電能回饋裝置在電梯變頻器節(jié)能改造中的應(yīng)用

李躍華

（深圳技師學(xué)院電氣技術(shù)系，廣東深圳 518000）

電能回饋裝置在電梯變頻器節(jié)能改造中的應(yīng)用

李躍華

（深圳技師學(xué)院電氣技術(shù)系，廣東深圳 518000）

闡述了變頻器電能回饋裝置的工作原理，介紹了變頻器電能回饋裝置在電梯節(jié)能改造中的研究與應(yīng)用，并對(duì)改造后的節(jié)能效果進(jìn)行了量化跟蹤測量，對(duì)當(dāng)前市場巨大存量變頻器電能回饋裝置在節(jié)能改造方面的應(yīng)用提供了技術(shù)參考和借鑒。

電梯；變頻器；能耗制動(dòng)；電能回饋；電梯提升高度；節(jié)能改造

0 前言

在變頻器節(jié)能領(lǐng)域，目前技術(shù)種類比較齊全，節(jié)能效果較為明顯的有四象限變頻器電能回饋方式、超級(jí)電容儲(chǔ)能回饋方式等的應(yīng)用，市場節(jié)能效果較為明顯，但均屬于新裝電梯使用范圍，目前市場存量巨大的普通變頻器則存在很大的技術(shù)改造空間。本文則主要對(duì)市場未采用電能回饋裝置的存量變頻器，通過外部加裝電能回饋模塊來將電梯運(yùn)行過程中儲(chǔ)存在電容上的多余電能通過逆變裝置回饋到電網(wǎng)，供給樓宇其他設(shè)備用電，同時(shí)減少制動(dòng)電阻的發(fā)熱量，降低電梯機(jī)房溫升，減少甚至是停止空調(diào)的使用，達(dá)到雙重節(jié)能的效果，同時(shí)也使得電梯機(jī)房的各類設(shè)備因環(huán)境溫度的降低而延長使用壽命，減少因高溫導(dǎo)致的各類故障，綜合效應(yīng)明顯提高。

經(jīng)過對(duì)市場存量的老舊變頻器通過加裝外部電能回饋裝置的改造，大大降低了改造成本，節(jié)能效果顯著，節(jié)電約15%～45%，具有顯著的交流、推廣和使用價(jià)值。

1 變頻器電能回饋裝置的研究與應(yīng)用

1.1 電梯耗能工作模式

如圖1所示，電梯可分為三種基本工作模式，即轎廂輕載、轎廂重載和轎廂與對(duì)重平衡三種模式。當(dāng)轎廂滿載上行（空載下行）時(shí)，因轎廂側(cè)重量大于（小于）對(duì)重側(cè)，曳引機(jī)電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，變頻器必須施加和轎廂方向一致（相反）的轉(zhuǎn)矩才能拖動(dòng)負(fù)載；當(dāng)轎廂滿載下行（空載上行）時(shí)，因轎廂側(cè)重量大于（小于）對(duì)重側(cè)重量，轎廂側(cè)（對(duì)重側(cè)）勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，曳引機(jī)電動(dòng)機(jī)不但無需耗電，還要將部分勢能轉(zhuǎn)化為電能，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，變頻器此時(shí)直流側(cè)端電壓迅速升高，變頻器工作在吸收電能的狀態(tài)。當(dāng)轎廂側(cè)與對(duì)重平衡時(shí)，無論轎廂上行或是下行，變頻器只需提供克服運(yùn)行中的摩擦所耗能量即可，當(dāng)然此種平衡模式屬于理想模式，在實(shí)際運(yùn)行中極少出現(xiàn)[1]。

圖1 曳引式電梯耗能工作模式圖

需要指出的是，運(yùn)行中的轎廂摯停時(shí)，電動(dòng)機(jī)在快速制動(dòng)時(shí)，往往需要變頻器工作于發(fā)電模式來吸收制動(dòng)能量，未經(jīng)改造的傳統(tǒng)變頻器將這種電量通過制動(dòng)電阻來消耗，稱之為能耗制動(dòng)。無論是電梯的啟動(dòng)和制動(dòng)還是上述三種狀態(tài)下的運(yùn)行，變頻器都在不斷地做著吸收電能的工作，如果其吸收的電能加以轉(zhuǎn)換，可以大大節(jié)約電能，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

1.2 變頻器電能回饋裝置原理

能量回饋制動(dòng)裝置就是電梯曳引機(jī)電動(dòng)機(jī)處在發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，變頻器因吸收回饋電能而出現(xiàn)直流端電壓升高時(shí)，將吸收的多余電能回饋給電網(wǎng)。當(dāng)曳引機(jī)電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速時(shí)，其電能回饋制動(dòng)裝置主要通過變頻器的回饋制動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)，如圖2所示[2]。

電能回饋裝置將變頻器直流端儲(chǔ)存的多余的直流電經(jīng)過IGBT模塊逆變成恒頻恒壓的交流電，再通過濾波電路后返送電網(wǎng)供其他用電設(shè)備使用，減少市政用電量，其節(jié)電量主要取決于電梯的使用量和樓層的高度，一般節(jié)電率可達(dá)到15%～45%。

本文以日立GVF系列品牌電梯為例，采用富士牌變頻器，在改造前測得直流母線靜態(tài)電壓和峰值電壓分別為530 V和690 V，制動(dòng)電阻持續(xù)電流和峰值電流分別是15 A和25 A，在夏季平均氣溫變化不大的外部環(huán)境下，機(jī)房溫度為35℃～48℃，電梯機(jī)房必須通過空調(diào)降溫。本文在改造中設(shè)置電能回饋設(shè)備工作電壓為600～640 V之間，制動(dòng)電阻工作電壓為680 V。通過設(shè)置回饋設(shè)備的閥值電壓低于制動(dòng)單元的工作電壓，來控制電能回饋設(shè)備比制動(dòng)單元提前工作。這樣連接電能回饋設(shè)備的電梯變頻器直流母線電壓就不會(huì)超過640 V，制動(dòng)單元不再投入工作，制動(dòng)電阻能耗減為零，大大降低了電梯機(jī)房的溫升。當(dāng)電能回饋裝置發(fā)生故障停止工作或者自我保護(hù)時(shí)，變頻器又可以通過之前的能耗方式將多余電能消耗在制動(dòng)電阻上，并不影響電梯的正常使用。發(fā)生故障的變頻器電能回饋裝置可以通過外部顯示等方式告知維保人員進(jìn)行及時(shí)維修。

變頻器回饋制動(dòng)設(shè)置條件：

圖2 變頻器電能回饋裝置原理圖

（1）電動(dòng)機(jī)從高速（高頻FH）到低速（低頻FL）減速過程中，頻率減小，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于同步旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0，此時(shí)轉(zhuǎn)差s為負(fù)值，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，這時(shí)的反電動(dòng)勢E大于端電壓U。

（2）勢能負(fù)載，如轎廂空載上行（或滿載下行）時(shí)，轎廂和對(duì)重側(cè)的質(zhì)量差使得電動(dòng)機(jī)不僅不需要輸出功率，而且還要起到一定的制動(dòng)作用，出現(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于電動(dòng)機(jī)同步旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0，這時(shí)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)然反電動(dòng)勢E大于端電壓U[3]。

1.3 采用控制算法

本文改造中的控制方法采用電流追蹤型正弦脈寬調(diào)制SPWM控制，如圖3所示。

圖3 電能回饋?zhàn)冾l器電流控制算法原理圖

這種控制算法將實(shí)測的直流母線電壓與給定值進(jìn)行比較相減，它們的差通過PI電壓調(diào)節(jié)器，得到電流的給定值I；電流給定值I再與與電源電壓相位檢測后得到的三相正弦基準(zhǔn)值相乘，得到三相正弦輸出電流的給定值，然后與電流檢測信號(hào)進(jìn)行相減，得到△Iabc，之后經(jīng)PI電流調(diào)節(jié)器處理后得到三相輸出電壓的給定值V與三角載波進(jìn)行比較的調(diào)制波作為開關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)。電流△Iabc的值直接控制了SPWM調(diào)制的占空比，使實(shí)際輸入電流接近參考電流的大小[4]。

這種變頻器電能回饋控制算法具有開關(guān)頻率固定、噪聲小，損耗小等優(yōu)點(diǎn)。此控制方式算法略去了坐標(biāo)變換的計(jì)算，因此與采用矢量控制方式相比具有算法簡單，對(duì)控制器的計(jì)算能力要求較低的優(yōu)點(diǎn)。

2 工程實(shí)際應(yīng)用中節(jié)能效果的研究

2.1 節(jié)能效果的研究

為研究電梯變頻器回饋裝置在實(shí)際應(yīng)用中的節(jié)電效果，可用通過電能表記錄其有功功率和無功功率的消耗情況，通過定時(shí)定量的計(jì)算，對(duì)比改造前后的數(shù)據(jù)，得出總體的節(jié)能測算數(shù)據(jù)。電流鉗表主要測量變頻器輸入端的電流，對(duì)照改造前后的電流值，說明變頻器電能回饋裝置工作情況正常，接點(diǎn)功能有效。為使該改造工程更具參考意義，特設(shè)置如下條件。

（1）在工程研究中，發(fā)現(xiàn)不同樓宇性質(zhì)、不同的提升高度、不同功率的電機(jī)節(jié)能效果存在一定的差異，究其原因發(fā)現(xiàn)：啟制動(dòng)頻率較大的寫字樓節(jié)電效果優(yōu)于使用頻率較小的住宅電梯；提升高度越大的電梯，在相同情況下節(jié)能效果越明顯；電梯額定速度越大的電梯，改造后節(jié)能效果越顯著。本文所測量的電梯數(shù)據(jù)，主要來自寫字樓宇，提升高度30層左右，梯速普遍在1.8 m/s及以上，電梯曳引機(jī)電動(dòng)機(jī)功率20.5 kW以上。

圖4 變頻器電能回饋裝置節(jié)電測量示意圖

（2）測試電表如圖4所示。電能表1是測量改造后的總的用電量；電能表2用來測量變頻器輸入耗電量；電能表3采用“反接反計(jì)數(shù)”的感應(yīng)式電表，用來測量節(jié)電量。當(dāng)系統(tǒng)引入變頻器電能回饋模塊后，總耗電量=電能表1計(jì)量=電能表2計(jì)量-電能表3計(jì)量；當(dāng)系統(tǒng)脫離電能回饋裝置，則總耗電量=電能表1計(jì)量=電能表2計(jì)量；在條件相同的情況下，集中用2 h以上時(shí)間，控制電梯轎廂上行、下行，循環(huán)動(dòng)作，測得的量化數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 變頻器改造前后節(jié)能情況對(duì)比

（3）測試時(shí)注意檢查一下其中電能3在上行時(shí)表盤會(huì)反轉(zhuǎn)且讀數(shù)會(huì)減小，下行時(shí)表盤正轉(zhuǎn)，否則需要調(diào)試接線端子。測量點(diǎn)在機(jī)房變頻器三相電源總輸入端，電機(jī)功率：20.5 kW，每天運(yùn)行時(shí)間：18小時(shí)，連續(xù)監(jiān)測。

2.2 回饋電能質(zhì)量測量

在電能節(jié)電率方面取得了理想效果的情況下，對(duì)于回饋電能的質(zhì)量也不能忽視。節(jié)能改造后輸入市電網(wǎng)絡(luò)的電能主要存在以下問題需要克服。

（1）避免高次諧波含量超標(biāo)，因?yàn)楸敬胃脑焓窃诓桓淖冊(cè)凶冾l器的基礎(chǔ)上所做的增加節(jié)能回饋模塊的方法，因此容易導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)的電流諧波含量超標(biāo)，為此可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)測量跟蹤，可采用加裝額外濾波環(huán)節(jié)加以改善。

（2）市電網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)范圍要符合要求，由于電量回饋裝置是直接將電能反饋給電網(wǎng)，因此該裝置對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響也比較大，本文所涉及的電梯多數(shù)來自寫字樓宇，多因樓宇本身都建有獨(dú)立的變電房，電能質(zhì)量良好，電壓波動(dòng)范圍能限定在規(guī)定的范圍之內(nèi)。本次測試使用Fluke電能質(zhì)量鉗型表來測量電能質(zhì)量的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并與相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，圖5為電能質(zhì)量測量的現(xiàn)場照片，表2為電能質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)與國標(biāo)的對(duì)比。

圖5 電能質(zhì)量現(xiàn)場檢測

圖6 電能質(zhì)量監(jiān)測

由上可以得出結(jié)論，經(jīng)改造后，該能量回饋制動(dòng)裝置輸出電能的質(zhì)量完全符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，總的節(jié)電率高達(dá)36%，完全滿足目前市場大量未經(jīng)改造的存量電梯的改造要求，該項(xiàng)目的研究與應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)代電梯產(chǎn)業(yè)提供了較好的參考借鑒價(jià)值。

表2 電能質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)與國標(biāo)的對(duì)比

3 結(jié)束語

該節(jié)能方案針對(duì)市場存量電梯變頻器的改造具有很高的推廣價(jià)值。

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圖5 機(jī)架應(yīng)力云圖

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第一作者簡介：宋 江，男，1977年生，山東東阿人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：農(nóng)產(chǎn)品收獲與加工。已發(fā)表論文20篇。

(編輯：向 飛)

Application of Electric Energy Feedback Device in the Elevator Inverter Energy-Saving Modification

LI Yue-hua
（Electrical Technology Department，Shenzhen Institute of Technology，Shenzhen518000，China）

This paper expounds the working principle of the inverter energy feedback device，introduces the research and application of inverter energy feedback device in the elevator energy-saving modification，and the energy saving effect and benefit after transformation of quantitative measurement，provides technical reference for application of the inverter with huge stock in energy saving electric energy feedback device modification.

elevator；inverter；energy consumption braking；electricity feedback；elevator hoisting height；energy saving reconstruc?tion

TM921.51

A

1009－9492(2014)08－0161－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.046

李躍華，男，1976年生，內(nèi)蒙古人，大學(xué)本科，講師。研究領(lǐng)域：電梯技術(shù)、電工技術(shù)。已發(fā)表論文9篇。 (編輯：王智圣)

2014－07－29