一种电梯能量回馈装置试验平台的设计与实现*

崔健坤，王 葵，代清友

（广东省特种设备检测研究院，广州 528251）

0 引言

电梯作为非常重要的出行工具，在人们的生活中发挥着非常重要的作用。但是，电梯在楼宇的能耗中占据着非常高的比重，如何降低电梯能耗对我国建设低碳环保社会具有非常重要的意义[1-3]。

电梯包括轿厢和对重，对重比空载轿厢重，因此在轻载上行和重载下行过程中，电梯处于发电状态。另外，在停止过程中，电梯也处于发电状态。传统的电梯通常加装制动电阻，将电梯运行产生的电能消耗在制动电阻上。这不仅浪费了电能，同时造成机房温度升高，影响电梯寿命。

电梯能量回馈装置的输入端连接到电梯变频器直流母线，输出端连接到电网。在电梯处于发电状态时，将电梯电动机发出的电能，通过三相逆变，转换为电网同频同压低谐波的电能，传送给电网。不仅可以降低变频器直流母线侧的电压，同时减少用户的电费，达到了经济、环保和安全的目的。

随着我国建设低碳环保社会的加速推进，电梯能量回馈装置得到越来越广泛的应用[4-9]。电梯型规[11]、检规[12]、对电梯能量回馈装置提出了强制的性能要求。国标GB∕T 32271-2015《电梯能量回馈装置》[13]是针对电梯能量回馈装置的首个产品标准，标准中规定了电梯能量回馈装置的技术要求、试验项目与方法、检验规则以及标志、包装、运输和贮存。对于标准中规定的试验项目和方法，行业内还没有专门的检验设备，导致部分试验项目只能安装在整梯上完成试验项目，部分项目还存在检不了、检不准的难题。

针对以上问题，本文开发了一种电梯能量回馈装置试验平台，在试验室可以完成回馈装置的所有试验项目，解决行业检不了、检不准的难题，提升检验质量和效率，促进我国电梯节能事业的发展。

1 平台的结构

仪器结构如图1 和图2 所示，仪器主要包括上位机、USB 转RS232 转接口、直流电源、三相交流电源、交流电子负载、单相功率计、电能质量分析仪。

图1 平台结构原理

图2 平台通信原理

直流电源具有可编程功能，模拟变频器直流母线侧的输出，可以输出电压和电流可变的直流电。三相交流电源具有可编程功能，模拟电网侧的输出，可以输出电压、频率可变的三相交流电。交流电子负载用于模拟电网侧的能耗设备，用于调整被测能量回馈装置的输出功率。单相功率计用于检测被测能量回馈装置的输入直流功率。电能质量分析仪用于检测被测能量回馈装置输出的交流有功功率、电流谐波、功率因数、直流分量等参数。

考虑到现在的计算机一般不标配RS232 接口，因此上位机通过USB 转RS232 转接口和直流电源、三相交流电源、交流电子负载、单相功率计、电能质量分析仪等进行通信。上位机采用LabVIEW 编程，实现对各个设备的控制和信号的接收。

2 仪器检测原理

2.1 性能指标的检测

回馈装置的效率通过式（1）计算：

式中：η为回馈装置效率；Pac为电能质量分析仪测得的有功功率；Pdc为单相功率计测得的直流功率。

启动试验平台，调整交流电子负载的输出功率，分别使被测能量回馈装置输出25%额定功率、50%额定功率、100%额定功率，分别记录此时单相功率计和电能质量分析仪测得的功率值，通过式（1）得到被测能量回馈装置的效率。

电能质量分析仪同时检测被测能量回馈装置输出电能的质量，并且将回馈电流谐波、功率因数、直流分量等数据直接传输到上位机。

2.2 保护功能

启动试验平台，被测能量回馈装置正常工作，通过模拟相应的故障测试回馈装置的保护功能。

（1）电网故障保护

通过逐渐调整三相交流电源的输出电压，当输出电压超过被测能量回馈装置的过∕欠压保护电压时，观察回馈装置是否停止运行。

通过逐渐调整三相交流电源的输出频率，当输出频率超过被测能量回馈装置的过∕欠频保护频率时，观察回馈装置是否停止运行。

（2）防反放电保护

降低直流电源的输出电压，使回馈装置处于非回馈工作状态，记录单相功率计的电流值，判断该值是否超过100 mA。

（3）极性反接保护

将直流电源和回馈装置的连接线反接，然后开启试验平台，观察回馈装置是否停止工作，并且不损坏。

（4）直流电压过压保护

调整直流电源的输出电压超过回馈装置工作电压的上限，观察回馈是否停止工作。

（5）过流保护

调整交流电子负载的输出功率，观察电能质量分析仪测得的输出电流值。当电流值超过回馈装置的工作电流额定值时，观察回馈装置是否停止工作。

3 测量仪器技术方案

电梯能量回馈装置需要在电网正常的情况下才能运行。当电网上没有供电，或者供电电压和频率存在异常时，能量回馈装置应当停止工作，避免产生孤岛效应，防止安全事件的发生。

根据市场调研结果，除了部分超高速或者超大载重的电梯，市场上常用电梯的功率一般不超过20 kW，同时考虑到试验室的电容量，本文中设计的试验平台所试验的电梯能量回馈装置的最大功率为20 kW。

按照GB∕T 32771-2015《电梯能量回馈装置》的要求，三相交流电源的容量应大于被测回馈装置额定功率的5倍。如图3所示，三相交流电源采用深圳市某公司的TAC6100 交流变频电源，容量达到100 kVA，输出电压和频率可调的三相电，电压单相可调范围0～300 VAC，频率可调范围45～200 Hz。

图3 三相交流电源

在电梯能量回馈装置试验过程中，能量回馈装置向三相交流电源和交流电子负载输出功率。当交流电子负载断开或者交流电子负载的消耗功率小于回馈装置的输出功率时，三相交流电源将有功率输入。如果输入功率过大，将造成三相交流电源的损坏。针对以上风险，本平台使用的三相交流电源具有防反保护功能，当被测回馈装置向三相交流电源输入的功率达到一定数值时，三相交流电源将停止工作或者限制输入功率进一步增加。

直流电源向电梯能量回馈装置输出电压逐渐增大的直流电。当电压值超过回馈装置的启动电压时，回馈装置开始工作。当电压值超过回馈装置的最高电压时，回馈装置停止工作。通过设定直流电源的输出功率可以限制回馈装置的工作功率。

按照GB∕T 32771-2015《电梯能量回馈装置》的要求，直流输入源应至少能提供被测回馈装置最大直流输入功率的1.5 倍。如图4 所示，直流电源采用深圳市某公司的TDC2000C 系列直流电源，容量达到50 kW，输出电压和电流可调的直流电，电压可调范围0～1 000 VDC，电流可调范围0～50 A。

图4 直流电源

交流电子负载可以消耗回馈装置向电网反馈的电能。通过调整交流电子负载的阻性功率值，使回馈装置输出特定的功率值，用以完成回馈装置效率等试验项目的测试。如图5 所示，交流电子负载采用深圳市某公司的TAC-R-50K型号的交流电子负载，额定功率为50 kW，可以满足额定功率为50 kW的能量回馈装置的试验。

图5 交流电子负载

能量回馈装置的效率直接反映其节能水平。根据标准要求，须在回馈装置的输入端和输出端测量输入和输出功率，从而得到其效率值。本平台在回馈装置的输入端采用日置公司PW3335 型号的单相功率计，如图6 所示，DC、AC 的最大输入电压均为1 000 V，DC、AC 的电流输入端子的最大输入电流均为30 A。

图6 单相功率计

能量回馈装置将逆变的电能输出到电网，如果电能质量不达标，容易造成对电网的污染，影响电网的正常运行。同时，考虑测量回馈装置输出端的功率，本平台在回馈装置的输出端采用某公司PQ3198型号的电能质量分析仪，如图7 所示。可测试的最大电流达到6 000 A，连续进行高精度的电能质量测量，还可测量高次谐波成分。

图7 电能质量分析仪

综上所述，本平台可完成额定功率为20 kW 的能量回馈装置的试验，基本满足市场上常规能量回馈装置的试验要求。

4 测试与结果分析

采用本平台对2 台电梯能量回馈装置进行试验，如图8 所示。根据电梯型式试验规则的要求，回馈装置应具有防反放电保护、极性反接保护、直流电压过压保护、短路保护、断路保护等保护功能。试验结果表明2 台回馈装置都满足型式试验规则的要求。

根据GB∕T 32771-2015，能量回馈装置还需具备电网故障保护。在对2台回馈装置进行试验时，2台都不满足标准要求。当电网断开时，2台都能够停止运行。

由于型式试验规则属于国家强制执行规范，企业能够严格遵守规范的相关的要求。而国标属于推荐性标准，企业并未采纳其中的一些条款。为了进一步提升能量回馈装置的质量，企业应将国标的要求纳入到产品的功能中。

5 结束语

（1）该试验平台让电梯能量回馈装置不需要安装到电梯上进行试验，可以在试验室内完成所有试验项目。

图8 电梯能量回馈装置

（2）该试验平台在试验室内模拟电梯能量回馈装置的各种运行工况，完成检规、型规、标准的试验要求。

（3）该平台解决了电梯能量回馈装置检不了、检不准的难题，提升了检验质量，大大降低了劳动程度。

（4）试验结果表明，市面上部分产品能够满足型规的所有要求，但是标准中的部分要求不能满足，产品质量需进一步提升。

（5）该试验平台操作简单，界面友好，可以满足市场上常规能量回馈装置的试验要求。

（6）该试验平台提高了电梯行业的科技和装备水平，对提升电梯节能水平、促进我国低碳环保社会的建设具有积极的推动作用。