能量回饋系統(tǒng)在礦區(qū)電梯上的應用

周瑋（大慶油田有限責任公司礦區(qū)服務事業(yè)部）

能量回饋系統(tǒng)在礦區(qū)電梯上的應用

周瑋（大慶油田有限責任公司礦區(qū)服務事業(yè)部）

結合礦區(qū)電梯的現(xiàn)狀，從電梯能量轉(zhuǎn)化狀態(tài)說明電梯的主要能量損耗，并簡要分析了當前礦區(qū)電梯能量損耗狀況。介紹了一種新型的電梯節(jié)能裝置——能量回饋系統(tǒng)，并通過其工作原理與特點進行分析，討論其推廣的可行性。結合研究數(shù)據(jù)，預算能量回饋系統(tǒng)在礦區(qū)推廣的效益，從而闡述了電梯能量回饋系統(tǒng)在礦區(qū)推廣的重要意義。

電梯節(jié)能 能量回饋 再生能量 效益

大慶油田礦區(qū)服務事業(yè)電梯工程公司目前管轄2300多部各種型號的電梯 （扶梯、豎梯），其中渦輪蝸桿減速箱曳引機構電梯 100多部，其余電梯曳引機為永磁同步電動機，這些電梯廣泛應用于機關辦公樓、各大醫(yī)院、民用住宅等處。根據(jù)國務院《特 種 設 備 安 全 監(jiān) 察 條 例》 的規(guī) 定[1]， 電 梯 為 高 耗能特種設備，所以電梯的節(jié)能措施對礦區(qū)發(fā)展有著重要的意義，現(xiàn)對電梯曳引機為永磁同步電動機能量回饋系統(tǒng)的推廣意義做簡要分析。

1 礦區(qū)電梯能耗現(xiàn)狀

1.1電梯運行中的能量轉(zhuǎn)化狀態(tài)

為了縮小電梯曳引機的輸出功率范圍，電梯都會設置對重系統(tǒng)，對重系統(tǒng)的質(zhì)量一般為 M （對重質(zhì)量）=M1（轎廂質(zhì)量）+M2（額定載重量）/2，根據(jù)電梯的實際負載情況與其額定負載之間的占比關系，做如下定義：電梯負載∈{空載、輕載、微輕載、平衡負載、微重載、重載、滿載}。對于以上七個元素，在電梯運行中的具體分析如下：

上行加速階段：空載、輕載、微輕載的情況為電動機轉(zhuǎn)子受外力矩拖動而產(chǎn)生電能。平衡負載、微重載、重載、滿載的情況為電動機輸出功率，消耗電能。

上行勻速階段：空載、輕載、微輕載的情況依然為電動機轉(zhuǎn)子受外力矩拖動而產(chǎn)生電能。平衡負載，電動機處于非工作狀態(tài)。微重載、重載、滿載的情況為電動機輸出功率，消耗電能。

上行加速階段：空載、輕載、微輕載、平衡負載的情況為電動機轉(zhuǎn)子受外力矩拖動而產(chǎn)生電能。微重載、重載、滿載的情況為電動機輸出功率，消耗電能。

下行過程基本與之相反。由此可以看出當電動機的輸出力矩與轉(zhuǎn)動方向相同時，電動機輸出功率，處于耗能狀態(tài)。當電動機的輸出力矩與轉(zhuǎn)動方向相反時，因其轉(zhuǎn)子受外力矩拖動而產(chǎn)生電能，此時電動機處于能量再生狀態(tài)。

1.2目前礦區(qū)電梯的再生能量處理

電梯在能量再生狀態(tài)下，曳引機構將電梯轎廂及其中的負載、對重和曳引輪等減少的機械能通過電磁耦合轉(zhuǎn)化為再生能量，這些再生能量必須得到及時、適當?shù)奶幚?，否則會引起電梯驅(qū)動系統(tǒng)主回路的電壓不斷升高，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)高壓故障，無法正常運行。

目前礦區(qū)電梯的電動機再生能量處理方式主要以能量轉(zhuǎn)化為主，通常是利用耗能電阻將再生能量轉(zhuǎn)化為熱能并將其釋放。這種再生能量的處理方式結構簡單、難度小、成本低，但由于該方法只是簡單的將再生能量轉(zhuǎn)化為熱能并釋放掉，沒有對其進行任何的利用，造成了很大的能量浪費，同時該方法在電梯機房內(nèi)產(chǎn)生的大量熱量，夏季可達 40～50℃，惡化了控制柜周圍環(huán)境，大大增加電梯散熱系統(tǒng)的負擔。

2 推廣能量回饋系統(tǒng)的分析

2.1能量回饋系統(tǒng)的基本原理[2]

能量回饋系統(tǒng)主要由 IGBT、智能模塊 IPM、隔離二極管、濾波電感、電容等元件組成。IPM 模塊是主電路中的核心元件，它將直流電能逆變?yōu)榕c交流電網(wǎng)同步的三相電流回送電網(wǎng)，見圖1。

圖1 能量回饋系統(tǒng)原理

二極管 D1、D2可防止能量回饋系統(tǒng)反送給變頻 器 ， 確 保 系 統(tǒng) 安 全 運 行 。 電 感 L1～L3， 電 容CT1～CT3構 成 高 次 諧 波 濾 波 器 ， 組 織 IPM 模塊高頻開關產(chǎn)生的高次諧波電流進入電網(wǎng)，提高能量回饋系統(tǒng)的電磁兼容 （EMC）性能。

控制電路有單片微機、可編程邏輯芯片、外圍信號采樣器構成。配以冗余度高的軟件設計，是控制電路能自動識別三相交流電網(wǎng)的相序、相位、電壓、電流瞬時值，有序的控制 IPM 工作在 PWM 狀態(tài)，保證直流電能及時的回饋再生利用。

2.2能量回饋系統(tǒng)的優(yōu)點

與能量轉(zhuǎn)化法相比，其最大的優(yōu)點在于實現(xiàn)了再生能量的充分利用，能量回饋效率達 97%，熱損耗僅為耗能電阻的3%以下。同時也不會增加散熱風扇的負擔。

其次，能量回饋系統(tǒng)的適用范圍廣，可與電壓等級為 220V、380V、480V，功率等級從15～47kW的變頻器匹配。

此外，在能量回饋中，基于PMW可逆整流技術的完全可控整流方式和矩陣變換器方式處理能實現(xiàn)能量再利用，還實現(xiàn)了對電梯網(wǎng)側(cè)電流的完全控制。

2.3在礦區(qū)推廣的效益

目前礦區(qū)電梯大多為 VVVF的小型住宅樓電梯，尤其適合能量回饋系統(tǒng)的安裝，對電梯主要控制電路的改動少，改裝成本降低。

據(jù)研究表明，一般安裝能量回饋系統(tǒng)的電梯節(jié)電效 率在 15%～40%左右，高 的甚 至達 到 45%以上。且由于減少了原本的轉(zhuǎn)化的熱能，使機房溫度大大降低，節(jié)省了在機房降溫方面的消耗，從而進一步節(jié)約了電能。

按1臺電梯每天正常運行耗電 30kWh計算，安裝能量回饋系統(tǒng)后節(jié)點效率按 30%計算，1 臺電梯運行一年可以節(jié)約電能 3285kWh，每 1kWh 的價格 0.6581 元，1 年可 節(jié)省 2161.86 元。目 前，一 般電能回饋裝置的市場價格在 5000～10000 元之間，所以回饋裝置一般在 3～5年就可以收回成本。隨著能量回饋系統(tǒng)的不斷普及，成本也會逐步下降，回收期會更短一些。

2.4對電梯安裝能量回饋系統(tǒng)的要求

1）安裝能量回饋系統(tǒng)，不應改變電梯主參數(shù)（如額定速度，額定載重量等），也不得切斷或拆除原來的耗能電阻，以保證在回饋系統(tǒng)發(fā)生故障時，耗能電阻能馬上投入使用，確保電梯安全運行。

2）選擇能量回饋系統(tǒng)時，其功率必須與電梯的主機、變頻器的功率相匹配，且應調(diào)試正常，既回饋裝置的截止電壓應設置在直流母排上，回饋裝置的啟動電壓一般應設置比耗能電阻工作電壓小20～30V，如果設置太高，則電梯再生能量仍能在耗能電阻上消耗發(fā)熱，降低回饋系統(tǒng)工作效率。

3 結語

礦區(qū)電梯的總量正在大幅度增加，而電梯作為高耗能特種設備，也將成為礦區(qū)工業(yè)用電的消耗大戶。在這種形式下，針對電梯的節(jié)能技術就顯得尤為重要。電梯能量回饋系統(tǒng)在電梯上的應用節(jié)能效果顯著，成本回收期短，以長期發(fā)展的角度來看，若大面積推廣應用，將會產(chǎn)生巨大的效益；因此，具有十分重要的推廣意義。

[1]陳志溪.電梯工作特性與能耗形式分析[J].中國電梯, 2008,19(16):45-49.

[2]張崇巍,張 興.PWM 整流器及其控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.005.010

2013-03-05）

周瑋，2007年畢業(yè)于西安工業(yè)大學（工業(yè)設計系），現(xiàn)從事電梯工程公司公共設施客服中心維修工作，E-mail：zhwei01@163. com，地址：黑龍江省大慶油田有限責任公司礦區(qū)服務事業(yè)部，163000。