基于變頻回饋的電梯節(jié)能技術(shù)研究探討

李雪松

摘 要：隨著城市高層建筑的增多，電梯的使用越來越廣泛。電梯的節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，能夠極大的減少能源的消耗。變頻變壓調(diào)速控制技術(shù)在電梯工業(yè)廣泛使用，回饋節(jié)能技術(shù)越來越多的應(yīng)用在其中。本文通過有源逆變回饋、超級電容儲(chǔ)能回饋、群控回饋技術(shù)對電梯節(jié)能技術(shù)進(jìn)行探討，從而實(shí)現(xiàn)電梯節(jié)能控制。

關(guān)鍵詞：電梯節(jié)能；VVVF；回饋技術(shù)

前言

能源是我國社會(huì)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的三大支柱之一。目前我國的能源利用率僅為30%左右，比發(fā)達(dá)國家低十多個(gè)百分點(diǎn)。隨著可持續(xù)發(fā)展的逐步開展，倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保，尤其是高能耗行業(yè)特種設(shè)備的節(jié)能降耗，已經(jīng)成為影響社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

作為建筑群中的高能耗特種設(shè)備，電梯在運(yùn)行中的節(jié)能問題尤為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的電梯數(shù)量高達(dá)百萬臺(tái)，并保持每年15%的增長率；在能耗方面，電梯的耗電量占整個(gè)樓宇總能耗的8%左右。電梯的耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過供水、照明設(shè)備用電，僅次于空調(diào)。一部普通電梯的日用電量約為50-150千瓦時(shí)，按照平均日用電量90千瓦時(shí)計(jì)算，全國每年電梯耗電量高達(dá)430億千瓦時(shí)，耗電量十分巨大。遺憾的是，目前我國約有30%的電梯仍為交流雙速、交流調(diào)壓調(diào)速的老式電梯，而采用新型節(jié)能技術(shù)的電梯不足10%。由此可見，電梯能耗具備高度的節(jié)能潛力和改善空間，而大力發(fā)展電梯節(jié)能新技術(shù)、推廣節(jié)能電梯尤為重要。

文獻(xiàn)指出，電梯的節(jié)能技術(shù)體現(xiàn)在多個(gè)方面，其中最主要的指標(biāo)是其耗電量應(yīng)為常規(guī)電梯的70%左右；同時(shí)，節(jié)能電梯在各項(xiàng)能耗環(huán)節(jié)的消耗比例為：電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)拖動(dòng)負(fù)載消耗電能占電梯總消耗量的70%以上；電梯門計(jì)開關(guān)、廳門、轎門消耗電能占電梯總消耗電量的20%左右；電梯照明、控制系統(tǒng)等環(huán)節(jié)消耗電能占電梯總消耗電量的10%左右。

新型節(jié)能電梯拖動(dòng)設(shè)計(jì)大多數(shù)是采用專用的電梯拖動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)結(jié)合專用的電梯拖動(dòng)變頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)的電梯拖動(dòng)系統(tǒng)簡稱為VVVF（變壓變頻）電梯拖動(dòng)系統(tǒng)，VVVF技術(shù)在現(xiàn)代交流調(diào)速電梯驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了最廣泛的應(yīng)用。電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用成熟的VVVF技術(shù)早已成為當(dāng)今改善電梯驅(qū)動(dòng)控制性能、提高電梯運(yùn)行質(zhì)量的主要途徑。VVVF技術(shù)淘汰了各類交流雙速電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)，取代了直流無齒輪驅(qū)動(dòng)，不僅使電梯的運(yùn)行性能優(yōu)越，同時(shí)也有效地節(jié)約了能源，降低了損耗。

由于采用了變頻技術(shù)，電梯的調(diào)速性能及節(jié)能指標(biāo)有很大的改善，如今已成為電梯行業(yè)的主流拖動(dòng)系統(tǒng)。本文針對目前在電梯節(jié)能中最具應(yīng)用前景的變頻回饋技術(shù)，分別從有源逆變、能量回饋和超級電容等幾個(gè)方面闡述當(dāng)前變壓變頻回饋電梯節(jié)能技術(shù)的研究進(jìn)展。

1.VVVF控制與回饋原理

1.1 VVVF控制特點(diǎn)

文獻(xiàn)將電梯運(yùn)行簡化為起動(dòng)、穩(wěn)速運(yùn)行、制動(dòng)3個(gè)階段，進(jìn)而對比傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速電梯以及基于VVVF控制的節(jié)能電梯。

（1）起動(dòng)階段：傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速電機(jī)啟動(dòng)電流大，而VVVF低頻起動(dòng)電流較小，從而大大降低電力損耗。

（2）穩(wěn)速階段：在輕載上行（或重載下行）時(shí)，由于倒拉效應(yīng)，傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速電梯要從電網(wǎng)取得能量產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而VVVF電梯工作處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，不需從電網(wǎng)中獲得能量，進(jìn)一步降了能耗。

（3） 制動(dòng)階段：傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速電梯在制動(dòng)段從電網(wǎng)中取得能耗制動(dòng)電流，電流變成熱能而消耗，同事導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重；VVVF 電梯在制動(dòng)段不需從電網(wǎng)中獲得任何能量，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，電梯系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能消耗在電機(jī)外部電阻上，節(jié)能的同事避免了制動(dòng)電機(jī)的過度發(fā)熱現(xiàn)象。

經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測算比較，采用VVVF控制的電梯，與ACVV調(diào)速電梯相比，節(jié)能達(dá)30%以上。VVVF系統(tǒng)還可以提高電氣系統(tǒng)功率因數(shù)，降低電梯線路設(shè)備的容量和電動(dòng)機(jī)的容量達(dá)30%以上。

1.2 控制回饋

電梯進(jìn)入減速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，由于電動(dòng)機(jī)不能直接快速起動(dòng)、制動(dòng)和頻繁正反轉(zhuǎn)調(diào)速，使大量再生電能無法回饋到電網(wǎng)，只能被大功率電阻消耗掉，造成再生能源浪費(fèi)。變頻回饋節(jié)能技術(shù)通過使用能量回饋裝置，時(shí)地檢測變頻器直流母線上的電壓及電網(wǎng)頻率，把變頻器直流母線上多余的電能重新逆變?yōu)榻涣麟?，能將電梯運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的機(jī)械能通過變頻回饋器轉(zhuǎn)換成電能，然后把這些再生電能送回交流電網(wǎng)再利用，以實(shí)現(xiàn)節(jié)電節(jié)能，同時(shí)可以省去耗電發(fā)熱的大功率電阻，從而改善了系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。

2.變頻回饋技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1有源逆變回饋技術(shù)

在回饋制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，若在整流側(cè)附加一個(gè)逆變裝置進(jìn)行有源逆變將能量回饋電網(wǎng)無疑是電梯節(jié)能的有效手段。由于有源逆變要并入電網(wǎng)，并且要滿足并網(wǎng)電壓相位條件和并網(wǎng)電壓

頻率條件和并網(wǎng)電壓幅值條件，如今以IGBT全控型新器件為核心的智能功率模塊集保護(hù)驅(qū)動(dòng)為一體，另加上以DSP為核心的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，為電梯進(jìn)行有源逆變將能量回饋電網(wǎng)創(chuàng)造了條件。

文獻(xiàn)[7]分析統(tǒng)計(jì)了有源逆變回饋技術(shù)的節(jié)能效果，認(rèn)為有源逆變可使電梯節(jié)能21%-46%，節(jié)能效果明顯。同時(shí)，IPM有源逆變電梯節(jié)能方案不可避免存在高次諧波，從而對電網(wǎng)造成一定程度的污染。

文獻(xiàn)[8]分析了傳統(tǒng)的變頻調(diào)速電梯，發(fā)現(xiàn)多數(shù)采用制動(dòng)單元或外加大功率電阻，通過逆變器泄放大電容中的電量，造成能源浪費(fèi)?；诖耍岢霾捎糜性茨孀兤髂芰炕仞伷?，將大電容中的電量無消耗的反饋于電網(wǎng)，減少電阻發(fā)熱損耗，同時(shí)改善了電梯的運(yùn)行環(huán)境。

文獻(xiàn)[9]針對普通電梯變頻器不能回饋再生能量的缺點(diǎn)， 研制了一臺(tái)基于幅相控制的15kW外掛式電梯能量回饋器樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)能量回饋和直流母線電壓可控。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)電梯起停頻繁的特點(diǎn)，利用直流母線電壓變化率推導(dǎo)出起動(dòng)時(shí)刻理想初始參數(shù)和在輸入功率變化時(shí)的前饋調(diào)節(jié)量，提高了系統(tǒng)的快速性。通過在上海三菱電梯有限公司現(xiàn)場實(shí)測表明，該回饋器工作穩(wěn)定可靠，具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

研究表明，有源逆變器回饋用于電梯節(jié)能方面，具備以下的特點(diǎn)：

（1）適用范圍寬，可與220V、380V、480V電壓等級的變頻器配合使用，功率等級從7.5kW到55kW；

（2）節(jié)能效果明顯，無發(fā)熱電阻，在電梯中使用可以節(jié)電21%-46%；（該數(shù)據(jù)范圍與文獻(xiàn)[9]吻合）

（3）安裝方便，即裝即用；

（4）諧波含量較少；

（5）具備過壓、過熱等完備的保護(hù)功能；

2.2超級電容儲(chǔ)能回饋技術(shù)

如今，超級電容的應(yīng)用逐步改變了過去純電池儲(chǔ)能的時(shí)代。與電池相比，超級電容具有較低的能量密度和較高的功率密度，在能量存儲(chǔ)和管理方面得到了廣泛應(yīng)用。為了打破像鋰離子電池、燃料電池等能量源的功率限制，超級電容主要應(yīng)用于能量緩沖器。

文獻(xiàn)[10]以交流變壓變頻調(diào)速電梯為研究對象，通過分析電梯的運(yùn)行原理，提出了電梯節(jié)能新方法。利用電梯再生制動(dòng)將能量轉(zhuǎn)化為電能反饋給電網(wǎng)，采用基于DSP的Fuzzy-DPLL復(fù)合數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)并網(wǎng)逆變器，該裝置具有功率因數(shù)高、諧波電流小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、整體效果好等特點(diǎn)。

文獻(xiàn)[11]通過實(shí)驗(yàn)研究了能量回饋裝置的節(jié)電指標(biāo)，基于大量的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，安裝能量回饋器的電梯節(jié)電量約為33%，效果顯著。安裝了能量回饋裝置的電梯，年均運(yùn)行總耗電量普遍可下降25%～35%，機(jī)房空調(diào)耗電量夏季可下降40%～60%，一臺(tái)20層的電梯一年可以節(jié)省6000kW·h電能左右，一個(gè)擁有100部電梯的小區(qū)，一年則可節(jié)省60萬kW·h電能，相當(dāng)于800個(gè)家庭1年的用電量。

文獻(xiàn)[2]在分析電梯運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，針對整個(gè)節(jié)能系統(tǒng)提出了超級電容、雙向DC/DC及制動(dòng)電阻的匹配方案，使得匹配參數(shù)既能滿足電梯曳引機(jī)的功率需求又節(jié)約了系統(tǒng)成本。通過制定系統(tǒng)的控制策略，根據(jù)直流母線和超級電容電壓判斷曳引機(jī)的工作狀態(tài)，從而決定超級電容的充放電動(dòng)作，并且從控制系統(tǒng)成本角度提出了超級電容充放電電流控制策略。

在類似于電梯而處于垂直運(yùn)動(dòng)的工程機(jī)械領(lǐng)域（如輪胎式集裝箱起重機(jī)、輪式裝載機(jī)），也應(yīng)用了超級電容儲(chǔ)能技術(shù)。例如上海振華港機(jī)公司生產(chǎn)的綠色RTG系列，采用了超級電容作為儲(chǔ)能裝置，其節(jié)能效果高達(dá)30%。

2.3群控回饋技術(shù)

隨著社會(huì)發(fā)展，單臺(tái)電梯不可能滿足高樓的人流需求，而采用多臺(tái)電梯單獨(dú)運(yùn)行必然導(dǎo)致資源的極大浪費(fèi)——電梯群控技術(shù)因此而悄然興起。電梯群控系統(tǒng)采用優(yōu)化的控制策略協(xié)調(diào)多臺(tái)電梯的運(yùn)行，以提高電梯的運(yùn)行效率，節(jié)約能耗。

傳統(tǒng)的電梯群控技術(shù)包括分區(qū)調(diào)度法、基于搜索的算法、基于規(guī)則的算法和隨機(jī)理論算法。當(dāng)前關(guān)于電梯群控回饋技術(shù)研究的主要發(fā)展有：模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、遺傳算法技術(shù)等。

模糊控制技術(shù)在電梯控制中應(yīng)用的實(shí)質(zhì)是由專家的知識(shí)決定隸屬函數(shù)及模糊控制規(guī)則， 并由此確定以后的控制行為， 實(shí)現(xiàn)對每個(gè)電梯運(yùn)行方案的評價(jià)， 以得出當(dāng)前系統(tǒng)中符合性能指標(biāo)要求的最佳方案。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使得自動(dòng)適應(yīng)各種不同的交通條件成為可能， 乘客候梯時(shí)間可以保持在較小的數(shù)值。借助于模糊推理的數(shù)據(jù)整理分析，使得針對交通量的變化較好。另一方面， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力使得系統(tǒng)適應(yīng)于長期間內(nèi)的交通量變化。系統(tǒng)能夠適應(yīng)建筑物內(nèi)的各種條件變化，與模糊控制相比平均候梯時(shí)間減少了10%，長候梯率減少了20%，并有效地控制了扎堆現(xiàn)象。

3.結(jié)語

本文針對目前在電梯節(jié)能中最具應(yīng)用前景的變頻回饋技術(shù)，分別從有源逆變、能量回饋和超級電容等幾個(gè)方面闡述當(dāng)前變壓變頻回饋電梯節(jié)能技術(shù)的研究進(jìn)展。結(jié)論如下：

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