能量回饋在電梯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

許霞

杭州美科電梯技術(shù)有限公司，浙江杭州 310019

能量回饋在電梯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

許霞

杭州美科電梯技術(shù)有限公司，浙江杭州 310019

隨著電梯應(yīng)用數(shù)量的增加，電梯的節(jié)能研究具有重要意義。基于雙PWM能量回饋控制技術(shù)，設(shè)計了節(jié)能型電梯控制系統(tǒng)。試驗(yàn)研究表明該電梯控制系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。

電梯控制；能量回饋；雙PWM

elevator control; energy feedback; dual PWM

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和科技水平的逐步提高，高層建筑越來越多，電梯的應(yīng)用逐漸普及，其數(shù)量也迅猛增加，已經(jīng)成為人們生活的重要組成部分。電梯是建筑物中耗電量較高的設(shè)備之一，其用電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于照明和供水的用電量，僅次于空調(diào)的用電量。同時由于全球能源緊張問題日益突出，人們對電梯能耗的關(guān)注越來越大[1]。深入強(qiáng)化節(jié)能減排是應(yīng)對能源短缺問題的重要措施之一，是人類可持續(xù)發(fā)展的必由之路，因此節(jié)能綠色環(huán)保的電梯成為電梯業(yè)的發(fā)展趨勢。

電梯是一個帶有平衡對重的曳引系統(tǒng)，主要依靠電動機(jī)提供動力。電梯節(jié)能主要有以下幾種途徑[2]：（1）采用永磁同步無齒輪曳引機(jī)和變頻器調(diào)速取代異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速，以提高電動機(jī)運(yùn)行效率達(dá)到節(jié)能。該方法具有一定的節(jié)能效果，但沒有利用電梯運(yùn)行過程中產(chǎn)生的電能。（2）將電梯運(yùn)行過程中產(chǎn)生的電能通過逆變裝置回饋給交流電網(wǎng)，使電動機(jī)拖動系統(tǒng)在單位時間消耗電網(wǎng)電能下降。該方法可以充分利用電梯的再生能量，具有較好的節(jié)能效果。

1 能量回饋控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 能量回饋原理

電梯在運(yùn)行的過程中有時處于耗電狀態(tài)，有時處于發(fā)電狀態(tài)。根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)電梯空載下行、輕載下行或重載上行時，電梯處于耗電狀態(tài)，這時電能轉(zhuǎn)化為載荷的位能；當(dāng)電梯處于空載上行、輕載上行或重載下行時，電梯處于發(fā)電狀態(tài)，這時載荷的位能轉(zhuǎn)化為電能。

這些所產(chǎn)生的電能存儲在一個電容中，隨著時間的增加電容中蓄積的電能越來越多，電容電壓越來越高，如果不及時把電容儲存的這些電能釋放掉，可能會導(dǎo)致電梯無法正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的電梯大都采用能耗制動方式，用大功率電阻以熱能形式將這部分能量消耗掉。該方法雖然簡單，但浪費(fèi)能量，降低了系統(tǒng)的效率，同時電阻發(fā)熱還會影響系統(tǒng)其他部分的正常工作。而節(jié)能電梯將這部分再生電能通過逆變元件處理后反饋到電網(wǎng)，供電梯或其他電器設(shè)備使用，從而達(dá)到節(jié)能目的，這就是能量回饋的基本原理[3]。

1.2 雙PWM控制技術(shù)

雙PWM控制技術(shù)是目前最常用的一種能量回饋技術(shù)，具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控、動態(tài)響應(yīng)快速、電能雙向傳輸、可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的四象限運(yùn)行和對電網(wǎng)無諧波污染等特性[4]。

雙PWM控制技術(shù)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主電路由扼流電抗器、電網(wǎng)側(cè)PWM整流器、儲能電容和電機(jī)側(cè)PWM逆變器組成。其工作原理描述如下。當(dāng)電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時，電網(wǎng)側(cè)PWM整流器工作在整流狀態(tài)，電機(jī)側(cè)PWM逆變器工作在逆變狀態(tài)。電網(wǎng)側(cè)整流器使用PWM控制交流電網(wǎng)的電流和電壓同相位，電機(jī)側(cè)逆變器的IGBT在PWM 的控制下使輸出電壓和工作頻率成正比，電動機(jī)得到恒定轉(zhuǎn)矩，同時輸入到電動機(jī)的電流為正弦波，減少了高次諧波電流的損耗。

當(dāng)電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時，電動機(jī)產(chǎn)生的能量經(jīng)電機(jī)側(cè)PWM逆變器向中間濾波電容充電，當(dāng)中間濾波電容兩端的直流電壓大于極值時，電網(wǎng)側(cè)整流器中IGBT在PWM控制下將能量回饋到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動，使得整個系統(tǒng)的功率因數(shù)為l，消除了對電網(wǎng)的諧波影響[5]。

1.3 能量回饋控制系統(tǒng)設(shè)計

基于能量回饋控制技術(shù)，采用西門子S7-300系列PLC設(shè)計了電梯控制系統(tǒng)，其框圖如圖2所示。該電梯控制系統(tǒng)主要由操作控制子系統(tǒng)、運(yùn)行控制子系統(tǒng)、門控制子系統(tǒng)和驅(qū)動子系統(tǒng)組成。各個子系統(tǒng)通過具有高可靠性的串行通訊網(wǎng)絡(luò)緊密地聯(lián)系在一起。

圖2 電梯控制系統(tǒng)的基本框圖

系統(tǒng)的工作過程為：

（1）檢測到轎箱的呼喚信號后，根據(jù)轎箱所在的樓層位置和電梯內(nèi)選外呼信號的次序，確定運(yùn)行方向。

（2）驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)使轎箱運(yùn)行，轎箱速度由低速轉(zhuǎn)變?yōu)橹兴僭俎D(zhuǎn)變?yōu)楦咚?，并以高速運(yùn)行至目標(biāo)層。

（3）當(dāng)檢測到目標(biāo)層減速點(diǎn)后，轎廂速度由高速轉(zhuǎn)變?yōu)橹兴僭俎D(zhuǎn)變?yōu)榈退伲⒁缘退龠\(yùn)行至平層點(diǎn)停止。其中電梯的驅(qū)動子系統(tǒng)采用了上述雙PWM能量回饋控制技術(shù)，使電梯的運(yùn)行更加平穩(wěn)舒適，同時取得了較好的節(jié)能效果。

（4）電梯平層以后，經(jīng)過2秒延時后開門，再經(jīng)過10秒延時后關(guān)門。關(guān)門過程中如果有人或物在門中間，電梯利用光電開關(guān)使門自動打開。重復(fù)上述四個步驟可使電梯連續(xù)運(yùn)行。

2 試驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)所設(shè)計的電梯節(jié)能效果，對同一部電梯分別采用能量回饋控制技術(shù)和傳統(tǒng)能耗制動技術(shù)進(jìn)行對比試驗(yàn)。所采用的電梯控制系統(tǒng)具體配置參數(shù)如表1所示。

對于采用能量回饋控制技術(shù)和傳統(tǒng)能耗制動技術(shù)的兩種情況，分別統(tǒng)計負(fù)載為0、20%、40%、60%、80%和100%六種工況時，電梯一天的耗電量，計算出節(jié)電率。圖3為測得的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 電梯控制系統(tǒng)配置參數(shù)

圖3 采用能量回饋控制技術(shù)的電梯節(jié)電率

從上圖中可以看出在負(fù)載為不同工況時，電梯采用能量回饋控制技術(shù)相對于采用傳統(tǒng)能耗制動技術(shù)具有較好的節(jié)電效果，特別是當(dāng)電梯在滿載和空載工況下運(yùn)行時，節(jié)電效果非常明顯，節(jié)電率可達(dá)50%左右。

3 結(jié)語

當(dāng)前世界能源緊張問題日益突出，節(jié)能降耗和資源再生受到越來越廣泛的關(guān)注。針對電梯的節(jié)能問題，利用雙PWM能量回饋控制技術(shù)，設(shè)計了一個節(jié)能型電梯控制系統(tǒng)。試驗(yàn)表明該電梯控制系統(tǒng)有效降低了能源損耗，節(jié)能效果十分明顯，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1] 陳玉東, 朱武標(biāo).能量回饋技術(shù)在電梯中的應(yīng)用—必要性分析與現(xiàn)狀概述[J].智能建筑.2009(110):37-40

[2] 徐衛(wèi)玉, 吳國良.淺談節(jié)能型電梯與智能電網(wǎng)的銜接[J].上海節(jié)能.2008,(8):26-29

[3] 錢夏夷, 原徐成.能量回饋控制技術(shù)在電梯節(jié)能中的應(yīng)用[J].中國電梯.2009, 20 (17): 12-17

[4] 吳小蘭, 謝金紅.淺談能源再生型變頻器在曳引式電梯上的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù).2010,39(6):118-120

[5] 孔偉榮, 朱武標(biāo), 姜建國.雙PWM控制能量回饋電梯傳動系統(tǒng)的設(shè)計[J].電氣傳動.2007, 37(8):8-11

Application of Energy Feedback in the Elevator Control System

Xu Xia
Hangzhou Make Elevator Technology Co., Ltd.Hangzhou 310019,China

With the increase of numbers of elevator, it is greatly valuable to study the energy saving of elevator.Based on the energy feedback control technology of dual PWM, an energy saving elevator control system is designed.The test shows that the elevator control system has good ability of energy saving.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.082

許霞（1982-）女，學(xué)士，助理工程師，主要從事電梯控制系統(tǒng)研究。