電梯節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030619)

引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，全國(guó)范圍內(nèi)的城鎮(zhèn)規(guī)模不斷增大，為了提高土地的利用率，高層建筑隨之增加。因此，電梯行業(yè)得到了迅速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模得到了進(jìn)一步提升。我國(guó)電梯行業(yè)的特點(diǎn)是：起步晚，技術(shù)能力和自主研發(fā)能力薄弱，電梯控制的關(guān)鍵技術(shù)被國(guó)外所壟斷，外資及國(guó)外生產(chǎn)廠家掌握著電梯控制的前沿技術(shù)，如三菱、日立、奧的斯等企業(yè)，國(guó)內(nèi)的大部分市場(chǎng)，特別是中高端市場(chǎng)主要被這些廠家所占據(jù)。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)和生產(chǎn)的電梯公司缺乏核心競(jìng)爭(zhēng)力，在生產(chǎn)制造方面以零部件的生產(chǎn)為主，對(duì)于控制系統(tǒng)方面研發(fā)偏少，為了提高電梯的控制技術(shù)，我國(guó)正積極推進(jìn)控制系統(tǒng)的自主研發(fā)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

市場(chǎng)上現(xiàn)有的電梯主要有臺(tái)箱式和自動(dòng)扶梯兩種，自動(dòng)扶梯的用途面窄，主要用于商場(chǎng)，臺(tái)箱式電梯主要用于樓層較高的大廈。電梯節(jié)能的關(guān)鍵在于控制，基于永磁同步曳引機(jī)垂直升降電梯節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本文研究的重點(diǎn)。電梯控制系統(tǒng)的主要功能與結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，此次所設(shè)計(jì)的電梯控制系統(tǒng)主要由電梯門廳、電梯井道以及控制機(jī)房三部分組成。門廳是電梯與用戶之間建立交互聯(lián)系的地方，主要由電梯門框等機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和電梯呼叫按鈕、電梯運(yùn)行指示燈等電氣控制部分組成；機(jī)械結(jié)構(gòu)部分用于承載客人或者貨物；電氣控制部分用于呼叫電梯以及控制電梯的運(yùn)行、顯示電梯的運(yùn)行狀態(tài)等，所有的控制部分均由控制機(jī)房來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如何驅(qū)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)電梯節(jié)能的關(guān)鍵，此次設(shè)計(jì)的節(jié)能控制系統(tǒng)，能夠?qū)㈦娞葸\(yùn)行時(shí)的反饋能量充分應(yīng)用于電梯曳引機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于通過儲(chǔ)能裝置回收電梯的能量，從而解決控制系統(tǒng)中的節(jié)能系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能量的問題，儲(chǔ)能裝置主要由超級(jí)電容組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 主控制系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部分。由圖2可知，主控部分主要包括電源、DSP芯片、FPGA處理芯片、信號(hào)的采集處理、通訊、隔離以及輸出等部分組成。其主要功能為：接受工作指令(包括門廳指令、急停指令、報(bào)警指令等)、獲取電梯運(yùn)行信息、輸出控制指令，同時(shí)根據(jù)具體情況及預(yù)先內(nèi)置的控制邏輯作出相應(yīng)的決策，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容模組。

1.2.2 驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。目前主流的設(shè)計(jì)方法是交-直-交，因此，此次驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也采用了該方法，主要包括整流、逆變和信號(hào)采集等部分，利用市電的380 V交流電為電梯曳引機(jī)供電，具體如下：

(1)整流模塊。將電網(wǎng)輸入的380 V三相交流電進(jìn)行整流，獲得540 V的直流電到直流母線。

(2)逆變模塊。通過DSP模塊的輸出的PWM波對(duì)直流母線上的電源進(jìn)行逆變，變換為所需要的交流電，從而驅(qū)動(dòng)曳引機(jī)。

(3)信號(hào)采集模塊。為了精準(zhǔn)控制電梯的運(yùn)行，系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電壓和電流，并作為DSP的輸入信號(hào)，根據(jù)芯片的內(nèi)置程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果反饋補(bǔ)償電梯的運(yùn)行控制信號(hào)。

1.2.3 節(jié)能系統(tǒng)

節(jié)能系統(tǒng)主要包括直流變換器模塊和傳感器模塊。其主要功能是完成節(jié)能的任務(wù)。首先是把電梯反饋的能量進(jìn)行儲(chǔ)蓄，這主要是在電機(jī)制動(dòng)過程中完成的，在電機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，把儲(chǔ)存的能量回饋，保證母線電壓可以保持在穩(wěn)定區(qū)間，并且可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

(1)Buck-Boost變換器模塊。超級(jí)電容的充放電功能由此實(shí)現(xiàn)。主要是通過控制模塊輸出PWM波形實(shí)現(xiàn)在Buck電路和Boost電路之間的轉(zhuǎn)換。

(2)傳感器模塊。包括電壓傳感器和電流傳感器，可以采集雙向直流兩側(cè)電壓、電流信號(hào)，作為DSP控制芯片的反饋輸入信號(hào)，從而控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出。

2 電梯節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

主控制系統(tǒng)是電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的的核心，主要用于接收工作指令、采集電壓電流信號(hào)、輸出速度控制信號(hào)，同時(shí)通過變換器和傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯的運(yùn)行情況并對(duì)電容進(jìn)行充放電控制。DSP芯片運(yùn)算速度快，數(shù)據(jù)處理量大，因此，控制系統(tǒng)采用DSP芯片控制、FPGA芯片輔助運(yùn)算與通信的控制模式。DSP芯片由兩塊芯片組成，一主一從，主芯片用于整體控制，從芯片用于曳引機(jī)控制。FPGA作為輔助的運(yùn)算工具，處理運(yùn)算過程中的邏輯判斷工作和數(shù)據(jù)通信工作。

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

電梯的運(yùn)行由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接控制，曳引機(jī)是電梯運(yùn)動(dòng)的輸出機(jī)構(gòu)，是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部，首先通過全橋整流模塊，將三相交流電整流為直流，然后通過控制系統(tǒng)輸出的PWM波形對(duì)直流電進(jìn)行控制輸出，從而獲得頻率可變的交流電，實(shí)現(xiàn)曳引機(jī)的控制。為了保障曳引機(jī)的控制穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)擬采用閉環(huán)控制，通過電流傳感器監(jiān)測(cè)曳引機(jī)的工作電流，從而實(shí)時(shí)掌握曳引機(jī)的工作狀態(tài)。

2.3 節(jié)能系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

Buck-Boost變換器為節(jié)能系統(tǒng)的核心部分，其作用是對(duì)節(jié)能模塊進(jìn)行充放電。變換器由主控制系統(tǒng)控制，主控制系統(tǒng)根據(jù)曳引機(jī)的工作狀態(tài)和運(yùn)行情況，作出邏輯判斷，輸出變換器的控制信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，主控制器會(huì)輸出切斷信號(hào)，將節(jié)能系統(tǒng)與直流母線斷開，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 測(cè)試及分析

系統(tǒng)的整體試驗(yàn)主要包括電梯的運(yùn)行控制和節(jié)能效率兩方面。在電梯的運(yùn)行控制方面，通常采用“S”形速度曲線對(duì)電梯的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，從而保證電梯內(nèi)人員的舒適性和電梯本身運(yùn)行的安全性。

在控制試驗(yàn)時(shí)，分別將電機(jī)的勻速運(yùn)轉(zhuǎn)速度設(shè)置為20 r/min、50 r/min和100 r/min，根據(jù)電梯曳引機(jī)輪子的半徑(0.25 m)計(jì)算出電梯運(yùn)行的線速度分別為：0.52 m/s，1.37 m/s和2.61 m/s。利用試驗(yàn)塔監(jiān)測(cè)上位機(jī)對(duì)電梯的速度進(jìn)行跟蹤觀察的曲線得知：在加速和勻速階段速度跟蹤能夠滿足要求，即運(yùn)行速度和輸出控制的理論云速度能夠匹配。

節(jié)能效率分析是在電梯運(yùn)行10次的情況下，測(cè)量電梯的空載節(jié)能情況。比較在使用節(jié)能裝置前后的電梯能源消耗。每次試驗(yàn)過程包括以下步驟：開門、關(guān)門、電梯上行5層，開門、關(guān)門、電梯下行5層，開門。通過上位機(jī)觀察，使用節(jié)能裝置前，電梯系統(tǒng)的最大電流為19.8 A，電力消耗為0.140 kW·h；使用節(jié)能裝置后，電梯系統(tǒng)的最大電流為13.2 A，電能消耗0.100 kW·h。通過計(jì)算可知，采用節(jié)能裝置控制之后，系統(tǒng)的電力消耗下降了28.6%。

由此可見，采用了此次設(shè)計(jì)后，電梯系統(tǒng)在節(jié)能和控制方面都取得了較大改善。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，制定出電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，闡述了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成部分及其作用，并進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，包括主控、驅(qū)動(dòng)和節(jié)能部分，最終通過對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在電梯運(yùn)行控制和電力節(jié)能方面的優(yōu)越性。