為 20kHz，在測量精度上能達到要求。 (2)無需知道轎廂及對重質量，測量結果與電梯轎廂和對重質量無關。機械能為勢能和動能之和，電梯運行始末動能為零，勢能正比于質量與高度的 乘積。電梯單次運行系統勢能變換包括轎廂和對重的勢能變換，若以單 次 測量數據計算電梯輸出機械能，必須知道轎廂和對重的質量差或轎廂及對重的質量才能計算出單次電梯運行所輸出的有效載荷機械能。而以 差額質量速度積分法計算可以屏蔽轎廂和對重質量。 (3)測量方法屏蔽了電梯平衡系數對電梯能效測量的影響，使不同平衡系數的電梯能效具有可對比性。在額定載荷相同的情況下，電梯平衡系數僅與轎廂質量和對重質量有關，因本能效測量方法與轎廂及對重質量無關，從而測量結果與電梯平衡系數無關，使不同平衡系數的電梯能效具有可對比性。 (4)測量方法屏蔽了不同電梯提升高度對電梯能效的影響，使運行于不同高度的建筑物中的電梯能效具有可對比性。電梯提升高度不同，相應的電梯系統曳引繩長度、補償繩長度、隨行電纜長度不同而質量也不同，會對電梯 能耗造成一定影響。而本測量方法測得的電梯能效與轎廂及對重質量無關，同理與相應的曳引繩質量、補償繩質量、隨行電纜質量無關 (造成的能耗差于差值計算中抵消 )。因此，本測量方法屏蔽額電梯提升高度對電梯能效測量結果的影響，使運行于不同高度建筑物中的電梯能效具有可對比性。 (5) 電梯能效測量是基于 單 循環周期內的電能和機械能基礎上計算的， 測量步驟簡單，測試成本低。本測量方法僅需測量空載和 20%負載，各循環運行一次的數據，無需對各種不同負載率下的電梯進行能效測量，大大減少了電梯運行次數和測試時間、降低了測試成本。 本章小結 本章主要介紹了現有電梯能效評價方法和特點，以及重點介紹了采用的基于差額質量速度積分的電梯能效測量方法 和特點 。華南理工大學碩士學位論文 16 第三章 電梯循環周期內的電能 測 量 電梯循環運行模式定義 全程空載標準工作圖譜循環運行模式 電梯的載荷工況為空載，同時根據電梯運行樓層數確定電梯工作圖譜，電梯 按設定的工作圖譜循環運行。在進行檢測時，采用同樣的工作圖譜測量 。并由電梯能效測量儀測量得到該過程電梯能耗與電梯 “名義 ”空載工作量。 標準增量載荷標準工作圖譜循環運行模式 電梯標準載荷工況指在空轎廂內放置相當于 電梯額定載荷 20%的負載，同時根據電梯運行樓層數確定電梯工作圖譜，電梯按設定 的工作圖譜循環運行。在進行檢測時，采用同樣的工作圖譜測量 。并由電梯能效測量儀測量得到該過程電梯能耗與電梯 “名義 ”加載工作量。 電梯循環周期工作圖譜 中間層的設定： 8 層站以下不設中間層站； 915 層站設一個中間層站； 1622 層設二個中間層站； 2329 層設三個中間層站； 30 層以上設四個中間層站；中間層站的具體設置應保證電梯從次底層至中間層、中間層至次頂層及中間層之間運行時能達到電梯額定速度值并盡量平均分配各中間層站。根據樓 層設定好中間層后，測試時電梯按工作圖譜全程運行，電梯循環周期工作圖譜如圖 31 所示。 底 層 中 間 層 中 間 層 頂 層中 間 層 中 間 層 圖 31 電梯循環周期工作圖譜 Fig. 31 Elevator work cycle map 第三章 電梯循環周期內電能測量 17 循環周期內的電能 測 量 正弦系統的電能 測量 對于正弦，線性負載的電能測量，可以按照以下 電路 基本計算 公式 計算 ： 電壓有效值： 201 ()TrmsU u t dtT? ? (31) 電流有效值： 201 ()TrmsI i t dtT? ? (32) 功率因數： ()() ()abs PPF si gn Q abs S?? (33) 三相三線合相功率： 3 ACAB CBP U I U I? ? ? ??? (34) 3 9 0 9 0ACA B CBQ U I U I? ? ? ?? ? ? ? ? ? (35) 223 3 3S P Q?? (36) 三相四線合相功率： 4 A B CA B CP U I U I U I? ? ? ? ? ?? ? ? (37) 4 9 0 9 0 9 0A B CA B CQ U I U I U I? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? (38) 224 4 4S P Q?? (39) 有功能量： ()pE p t dt?? (310) 華南理工大學碩士學位論文 18 非正弦系統的電能測量 電梯系統本身包括能夠產生諧波電流的非線性元件，如變壓器的空載電路，交、直流換流站的晶閘管控制元件，晶閘管控制的電容器、電抗器等。但電梯系統諧波更主要來自各種非線性負荷用戶，如各種整流設備，調節設備，以及電氣拖動設備。對于這些設備，即使供給它理想的正弦 波電壓，它的電流也是非正弦的，即有諧波電流存在 [20]。因此電梯系統是非正弦系統，非線性負載 ， 電流 波形 如圖 32 所示。所以，傳統的正弦系統的 功率計算 方法不適用與該系統。 圖 32 非正弦系統的 電流波形 Nonsinusoidal system current waveforms 對于非正弦，非線性負載系統，功率計算方法如下： 電壓以諧波形式表示為： 0 1( ) c o s ( )nnnv t V V n t????? ? ?? (311) 電流以諧波形式表示為： 0 1( ) c o s ( )nnni t I I n t????? ? ?? (312) 瞬時功率： ( ) ( ) ( )p t v t i t?? （ 313） 循環周期內傳輸至負載的能量為： 0 ( ) ( )TcycleW v t i t dt? ? (314) 第三章 電梯循環周期內電能測量 19 有功功率 (瞬時功率在循環周期內的平均值 )： 01 ( ) ( )Tcycleav WP v t i t dtTT?? ? （ 315） 以諧波形式表示的有功功率： 000 111 ( c o s ( ) ) ( c o s ( ) )Ta v n n n nnnP V V n t I I n t d tT ? ? ? ?????? ? ? ? ???? (316) 利用三角函數的正交性，整理可得積分結果： 00( c o s ( ) ) ( c o s ( ) ) c o s ( )2Tn n n n nnnnif n mV n t I n t d t VI if n m? ? ? ? ?????? ? ? ? ????? (317) 因此，有功功率為： 00 1 c o s ( )2nna v n nn VIP V I ????? ? ?? (318) 即有功功率等于直流分量的功率加上各個諧波的有功功率 [21]。 圖 33 電能 測 量原理圖 Energy measurement schematic 如圖 33 所示電能測量原理圖，各個模塊如下說明： (1)數字高通濾波器 華南理工大學碩士學位論文 20 由于電網中的電壓和電流往往含有直流分量，若直接相乘計算的話會導致測量結果不準，所以必須對輸入信號先進行預處理即濾除直流分量，然后再進行計算。高通濾波器的作用就是濾除電壓、電流采樣數據中的直流成分，保留頻率為 50HZ 的電網信號 ，采用高 通 FIR 濾波器 。 設 ( )( 0 ,1, 2 , , 1)h n n N??為濾波器的沖擊響應，輸入信號為 ()xn ，則 FIR 濾波器就是要實現下列差分方程： 10( ) ( ) ( )Nky n h k x n k????? (319) 式（ 319）就是 FIR 濾波器的差分方程。 FIR 濾 波 器最重要的特點就是沒有反饋回路，因此 是無條件穩定系統。它的單位脈沖響應 ()hn 是一個有限長序列。由上面的方程可見， FIR 濾波算法實際上是一種乘 法累加運算，它不斷的輸入樣本 ()xn ，經延時，做乘法累加，再輸出濾波結果 ()yn 。 FIR 濾波器的一般結構如圖（ 34）所示 [22,23]。 圖 34 FIR 濾波器結構圖 The structure of FIR fliter FIR 濾波器的設計方法有窗函數設計法和頻率采樣設計法。窗函數設計法的基本思想是要選取某一 適合的理想頻率特性作為 濾波器，然后將它的脈沖響應截斷以得到一個線性相位 的 FIR 濾器。因 此，這種方法的重點在于選擇某種恰當的窗函數和一種合適的理想濾波器。設所希望得到的濾波器理想響應為： ( ) ( )j jnddnh e h n e??? ????? ? (320) FIR 濾波器的設計就在于尋找一個傳遞函數 10( ) ( )Nj jnnH e h n e??? ??? ?去逼近 ()jdHe? ，第三章 電梯循環周期內電能測量 21 設： 1( ) ( )2 j jnddh n H e e? ???? ?? ? (321) 由于 ()jdHe? 的矩形頻率特性，故 ()dhn一定是無限長的序列，而且是非因果的。要設計的 FIR 濾波器其 ()hn 必然是有限長的，所以要用有限長的 ()hn 來逼近無限長 ()dhn，最有效的方法是截斷 ()dhn，或者用一個有限長的窗口函數序列 ()wn 來截取 ()dhn， 即： ( ) ( ) ( )dh n w n h n? (322) 因而，窗口函數序列的形狀及長度選擇很關鍵 [24]。 利用 TI DSP 提供的濾波器函數庫來設計濾波器 ， 首先 利用 MATLAB 信號處理箱的FIR 指令，利用窗函數法設計 FIR 濾波器系數。 第一步， 打開 MATLAB 軟件模塊： c:\tidcs\c28\dsp_tbox\filter\matlab\ezfir16 第二步，執行 ezfir16 腳本，輸入 高通濾波器的 各個 參數， FIR 濾波器階數 50，采用 Hamming 窗，采樣頻率為 20kHz，濾波器截 止頻率為 8kHz。 第三步， ezfir 濾波器生成濾波器系數，高通濾波器頻率響應如圖 35 所示。 圖 35 高通濾波器頻率響應 Highpass filter frequency response 華南理工大學碩士學位論文 22 第四步，把系數拷貝到頭文件，以初始化主系統文件中濾波器系數。 (2)數字移相濾波器 主要完成對電壓信號移相 90 度的信號處理。在保證信號幅頻響應不衰減的前提下，能夠對 301500Hz的采樣信號進行移相 90度的處理。因此無功計量的帶寬限制在 1500Hz以內。 (3)有功功率計量 各相的有功功率 是通過對去直流分量后的電流、電壓信號進行乘法、加法、數字濾波等一系列數字信號處理后得到的。由于電流、電壓采樣速率為 20kHz，根據采樣定理可知電流、電壓采樣數據中可包含較高次的諧波信息，所以依據 公式01P = ( ) ( )N Nn U n I n? ??計算得到的有功功率也至少包含相應得高次諧波信息。 (4)無功功率計量 無功功率計量算法與有功類似，只是電壓信號采用移相 90 度之后的。測量帶寬主要受到數字移相濾波器的帶寬限制，所以無功功率的測量也可包含高次諧波。 (5)四象限功率測量 有功功率既有輸入也有輸出的。 輸入有功標識為 +，表示用戶消耗的電能，而輸出有功標識為 ，表示用戶發出的電能。無功功率有正向和反向無功，正向無功標識為 +，為 2 象限無功，反向無功標識為 ，為 4 象限無功，如圖 36 所示。 DSP 能夠方便實現四象限無功電能測量。 圖 36 四象限功率示意圖 Schematic diagram of fourquadrant power (6)視在功率、功率因數、相角測量 第三章 電梯循環周期內電能測量 23 基于上述測量的有功功率和無功功率，通過開方、除法等運算就可以得到這些參數。 (7)有效值測量 通過對電流、電壓 采樣值進行平方、開方以及數字濾波等一系列運算得到。 (8)能量計算 將功率信號對時間進行積分就可以得到能量。 如圖 33 所示，其中數字高通濾波器，是用于濾除電流、電壓采樣數據中的直流分量。數字移相濾波器主要完成對電壓信號 90176。的信號處理。在保證信號幅頻響應不衰減的前提下，能夠對 301500Hz 的采樣信號進行移相 90176。的處理。移相濾波器的幅相特性如下圖 37 所示。 各相的有功功率是通過對去直流分量后的電流、電壓信號進行乘法、加法、數字濾波等一系列數字信號處理后得到的。前端 Sigmadelat ADC 采用 過采樣技術，可充分保證電流、電壓采樣速率，根據采樣定理可知電流、電壓采樣數據中包含高達 21 次的諧波信息，所以依據公式01P = ( ) ( )N Nn U n I n? ??計算得到的有功功率也至少包含 21 次諧波信息。無功功率計量算法與有功類似，只是電壓信號采用移相 90 度之后的。測量帶寬主要受到數字移相濾波器的帶寬限制，所以無功功率的測量也可高達 21 次諧波 [25]。 通過對電流、電壓采樣值進行平方、開方以及數字濾波等一系列運算得到。誤差小于 1%。將功率信號對時間進行積分就可以得到能量。 圖 37 移相濾波器的幅相 特性 Amplitude and phase characteristics of the phase shift filter 華南理工大學碩士學位論文 24 本章小結 本章主要介紹了電梯 循環周期內的電能計量的原理， 特別強調了電梯系統的非正弦、非線性負載系統所采用的電能測量方法 ，以及利用 TI DSP 中自帶的 FIR 濾波器函數庫設計高通數字濾波器。第 四 章 電梯能效測量儀系統結構 25 第四章 電梯能效測量儀系統結構 系統 結構 框架 電梯能效 測量儀系統結構框圖如圖 41 所示。 圖 41 電梯能效測量儀系統結構框架 block diagram of elevator energy efficiency measuring instrument 采用成熟高可靠性的霍爾電流傳感器測量電梯控制柜三相進線電流，采用浮動中 性點方式直接測量三相電壓。三相電壓、三相電流的數字化采樣頻率 20kHz，這樣不僅保證有功電能與無功電能的測量精度，同時實現滿足 IEC6100047/20xx標準的諧波分析。采用汽車發動機轉速測量專用的電磁感應曲軸位置傳感器測量曳引輪旋轉位置與速度，實現轎廂速度和位置的非接觸式測量。采用 DSP 芯片實現實時數字信號處理，保證測 量的精度與速度。 電梯 能效檢測儀工作原理流程圖如圖 42 所示。 華南理工大學碩士學位論文 26 圖 42 電梯能效測量儀工作原理流程圖 Elevator Energy Efficiency Working Flow meter 利用該電梯能效測量儀現場測量時，包括下列測量步驟： （ 1）根據電梯在建筑物中運行的樓層數確定被測電梯的測試運行工作圖譜。 （ 2）在被測電梯的電梯控制電氣柜的三相動力線輸入處安裝霍爾電流傳感器，并把獲取電壓信號的鱷魚鉗夾到三相 380V 的進線端子上。 （ 3）在電梯曳引輪側面上沿圓周均勻分布貼 8 片磁鋼 片，電磁感應傳感器則安裝在具有三自由度的支架上，電磁感應器垂直于曳引輪側面，且與磁鋼片間隙為 3mm5mm為宜。 （ 4）電梯空載按測試運行工作圖譜運行一次，電梯能效測量儀自動計算、記錄本次電梯輸入電能和輸出機械能。 （ 5）根據電梯額定載荷，在電梯轎廂內加載 20%額定載荷的砝碼，電梯按測試圖譜運行一次，電梯能效測量儀自動計算、記錄本次電梯輸入電能和輸出機械能。 （ 6）電梯能效測量儀根據空載和 20%載荷兩次的測量數據，計算出基于噸千米 ?耗電量的電梯能源利用效率指標并自動生成檢測報告。 第 四 章 電梯能效測量儀系統結構 27 浮動中性點法三相電 壓信號處理 為測量電梯耗用的電能需要測量三相電壓。為便于現場接線，直接取 U、 V、 W 三相電壓，三相電壓中性點為圖 43 中 UF 點， UF 點的電壓相對儀器的地是浮動變化的，如果把 UF 與儀器地直接相連，可能產生地線環流，干擾儀器的運行。為克服中性點電壓不定所造成的影響，把相電壓信號 VPH 和中性點信號 UF 的差值輸入到運算放大器 4中，同時用大功率電阻 R601， R602 把高電壓衰變為幅值較小的信號。另外由于相電壓是交流信號，在運算放大器 3 的同相輸入端疊加了 + 的偏壓，使輸入到 DSP 的信號inV 為正且變化范圍是 0~3V。通過圖 43 電路，能精確獲得三相電壓信號，且不受三相電壓中性點電壓波動的影響。 圖 43 浮動中性點法三相電壓信號處理原理圖 Floating neutral point method for threephase voltage signal processing diagram 電梯控制電氣柜的三相電壓進線端子上，并通過浮動中性點電路依次與數字信號處理器的運算模塊和 A/D 轉換器相連接；鱷魚鉗從三相電壓進線端子獲取三相電壓，并傳給浮動 中性點電路進行浮動中性點處理，然后再傳給數字信號處理器的 A/D 轉換器進行模數轉換后輸入運算模塊；所述鱷魚鉗直接把三相 380V 交流電壓引至測量儀的電路板上，浮動中性點電路采用浮動中性點法不失真地把 380V 交流信號降到 0~3V 范圍內，且保證了三相中性點與測量儀的模擬地是彼此獨立的，避免了測量儀的模擬地與三相 中 性點直接相連所產生的共地干擾問題。 華南理工大學碩士學位論文 28 三相電流信號處理 電梯控制柜的三相輸入電流是能效儀的主要測量信號之一，它是電能計量與電能質量分析的基礎，所以電流檢測電路的設計十分關鍵。高性能的電流檢測電路可以大 大提 高系統的準確性和穩定性，下面詳細介紹相電流檢測電路