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摘 要随着国民经济的发展越来越多的高楼拔地而起，电梯成为高楼的主要的“轨道交通”。与此同时电梯的能耗问题也摆在面前。本文着重介绍有源能量回馈器在电梯控制系统中的节能应用，阐述有源能量回馈器节能原理及普通电梯加装方法。
关键词有源能量回馈器；电梯；节能
中图分类号TU857文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)052-0184-02
1电梯运行时耗能情况
采用变频调速的电梯启动运行达到最高运行速度后具有最大的机械功能，电梯达到目标层前要逐步减速直到电梯停止运动为止，这一过程是电梯曳引机释放机械功能量的过程。此外，由于曳引机拖动的负载是由载客轿厢和对重平衡块组成的，垂直电梯还是一个位能性负载，为了均匀地拖动负载，电梯只有当轿厢载重量约为50%时，轿厢和对重平衡块才相互平衡，否则，轿厢和对重平衡块就会有质量差，使电梯运行时产生机械位能。
电梯运行过程中所产生多余的机械功能和机械位能会通过电动机和变频器转换成直流电能储存在变频器直流回路中的电容中，此时电容就好比是一个小水库，回送到电容中的电能越多，电容电压就越高，如不及时释放电容器储存的电能，就会产生过压故障，使变频器停止工作，电梯无法正常运行。目前变频器泄放大电容中电量的方法是，采用制动单元和外加大功率电阻，将大电容中电量消耗到外加大功率电阻上白白浪费掉。有源能量回馈器则可以实现把大电容中储存的电量无消耗地回收再利用，从而既达到节能目的。由于不需要耗电发热大功率电阻，这样也大大改善了系统的运行环境。
2有源能量回馈器节能分析
电梯有源能量回馈器主要由智能模块IGBT、LEM（直流侧电压智能检测）、滤波电感、电容等元件组成。
图1电梯电能回馈装置内部系统图
电梯电能回馈装置LEM（直流侧电压智能检测），通过P（+）和N（-）两个端子驳接到电梯变频器的直流母线上，其主要作用检测母线上直流电压是正置还是倒置。并以此为依据判断电机处于电动状态还是在发电状态。并作出是否回馈电能的决策。当母线直流电压为正置时电机处于电动状态，这时候回馈单元不能反馈电能的；只有当母线上的直流电压出现倒置时回馈单元才能反馈电能。这样就可以很好地防止电能误反馈。另外LEM还检测直流母线上的电流、电流值。并把观测得到的信息发送给数字信号处理器DSP。
电网（交流）相位检测部分主要是为了获取电网的实际相位，保障输出的电能变换成一个和电网源同步同相位的交流正弦波。电网（交流）相位检测所得信息同时也发送回数字信号处理器DSP。由DSP和单片机构成的数字处理单元产生脉宽调制波形，推动逆变桥IGBT智能模块，实现智能逆变。IGBT模块是整个回馈单元主电路中的核心元件。
选用滞环电流控制并以用于电机与运动控制的数字信号处理芯片TMS320F2407实现将正弦电流参考波形与线电流的实际波形进行滞环比较，比较结果决定逆变器桥臂上下开关元件的导通和关断。可使交流侧电流接近正弦，功率因数为约-1.0。由于晶闸管工作时高频通断，所产生的电流上含有高频谐波如图2所示。
图2未经滤波的正弦交流电流原理图和仪器检测实际波形图
图3IGBT智能模块A相的等效电路
为了使输出的正弦交流波形反馈电网时不会污染电网，必须对未经处理的波形进行滤波把高频谐波过滤掉。如图1所示，以图1中A相分析可以得出其等效电路图图3，图中Us，Ip分别为电网电压矢量和IPM-IGBT输出的A相电流基波的矢量，Rs为线路电阻，Cs为储能滤波电容。由图4（a）可知若输出电路不加电感L时，Cs的取值大小至关重要。取值较大有利于电能转换及反馈电流的滤波，但成本增加且电容上的电流增加，电容上的电流增加则直接影响IGBT向电网逆变的功率因素，或同等功率下不得不增大IGBT主开关管的电流容量，从而使得整体成本增加；取值较小，电容上的电流减小价格降低，但反馈电流的谐波增加。因此对于Cs的取值应综合考虑电容上的电流、电流的谐波和制造成本。为使得Cs在合理的情况下IGBT的逆变输出电流满足国家电网标准IEC1000-3-2所规定的最大谐波电流值，在IGBT的交流输出端合理地设置滤波电感L可获得较为理想的效果，该电感的并入能较好的抑制流向电网的高次谐波电流，且该电感的数值较小并不能改变电路系统的特性。而且可以通过合理设置电容Cs有效减少Ic电流保证输出电路的功率因素。另外在电梯有源能量回馈器的主回路上，还串接了快熔保险、防止反向流动的二极管、存储电能变换过程中无功能量的直流侧滤波电感；还有各种过流、过压、过热保护报警回路确保整个系统安全。通过上述器件变换后再生的纯净电能被送回到电网。
图4逆变工况的基波矢量图
3改造方案
本次改造选用的是某电梯专用有源能量回馈器。改造对象是日资品牌电梯。改造的起初方案是把耗能电阻去掉把有源能量回馈器直接接到变频器母线上，但考虑到当回馈器发生故障的时候变频系统会因为无法消耗母线上的多余电能而发生过压保护导致电梯系统故障的恶性事故。因此在最终方案中保留了耗能电阻。由于电梯有源能量回馈器的工作电压比制动单元的工作电压低，当电梯电能回馈装置开始工作后，直流母线电压不再上升，达不到制动单元的工作电压，此时耗能电阻不工作，只有当电梯有源能量回馈器出现故障停止工作时，制动单元才工作耗能电阻工作并消耗变频器母线上的剩余电压。这样就可以避免了因电梯有源能量回馈器出现故障而导致停梯困人的恶性事件。
加装电梯专用有源能量回馈器时注意：
1）安装和接线时必须把与其连接的电梯主电源断开，并等待5-10分钟，用万用表测量变频器的P（+）和N（-）两端的电压低于DC30V时才能进行接线操作。
2）有源能量回馈器的交流侧必须与变频器的交流侧直接连接不能通过其他开关和接触器。
3）有源能量回馈器与变频器连接好后不能连接到其他设备的交流回路上。
4）注意P（+）和N（-）不能接反，否则会烧坏设备。
4节能效果分析
以已改造的某大型商住小区为例进行能量分析。（见表1）
5结束语
电梯有源能量回馈器安装便节、接线简单、系统安全稳定，而且大大改善了电梯系统的运行环境，减低机房的发热量。而且很适合高层建筑和高速度的电梯，是一种很值得推广的节能环保技术。
参考文献
[1]邵丙衡主编.电力电子技术,北京:中国铁道出版社,1997.
[2]李爱文,张承慧编著.现代逆变技术及应用,北京:科学出版社,2000.
[3]李爱文,张承慧,编著.现代逆变技术及应用,北京:科学出版社,2000.
[4]刘志刚,李宝昌,汪至中.用脉冲整流器实现的电子模拟功率负载,北京:北方交通大学学报,2001.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词有源能量回馈器；电梯；节能
中图分类号TU857文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)052-0184-02
1电梯运行时耗能情况
采用变频调速的电梯启动运行达到最高运行速度后具有最大的机械功能，电梯达到目标层前要逐步减速直到电梯停止运动为止，这一过程是电梯曳引机释放机械功能量的过程。此外，由于曳引机拖动的负载是由载客轿厢和对重平衡块组成的，垂直电梯还是一个位能性负载，为了均匀地拖动负载，电梯只有当轿厢载重量约为50%时，轿厢和对重平衡块才相互平衡，否则，轿厢和对重平衡块就会有质量差，使电梯运行时产生机械位能。
电梯运行过程中所产生多余的机械功能和机械位能会通过电动机和变频器转换成直流电能储存在变频器直流回路中的电容中，此时电容就好比是一个小水库，回送到电容中的电能越多，电容电压就越高，如不及时释放电容器储存的电能，就会产生过压故障，使变频器停止工作，电梯无法正常运行。目前变频器泄放大电容中电量的方法是，采用制动单元和外加大功率电阻，将大电容中电量消耗到外加大功率电阻上白白浪费掉。有源能量回馈器则可以实现把大电容中储存的电量无消耗地回收再利用，从而既达到节能目的。由于不需要耗电发热大功率电阻，这样也大大改善了系统的运行环境。
2有源能量回馈器节能分析
电梯有源能量回馈器主要由智能模块IGBT、LEM（直流侧电压智能检测）、滤波电感、电容等元件组成。
图1电梯电能回馈装置内部系统图
电梯电能回馈装置LEM（直流侧电压智能检测），通过P（+）和N（-）两个端子驳接到电梯变频器的直流母线上，其主要作用检测母线上直流电压是正置还是倒置。并以此为依据判断电机处于电动状态还是在发电状态。并作出是否回馈电能的决策。当母线直流电压为正置时电机处于电动状态，这时候回馈单元不能反馈电能的；只有当母线上的直流电压出现倒置时回馈单元才能反馈电能。这样就可以很好地防止电能误反馈。另外LEM还检测直流母线上的电流、电流值。并把观测得到的信息发送给数字信号处理器DSP。
电网（交流）相位检测部分主要是为了获取电网的实际相位，保障输出的电能变换成一个和电网源同步同相位的交流正弦波。电网（交流）相位检测所得信息同时也发送回数字信号处理器DSP。由DSP和单片机构成的数字处理单元产生脉宽调制波形，推动逆变桥IGBT智能模块，实现智能逆变。IGBT模块是整个回馈单元主电路中的核心元件。
选用滞环电流控制并以用于电机与运动控制的数字信号处理芯片TMS320F2407实现将正弦电流参考波形与线电流的实际波形进行滞环比较，比较结果决定逆变器桥臂上下开关元件的导通和关断。可使交流侧电流接近正弦，功率因数为约-1.0。由于晶闸管工作时高频通断，所产生的电流上含有高频谐波如图2所示。
图2未经滤波的正弦交流电流原理图和仪器检测实际波形图
图3IGBT智能模块A相的等效电路
为了使输出的正弦交流波形反馈电网时不会污染电网，必须对未经处理的波形进行滤波把高频谐波过滤掉。如图1所示，以图1中A相分析可以得出其等效电路图图3，图中Us，Ip分别为电网电压矢量和IPM-IGBT输出的A相电流基波的矢量，Rs为线路电阻，Cs为储能滤波电容。由图4（a）可知若输出电路不加电感L时，Cs的取值大小至关重要。取值较大有利于电能转换及反馈电流的滤波，但成本增加且电容上的电流增加，电容上的电流增加则直接影响IGBT向电网逆变的功率因素，或同等功率下不得不增大IGBT主开关管的电流容量，从而使得整体成本增加；取值较小，电容上的电流减小价格降低，但反馈电流的谐波增加。因此对于Cs的取值应综合考虑电容上的电流、电流的谐波和制造成本。为使得Cs在合理的情况下IGBT的逆变输出电流满足国家电网标准IEC1000-3-2所规定的最大谐波电流值，在IGBT的交流输出端合理地设置滤波电感L可获得较为理想的效果，该电感的并入能较好的抑制流向电网的高次谐波电流，且该电感的数值较小并不能改变电路系统的特性。而且可以通过合理设置电容Cs有效减少Ic电流保证输出电路的功率因素。另外在电梯有源能量回馈器的主回路上，还串接了快熔保险、防止反向流动的二极管、存储电能变换过程中无功能量的直流侧滤波电感；还有各种过流、过压、过热保护报警回路确保整个系统安全。通过上述器件变换后再生的纯净电能被送回到电网。
图4逆变工况的基波矢量图
3改造方案
本次改造选用的是某电梯专用有源能量回馈器。改造对象是日资品牌电梯。改造的起初方案是把耗能电阻去掉把有源能量回馈器直接接到变频器母线上，但考虑到当回馈器发生故障的时候变频系统会因为无法消耗母线上的多余电能而发生过压保护导致电梯系统故障的恶性事故。因此在最终方案中保留了耗能电阻。由于电梯有源能量回馈器的工作电压比制动单元的工作电压低，当电梯电能回馈装置开始工作后，直流母线电压不再上升，达不到制动单元的工作电压，此时耗能电阻不工作，只有当电梯有源能量回馈器出现故障停止工作时，制动单元才工作耗能电阻工作并消耗变频器母线上的剩余电压。这样就可以避免了因电梯有源能量回馈器出现故障而导致停梯困人的恶性事件。
加装电梯专用有源能量回馈器时注意：
1）安装和接线时必须把与其连接的电梯主电源断开，并等待5-10分钟，用万用表测量变频器的P（+）和N（-）两端的电压低于DC30V时才能进行接线操作。
2）有源能量回馈器的交流侧必须与变频器的交流侧直接连接不能通过其他开关和接触器。
3）有源能量回馈器与变频器连接好后不能连接到其他设备的交流回路上。
4）注意P（+）和N（-）不能接反，否则会烧坏设备。
4节能效果分析
以已改造的某大型商住小区为例进行能量分析。（见表1）
5结束语
电梯有源能量回馈器安装便节、接线简单、系统安全稳定，而且大大改善了电梯系统的运行环境，减低机房的发热量。而且很适合高层建筑和高速度的电梯，是一种很值得推广的节能环保技术。
参考文献
[1]邵丙衡主编.电力电子技术,北京:中国铁道出版社,1997.
[2]李爱文,张承慧编著.现代逆变技术及应用,北京:科学出版社,2000.
[3]李爱文,张承慧,编著.现代逆变技术及应用,北京:科学出版社,2000.
[4]刘志刚,李宝昌,汪至中.用脉冲整流器实现的电子模拟功率负载,北京:北方交通大学学报,2001.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文