一种能判断变频器状态的曳引设备节能系统

朱建康 陈明琪 黄金兰 盛 林

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院太仓分院 太仓 2154002)(2.福州大学 福州 350108)

随着我国经济建设迅速发展，现代化进程稳步推，高层建筑日益增多，变频曳引式电梯设备也得到了广泛应用。据相关部门统计显示：2011年底我国在用电梯201．06万台,全国年电梯耗电量约为293亿kWh，近3年以来我国电梯拥有量年均增长在15%以上。电梯耗电已经占到大楼总能耗的3%～5%，占到全社会用电总量的约0．49%[1-2]。由于现在电力资源的不足，出现了供需矛盾，电梯的节能凸显出越来越重要的地位。

近几年通过电梯行业专家的不断研究和开发，电梯的节能技术逐渐走向成熟，尤其是能量回馈节能技术有重大突破，其一，是采用逆变器将再生能量回馈到电网[3-4]；其二是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；其三，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。对于第一种方法由于逆变PWM的脉宽调制，回馈的能量中其电流谐波畸变率约在5%～7%之间高次谐波对电网及其用电设备都有不可忽视的影响但因其价格因素以及对电网的影响，尚有一定难度推广应用；第二种方法，由于变频器直流母线电压在513～539V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[5-6]；对于第三种方法，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。

因此，本项目针对现有技术存在的不足，设计了一种能实时判断变频器状态的变频曳引设备节能系统，从而准确判别电梯所处工作状态，对变频曳引设备节能系统的自动控制工作起到决定作用，可以正确指令DC/DC适时进行充放电。既克服了回馈能量污染电网的问题，又避免了超级电容串联单体数量过多，且超级电容具有半永久性寿命，不需经常更换的优点，从而减少超级电容使用成本。

1 系统的结构及工作原理

1.1 组成结构

如图1所示，一种能判断变频器状态的变频曳引设备节能系统，包括以下部分：

图1 系统的组成结构

1) 检测控制模块：用来检测变频器直流母线电压及控制超级电容充放电;

2) 变频器：具有变频变压节能调速的作用，并实现自动控制和高精度控制，以实现电机的变速运行;

3) 超级电容组件：由超级电容单体组成，用来储存和释放能量;

4) 第一电源供应器、第二电源供应器、第三电源供应器：进行电能转换，为各模块提供能量;

5) 第一辅助电源、第二辅助电源：为电梯运动平台及辅助设备提供能量;

6) 第一电流传感器、第二电流传感器：用来检测变频器直流母线是否有电流通过;

7) 控制箱：电梯外部硬件设备。

1.2 工作原理

系统的工作原理是：当电梯启动时，由于变频器与第一电源供应器的连接电路中设有第一电流传感器与第二电流传感器，所以通过第一电流传感器与第二电流传感器就可以检测到变频器是否有电流通过，从而判断变频器是处于待机状态还是运行状态，若变频器处于运行状态就表示电梯开始运行。与此同时，采样电路检测变频器直流母线电压，若电压大于市电变流后的基准值则表示电梯运行在发电状态，此时，通过检测控制模块控制电源供应器，对超级电容进行充电，将能量储存起来；反之，若电压小于市电变流后的基准值就表示电梯运行在电动状态，此时，通过检测控制模块控制电源供应器，使超级电容进行放电，与市电一起为电梯运行提供能量。即通过准确判别电梯所处的工作状态，实现对变频曳引设备节能系统的自动控制工作，正确指令电源供应器适时进行充放电的工作。电梯运动平台及辅助设备所需的能量由第一、二辅助电源提供。

2 控制策略

系统的控制策略流程图如图2所示：

图2 系统控制策略流程图

由图2可知：

1) 通过变频器输出端所接的电流传感器是否有电流来确定变频器的工作状态，继而通过电路检测变频器直流母线电压与市电变流后的基准值的比较来判断电梯的运行状态；

2)根据设备实际运行确定，当超级电容存储电能后控制检测电路判定电梯处于电动状态时，DC/DC向变频器直流母线输出设定的电流值，恒定向母线供电；这时当负载需求小于恒定供电电流值时，母线电压升高至600V就变成恒压供电了，保证设备在正常工作范围；当负载需求大于恒定供电电流时，母线电压降低至市电AC/DC变流后的电压值，即与市电并行供电，避免了将能量回馈到电网，造成污染；若处于发电状态，控制系统将指令电源供应器使超级电容处于充电状态，将电梯产生的能量进行回收；

3)电梯停运的时候，控制系统会自动检测超级电容储存能量情况，若需要充电，电网对超级电容器进行充电；

4)电梯在应急断电时可以实现自动平层，将超级电容储存的电能逆变为380VAC，作为电梯的备用电源，将电梯快速安全的送到附近的楼层并打开电梯门，以确保滞留在电梯内的乘客的安全，还可以供给桥箱应急照明灯使用；

5)超级电容器单体串联组合的组件，根据电梯用的电压等级和超级电容器单体电压范围确定单体数量，由于超级电容没有直接与变频器直流母线连接，而是通过DC/DC隔离，其电压远低于600V，因此可以减少单体数量，由控制系统控制超级电容器组件工作。

3 系统应用

此节能系统应用于商务楼和住宅楼的电梯实际运行环境中，以下为电梯行业专业人士通过使用测量仪器(如电表等)对商务楼和住宅楼节能效果进行的测试。

3.1 测试过程

本测试中的驱动电机采用交流变频电机，在超级电容器组件的输入和输出端安装可逆的DC/DC变换器，在变频器输出端安装电流传感器，超级电容器充放电工作由CPU控制器进行控制；在该测试中，反馈能量按3～6kW设计可调，即市电经变频器前级AC/DC变流后在变频器直流母线上的电压在520～600V区间，因市电波动而异，所以该反馈装置的输出电压设定在600V，输出电流设定在5～10A可调区间；最后记录应用此节能系统后两电梯楼每月的用电量。

3.2 测试结果

表1为实际运行中两电梯楼平均用电量的测试结果：

表1 平均用电量测试结果

注：节电率：现有系统实际节省用电量与原用电量的比值

由表1知：可以节能38%以上，从而节约用电费用的支出，可见此节能系统具有比较好的节能效果，实现了节能目的。

4 总结

本文主要从系统应用背景、工作原理及应用三方面阐述了该节能系统，该系统能正确判断变频器状态，从而判断电梯运行状态，正确指令DC/DC适时进行充放电，实现电能的回收利用。应用测试结果表明，该系统比原系统节能38%以上，更进一步提高了电梯的节能效果，且该系统实用新型，结构简单，使用方便，具有较强的社会经济应用价值。

1 朱武标.电梯节能综述[J].上海节能, 2013 (2): 27-29.2 叶亮.关于电梯节能的探讨[J].科技致富向导,2011(21):195-195.

3 范奉和,一种电梯能源再生自用装置;201020504721.3,中国,2011-05-04

4 金宝国,沈国平等.电梯用变频曳引设备节能系统;201120058396.7中国,2011-09-07

5 史俊霞.超级电容在电梯节能中的应用前景探讨[J].电气自动化,2013,35(1).

6 唐静.基于超级电容的电梯节能装置的电路设计[D].电子科技大学,2010.

7 陶宝春.电梯节能控制系统研究[J].商品与质量·学术观察,2013(3).

8 芦炜.电梯节能技术的应用探讨[J].能源与节能,2013 (4):58-59.