一種電梯能量回饋裝置試驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)*

崔健坤，王 葵，代清友

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣州 528251）

0 引言

電梯作為非常重要的出行工具，在人們的生活中發(fā)揮著非常重要的作用。但是，電梯在樓宇的能耗中占據(jù)著非常高的比重，如何降低電梯能耗對我國建設(shè)低碳環(huán)保社會具有非常重要的意義[1-3]。

電梯包括轎廂和對重，對重比空載轎廂重，因此在輕載上行和重載下行過程中，電梯處于發(fā)電狀態(tài)。另外，在停止過程中，電梯也處于發(fā)電狀態(tài)。傳統(tǒng)的電梯通常加裝制動電阻，將電梯運行產(chǎn)生的電能消耗在制動電阻上。這不僅浪費了電能，同時造成機(jī)房溫度升高，影響電梯壽命。

電梯能量回饋裝置的輸入端連接到電梯變頻器直流母線，輸出端連接到電網(wǎng)。在電梯處于發(fā)電狀態(tài)時，將電梯電動機(jī)發(fā)出的電能，通過三相逆變，轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)同頻同壓低諧波的電能，傳送給電網(wǎng)。不僅可以降低變頻器直流母線側(cè)的電壓，同時減少用戶的電費，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和安全的目的。

隨著我國建設(shè)低碳環(huán)保社會的加速推進(jìn)，電梯能量回饋裝置得到越來越廣泛的應(yīng)用[4-9]。電梯型規(guī)[11]、檢規(guī)[12]、對電梯能量回饋裝置提出了強(qiáng)制的性能要求。國標(biāo)GB∕T 32271-2015《電梯能量回饋裝置》[13]是針對電梯能量回饋裝置的首個產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了電梯能量回饋裝置的技術(shù)要求、試驗項目與方法、檢驗規(guī)則以及標(biāo)志、包裝、運輸和貯存。對于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗項目和方法，行業(yè)內(nèi)還沒有專門的檢驗設(shè)備，導(dǎo)致部分試驗項目只能安裝在整梯上完成試驗項目，部分項目還存在檢不了、檢不準(zhǔn)的難題。

針對以上問題，本文開發(fā)了一種電梯能量回饋裝置試驗平臺，在試驗室可以完成回饋裝置的所有試驗項目，解決行業(yè)檢不了、檢不準(zhǔn)的難題，提升檢驗質(zhì)量和效率，促進(jìn)我國電梯節(jié)能事業(yè)的發(fā)展。

1 平臺的結(jié)構(gòu)

儀器結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2 所示，儀器主要包括上位機(jī)、USB 轉(zhuǎn)RS232 轉(zhuǎn)接口、直流電源、三相交流電源、交流電子負(fù)載、單相功率計、電能質(zhì)量分析儀。

圖1 平臺結(jié)構(gòu)原理

圖2 平臺通信原理

直流電源具有可編程功能，模擬變頻器直流母線側(cè)的輸出，可以輸出電壓和電流可變的直流電。三相交流電源具有可編程功能，模擬電網(wǎng)側(cè)的輸出，可以輸出電壓、頻率可變的三相交流電。交流電子負(fù)載用于模擬電網(wǎng)側(cè)的能耗設(shè)備，用于調(diào)整被測能量回饋裝置的輸出功率。單相功率計用于檢測被測能量回饋裝置的輸入直流功率。電能質(zhì)量分析儀用于檢測被測能量回饋裝置輸出的交流有功功率、電流諧波、功率因數(shù)、直流分量等參數(shù)。

考慮到現(xiàn)在的計算機(jī)一般不標(biāo)配RS232 接口，因此上位機(jī)通過USB 轉(zhuǎn)RS232 轉(zhuǎn)接口和直流電源、三相交流電源、交流電子負(fù)載、單相功率計、電能質(zhì)量分析儀等進(jìn)行通信。上位機(jī)采用LabVIEW 編程，實現(xiàn)對各個設(shè)備的控制和信號的接收。

2 儀器檢測原理

2.1 性能指標(biāo)的檢測

回饋裝置的效率通過式（1）計算：

式中：η為回饋裝置效率；Pac為電能質(zhì)量分析儀測得的有功功率；Pdc為單相功率計測得的直流功率。

啟動試驗平臺，調(diào)整交流電子負(fù)載的輸出功率，分別使被測能量回饋裝置輸出25%額定功率、50%額定功率、100%額定功率，分別記錄此時單相功率計和電能質(zhì)量分析儀測得的功率值，通過式（1）得到被測能量回饋裝置的效率。

電能質(zhì)量分析儀同時檢測被測能量回饋裝置輸出電能的質(zhì)量，并且將回饋電流諧波、功率因數(shù)、直流分量等數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

2.2 保護(hù)功能

啟動試驗平臺，被測能量回饋裝置正常工作，通過模擬相應(yīng)的故障測試回饋裝置的保護(hù)功能。

（1）電網(wǎng)故障保護(hù)

通過逐漸調(diào)整三相交流電源的輸出電壓，當(dāng)輸出電壓超過被測能量回饋裝置的過∕欠壓保護(hù)電壓時，觀察回饋裝置是否停止運行。

通過逐漸調(diào)整三相交流電源的輸出頻率，當(dāng)輸出頻率超過被測能量回饋裝置的過∕欠頻保護(hù)頻率時，觀察回饋裝置是否停止運行。

（2）防反放電保護(hù)

降低直流電源的輸出電壓，使回饋裝置處于非回饋工作狀態(tài)，記錄單相功率計的電流值，判斷該值是否超過100 mA。

（3）極性反接保護(hù)

將直流電源和回饋裝置的連接線反接，然后開啟試驗平臺，觀察回饋裝置是否停止工作，并且不損壞。

（4）直流電壓過壓保護(hù)

調(diào)整直流電源的輸出電壓超過回饋裝置工作電壓的上限，觀察回饋是否停止工作。

（5）過流保護(hù)

調(diào)整交流電子負(fù)載的輸出功率，觀察電能質(zhì)量分析儀測得的輸出電流值。當(dāng)電流值超過回饋裝置的工作電流額定值時，觀察回饋裝置是否停止工作。

3 測量儀器技術(shù)方案

電梯能量回饋裝置需要在電網(wǎng)正常的情況下才能運行。當(dāng)電網(wǎng)上沒有供電，或者供電電壓和頻率存在異常時，能量回饋裝置應(yīng)當(dāng)停止工作，避免產(chǎn)生孤島效應(yīng)，防止安全事件的發(fā)生。

根據(jù)市場調(diào)研結(jié)果，除了部分超高速或者超大載重的電梯，市場上常用電梯的功率一般不超過20 kW，同時考慮到試驗室的電容量，本文中設(shè)計的試驗平臺所試驗的電梯能量回饋裝置的最大功率為20 kW。

按照GB∕T 32771-2015《電梯能量回饋裝置》的要求，三相交流電源的容量應(yīng)大于被測回饋裝置額定功率的5倍。如圖3所示，三相交流電源采用深圳市某公司的TAC6100 交流變頻電源，容量達(dá)到100 kVA，輸出電壓和頻率可調(diào)的三相電，電壓單相可調(diào)范圍0～300 VAC，頻率可調(diào)范圍45～200 Hz。

圖3 三相交流電源

在電梯能量回饋裝置試驗過程中，能量回饋裝置向三相交流電源和交流電子負(fù)載輸出功率。當(dāng)交流電子負(fù)載斷開或者交流電子負(fù)載的消耗功率小于回饋裝置的輸出功率時，三相交流電源將有功率輸入。如果輸入功率過大，將造成三相交流電源的損壞。針對以上風(fēng)險，本平臺使用的三相交流電源具有防反保護(hù)功能，當(dāng)被測回饋裝置向三相交流電源輸入的功率達(dá)到一定數(shù)值時，三相交流電源將停止工作或者限制輸入功率進(jìn)一步增加。

直流電源向電梯能量回饋裝置輸出電壓逐漸增大的直流電。當(dāng)電壓值超過回饋裝置的啟動電壓時，回饋裝置開始工作。當(dāng)電壓值超過回饋裝置的最高電壓時，回饋裝置停止工作。通過設(shè)定直流電源的輸出功率可以限制回饋裝置的工作功率。

按照GB∕T 32771-2015《電梯能量回饋裝置》的要求，直流輸入源應(yīng)至少能提供被測回饋裝置最大直流輸入功率的1.5 倍。如圖4 所示，直流電源采用深圳市某公司的TDC2000C 系列直流電源，容量達(dá)到50 kW，輸出電壓和電流可調(diào)的直流電，電壓可調(diào)范圍0～1 000 VDC，電流可調(diào)范圍0～50 A。

圖4 直流電源

交流電子負(fù)載可以消耗回饋裝置向電網(wǎng)反饋的電能。通過調(diào)整交流電子負(fù)載的阻性功率值，使回饋裝置輸出特定的功率值，用以完成回饋裝置效率等試驗項目的測試。如圖5 所示，交流電子負(fù)載采用深圳市某公司的TAC-R-50K型號的交流電子負(fù)載，額定功率為50 kW，可以滿足額定功率為50 kW的能量回饋裝置的試驗。

圖5 交流電子負(fù)載

能量回饋裝置的效率直接反映其節(jié)能水平。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，須在回饋裝置的輸入端和輸出端測量輸入和輸出功率，從而得到其效率值。本平臺在回饋裝置的輸入端采用日置公司PW3335 型號的單相功率計，如圖6 所示，DC、AC 的最大輸入電壓均為1 000 V，DC、AC 的電流輸入端子的最大輸入電流均為30 A。

圖6 單相功率計

能量回饋裝置將逆變的電能輸出到電網(wǎng)，如果電能質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，容易造成對電網(wǎng)的污染，影響電網(wǎng)的正常運行。同時，考慮測量回饋裝置輸出端的功率，本平臺在回饋裝置的輸出端采用某公司PQ3198型號的電能質(zhì)量分析儀，如圖7 所示?？蓽y試的最大電流達(dá)到6 000 A，連續(xù)進(jìn)行高精度的電能質(zhì)量測量，還可測量高次諧波成分。

圖7 電能質(zhì)量分析儀

綜上所述，本平臺可完成額定功率為20 kW 的能量回饋裝置的試驗，基本滿足市場上常規(guī)能量回饋裝置的試驗要求。

4 測試與結(jié)果分析

采用本平臺對2 臺電梯能量回饋裝置進(jìn)行試驗，如圖8 所示。根據(jù)電梯型式試驗規(guī)則的要求，回饋裝置應(yīng)具有防反放電保護(hù)、極性反接保護(hù)、直流電壓過壓保護(hù)、短路保護(hù)、斷路保護(hù)等保護(hù)功能。試驗結(jié)果表明2 臺回饋裝置都滿足型式試驗規(guī)則的要求。

根據(jù)GB∕T 32771-2015，能量回饋裝置還需具備電網(wǎng)故障保護(hù)。在對2臺回饋裝置進(jìn)行試驗時，2臺都不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)電網(wǎng)斷開時，2臺都能夠停止運行。

由于型式試驗規(guī)則屬于國家強(qiáng)制執(zhí)行規(guī)范，企業(yè)能夠嚴(yán)格遵守規(guī)范的相關(guān)的要求。而國標(biāo)屬于推薦性標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)并未采納其中的一些條款。為了進(jìn)一步提升能量回饋裝置的質(zhì)量，企業(yè)應(yīng)將國標(biāo)的要求納入到產(chǎn)品的功能中。

5 結(jié)束語

（1）該試驗平臺讓電梯能量回饋裝置不需要安裝到電梯上進(jìn)行試驗，可以在試驗室內(nèi)完成所有試驗項目。

圖8 電梯能量回饋裝置

（2）該試驗平臺在試驗室內(nèi)模擬電梯能量回饋裝置的各種運行工況，完成檢規(guī)、型規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的試驗要求。

（3）該平臺解決了電梯能量回饋裝置檢不了、檢不準(zhǔn)的難題，提升了檢驗質(zhì)量，大大降低了勞動程度。

（4）試驗結(jié)果表明，市面上部分產(chǎn)品能夠滿足型規(guī)的所有要求，但是標(biāo)準(zhǔn)中的部分要求不能滿足，產(chǎn)品質(zhì)量需進(jìn)一步提升。

（5）該試驗平臺操作簡單，界面友好，可以滿足市場上常規(guī)能量回饋裝置的試驗要求。

（6）該試驗平臺提高了電梯行業(yè)的科技和裝備水平，對提升電梯節(jié)能水平、促進(jìn)我國低碳環(huán)保社會的建設(shè)具有積極的推動作用。