能量回饋系統在礦區電梯上的應用

周瑋（大慶油田有限責任公司礦區服務事業部）

能量回饋系統在礦區電梯上的應用

周瑋（大慶油田有限責任公司礦區服務事業部）

結合礦區電梯的現狀，從電梯能量轉化狀態說明電梯的主要能量損耗，并簡要分析了當前礦區電梯能量損耗狀況。介紹了一種新型的電梯節能裝置——能量回饋系統，并通過其工作原理與特點進行分析，討論其推廣的可行性。結合研究數據，預算能量回饋系統在礦區推廣的效益，從而闡述了電梯能量回饋系統在礦區推廣的重要意義。

電梯節能 能量回饋 再生能量 效益

大慶油田礦區服務事業電梯工程公司目前管轄2300多部各種型號的電梯 （扶梯、豎梯），其中渦輪蝸桿減速箱曳引機構電梯 100多部，其余電梯曳引機為永磁同步電動機，這些電梯廣泛應用于機關辦公樓、各大醫院、民用住宅等處。根據國務院《特 種 設 備 安 全 監 察 條 例》 的規 定[1]， 電 梯 為 高 耗能特種設備，所以電梯的節能措施對礦區發展有著重要的意義，現對電梯曳引機為永磁同步電動機能量回饋系統的推廣意義做簡要分析。

1 礦區電梯能耗現狀

1.1電梯運行中的能量轉化狀態

為了縮小電梯曳引機的輸出功率范圍，電梯都會設置對重系統，對重系統的質量一般為 M （對重質量）=M1（轎廂質量）+M2（額定載重量）/2，根據電梯的實際負載情況與其額定負載之間的占比關系，做如下定義：電梯負載∈{空載、輕載、微輕載、平衡負載、微重載、重載、滿載}。對于以上七個元素，在電梯運行中的具體分析如下：

上行加速階段：空載、輕載、微輕載的情況為電動機轉子受外力矩拖動而產生電能。平衡負載、微重載、重載、滿載的情況為電動機輸出功率，消耗電能。

上行勻速階段：空載、輕載、微輕載的情況依然為電動機轉子受外力矩拖動而產生電能。平衡負載，電動機處于非工作狀態。微重載、重載、滿載的情況為電動機輸出功率，消耗電能。

上行加速階段：空載、輕載、微輕載、平衡負載的情況為電動機轉子受外力矩拖動而產生電能。微重載、重載、滿載的情況為電動機輸出功率，消耗電能。

下行過程基本與之相反。由此可以看出當電動機的輸出力矩與轉動方向相同時，電動機輸出功率，處于耗能狀態。當電動機的輸出力矩與轉動方向相反時，因其轉子受外力矩拖動而產生電能，此時電動機處于能量再生狀態。

1.2目前礦區電梯的再生能量處理

電梯在能量再生狀態下，曳引機構將電梯轎廂及其中的負載、對重和曳引輪等減少的機械能通過電磁耦合轉化為再生能量，這些再生能量必須得到及時、適當的處理，否則會引起電梯驅動系統主回路的電壓不斷升高，從而使系統出現高壓故障，無法正常運行。

目前礦區電梯的電動機再生能量處理方式主要以能量轉化為主，通常是利用耗能電阻將再生能量轉化為熱能并將其釋放。這種再生能量的處理方式結構簡單、難度小、成本低，但由于該方法只是簡單的將再生能量轉化為熱能并釋放掉，沒有對其進行任何的利用，造成了很大的能量浪費，同時該方法在電梯機房內產生的大量熱量，夏季可達 40～50℃，惡化了控制柜周圍環境，大大增加電梯散熱系統的負擔。

2 推廣能量回饋系統的分析

2.1能量回饋系統的基本原理[2]

能量回饋系統主要由 IGBT、智能模塊 IPM、隔離二極管、濾波電感、電容等元件組成。IPM 模塊是主電路中的核心元件，它將直流電能逆變為與交流電網同步的三相電流回送電網，見圖1。

圖1 能量回饋系統原理

二極管 D1、D2可防止能量回饋系統反送給變頻 器 ， 確 保 系 統 安 全 運 行 。 電 感 L1～L3， 電 容CT1～CT3構 成 高 次 諧 波 濾 波 器 ， 組 織 IPM 模塊高頻開關產生的高次諧波電流進入電網，提高能量回饋系統的電磁兼容 （EMC）性能。

控制電路有單片微機、可編程邏輯芯片、外圍信號采樣器構成。配以冗余度高的軟件設計，是控制電路能自動識別三相交流電網的相序、相位、電壓、電流瞬時值，有序的控制 IPM 工作在 PWM 狀態，保證直流電能及時的回饋再生利用。

2.2能量回饋系統的優點

與能量轉化法相比，其最大的優點在于實現了再生能量的充分利用，能量回饋效率達 97%，熱損耗僅為耗能電阻的3%以下。同時也不會增加散熱風扇的負擔。

其次，能量回饋系統的適用范圍廣，可與電壓等級為 220V、380V、480V，功率等級從15～47kW的變頻器匹配。

此外，在能量回饋中，基于PMW可逆整流技術的完全可控整流方式和矩陣變換器方式處理能實現能量再利用，還實現了對電梯網側電流的完全控制。

2.3在礦區推廣的效益

目前礦區電梯大多為 VVVF的小型住宅樓電梯，尤其適合能量回饋系統的安裝，對電梯主要控制電路的改動少，改裝成本降低。

據研究表明，一般安裝能量回饋系統的電梯節電效 率在 15%～40%左右，高 的甚 至達 到 45%以上。且由于減少了原本的轉化的熱能，使機房溫度大大降低，節省了在機房降溫方面的消耗，從而進一步節約了電能。

按1臺電梯每天正常運行耗電 30kWh計算，安裝能量回饋系統后節點效率按 30%計算，1 臺電梯運行一年可以節約電能 3285kWh，每 1kWh 的價格 0.6581 元，1 年可 節省 2161.86 元。目 前，一 般電能回饋裝置的市場價格在 5000～10000 元之間，所以回饋裝置一般在 3～5年就可以收回成本。隨著能量回饋系統的不斷普及，成本也會逐步下降，回收期會更短一些。

2.4對電梯安裝能量回饋系統的要求

1）安裝能量回饋系統，不應改變電梯主參數（如額定速度，額定載重量等），也不得切斷或拆除原來的耗能電阻，以保證在回饋系統發生故障時，耗能電阻能馬上投入使用，確保電梯安全運行。

2）選擇能量回饋系統時，其功率必須與電梯的主機、變頻器的功率相匹配，且應調試正常，既回饋裝置的截止電壓應設置在直流母排上，回饋裝置的啟動電壓一般應設置比耗能電阻工作電壓小20～30V，如果設置太高，則電梯再生能量仍能在耗能電阻上消耗發熱，降低回饋系統工作效率。

3 結語

礦區電梯的總量正在大幅度增加，而電梯作為高耗能特種設備，也將成為礦區工業用電的消耗大戶。在這種形式下，針對電梯的節能技術就顯得尤為重要。電梯能量回饋系統在電梯上的應用節能效果顯著，成本回收期短，以長期發展的角度來看，若大面積推廣應用，將會產生巨大的效益；因此，具有十分重要的推廣意義。

[1]陳志溪.電梯工作特性與能耗形式分析[J].中國電梯, 2008,19(16):45-49.

[2]張崇巍,張 興.PWM 整流器及其控制[M].北京:機械工業出版社,2003.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.005.010

2013-03-05）

周瑋，2007年畢業于西安工業大學（工業設計系），現從事電梯工程公司公共設施客服中心維修工作，E-mail：zhwei01@163. com，地址：黑龍江省大慶油田有限責任公司礦區服務事業部，163000。