一種能判斷變頻器狀態(tài)的曳引設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)

朱建康 陳明琪 黃金蘭 盛 林

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院太倉(cāng)分院 太倉(cāng) 2154002)(2.福州大學(xué) 福州 350108)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)迅速發(fā)展，現(xiàn)代化進(jìn)程穩(wěn)步推，高層建筑日益增多，變頻曳引式電梯設(shè)備也得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)顯示：2011年底我國(guó)在用電梯201．06萬(wàn)臺(tái),全國(guó)年電梯耗電量約為293億kWh，近3年以來(lái)我國(guó)電梯擁有量年均增長(zhǎng)在15%以上。電梯耗電已經(jīng)占到大樓總能耗的3%～5%，占到全社會(huì)用電總量的約0．49%[1-2]。由于現(xiàn)在電力資源的不足，出現(xiàn)了供需矛盾，電梯的節(jié)能凸顯出越來(lái)越重要的地位。

近幾年通過(guò)電梯行業(yè)專家的不斷研究和開(kāi)發(fā)，電梯的節(jié)能技術(shù)逐漸走向成熟，尤其是能量回饋節(jié)能技術(shù)有重大突破，其一，是采用逆變器將再生能量回饋到電網(wǎng)[3-4]；其二是超級(jí)電容器與直流母線直接相連吸收回饋能量超級(jí)電容器直接與變頻器的直流母線連接；其三，采用電池吸收回饋能量，電池組通過(guò)雙向DC-DC與變頻器的直流母線連接。對(duì)于第一種方法由于逆變PWM的脈寬調(diào)制，回饋的能量中其電流諧波畸變率約在5%～7%之間高次諧波對(duì)電網(wǎng)及其用電設(shè)備都有不可忽視的影響但因其價(jià)格因素以及對(duì)電網(wǎng)的影響，尚有一定難度推廣應(yīng)用；第二種方法，由于變頻器直流母線電壓在513～539V之間變化，而超級(jí)電容的單體電壓在2～3V之間，此結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)單體數(shù)量過(guò)多，成本高昂[5-6]；對(duì)于第三種方法，該方案可回收能量有限，并且電池需要按期更換，雖理論上存在可行性，但應(yīng)用并不廣泛。

因此，本項(xiàng)目針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，設(shè)計(jì)了一種能實(shí)時(shí)判斷變頻器狀態(tài)的變頻曳引設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)，從而準(zhǔn)確判別電梯所處工作狀態(tài)，對(duì)變頻曳引設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)的自動(dòng)控制工作起到?jīng)Q定作用，可以正確指令DC/DC適時(shí)進(jìn)行充放電。既克服了回饋能量污染電網(wǎng)的問(wèn)題，又避免了超級(jí)電容串聯(lián)單體數(shù)量過(guò)多，且超級(jí)電容具有半永久性壽命，不需經(jīng)常更換的優(yōu)點(diǎn)，從而減少超級(jí)電容使用成本。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，一種能判斷變頻器狀態(tài)的變頻曳引設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)，包括以下部分：

圖1 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1) 檢測(cè)控制模塊：用來(lái)檢測(cè)變頻器直流母線電壓及控制超級(jí)電容充放電;

2) 變頻器：具有變頻變壓節(jié)能調(diào)速的作用，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和高精度控制，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行;

3) 超級(jí)電容組件：由超級(jí)電容單體組成，用來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量;

4) 第一電源供應(yīng)器、第二電源供應(yīng)器、第三電源供應(yīng)器：進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，為各模塊提供能量;

5) 第一輔助電源、第二輔助電源：為電梯運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及輔助設(shè)備提供能量;

6) 第一電流傳感器、第二電流傳感器：用來(lái)檢測(cè)變頻器直流母線是否有電流通過(guò);

7) 控制箱：電梯外部硬件設(shè)備。

1.2 工作原理

系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)電梯啟動(dòng)時(shí)，由于變頻器與第一電源供應(yīng)器的連接電路中設(shè)有第一電流傳感器與第二電流傳感器，所以通過(guò)第一電流傳感器與第二電流傳感器就可以檢測(cè)到變頻器是否有電流通過(guò)，從而判斷變頻器是處于待機(jī)狀態(tài)還是運(yùn)行狀態(tài)，若變頻器處于運(yùn)行狀態(tài)就表示電梯開(kāi)始運(yùn)行。與此同時(shí)，采樣電路檢測(cè)變頻器直流母線電壓，若電壓大于市電變流后的基準(zhǔn)值則表示電梯運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)，通過(guò)檢測(cè)控制模塊控制電源供應(yīng)器，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)；反之，若電壓小于市電變流后的基準(zhǔn)值就表示電梯運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，通過(guò)檢測(cè)控制模塊控制電源供應(yīng)器，使超級(jí)電容進(jìn)行放電，與市電一起為電梯運(yùn)行提供能量。即通過(guò)準(zhǔn)確判別電梯所處的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻曳引設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)的自動(dòng)控制工作，正確指令電源供應(yīng)器適時(shí)進(jìn)行充放電的工作。電梯運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及輔助設(shè)備所需的能量由第一、二輔助電源提供。

2 控制策略

系統(tǒng)的控制策略流程圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)控制策略流程圖

由圖2可知：

1) 通過(guò)變頻器輸出端所接的電流傳感器是否有電流來(lái)確定變頻器的工作狀態(tài)，繼而通過(guò)電路檢測(cè)變頻器直流母線電壓與市電變流后的基準(zhǔn)值的比較來(lái)判斷電梯的運(yùn)行狀態(tài)；

2)根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行確定，當(dāng)超級(jí)電容存儲(chǔ)電能后控制檢測(cè)電路判定電梯處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，DC/DC向變頻器直流母線輸出設(shè)定的電流值，恒定向母線供電；這時(shí)當(dāng)負(fù)載需求小于恒定供電電流值時(shí)，母線電壓升高至600V就變成恒壓供電了，保證設(shè)備在正常工作范圍；當(dāng)負(fù)載需求大于恒定供電電流時(shí)，母線電壓降低至市電AC/DC變流后的電壓值，即與市電并行供電，避免了將能量回饋到電網(wǎng)，造成污染；若處于發(fā)電狀態(tài)，控制系統(tǒng)將指令電源供應(yīng)器使超級(jí)電容處于充電狀態(tài)，將電梯產(chǎn)生的能量進(jìn)行回收；

3)電梯停運(yùn)的時(shí)候，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)超級(jí)電容儲(chǔ)存能量情況，若需要充電，電網(wǎng)對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電；

4)電梯在應(yīng)急斷電時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平層，將超級(jí)電容儲(chǔ)存的電能逆變?yōu)?80VAC，作為電梯的備用電源，將電梯快速安全的送到附近的樓層并打開(kāi)電梯門，以確保滯留在電梯內(nèi)的乘客的安全，還可以供給橋箱應(yīng)急照明燈使用；

5)超級(jí)電容器單體串聯(lián)組合的組件，根據(jù)電梯用的電壓等級(jí)和超級(jí)電容器單體電壓范圍確定單體數(shù)量，由于超級(jí)電容沒(méi)有直接與變頻器直流母線連接，而是通過(guò)DC/DC隔離，其電壓遠(yuǎn)低于600V，因此可以減少單體數(shù)量，由控制系統(tǒng)控制超級(jí)電容器組件工作。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

此節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用于商務(wù)樓和住宅樓的電梯實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，以下為電梯行業(yè)專業(yè)人士通過(guò)使用測(cè)量?jī)x器(如電表等)對(duì)商務(wù)樓和住宅樓節(jié)能效果進(jìn)行的測(cè)試。

3.1 測(cè)試過(guò)程

本測(cè)試中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用交流變頻電機(jī)，在超級(jí)電容器組件的輸入和輸出端安裝可逆的DC/DC變換器，在變頻器輸出端安裝電流傳感器，超級(jí)電容器充放電工作由CPU控制器進(jìn)行控制；在該測(cè)試中，反饋能量按3～6kW設(shè)計(jì)可調(diào)，即市電經(jīng)變頻器前級(jí)AC/DC變流后在變頻器直流母線上的電壓在520～600V區(qū)間，因市電波動(dòng)而異，所以該反饋裝置的輸出電壓設(shè)定在600V，輸出電流設(shè)定在5～10A可調(diào)區(qū)間；最后記錄應(yīng)用此節(jié)能系統(tǒng)后兩電梯樓每月的用電量。

3.2 測(cè)試結(jié)果

表1為實(shí)際運(yùn)行中兩電梯樓平均用電量的測(cè)試結(jié)果：

表1 平均用電量測(cè)試結(jié)果

注：節(jié)電率：現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)際節(jié)省用電量與原用電量的比值

由表1知：可以節(jié)能38%以上，從而節(jié)約用電費(fèi)用的支出，可見(jiàn)此節(jié)能系統(tǒng)具有比較好的節(jié)能效果，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的。

4 總結(jié)

本文主要從系統(tǒng)應(yīng)用背景、工作原理及應(yīng)用三方面闡述了該節(jié)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)能正確判斷變頻器狀態(tài)，從而判斷電梯運(yùn)行狀態(tài)，正確指令DC/DC適時(shí)進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)電能的回收利用。應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)比原系統(tǒng)節(jié)能38%以上，更進(jìn)一步提高了電梯的節(jié)能效果，且該系統(tǒng)實(shí)用新型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，具有較強(qiáng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)應(yīng)用價(jià)值。

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