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摘要: 随着经济的发展，能源需求量越来越高，能源紧缺成为限制各个领域发展的主要因素之一。近些年来建筑业和交通业得到长足发展，电梯也得到越来越广泛的应用，而作为耗能大户的电梯其运行能耗十分惊人。因此，电梯节能控制设计，具有十分重要的社会意义和经济价值。
Abstract: with the development of economy, energy demand more and more high, the energy shortage be restricted the development of each field one of the main factors. In recent years the construction and transportation get rapid development, the elevator has also been applied more and more, and the energy consumption of the large as elevator operating energy consumption is quite amazing. Therefore, the elevator energy control design, have very important social significance and economic value.
中图分类号：TE08 文献标识码：A文章编号：
0 引言
21世纪全球面临资源紧缺问题，各国都极其重视资源和能量的利用，大力探索节能技术，并将各类节能技术的研发提到国家发展战略中。通常情况下，一部普通电梯的日用电量在50KWH～150KWH之间，如果按照平均日用电量90KWH计算，到2010年年末，全国每年电梯耗电总量将达到430亿千瓦时以上，耗电量十分巨大，电梯作为建筑
行业和运输行业的耗电大户得到越来越多的关注。电梯运行过程中驱动电梯轿厢运行的曳引机部分会消耗大部分能量，根据相关统计数据，曳引机系统中的电机拖动耗电占电梯运行总能量的75％以上，如何在电机拖动耗电过程中节约能量成为研究节能电梯的关键。根据电梯运行原理，电梯减速制动时，电机处于发电工作状态。目前电梯一般将制动产生的能量回馈到变频器直流环节的电容中存储，为防止变频器中电容过压，对于这部分反馈制动能量，现有技术往往是将其通过大功率电阻耗散掉，这样不仅对能量造成大量浪费，同时由于电阻耗散会产生大量热能，为了避免因高温对电梯机房其他部分组件产生消极影响还需要装空调等散热设备，这会导致能量的二次浪费。
本文主要根据能量回馈原理对商业大厦电梯提出一种节能控制方案．同时对多台电梯变频器直流侧并联控制系统进行设计。在商业大厦中均是多台电。
1 能量回馈节能原理
再生制动能量回馈原理是将运动中负载的机械能(位能、动能)通过变频器变换成电能(蒋生电能)并回送给交流电网．或供附近其它用电设备使用，使电机拖动系统在单位时间消耗电网电能下降。普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流电，然后采用IGBT(绝缘柵双极晶体管)逆变技术将直流电转化成电压、频率皆可调整的交流电。这种变频器只能工作在电机的电动状态．故称之为二象限变频器。由于二象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动．所以无法将电机回馈系统的能量送回电网。在某些电动机回馈能量的应用中。如电梯、提升设备、离心机系统，只能在二象限变频器上增加电阻制动单元。将电动机回馈的能量消耗掉。
IGBT功率模块可以实现能量的双向流动，如果采用IGBT为整流桥．用高速度、高运算能力的DSP产生SPWM(正弦脉宽调制)控制脉冲。可以将电动机回馈产生的能量反送到电网．达到节能的效果。如图1所示。
图1 四象限变频器的电路原理图
2 电梯的运行与节能控制方案
图2为一台电梯曳引系统的简单示意图．其中对重重量为轿厢额定载重量的40％～50％(一般定义为45％)。由此可以将电梯的运行分为3种情况：①对重或轿厢较重的一边在下降，如电梯轻载上行和重载下行，其特点是由势能转化为电能，即电梯曳引机工作在发电状态。②对重或轿厢较重的一边在上升。如电梯轻载下行和重载上行．其特点是由电能转化为势能。即电梯曳引机工作在用电状态。③半载或接近半载状态下运行．此时电梯曳引机工作在平衡或接近平衡的状态。这时电梯运行的效率最高。
根据能量回馈原理，电梯的第①种运行情况产生的电能通过节能控制系统的合理分配．可达到节能的目的。本文所阐述的控制方案主要用于电梯的第①种运行情况。节能控制方案(与变频器控制系统配合使用)如下：
a.电动机发电产生的电能不是通过电阻热耗,而是通过直流侧电能并联控制系统,将发出的电能合理分配给其它用电电梯，从而实现节能目的。
b.当发电能量过剩时．电动机发电产生的电能不是通过电阻热耗，而是通过整流(逆变)再将这部分电能回馈给电网。
c.某一时刻电梯总用电大于总发电电能时．采用直流电能并联控制方案．只有在直流侧能量过剩时。才采用回馈控制。
d.当有一部电梯处于回馈能量状态时．其它所有电梯的整流功能全部停止．即整流与回馈不能同时进行．避免环流发生。
e.当控制系统发生故障或有突发情况发生时。可切断控制器使一部或几部电梯单独运行．此时电梯变频器直流侧不再并联．电梯制动产生的电能直接回馈给电网。
图2电梯曳引系统的简单示意图
3 多台电梯变频器直流侧并联控制系统设计
3.1 控制系统构成及工作原理
本文以4台电梯并联为例,对4台电梯变频器直流侧并联控制系统进行设计。如图3所示，当某台或某几台电梯轻载上行或重载下行发电时,产生的交流电通过整流器整流后变成直流电．可直接供给其它需要用电的电梯．或逆变后回馈给电网。由于该系统使用的整流器和逆变器都是由IGBT功率模块组成的,结构基本相同。故可实现能量的双向流动，但也带来了一些问题。例如怎样避免环流。该控制系统通过检测电流的方向来判断电梯是否用电．通过合理的控制方案控制各个控制器的通断．使电梯所发出的电能合理分配．避免有的IGBT功率模块在整流、有的IGBT功率模块在逆变的情况发生，从而既实现节能，又避免环流的发生。
图3 4台电梯变频器直流侧并联
图3中A、B、C、D为4组电梯，A1、A2为A组电梯的两个控制器。以此类推。当A组电梯发电时，若B组电梯需要供电，此时控制器A1、B1将检测到的电流信号传送给单片机,单片机通过既定程序发出控制信号使A2、B2导通，则A组电梯通过控制器A2、B2给B组电梯供电;若此时没有电梯需要供电，则通过控制器A1，将电能回馈给电网,从而达到节能的目的。
3.2控制系统的电路设计
控制系统控制原理如图4所示．以A组电梯为例来介绍该控制系统的主电路。其中断路器用于检修时隔离电源．或有突发情况发生时切断故障电梯。控制器A1可检测直流侧线路电流的方向，从而判断此时A组电梯是处于发电状态还是处于用电状态,或是处于停运状态。并将检测到的信号发送给单片机。单片机通过既定程序作出判断后发出控制信号,控制信号经驱动芯片控制继电器的通断,继电器的触点与接触器线圈串联,从而控制接触器的通断。即控制了控制器A2的通断。其中单片机的输入、输出均加入光耦隔离。
单片机发出两路控制信号：一路直接通过驱动芯片、继电器使接触器1导通；另一路通过两个串联的反相器之后使接触器2导通．以达到缓冲的目的。当A2上电时。单片机发出的控制信号先使接触器l导通。电流通过断路器、接触器l和限流电阻。使控制器A2导通，经过一段缓冲时间，再使接触器2导通。从而使之完全导通。其目的是防止A2导通时电流di/dt过大,烧毁器件。接触器断开时同样有缓冲的效果。
该控制系统主要由控制部分和检测部分组成。
控制部分主要由单片机和驱动电路组成。本设计采用PICl6F874型单片机．该单片机具有高性能RISC CPU。稳定性和可靠性较高,同时具有A／D、D/A转换功能．可直接输入模拟信号。单片机的输入和输出均使用光耦隔离．防止电流过大烧毁单片机。驱动电路主要由驱动芯片ULN2803A和继电器组成。ULN2803A是一种高电压、大电流的达林顿晶体管阵列。内部自带续流二极管。能够很好地驱动继电器。
检测部分主要由霍尔电流传感器和比较器组成。本设计采用CHB一25NP型闭环霍尔电流传感器．該传感器通过调节不同的匝数比．可测量多个量程的直流电流。该传感器根据直流电流的方向输出正负电压,正负电压通过过零比较器输出高低电平。故可通过输送给单片机的电平的高低来判断直流侧电流的方向,从而判断电梯是处于发电状态还是处于用电状态。当直流侧无电流时。霍尔电流传感器输出为低电平,通过过零比较器后输出仍为低电平。在设计程序时,当单片机输入为低电平时。使单片机发出控制信号将控制器A2关断即可满足要求。
图4控制系统原理图
控制系统的软件部分要根据实际运行的电梯并联台数及所用电梯曳引机的制动发电能力来设计。控制系统各个器件之间的逻辑控制关系较为简单．只要把并联电梯的运行情况考虑完全．软件设计就变得较为容易，在此不做过多叙述。
4 结论
该方案的节能效果取决于实际运行的电梯并联台数及所用电梯曳引机的制动发电能力．同时也与软件设计有关。基于能量回馈节能原理的控制策略可以实现电梯四象限节能运行．根据节能控制方案设计的4台电梯变频器直流侧并联控制系统可以合理分配电梯所产生的电能，达到节能的目的。文中提出的节能控制方案可用于多台电梯并联．该方案可以为节能电梯的发展提供研究方向。
本文还需要进一步研究的问题：
a.模型仿真及实验研究。
b.产品样机的研制。
c.实际节能测试
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
Abstract: with the development of economy, energy demand more and more high, the energy shortage be restricted the development of each field one of the main factors. In recent years the construction and transportation get rapid development, the elevator has also been applied more and more, and the energy consumption of the large as elevator operating energy consumption is quite amazing. Therefore, the elevator energy control design, have very important social significance and economic value.
中图分类号：TE08 文献标识码：A文章编号：
0 引言
21世纪全球面临资源紧缺问题，各国都极其重视资源和能量的利用，大力探索节能技术，并将各类节能技术的研发提到国家发展战略中。通常情况下，一部普通电梯的日用电量在50KWH～150KWH之间，如果按照平均日用电量90KWH计算，到2010年年末，全国每年电梯耗电总量将达到430亿千瓦时以上，耗电量十分巨大，电梯作为建筑
行业和运输行业的耗电大户得到越来越多的关注。电梯运行过程中驱动电梯轿厢运行的曳引机部分会消耗大部分能量，根据相关统计数据，曳引机系统中的电机拖动耗电占电梯运行总能量的75％以上，如何在电机拖动耗电过程中节约能量成为研究节能电梯的关键。根据电梯运行原理，电梯减速制动时，电机处于发电工作状态。目前电梯一般将制动产生的能量回馈到变频器直流环节的电容中存储，为防止变频器中电容过压，对于这部分反馈制动能量，现有技术往往是将其通过大功率电阻耗散掉，这样不仅对能量造成大量浪费，同时由于电阻耗散会产生大量热能，为了避免因高温对电梯机房其他部分组件产生消极影响还需要装空调等散热设备，这会导致能量的二次浪费。
本文主要根据能量回馈原理对商业大厦电梯提出一种节能控制方案．同时对多台电梯变频器直流侧并联控制系统进行设计。在商业大厦中均是多台电。
1 能量回馈节能原理
再生制动能量回馈原理是将运动中负载的机械能(位能、动能)通过变频器变换成电能(蒋生电能)并回送给交流电网．或供附近其它用电设备使用，使电机拖动系统在单位时间消耗电网电能下降。普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流电，然后采用IGBT(绝缘柵双极晶体管)逆变技术将直流电转化成电压、频率皆可调整的交流电。这种变频器只能工作在电机的电动状态．故称之为二象限变频器。由于二象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动．所以无法将电机回馈系统的能量送回电网。在某些电动机回馈能量的应用中。如电梯、提升设备、离心机系统，只能在二象限变频器上增加电阻制动单元。将电动机回馈的能量消耗掉。
IGBT功率模块可以实现能量的双向流动，如果采用IGBT为整流桥．用高速度、高运算能力的DSP产生SPWM(正弦脉宽调制)控制脉冲。可以将电动机回馈产生的能量反送到电网．达到节能的效果。如图1所示。
图1 四象限变频器的电路原理图
2 电梯的运行与节能控制方案
图2为一台电梯曳引系统的简单示意图．其中对重重量为轿厢额定载重量的40％～50％(一般定义为45％)。由此可以将电梯的运行分为3种情况：①对重或轿厢较重的一边在下降，如电梯轻载上行和重载下行，其特点是由势能转化为电能，即电梯曳引机工作在发电状态。②对重或轿厢较重的一边在上升。如电梯轻载下行和重载上行．其特点是由电能转化为势能。即电梯曳引机工作在用电状态。③半载或接近半载状态下运行．此时电梯曳引机工作在平衡或接近平衡的状态。这时电梯运行的效率最高。
根据能量回馈原理，电梯的第①种运行情况产生的电能通过节能控制系统的合理分配．可达到节能的目的。本文所阐述的控制方案主要用于电梯的第①种运行情况。节能控制方案(与变频器控制系统配合使用)如下：
a.电动机发电产生的电能不是通过电阻热耗,而是通过直流侧电能并联控制系统,将发出的电能合理分配给其它用电电梯，从而实现节能目的。
b.当发电能量过剩时．电动机发电产生的电能不是通过电阻热耗，而是通过整流(逆变)再将这部分电能回馈给电网。
c.某一时刻电梯总用电大于总发电电能时．采用直流电能并联控制方案．只有在直流侧能量过剩时。才采用回馈控制。
d.当有一部电梯处于回馈能量状态时．其它所有电梯的整流功能全部停止．即整流与回馈不能同时进行．避免环流发生。
e.当控制系统发生故障或有突发情况发生时。可切断控制器使一部或几部电梯单独运行．此时电梯变频器直流侧不再并联．电梯制动产生的电能直接回馈给电网。
图2电梯曳引系统的简单示意图
3 多台电梯变频器直流侧并联控制系统设计
3.1 控制系统构成及工作原理
本文以4台电梯并联为例,对4台电梯变频器直流侧并联控制系统进行设计。如图3所示，当某台或某几台电梯轻载上行或重载下行发电时,产生的交流电通过整流器整流后变成直流电．可直接供给其它需要用电的电梯．或逆变后回馈给电网。由于该系统使用的整流器和逆变器都是由IGBT功率模块组成的,结构基本相同。故可实现能量的双向流动，但也带来了一些问题。例如怎样避免环流。该控制系统通过检测电流的方向来判断电梯是否用电．通过合理的控制方案控制各个控制器的通断．使电梯所发出的电能合理分配．避免有的IGBT功率模块在整流、有的IGBT功率模块在逆变的情况发生，从而既实现节能，又避免环流的发生。
图3 4台电梯变频器直流侧并联
图3中A、B、C、D为4组电梯，A1、A2为A组电梯的两个控制器。以此类推。当A组电梯发电时，若B组电梯需要供电，此时控制器A1、B1将检测到的电流信号传送给单片机,单片机通过既定程序发出控制信号使A2、B2导通，则A组电梯通过控制器A2、B2给B组电梯供电;若此时没有电梯需要供电，则通过控制器A1，将电能回馈给电网,从而达到节能的目的。
3.2控制系统的电路设计
控制系统控制原理如图4所示．以A组电梯为例来介绍该控制系统的主电路。其中断路器用于检修时隔离电源．或有突发情况发生时切断故障电梯。控制器A1可检测直流侧线路电流的方向，从而判断此时A组电梯是处于发电状态还是处于用电状态,或是处于停运状态。并将检测到的信号发送给单片机。单片机通过既定程序作出判断后发出控制信号,控制信号经驱动芯片控制继电器的通断,继电器的触点与接触器线圈串联,从而控制接触器的通断。即控制了控制器A2的通断。其中单片机的输入、输出均加入光耦隔离。
单片机发出两路控制信号：一路直接通过驱动芯片、继电器使接触器1导通；另一路通过两个串联的反相器之后使接触器2导通．以达到缓冲的目的。当A2上电时。单片机发出的控制信号先使接触器l导通。电流通过断路器、接触器l和限流电阻。使控制器A2导通，经过一段缓冲时间，再使接触器2导通。从而使之完全导通。其目的是防止A2导通时电流di/dt过大,烧毁器件。接触器断开时同样有缓冲的效果。
该控制系统主要由控制部分和检测部分组成。
控制部分主要由单片机和驱动电路组成。本设计采用PICl6F874型单片机．该单片机具有高性能RISC CPU。稳定性和可靠性较高,同时具有A／D、D/A转换功能．可直接输入模拟信号。单片机的输入和输出均使用光耦隔离．防止电流过大烧毁单片机。驱动电路主要由驱动芯片ULN2803A和继电器组成。ULN2803A是一种高电压、大电流的达林顿晶体管阵列。内部自带续流二极管。能够很好地驱动继电器。
检测部分主要由霍尔电流传感器和比较器组成。本设计采用CHB一25NP型闭环霍尔电流传感器．該传感器通过调节不同的匝数比．可测量多个量程的直流电流。该传感器根据直流电流的方向输出正负电压,正负电压通过过零比较器输出高低电平。故可通过输送给单片机的电平的高低来判断直流侧电流的方向,从而判断电梯是处于发电状态还是处于用电状态。当直流侧无电流时。霍尔电流传感器输出为低电平,通过过零比较器后输出仍为低电平。在设计程序时,当单片机输入为低电平时。使单片机发出控制信号将控制器A2关断即可满足要求。
图4控制系统原理图
控制系统的软件部分要根据实际运行的电梯并联台数及所用电梯曳引机的制动发电能力来设计。控制系统各个器件之间的逻辑控制关系较为简单．只要把并联电梯的运行情况考虑完全．软件设计就变得较为容易，在此不做过多叙述。
4 结论
该方案的节能效果取决于实际运行的电梯并联台数及所用电梯曳引机的制动发电能力．同时也与软件设计有关。基于能量回馈节能原理的控制策略可以实现电梯四象限节能运行．根据节能控制方案设计的4台电梯变频器直流侧并联控制系统可以合理分配电梯所产生的电能，达到节能的目的。文中提出的节能控制方案可用于多台电梯并联．该方案可以为节能电梯的发展提供研究方向。
本文还需要进一步研究的问题：
a.模型仿真及实验研究。
b.产品样机的研制。
c.实际节能测试
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。