變頻器電能回饋裝置在電梯節(jié)能改造中的研究與應用

李躍華

摘要：該文闡述了變頻器電能回饋裝置的工作原理，介紹了變頻器電能回饋裝置在電梯節(jié)能改造中的研究與應用，并對改造后的節(jié)能效果進行了量化跟蹤測量，對當前市場巨大存量變頻器電能回饋裝置在節(jié)能改造方面的應用提供了技術參考和借鑒。

關鍵詞：電梯；變頻器；電機可逆性原理；能耗制動；回饋制動；電梯提升高度；節(jié)能改造

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）23-5539-04

在我國進一步建設“生態(tài)文明”國策的背景下，節(jié)能減排已上升為國家戰(zhàn)略，各地政府也把抓好重點行業(yè)和企業(yè)的節(jié)能減排工作放在了重要的位置。電梯作為現(xiàn)代化建筑交通的重要工具，早已深入到了城市民生的每個環(huán)節(jié)，據統(tǒng)計，廣東省是全國電梯保有量第一大省，截至2012年，全省在用電梯近41萬臺，設備總量超過全國1/7，在過去的5年中設備年增幅達到20%左右，近2年來雖有所下降，其增幅也均在15%以上。電梯對電能的消耗也是驚人的，據統(tǒng)計，在現(xiàn)代樓宇中，電梯設備所耗能源已經占到樓宇總能耗的30%左右，隨著社會總能耗的不斷增長，“電荒”現(xiàn)象時時發(fā)生，電梯節(jié)能越來越引起人們的廣泛關注。

在變頻器節(jié)能領域，目前技術種類比較齊全，節(jié)能效果較為明顯的有四象限變頻器電能回饋方式、超級電容儲能回饋方式等的應用，市場節(jié)能效果較為明顯，但均因屬于新裝電梯使用范圍，目前市場存量巨大的普通變頻器則存在很大的技術改造空間。該文則主要對市場未采用電能回饋裝置的存量變頻器，通過外部加裝回饋模塊來達到節(jié)能效果的技術改造。

對市場存量的老舊變頻器通過外部加裝變頻器的方式，大大降低了改造成本，節(jié)能效果顯著，節(jié)電約15～45%。

1 變頻器電阻能耗工作方式耗電量大，技改市場廣闊

變頻調速電梯運行時，采用矢量閉環(huán)控制方式，在電梯轎廂空載上行或重載下行及其制動過程中，電動機均處于發(fā)電狀態(tài)，使得變頻器直流側電壓迅速升高，普通變頻器通常是將電容儲存的剩余電量通過溢出開關轉化成制動電阻上的熱量而白白消耗掉。有資料顯示在電梯消耗的總電能中，最高可達40%的能量被制動電阻消耗。能耗電阻在大量產熱的同時，使得電梯機房的溫度受到了極大的影響，在高溫的夏季，為保持機房溫度在40攝氏度以下，又不得不采用加裝空調來降溫，連續(xù)運轉的空調用電量巨大，使得電梯運行總能耗進一步提高。而通過安裝電能回饋裝置，將電梯運行過程中儲存在電容上的多余電能通過逆變裝置回饋到電網，供給樓宇其他設備用電，同時減少制動電阻的發(fā)熱量，降低電梯機房溫升，減少甚至是停止空調的使用，達到雙重節(jié)能的效果，同時也使得電梯機房的各類設備因環(huán)境溫度的降低而延長使用壽命，減少因高溫導致的各類故障，綜合效應明顯提高。

2 變頻器電能回饋裝置的研究與應用

2.1 電梯基本工作原理

電梯分為三種基本工作模式，即轎廂輕載、轎廂重載和轎廂與對重平衡三種模式。當轎廂滿載上行時，因轎廂側重量大于對重側，曳引機電動機處于電動運行狀態(tài)，變頻器必須施加和轎廂方向一致的轉矩才能拖動負載；當轎廂滿載下行時，因轎廂側與對重側重量差為正值，轎廂側勢能轉化為機械能，曳引機電動機不但無需耗電，還要將部分勢能轉化為電能，電動機處于發(fā)電機狀態(tài)，變頻器此時直流側端電壓迅速升高，變頻器工作在吸收電能的狀態(tài)。當轎廂空載上行時，同樣道理，因轎廂側重量小于對重側，曳引機電動機處于發(fā)電機運行狀態(tài)，變頻器此時施加和轎廂運行方向相反的轉矩以平衡轎廂側重量的不足；當轎廂空載下行時，同樣因轎廂側與對重側重量差為負值，電動機處于電動運行狀態(tài)，變頻器需要施加和轎廂運行方向的轉矩來拖動負載。當轎廂側與對重平衡時，無論轎廂上行或是下行，變頻器只需提供克服運行中的摩擦所耗能量即可，當然此種平衡模式在實際使用中出現(xiàn)頻度較小。

以上三種電梯運行狀態(tài)是描述勻速運行時的狀況。需要指出的是，靜止的轎廂啟動時或是運行中的轎廂摯停時，電動機在快速制動時，往往需要變頻器工作在發(fā)電模式來吸收制動能量，未經改造的傳統(tǒng)變頻器將這種電量通過制動電阻來消耗，稱之為能耗制動。無論是電梯的啟動和制動還是上述三種狀態(tài)下的運行，變頻器都在不斷的做著吸收電能的工作，如果吸收的電能加以吸收轉換，可以大大節(jié)約電能，經濟效益十分顯著。

2.2 變頻器電能回饋裝置原理

能量回饋制動裝置就是電梯曳引機電動機處在發(fā)電機運行狀態(tài)，變頻器因吸收回饋電能而出現(xiàn)直流端電壓升高時，將吸收的多余電能回饋給電網。當曳引機電動機采用變頻調速時，其電能回饋制動裝置主要通過變頻器的回饋制動模塊實現(xiàn)，如圖2所示。

電能回饋裝置將變頻器直流端儲存的多余的直流電經過IGBT模塊逆變成恒頻恒壓的交流電，再通過濾波電路后返送電網供其它用電設備使用，減少市政用電量，本文以日立GVF系列品牌電梯為例，采用富士牌變頻器，在改造前測得直流母線靜態(tài)電壓和峰值電壓分別為530V和690V，制動電阻持續(xù)電流和峰值電流分別是15A和25A，在夏季平均氣溫變化不大的外部環(huán)境下，機房溫度為35-48攝氏度，電梯機房必須通過空調降溫。該文在改造中設置電能回饋設備工作電壓為600V～640V之間，制動電阻工作電壓為680V。通過設置回饋設備的閥值電壓低于制動單元的工作電壓，來控制電能回饋設備比制動單元提前工作。這樣連接電能回饋設備的電梯變頻器直流母線電壓就不會超過640V，制動單元不再投入工作，制動電阻能耗減為零，大大降低了電梯機房的溫升。當電能回饋裝置發(fā)生故障停止工作或者自我保護時，變頻器又可以通過之前的能耗方式將多余電能消耗的電阻上，并不影響電梯的正常使用。發(fā)生故障的變頻器電能回饋裝置可以通過外部顯示等方式告知維保人員進行及時維修。

變頻器回饋制動設置條件：

1） 電動機從高速（高頻FH）到低速（低頻FL）減速過程中，頻率減小，電動機的機械慣性使得電動機轉速大于同步旋轉磁場轉速n0，此時轉差s為負值，電動機處于發(fā)電機狀態(tài)，這時的反電動勢E大于端電壓U。

2） 勢能負載，如轎廂空載上行（或滿載下行）時，轎廂和對重側的質量差使得電動機不僅不需要輸出功率，而且還要起到一定的制動作用，出現(xiàn)實際轉速大于電動機同步旋轉磁場轉速no，這時電動機處于發(fā)電機運行狀態(tài)，當然反電動勢E大于端電壓U。

2.3 采用控制算法

本文改造中的控制方法采用電流追蹤型正弦脈寬調制SPWM控制，如圖3所示。

這種控制算法將實測的直流母線電壓與給定值進行比較相減，它們的差通過PI電壓調節(jié)器，得到電流的給定值Id*；電流給定值Id*再與與電源電壓相位檢測后得到的三相正弦基準值相乘，得到三相正弦輸出電流的給定值，然后與電流檢測信號進行相減，得到△Iabc，之后經PI電流調節(jié)器處理后得到三相輸出電壓的給定值V*abc與三角載波進行比較的調制波作為開關管的觸發(fā)信號。電流△Iabc的值直接控制了SPWM調制的占空比，使實際輸入電流接近參考電流的大小。

這種變頻器電能回饋控制算法具有開關頻率固定、噪聲小，損耗小等優(yōu)點。此控制方式算法略去了坐標變換的計算，因此與采用矢量控制方式相比具有算法簡單，對控制器的計算能力要求較低的優(yōu)點。

3 工程實際應用中節(jié)能效果的研究

3.1 節(jié)能效果的研究

為研究電梯變頻器回饋裝置在實際應用中的節(jié)電效果， 可用通過電能表，記錄其有功功率和無功功率的消耗情況，通過定時定量的計算，對比改造前后的數據，得出總體的節(jié)能測算數據。電流鉗表主要測量變頻器輸入端的電流，對照改造前后的電流值，說明變頻器電能回饋裝置工作情況正常，接點功能有效。為使該改造工程更具參考意義，特設置如下條件：

1） 在工程研究中，發(fā)現(xiàn)不同樓宇性質，不同的提升高度、不同功率的電機，其節(jié)能效果存在一定的差異，究其原因發(fā)現(xiàn)：啟制動頻率較大的寫字樓節(jié)電效果優(yōu)于使用頻率較小的住宅電梯；提升高度越大的電梯，在相同情況下節(jié)能效果越明顯；電梯額定速度越大的電梯，改造后節(jié)能效果越顯著。該文所測量的電梯數據，主要來自寫字樓宇，提升高度30層左右，梯速普遍在1.8 m/s及以上，電梯曳引機電動機功率 20.5 kW 以上。

3.2 回饋電能質量測量

在電能節(jié)電率方面取得了理想的效果的情況下，對于回饋電能的質量也不能忽視。節(jié)能改造后輸入市電網絡的電能主要存在以下問題需要克服：

1） 避免高次諧波含量超標，因為本次改造是在不改變原有變頻器的基礎上所做的增加節(jié)能回饋模塊的方法，因此容易導致網側的電流諧波含量超標，為此可對系統(tǒng)進行后續(xù)測量跟蹤，可采用加裝額外濾波環(huán)節(jié)加以改善。

2） 市電網絡電壓波動范圍要符合要求，由于電量回饋裝置是直接將電能反饋給電網，因此該裝置對電網電能質量的影響也比較大，該文所涉及的電梯多數來自寫字樓宇，多因樓宇本身都建有獨立的變電房，電能質量良好，電壓波動范圍能限定在規(guī)定的范圍之內。本次測試使用Fluke電能質量鉗型表來測量電能質量的各項數據，并與相關的國家標準對比， 圖5為電能質量測量的現(xiàn)場照片，表2為電能質量檢測數據與國標的對比。

由上我們可以得出結論，經改造后，該能量回饋制動裝置輸出電能的質量完全符合國家相關標準，總的節(jié)電率高達36%，完全滿足目前市場大量未經改造的存量電梯的改造要求，該項目的研究與應用，為實現(xiàn)低碳節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)代電梯產業(yè)提供了較好的參考借鑒價值。

4 結束語

經過對電梯變頻器進行改造的研究與應用，取得了較滿意的節(jié)能效果。該節(jié)能方案針對市場存量電梯變頻器的改造具有十分便利的推廣價值。在改造過程中，協(xié)同電梯企業(yè)專家共同研究，探討，得到了企業(yè)的大力支持和配合，在此深表謝意。

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