变频回馈节能技术在电梯中的应用

陈 铭

(襄樊学院 物理与电子工程学院，湖北 襄樊 441053)

变频回馈节能技术在电梯中的应用

陈 铭

(襄樊学院 物理与电子工程学院，湖北 襄樊 441053)

电梯进入减速运行时，电动机处于再生发电状态，由于电动机不能直接快速起动、制动和频繁正反转调速，使大量再生电能无法回馈到电网，只能被大功率电阻消耗掉，造成再生能源浪费. 变频回馈节能技术能将电梯运动过程中产生的机械能通过变频回馈器转换成电能，然后把这些再生电能送回交流电网再利用，以实现节电节能，同时可以省去耗电发热的大功率电阻，从而改善了系统的运行环境.

节能技术；能量回馈；变频回馈；电梯

当前电梯已成为耗能大户，电梯节能降耗已引起社会各界的关注. 电梯行业通过近几年的研究和开发，一些电梯的节能技术也日趋成熟，特别是永磁同步(PMSM)驱动技术与制动电能回馈利用变频回馈技术的重大突破，为电梯节能带来了巨大空间. 电动机及其负载节约电能的途径主要有两大类：1)提高电动机或负载的运行效率. 如何让电梯变得聪明而省电，现代控制技术解决了这一问题. “人工神经元”如同一个信息处理和记忆库，它以每一周为时间段，记载着这一周电梯的运行情况. 根据记载的信息，“人工神经元”会生成最为省电的运行模式[1]，控制大楼里的多台电梯，让它们分工明确，在适当的时间到达适当的位置，方便乘客上下，又减少了电梯启动、运行次数. 对群梯而言，节约电能可达30%以上. 另外如无人乘坐时电梯照明自动关闭、自动扶梯自动停止或低速运行等等，都是以提高电动机运行效率为目标的节能措施；2)利用变频回馈器将大电容中储存的电量无消耗地回送给电网，使电动机和负载在单位时间内消耗的电网电能下降，从而达到节电的目的. 变频回馈即属于第二类节约电能的典型装置[2-3].

1 电梯节能分析

采用变频调速的电梯启动达到最高运行速度后具有最大的机械动能，电梯到达目标层前要逐步减速直到电梯停止运动为止，这一过程是电梯负载释放机械动能的时段. 变频回馈原理就是将变频器直流侧储存在电容中的电能及时逆变为交流电回馈给电网，使电能不再消耗在制动电阻上. 变频调速器通过电动机可以将电能存储在直流侧的大电容中，此时大电容好比一座储量有限的小水库. 如不及时减小水库中注入的水量，则水库会发生溢出事故. 同理，如不及时泄放大电容中的电量，也会产生过压. 目前变频器泄放大电容的方法是采用制动单元或外加大功率电阻，将大电容中电量消耗到外加大功率电阻上白白浪费掉.变频回馈器则可以将大电容中储存的电量无消耗地回送给电网，从而既达到节电目的，又可省去发热的大功率电阻，大大改善了系统的运行环境[4].

电梯还是一个位能性负载，为了均匀拖动负荷，电梯负载由载客轿厢和重平衡块组成. 只有当轿厢载重量为额定载重量的40%～50%时，轿厢重平衡块才处于双方重量基本平衡状态，否则，轿厢重平衡块就会有质量差使电梯运行时产生机械位能. 电梯质量重的部件上行时，由电动机吸收电网电能转换的机械位能增加，电梯质量重的部件下行时，机械位能减少，这减少的机械位能释放出来通过电动机转变为变频器直流环节大电容储存的电能，变频回馈器再将这部分电能回送给电网. 分析计算和样机实测表明，电梯的梯速越快，楼层越高，机械转动消耗越小，则可以回送电网的能量越多，最多回送电量可达电梯总消耗量的40%，即节电效率达40%以上. 通过上面分析表明，在电梯、吊车等快速上、下运动装备中，采用变频回馈器具有明显的节能效果.

2 节能装置结构分析及控制

如图1所示，变频能量回馈装置的主电路主要由三相IPM逆变桥和一些外围电路组成. 逆变桥的输出端通过三个扼流电抗器La、Lb、 Lc与变频器输入端子R、 S 、T相连，输入端则通过两个隔离二极管

VD1、 VD2接变频器的直流侧P 、N端，以保障能量在变频器至有源逆变桥再至电网方向上的单向流动. 图

1中C3、C4为滤波电解电容，R3、 R4为电容均压电阻，R5为电容充电限流电阻，J2为用于切除限流电阻的继电器. 扼流电抗器La、 Lb、 Lc的作用是平衡压差，限流以及滤波. 其工作过程是：当电机电动运行时，

逆变器开关管VT1、VT6全被封锁，处于关断状态；当电动机处于再生发电状态时，能量由电机侧回馈直流侧，导致直流母线电压升高. 当直流母线电压超过电网线电压峰值时，整流桥由于承受反压而关断；当直流母线电压继续升高并超过启动逆变器工作电压VDLH时，逆变器开始工作，将能量从直流侧回馈电网.

当直流母线电压下降到关闭逆变器工作电压VDLL时，关闭逆变器.

图1 变频能量回馈控制系统主电路图

IPM模块是最关键部分，能有效地把直流电能逆变为与交流电网同步的三相电流并且回送电网. 二极VD1、VD2是确保电梯节能系统安全运行的必须元件. 电感La—Lc、电容C1—C4组成了高次谐波滤波器，可以有效地阻止IPM元件产生的高次谐波电流进入电网，可以提高变频回馈的电磁兼容性能. 另外，由单片微机、可编程逻辑芯片、外围信号采样器构成的控制电路，可以有序控制IPM在PWM状态下工作，保证直流电能及时的回馈并且顺利实现再生利用[5-6].

2.1 IPC-PF系列电梯回馈制动

IPC-PF系列电梯回馈制动单元是采用加拿大技术生产制造的电梯专用高性能回馈式制动单元[7]. 如果升降电梯能使用电梯回馈制动单元，就可以顺利地实现将电容中储存的直流电能转换成交流电能回送到电网，节电率达30%~40%. 另外，因为无电阻发热元件的原因，降低了机房的环境温度，同时也改善了电梯控制系统的运行温度，使控制系统不再死机，延长电梯使用寿命. 机房可不再使用空调等散热设备，可以节省机房空调和散热设备的耗电量，节能环保，使电梯更省电. IPC-PF系列电梯回馈制动单元采用DSP中央处理器，速率高、精度高、稳定性能好、抗干扰能力强；采用自诊断技术确保输出电压精确，防止电流回送，使变频器不受任何影响. 在频繁制动的场合，节电更明显；真正实现了变频调速系统的四象限运行.

2.2 OTT-LHZ变频回馈器

OTT欧德科技研制的OTT-LHZ变频回馈器，直接采用了电梯能量回馈节能技术研制而成，该回馈器没有使用高消耗的电阻，电阻发热源就可以忽略不计. 另外，因为没有这种大功率电阻，电梯机房温度就会降低，极大地减少了电梯出现故障的可能性，电梯的使用寿命也能得以延长，同时也降低了电梯机房降温设备的用电量. 经此途径可实现节电25%～50%. 在大功率、高楼层、频繁使用电梯的情况下，节能效果会更加明显. OTT-LHZ一个非常突出的特点是具有电压自适应控制回馈功能[8]，在实际使用中，当电网电压波动比较大的时候，电梯也能正常工作. 并且只有当电梯机械能转换成电能送入直流回路电容中时，变频回馈器才及时将电容中的储能回送电网，有效解决了原有能量回馈的不足，可以最大限度地抑制驱动电梯的变频器对电网的谐波干扰，净化电网环境. 分析表明OTT-LHZ明显优于其它高能耗电阻式制动单元装置，能够改善机房环境，减少高温对控制系统等部件的不良影响，延长电梯设备的使用寿命.

有源能量回馈器的功能如图2描述，控制电路由单片微机可编程逻辑芯片、外围信号采样器构成，配以冗余度高的软件设计，使控制电路能自动识别三相交流电网的相序、相位、电压、电流瞬时值，有序地控制IPM(智能功率模块)工作在PWM状态，保证直流电能够及时回送到交流电网.

图2 能量回馈功能框图

3 控制电路和同步电路设计

能量回馈的本质是有源逆变， 主要目的是将电动机制动时转子部分能量回馈到电网中实现节能，尽量避免对电网的污染. 一个完善的能量回馈控制系统应满足相位、电压、电流等三方面的控制条件，即要求回馈过程必须与电网相位保持同步关系，只有直流母线电压超过一定值时才启动有源逆变装置，系统应该能够控制回馈电流的大小，从而可以控制电机的制动转矩，实现精密制动. 根据幅相控制策略 系统控制回路组成如图3所示.

控制电路除了幅相控制算法及逆变器驱动信号产生部分外，还主要包含同步电路，电压检测与控制电路和故障检测与保护电路等部分. 同步是实现有源逆变的基础和关键. 对于能量回馈系统，所谓同步就是要使回馈电网的电流与电网电压同频反相，以实现单位功率因数（cosφ=1 ）回馈. 回馈不同步轻则造成无功电流增大，污染电网，重则产生系统环流，甚至破坏系统中的功率器件.

本系统采用的同步检测电路如图4所示，电网交流信号经同步变压器降压，用比较器LM339及外围部件组成的过零检波器把交流信号转换为同频率的方波信号，该方波信号经隔离整形送入微处理器系统，作为有源逆变输出的参考，由程序处理参与幅相控制算法，控制有源逆变起动及输出，达到输出与电网同步[10].

图3 控制系统原理框图

图4 同步信号检测电路

4 结语

由于电梯运行过程中，通过大功率电阻产生的热量非常之高，其局部温度通常可达100ºC以上，为了使机房降低到常温状态，电梯不因高温而产生故障，用户需要安装大排风量的空调或风机，而在电梯功率较大的机房，往往需要空调、风机同时使用，或是多台空调、风机同时启动，使降温设备的耗电量往往比电梯的用电量还要高. 有了能量回馈节能技术，电梯又省去大功率电阻发热源，电梯机房温度会明显下降，减少了电梯故障发生率，延长电梯使用寿命，更是实现了节电节能的环保功能.

能源是国民经济发展的基础，低碳生活、节能环保关乎整个社会的可持续发展，深入开展节能工作，推广能量回馈技术的应用，不仅节电节能，而且符合我国建设资源节约型、环境友好型社会的需要.

[1] 张 琦, 张广明, 诸小鹏. 现代电梯构造与使用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

[2] 李 惠. 电梯控制技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.

[3] 李 刚, 沈大威. 变频调速技术在电梯改造中的应用[J]. 节能技术, 2003, 120(4): 39-401.

[4] 王士湖, 王 莉. 一种再生制动控制电路的设计[J]. 淮阴工学院学报, 2002(3): 54-56.

[5] 孙关林, 沈晓宇. 节能电梯及节能效果分析[J]. 浙江建筑, 2007(4): 56-57, 60.

[6] 朱建国. 电梯新技术在电梯选型配置中的应用[J]. 大众标准化, 2005(9): 35-36.

[7] 黄声华. 交流调速系统中的能量反馈控制[C]//中国自动化学会. 第五届全国电气自动化年会论文集, 北京: 机械工业出版社, 1990.

[8] 秦晓平. 变频器的能耗制动与再生制动[J]. 电气传动自动化, 2004(5): 61-62.

[9] 张丽君. 变频器再生能量回馈的新方法[J]. 鞍钢技术, 2000(4): 42-43.

[10] DIXON J W, BO BT. Indirect current control of a unity power factor sinusoidal current boost type three-phase rectifier[J]. IEEE Trans. on Ind. Electrons, 1998(35): 508- 515.

Variable Frequency Feedback Energy Conservation in Elevator Energy Efficiency

CHEN M ing
(Physics & Electronics Information Technology Department, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China)

When elevator decelerates, the electric motor is in the condition of regeneration electricity generation. Based on the fact that the electric motor can’t meet the need of braking rapidly and the need of running between forward and reverse frequently, the massive electrical energy of regeneration is unable to go back to the electrical network and be consumed by the brake resistance, which has created the energy waste. But the variable frequency feedback energy conservation can make the electric quantity of big electric capacity return to the electrical network w ithout consumption, and can achieve the purpose of electricity saving. Simultaneously, a high-power resistance can be left out, w ith the movement environment of the system greatly improved.

Energy conservation technology；Energy feedback；Variable frequency feedback; Elevator

TP202+.7

A

1009-2854(2010)11-0040-04

（责任编辑：陈 丹）

2010-09-19

陈 铭(1980— )，女，湖北随州人，襄樊学院物理与电子工程学院系讲师.