關于VVVF型電梯配電設計的探討

肖健媛

摘 要：針對目前變頻變壓調速（VVVF）控制系統(tǒng)的電梯，以電梯配電設計為出發(fā)點，分析原理并圍繞電梯供配電設計中的電梯計算負荷、配電線路計算電流、電壓降校驗等問題進行討論，最后給出部分合理化建議供相關設計人員參考。

關鍵詞：VVVF；電梯配電；計算負荷；計算電流；電壓降校驗

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0059-02

隨著城鎮(zhèn)化的有序推進，高樓林立帶來的是電梯數(shù)量的爆發(fā)式增長。乘客對使用的電梯也提出了快速、節(jié)能、低噪音等新需求。科技的發(fā)展和市場的迫切要求使得電梯制造企業(yè)對技術進行了相應的改進。由于變頻調速具有回路簡單、功率因素高、節(jié)省能源、起動平穩(wěn)、調速范圍寬等優(yōu)點，因此目前市面上的電梯控制系統(tǒng)已廣泛采用變頻變壓調速控制技術。針對電機類型的不同，電機容量15kW以上一般采用交流異步電機，15kW以下一般采用交流同步電機。本文對VVVF型電梯進行設計計算，并對現(xiàn)場可能出現(xiàn)的問題進行探討。

1 電梯運行分析及估算

1.1 電梯運行分析

首先根據(jù)電梯轎廂運行的狀態(tài)進行分析：轎廂運動分上行和下行，均需要驅動電機通過曳引鋼絲繩來實現(xiàn)對轎廂在井道位置的控制。

令TM為電梯配備電機驅動轉矩轎廂的上行運行狀態(tài)包含以下三種情況：

（1）當TM大于零時，轎廂載重大于配重；

（2）當TM等于零時，轎廂載重等于配重；

（3）當TM小于零時，轎廂載重小于配重。

在實際工作中，當轎廂處于滿載狀態(tài)時，電梯電機的驅動轉矩TM就會達到最大值TMmax，此時設定該驅動轉矩為額定值TMe。令平衡系數(shù)Φ=0.45，那么額定負載下的額定驅動轉矩為0.55TMe（（1-Φ）TMe=0.55TMe）。TXmax為轎廂與乘客重量形成的最大阻轉矩，即電梯滿載時的阻轉矩。

與此類似，電梯轎廂的下行運行狀態(tài)也包含三種情況：

（1）電梯電機的驅動轉矩TM大于零，此時的轎廂重量小于配重；（2）電梯電機的驅動轉矩TM等于零，此時的轎廂重量等于配重；（3）電梯電機的驅動轉矩TM小于零，此時的轎廂重量大于配重。

電梯在下行過程中，如果載重為零，則電梯的阻轉矩值最大，令平衡系數(shù)Φ=0.45，那么額定負載下的額定驅動轉矩為0.45TMe，此時電梯的負載率可以用（1-1）式求得。

1.2 電梯配備電源設備容量的估算

在對電梯配電設計時，為安全起見，需故算電梯電源設備的容量。設電梯所配電源設備的容量為S（kV·A），電梯額定載重為M（kg），電梯額定運行速度為V（m/s），則可根據(jù)下式估算電梯設備的容量：

（1）交流單速型電梯：S=0.035L*V；（2）交流雙速型電梯：S=0.030L*V。

實際計算時，電梯的電源設備容量S應以制造商提供的數(shù)據(jù)為準。

2 電流及功率計算

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范GB50055-2011《通用用電設備配電設計規(guī)范》，在單臺交流電梯工作時，其供配電線路的工作時的載流量應大于其銘牌連續(xù)工作制額定電流的140%或銘牌0.5h或1h工作制額定電流的90%。至于短時或周期工作制電動機的功率和計算電流，則需進行相應的折算，又稱暫載率。根據(jù)折算到暫載率下的功率和電流值進行設計。當采用需要系數(shù)法計算負荷時統(tǒng)一持續(xù)率取為25%，用到如下公式：

是電梯電動機的額定電壓，一般為380V；為電梯電動機長期工作制時的功率因數(shù)，一般來說，電梯由于經常處于啟動、制動狀態(tài)，而且很多時候處于輕載運行狀態(tài)，甚至空載運行狀態(tài)，因此交流電梯的功率因數(shù)很低，只有0.5～0.7，而目前在民用建筑中大多采用的VVVF變頻變壓調速電梯的功率因數(shù)可在0.9以上，這些基本資料可向選擇電梯的建筑專業(yè)或電梯生產廠家索取。

3 部件選型與計算

根據(jù)《全國民用建筑工程設計技術措施—電氣》（2009）中對負荷計算過程中所需的需要系數(shù)表要求，當電梯的需要系數(shù)取0.2～0.5時，電梯計算負荷非常小。而根據(jù)要求，電梯配電設備中開罐與電纜的計算電流應為長期工作制電動機額定電流的1.4～2倍，而上文計算的電流似乎存在明顯的矛盾。而如若分析，其實不然，因為電梯計算電流表示的是當電梯處于最大負荷時，影響到電梯供電回路中斷路器和電纜短時間內發(fā)熱的電流（含有功電流和無功電流），而該電流為選擇電纜及斷路器等設備的參考閾值。然而，從運行角度考量，電梯在整個工作過程中引起變壓器發(fā)熱（溫升），應等于一個在長時間段內的加權平均值，而非最大負荷值。而經過變電所采取無功補償后，無功電流也將得到有力控制，影響將被顯著降低。

而從電梯工作中轎廂的六中工作狀態(tài)分析，電梯滿載運行時間在整個運行時段的占比以及整體平均負荷率都很低。盡管在電梯設計時，配電設備參考最大負荷，但其實際上相對于變壓器而言，負荷較小，向多臺電梯供電電源容量的計算。

同一臺電動機，其銘牌上的額定功率和額定電流有多種表達，隨著負載持續(xù)率ε不同而不同，ε越小額定功率越大。實際運行負載持續(xù)率越低，同一臺電動機帶載能力越大，允許電流也越大。其原理是電機允許溫度所決定的。反之，若按低負載持續(xù)率選擇電動機，當運行在高負載持續(xù)率時因電動機承載能力降低而發(fā)生過載，這是不允許的。

運行周期時間不足10min，屬斷續(xù)負載范疇。如100m高的電梯井，電梯以2m/s速度中間不停站運行，50s可從低層升到頂層，停留150s，負載持續(xù)率為25%，運行周期時間不到4min，不足10min，屬斷續(xù)負載范疇。

考慮極端運行狀況，假設用戶為處于某較高樓層的大會議室，大量人員需要在某一密集時間段集中。這樣將會在短時間內出現(xiàn)滿載上升、空載下降兩種需要滿載功率的極端工況。而電梯層時間短，負載持續(xù)率高于80%，接近連續(xù)工作，故此時該電梯應當按照連續(xù)工作制考慮。其中，電動機為S5工作制（包括電制動的斷續(xù)周期工作制），而電梯電源則為S4工作制（包括啟動的斷續(xù)周期工作制）的電動機供電，而產生如上區(qū)別的原因在于電梯電動機制動過程中所采取的回饋制動或能耗制動不會產生額外的能量消耗，故電源供電無制動段，故為S4制。如圖1所示。

4 配電設計中的常見問題及改進措施

結合上述計算以及筆者經驗，在確定電梯電源導體截面時要考慮兩個條件，并從中選取較大者，一是按溫升選擇導線截面，二是滿足電壓降的要求。一般按電梯的計算電流選擇導體截面主要是考慮溫升的要求，忽略了電壓降的要求，尤其是在供電變壓器距電梯曳引電動機較遠時，電壓降是指電梯啟動加速時的沖擊電流所產生的電壓損失，不應超過電動機額定電壓的10%。因此在根據(jù)計算電流按溫升選擇了導體后，還要對其電壓降進行校驗。

例1，一棟28層的高層住宅，電梯載重量為1200kg，速度為1.75m/s，電氣設計人員按一般常規(guī)設計，電動機功率為22kW，配電電纜截面為35mm2的交聯(lián)電纜，很多設計手冊上也是這么選定的。工程實際采用了VVVF變頻變壓調速電梯，銘牌上電動機的功率為16.8kW，啟動電流為42.8A，電梯廠家配套的從控制箱到電梯曳引機的電纜截面只有6mm2。說明電動機的運行電流是比較小的，當然由于這段配線只是在末端。配電電纜的截面選擇多大為宜？我們先校驗線路電壓降，假定從變壓器到電動機的距離為250m，選擇電纜為YJV-1型電纜，截面為10mm2，電壓降為9.067%，基本滿足要求，為可靠起見，選擇截面為16mm2的電纜，這比原來35mm2的要小得多。

例2，一棟33層的高層住宅，電梯載重量為1000kg，速度為2m/s，銘牌上的電動機功率為11.5kW，電動機的額定線電流是31A，啟動電流為58A。按上述同樣的條件，作電壓降的校驗，選擇截面為16mm2的電纜，能滿足要求。

綜合分析上述2個實例，結合筆者審圖過程中所了解的情況，目前單臺電梯配電的計算存在兩個問題，一是在沒有具體型號規(guī)格的情況下設計人員參照一些設計資料，確定的容量都偏大；二是計算電流也偏大，多臺電梯時亦是如此，設計取值比實際的結果都要大，當電梯臺數(shù)較多時，設計累計誤差更大，這無疑會造成資源極大的浪費。電氣設計人員不能認為越大越好，萬無一失，應該從節(jié)能減排的原則出發(fā)，充分了解電梯的具體技術數(shù)據(jù)，才能準確地確定電梯的配電容量和配電電纜截面。需要對電機啟動電流作電壓降校驗有考慮，如果電梯配電房有多臺電梯，可以考慮乘以多臺電梯同時系數(shù)。所以電梯的電壓降校驗應包括兩部分內容：第一部分依據(jù)啟動電流校驗電梯配電房母線上電壓降；第二部分依據(jù)計算電流校驗配電房母線電壓降及分支線至電梯控制柜電壓降的總壓降。

具體項目的變壓器容量需要通過負荷計算來確定，不過還是可以通過超高層建筑電梯容量和變壓器容量的變化規(guī)律找到其關聯(lián)。作為電梯設備，大功率的電機啟動勢必帶來變壓器供電母線的壓降。而電梯設備允許的電壓降為-7%，所以變壓器容量應該滿足電梯啟動的壓降要求，同時需要考慮變壓器的二次運輸問題。

電梯配電線路保護斷路器的選型，《設計手冊》規(guī)定當線路較長時，還應校驗線路首端短路和接地故障保護的靈敏性。由于斷路器的型號及產品可供選擇的很多，可依據(jù)設計經驗或《設計手冊》試選一種斷路器，再依據(jù)以上原則校驗。如果出現(xiàn)了線路尖峰電流大于單相接地短路電流的情況，建議選擇電機保護專用斷路器。

參考文獻

[1]中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院.工業(yè)與民用配電設計手冊[M].第3版.北京：中國電力出版社，2005.

[2]徐琦.電梯負荷計算[J].建筑電氣，2012，31（10）：41-44.

[3]中國建筑東北設計研究院.JGJ16-2008 民用建筑電氣設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[4]郭丙軍.電力拖動技術及其應用[M].北京：中國電力出版社，2012：112-117，196.