電梯回饋電能質量及回饋節能效率檢測系統設計

摘要：為對電梯的回饋電能質量和回饋節能效率進行評估，開發電梯回饋電能質量及回饋節能效率集成檢測系統。采用ADE7880作為電能計量和電能質量計算芯片，LPC2368作為下位機控制器，實現控制和通信功能。采用vc++和數據庫技術編寫上位機控制軟件，實現測量控制、數據存儲、數據分析、生成檢測報告等功能。系統出具的檢測報告可以明確地顯示回饋電能是否滿足入網條件，計算累積回饋節能效率，并指出能量回饋型節能電梯的安全性和經濟性建議。實驗表明：系統結構簡單、性能穩定，有良好的測量精度。

關鍵詞：測試計量儀器；電梯；能量回饋；電能質量；節能效率

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（ 2015） 02-0076-04

引 言

電梯是現代高層建筑必備的垂直交通工具，其能耗占建筑總能耗的3%～8%.且具有較大的節能潛力。目前國際上普遍采用德國工程師協會制定的VDI 4707 Partl標準對電梯的能效進行評估。我國目前尚未出臺有關電梯能源利用效率的檢測方法和評價方面的全國性規范標準，只有海南省質量技術監督局、浙江省質量技術監督局、上海市質量技術監督局先后出臺了一些參考性地方標準。由于沒有全國統一的評價指標和檢測方法.無法科學、公正地確定實際節電效果，法律規定的電梯能效審查與節能監管也難以開展。

能量回饋作為電梯節能技術的一種，節電率通常可以達到15%～35%。曳引式電梯，在輕載下行或重載上行時，曳引電機處于電動狀態，電能轉化為勢能。在下行或輕載上行時，曳引電機處于發電狀態，勢能轉化為電能。對于發電狀態下產生的電能，常通過串聯制動電阻，將其轉換為熱量消耗掉。如果采用能量回饋技術，可以將這部分電能轉換為交流電回饋到電網中去。由于機房減少了散熱量，可以節約大量用于電梯機房降溫的空調耗電量，還可以明顯降低電梯控制系統的故障率，使電梯的工作壽命大大延長，對于建筑物節能降耗及電梯安全運行都有重要作用。

由于沒有全國統一的評價指標和檢測方法，電梯企業和媒體提供的節能效率及節能數據沒有可比性。電梯用戶和供電單位無法確定回饋電能是否對周圍其他用電設備造成沖擊，也無法確定多久能收回加裝能量回饋裝置的成本，導致我國在用電梯中，采用能量回饋技術的數量還不足20%。

只有對電梯的回饋電能質量和回饋節能效率進行準確評估，才能促進電梯能量回饋技術的應用：為此本文開發了電梯回饋電能質量及回饋節能效率集成檢測系統。

l.系統功能模塊

開發的電梯回饋電能質量及回饋節能效率集成檢測系統的功能模塊如圖l所示，主要包括信號采樣、信號處理、模數轉換、電能質量計算、功率和電能計算、光電隔離、微處理器、總線通信、測量控制、數據存儲、數據分析、生成報告等模塊。

信號采樣模塊負責采樣曳引式電梯的動力回路、回饋回路、總供電回路的電壓和電流信號。信號處理模塊負責對采集到的信號進行衰減和濾波。模數轉換模塊負責對處理后的信號進行模數轉換。電能質量計算模塊負責對模數轉換后的信號進行計算，得到電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度和總諧波畸變率等電能質量參數。功率和電能計算模塊對3路輸入的電壓和電流進行積分，以計算每路的功率和電能。光電隔離模塊用于將強電和微處理器模塊的弱電進行隔離，防止強電干擾微處理器模塊的正常工作。微處理器模塊用于控制信號處理模塊、模數轉換模塊、電能質量計算模塊、功率和電能計算模塊的工作狀態，并接收上位機的命令及將上位機命令轉化為對上述模塊的命令，并將計算結果上傳至上位機軟件。總線通信模塊用于實現微處理器模塊和上位機軟件的數據通信。

上位機軟件主要包括測量控制、數據存儲、數據分析、生成報告等模塊。測量控制模塊用于產生下位機的命令，接收和存儲下位機上傳的數據。數據存儲模塊用于將電梯技術參數、測量儀器參數、測量結果等參數保存至本地數據庫，供數據分析使用。數據分析模塊用于對測量結果進行分析，得到詳細的電能質量參數。生成報告模塊利用電能質量的分析數據和測試電梯及測試儀器信息一起生成測試報告。

2.系統測試點及計算公式

系統共3處測試點，待測電壓通過電壓衰減電路直接接入測試系統，待測電流通過電流互感器接人測試系統。3處測試點分別為：

l）動力回路測試點，位于電梯主開關之后控制柜之前，同時測量電能數量（Wm）和電能質量。

2）總供電回路測試點，為試驗電梯機房內電源閘箱的下口，只記錄電能數量（Wt）。

3）回饋回路測試點，位于回饋電能并網開關前，不包括制動電阻，同時測量電能數量（wt）和電能質量。

電梯的回饋節能效率計算公式為

動力系統回饋節能效率

系統總體回饋節能效率

3.下位機硬件

系統的硬件組成如圖2所示，主要包括電壓衰減電路、電壓通道濾波電路、電流互感器、電流通道濾波電路、電能質量計量芯片、隔離電路、下位機微控制器、通信總線、PC機。系統采用ADE7880作為電能計量和電能質量分析的處理芯片，LPC2368作為下位機微控制器，實現控制和通信功能。采用ADuM340x作為下位機微控制器和ADE7880之間的控制信號和通信信號通道隔離芯片。

3.1 電壓通道衰減和濾波電路

線電壓通過電阻分壓電路后，輸入ADE7880的VxP（x為A，B或C）.零線則接入ADE7880的VN引腳。衰減電路的-3dB轉角頻率必須與相應電流輸入通道的抗混疊濾波電路一致，以減少低功率因數時產生較大的能量計量誤差。在VN引腳，通過有一電阻和一電容組成的混疊濾波電路，接入模擬地。

3.2 電流通道濾波電路

3個回路中，每路的三相電流和中性線的電流通過電流變換器進行測量。電流變換器的兩個輸出端均設置有負載電阻，負載電阻的阻值需要根據系統能接受的最大電流和電流變換器的電流變換比來設置。電流變換器的兩個輸出信號，最后分別通過由電阻和電容組成的混疊濾波電路，接入ADE7880的IxP和IxN引腳。

3.3 電能數量和電能質量計算芯片

電梯回饋電能質量及回饋節能效率集成檢測系統共使用3片ADE7880芯片，每片負責一路共三相的電流和電壓的測量。3個芯片通過SPI總線與下位機微控制器芯片通信。

3.4 下位機微控制器

LPC2368作為主SPI器件，和作為從器件的3個ADE7880進行通信。SPI通信模式連接時.ADE7880的/SS/HAS引腳為片選引腳，與MOSI、MISO、SCLK3個引腳一起構成雙向同步傳輸命令和數據通道。ADE7880的PMO、PMI、/RESET、/IRQO、/IRQ1、CF1、CF2、CF3分別由LPC2368的常規I/O控制，其中PMO和PMI決定ADE7880的工作模式。/IRQO和/IRQ1用于當ADE7880出現中斷時，向LPC2368發出中斷請求，進而通過SPI通信讀取相關中斷信息。通過對CF1、CF2、CF3的不同組合控制，ADE7880可以輸出不同類型的功率信息。

4.上位機軟件

系統上位機軟件采用VC++2008開發，數據保存到Microsoft SQLServer 2008數據庫中。通過操作上位機軟件，可以實現電梯總供電回路和回饋回路的電能質量檢測。軟件具有電梯供電和電力回饋的電能質量歷史數據分析功能，并具有數據曲線圖形顯示的功能。軟件具有電梯能耗量、回饋電力以及輔助耗電的計量功能：能夠進行電力回饋后的動力節能效率與總體節能效率的測試與計算。對于測試的結果能夠自動生成電梯電力回饋電能質量、回饋的節能效率檢測報告。

5.測試試驗

樣機經計量檢定部門測試，準確度為：

1）電壓偏差，測量準確度<0.5%。

2）頻率偏差，測量準確度

3）三相電壓不平衡度，測量誤差<0.2%。

4）三相電流不平衡度，測量誤差<1%。

5）總諧波畸變率，測量誤差<5%。

電梯回饋電能質量及回饋節能效率測試主要分為測試電梯選擇、測試環境設置、測試方式選擇3個步驟。測試前需要設置測試系統的通信端口、時間分辨率、數據庫等工作條件，共分為串口設置、時間分辨率設置、保存數據設置、設備連接等內容。選擇定時測試模式后，可以給下位機發送指令，待設定的開始時間后開始測試，自動測試直到設定的結束時間。測試結束后系統可以調用回饋數據分析功能對歷史數據進行自動分析，并繪制電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度、功率因數和總諧波畸變率的歷史數據曲線，直觀地顯示電能質量的狀況和趨勢。反饋回路的功率因數和電能質量測試曲線如圖3所示，該反饋電能符合國家電能質量標準。