能量回饋在電梯控制系統中的應用

許霞

杭州美科電梯技術有限公司，浙江杭州 310019

能量回饋在電梯控制系統中的應用

許霞

杭州美科電梯技術有限公司，浙江杭州 310019

隨著電梯應用數量的增加，電梯的節能研究具有重要意義。基于雙PWM能量回饋控制技術，設計了節能型電梯控制系統。試驗研究表明該電梯控制系統具有良好的節能效果。

電梯控制；能量回饋；雙PWM

elevator control; energy feedback; dual PWM

引言

隨著經濟的持續發展和科技水平的逐步提高，高層建筑越來越多，電梯的應用逐漸普及，其數量也迅猛增加，已經成為人們生活的重要組成部分。電梯是建筑物中耗電量較高的設備之一，其用電量遠遠高于照明和供水的用電量，僅次于空調的用電量。同時由于全球能源緊張問題日益突出，人們對電梯能耗的關注越來越大[1]。深入強化節能減排是應對能源短缺問題的重要措施之一，是人類可持續發展的必由之路，因此節能綠色環保的電梯成為電梯業的發展趨勢。

電梯是一個帶有平衡對重的曳引系統，主要依靠電動機提供動力。電梯節能主要有以下幾種途徑[2]：（1）采用永磁同步無齒輪曳引機和變頻器調速取代異步電動機調壓調速，以提高電動機運行效率達到節能。該方法具有一定的節能效果，但沒有利用電梯運行過程中產生的電能。（2）將電梯運行過程中產生的電能通過逆變裝置回饋給交流電網，使電動機拖動系統在單位時間消耗電網電能下降。該方法可以充分利用電梯的再生能量，具有較好的節能效果。

1 能量回饋控制系統設計

1.1 能量回饋原理

電梯在運行的過程中有時處于耗電狀態，有時處于發電狀態。根據能量守恒定律，當電梯空載下行、輕載下行或重載上行時，電梯處于耗電狀態，這時電能轉化為載荷的位能；當電梯處于空載上行、輕載上行或重載下行時，電梯處于發電狀態，這時載荷的位能轉化為電能。

這些所產生的電能存儲在一個電容中，隨著時間的增加電容中蓄積的電能越來越多，電容電壓越來越高，如果不及時把電容儲存的這些電能釋放掉，可能會導致電梯無法正常運行。傳統的電梯大都采用能耗制動方式，用大功率電阻以熱能形式將這部分能量消耗掉。該方法雖然簡單，但浪費能量，降低了系統的效率，同時電阻發熱還會影響系統其他部分的正常工作。而節能電梯將這部分再生電能通過逆變元件處理后反饋到電網，供電梯或其他電器設備使用，從而達到節能目的，這就是能量回饋的基本原理[3]。

1.2 雙PWM控制技術

雙PWM控制技術是目前最常用的一種能量回饋技術，具有網側功率因數可控、動態響應快速、電能雙向傳輸、可實現電動機的四象限運行和對電網無諧波污染等特性[4]。

雙PWM控制技術的結構圖如圖1所示，主電路由扼流電抗器、電網側PWM整流器、儲能電容和電機側PWM逆變器組成。其工作原理描述如下。當電動機工作在電動狀態時，電網側PWM整流器工作在整流狀態，電機側PWM逆變器工作在逆變狀態。電網側整流器使用PWM控制交流電網的電流和電壓同相位，電機側逆變器的IGBT在PWM 的控制下使輸出電壓和工作頻率成正比，電動機得到恒定轉矩，同時輸入到電動機的電流為正弦波，減少了高次諧波電流的損耗。

當電動機工作在發電狀態時，電動機產生的能量經電機側PWM逆變器向中間濾波電容充電，當中間濾波電容兩端的直流電壓大于極值時，電網側整流器中IGBT在PWM控制下將能量回饋到交流電網，完成能量的雙向流動，使得整個系統的功率因數為l，消除了對電網的諧波影響[5]。

1.3 能量回饋控制系統設計

基于能量回饋控制技術，采用西門子S7-300系列PLC設計了電梯控制系統，其框圖如圖2所示。該電梯控制系統主要由操作控制子系統、運行控制子系統、門控制子系統和驅動子系統組成。各個子系統通過具有高可靠性的串行通訊網絡緊密地聯系在一起。

圖2 電梯控制系統的基本框圖

系統的工作過程為：

（1）檢測到轎箱的呼喚信號后，根據轎箱所在的樓層位置和電梯內選外呼信號的次序，確定運行方向。

（2）驅動系統驅動電機使轎箱運行，轎箱速度由低速轉變為中速再轉變為高速，并以高速運行至目標層。

（3）當檢測到目標層減速點后，轎廂速度由高速轉變為中速再轉變為低速，并以低速運行至平層點停止。其中電梯的驅動子系統采用了上述雙PWM能量回饋控制技術，使電梯的運行更加平穩舒適，同時取得了較好的節能效果。

（4）電梯平層以后，經過2秒延時后開門，再經過10秒延時后關門。關門過程中如果有人或物在門中間，電梯利用光電開關使門自動打開。重復上述四個步驟可使電梯連續運行。

2 試驗分析

為了檢驗所設計的電梯節能效果，對同一部電梯分別采用能量回饋控制技術和傳統能耗制動技術進行對比試驗。所采用的電梯控制系統具體配置參數如表1所示。

對于采用能量回饋控制技術和傳統能耗制動技術的兩種情況，分別統計負載為0、20%、40%、60%、80%和100%六種工況時，電梯一天的耗電量，計算出節電率。圖3為測得的試驗結果。

表1 電梯控制系統配置參數

圖3 采用能量回饋控制技術的電梯節電率

從上圖中可以看出在負載為不同工況時，電梯采用能量回饋控制技術相對于采用傳統能耗制動技術具有較好的節電效果，特別是當電梯在滿載和空載工況下運行時，節電效果非常明顯，節電率可達50%左右。

3 結語

當前世界能源緊張問題日益突出，節能降耗和資源再生受到越來越廣泛的關注。針對電梯的節能問題，利用雙PWM能量回饋控制技術，設計了一個節能型電梯控制系統。試驗表明該電梯控制系統有效降低了能源損耗，節能效果十分明顯，具有巨大的經濟效益和社會效益。

[1] 陳玉東, 朱武標.能量回饋技術在電梯中的應用—必要性分析與現狀概述[J].智能建筑.2009(110):37-40

[2] 徐衛玉, 吳國良.淺談節能型電梯與智能電網的銜接[J].上海節能.2008,(8):26-29

[3] 錢夏夷, 原徐成.能量回饋控制技術在電梯節能中的應用[J].中國電梯.2009, 20 (17): 12-17

[4] 吳小蘭, 謝金紅.淺談能源再生型變頻器在曳引式電梯上的應用[J].機電工程技術.2010,39(6):118-120

[5] 孔偉榮, 朱武標, 姜建國.雙PWM控制能量回饋電梯傳動系統的設計[J].電氣傳動.2007, 37(8):8-11

Application of Energy Feedback in the Elevator Control System

Xu Xia
Hangzhou Make Elevator Technology Co., Ltd.Hangzhou 310019,China

With the increase of numbers of elevator, it is greatly valuable to study the energy saving of elevator.Based on the energy feedback control technology of dual PWM, an energy saving elevator control system is designed.The test shows that the elevator control system has good ability of energy saving.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.082

許霞（1982-）女，學士，助理工程師，主要從事電梯控制系統研究。