电梯节能驱动系统设计

(山西建筑职业技术学院，山西 晋中 030619)

引言

随着我国城镇化建设的稳步推进，全国范围内的城镇规模不断增大，为了提高土地的利用率，高层建筑随之增加。因此，电梯行业得到了迅速发展，产业规模得到了进一步提升。我国电梯行业的特点是：起步晚，技术能力和自主研发能力薄弱，电梯控制的关键技术被国外所垄断，外资及国外生产厂家掌握着电梯控制的前沿技术，如三菱、日立、奥的斯等企业，国内的大部分市场，特别是中高端市场主要被这些厂家所占据。国内自主研发和生产的电梯公司缺乏核心竞争力，在生产制造方面以零部件的生产为主，对于控制系统方面研发偏少，为了提高电梯的控制技术，我国正积极推进控制系统的自主研发。

1 系统结构和工作原理

1.1 系统结构

市场上现有的电梯主要有台箱式和自动扶梯两种，自动扶梯的用途面窄，主要用于商场，台箱式电梯主要用于楼层较高的大厦。电梯节能的关键在于控制，基于永磁同步曳引机垂直升降电梯节能驱动系统的设计是本文研究的重点。电梯控制系统的主要功能与结构如图1所示。

图1 控制系统结构图

由图1可知，此次所设计的电梯控制系统主要由电梯门厅、电梯井道以及控制机房三部分组成。门厅是电梯与用户之间建立交互联系的地方，主要由电梯门框等机械结构部分和电梯呼叫按钮、电梯运行指示灯等电气控制部分组成；机械结构部分用于承载客人或者货物；电气控制部分用于呼叫电梯以及控制电梯的运行、显示电梯的运行状态等，所有的控制部分均由控制机房来实现。

1.2 驱动系统设计方案

如何驱动是实现电梯节能的关键，此次设计的节能控制系统，能够将电梯运行时的反馈能量充分应用于电梯曳引机的驱动控制，该系统的优点在于通过储能装置回收电梯的能量，从而解决控制系统中的节能系统驱动能量的问题，储能装置主要由超级电容组成。驱动系统结构如图2所示。

图2 驱动系统功能结构图

1.2.1 主控制系统

主控制系统是整个驱动系统的核心部分。由图2可知，主控部分主要包括电源、DSP芯片、FPGA处理芯片、信号的采集处理、通讯、隔离以及输出等部分组成。其主要功能为：接受工作指令(包括门厅指令、急停指令、报警指令等)、获取电梯运行信息、输出控制指令，同时根据具体情况及预先内置的控制逻辑作出相应的决策，实现超级电容模组。

1.2.2 驱动子系统

驱动子系统是驱动系统节能实现的关键所在。目前主流的设计方法是交-直-交，因此，此次驱动系统也采用了该方法，主要包括整流、逆变和信号采集等部分，利用市电的380 V交流电为电梯曳引机供电，具体如下：

(1)整流模块。将电网输入的380 V三相交流电进行整流，获得540 V的直流电到直流母线。

(2)逆变模块。通过DSP模块的输出的PWM波对直流母线上的电源进行逆变，变换为所需要的交流电，从而驱动曳引机。

(3)信号采集模块。为了精准控制电梯的运行，系统采用了闭环控制，实时检测驱动系统的电压和电流，并作为DSP的输入信号，根据芯片的内置程序进行逻辑运算，并根据运算结果反馈补偿电梯的运行控制信号。

1.2.3 节能系统

节能系统主要包括直流变换器模块和传感器模块。其主要功能是完成节能的任务。首先是把电梯反馈的能量进行储蓄，这主要是在电机制动过程中完成的，在电机工作状态时，把储存的能量回馈，保证母线电压可以保持在稳定区间，并且可以实现能量的双向流动。

(1)Buck-Boost变换器模块。超级电容的充放电功能由此实现。主要是通过控制模块输出PWM波形实现在Buck电路和Boost电路之间的转换。

(2)传感器模块。包括电压传感器和电流传感器，可以采集双向直流两侧电压、电流信号，作为DSP控制芯片的反馈输入信号，从而控制驱动系统的输出。

2 电梯节能驱动系统硬件设计

2.1 主控制系统硬件电路设计

主控制系统是电梯驱动系统的的核心，主要用于接收工作指令、采集电压电流信号、输出速度控制信号，同时通过变换器和传感器实时监控电梯的运行情况并对电容进行充放电控制。DSP芯片运算速度快，数据处理量大，因此，控制系统采用DSP芯片控制、FPGA芯片辅助运算与通信的控制模式。DSP芯片由两块芯片组成，一主一从，主芯片用于整体控制，从芯片用于曳引机控制。FPGA作为辅助的运算工具，处理运算过程中的逻辑判断工作和数据通信工作。

2.2 驱动系统硬件电路设计

电梯的运行由驱动系统直接控制，曳引机是电梯运动的输出机构，是控制系统的执行机构。在驱动系统的内部，首先通过全桥整流模块，将三相交流电整流为直流，然后通过控制系统输出的PWM波形对直流电进行控制输出，从而获得频率可变的交流电，实现曳引机的控制。为了保障曳引机的控制稳定可靠，系统拟采用闭环控制，通过电流传感器监测曳引机的工作电流，从而实时掌握曳引机的工作状态。

2.3 节能系统硬件电路设计

Buck-Boost变换器为节能系统的核心部分，其作用是对节能模块进行充放电。变换器由主控制系统控制，主控制系统根据曳引机的工作状态和运行情况，作出逻辑判断，输出变换器的控制信号。当出现异常情况时，主控制器会输出切断信号，将节能系统与直流母线断开，保证系统的稳定运行。

3 测试及分析

系统的整体试验主要包括电梯的运行控制和节能效率两方面。在电梯的运行控制方面，通常采用“S”形速度曲线对电梯的运行速度进行控制，从而保证电梯内人员的舒适性和电梯本身运行的安全性。

在控制试验时，分别将电机的匀速运转速度设置为20 r/min、50 r/min和100 r/min，根据电梯曳引机轮子的半径(0.25 m)计算出电梯运行的线速度分别为：0.52 m/s，1.37 m/s和2.61 m/s。利用试验塔监测上位机对电梯的速度进行跟踪观察的曲线得知：在加速和匀速阶段速度跟踪能够满足要求，即运行速度和输出控制的理论云速度能够匹配。

节能效率分析是在电梯运行10次的情况下，测量电梯的空载节能情况。比较在使用节能装置前后的电梯能源消耗。每次试验过程包括以下步骤：开门、关门、电梯上行5层，开门、关门、电梯下行5层，开门。通过上位机观察，使用节能装置前，电梯系统的最大电流为19.8 A，电力消耗为0.140 kW·h；使用节能装置后，电梯系统的最大电流为13.2 A，电能消耗0.100 kW·h。通过计算可知，采用节能装置控制之后，系统的电力消耗下降了28.6%。

由此可见，采用了此次设计后，电梯系统在节能和控制方面都取得了较大改善。

4 结语

通过对电梯驱动系统的系统结构和工作原理进行分析，制定出电梯驱动系统设计方案，阐述了驱动系统的组成部分及其作用，并进行了硬件设计，包括主控、驱动和节能部分，最终通过对驱动系统的整体测试，验证了该系统在电梯运行控制和电力节能方面的优越性。