一種電梯能量回饋裝置試驗平臺的設計與實現*

崔健坤，王 葵，代清友

（廣東省特種設備檢測研究院，廣州 528251）

0 引言

電梯作為非常重要的出行工具，在人們的生活中發揮著非常重要的作用。但是，電梯在樓宇的能耗中占據著非常高的比重，如何降低電梯能耗對我國建設低碳環保社會具有非常重要的意義[1-3]。

電梯包括轎廂和對重，對重比空載轎廂重，因此在輕載上行和重載下行過程中，電梯處于發電狀態。另外，在停止過程中，電梯也處于發電狀態。傳統的電梯通常加裝制動電阻，將電梯運行產生的電能消耗在制動電阻上。這不僅浪費了電能，同時造成機房溫度升高，影響電梯壽命。

電梯能量回饋裝置的輸入端連接到電梯變頻器直流母線，輸出端連接到電網。在電梯處于發電狀態時，將電梯電動機發出的電能，通過三相逆變，轉換為電網同頻同壓低諧波的電能，傳送給電網。不僅可以降低變頻器直流母線側的電壓，同時減少用戶的電費，達到了經濟、環保和安全的目的。

隨著我國建設低碳環保社會的加速推進，電梯能量回饋裝置得到越來越廣泛的應用[4-9]。電梯型規[11]、檢規[12]、對電梯能量回饋裝置提出了強制的性能要求。國標GB∕T 32271-2015《電梯能量回饋裝置》[13]是針對電梯能量回饋裝置的首個產品標準，標準中規定了電梯能量回饋裝置的技術要求、試驗項目與方法、檢驗規則以及標志、包裝、運輸和貯存。對于標準中規定的試驗項目和方法，行業內還沒有專門的檢驗設備，導致部分試驗項目只能安裝在整梯上完成試驗項目，部分項目還存在檢不了、檢不準的難題。

針對以上問題，本文開發了一種電梯能量回饋裝置試驗平臺，在試驗室可以完成回饋裝置的所有試驗項目，解決行業檢不了、檢不準的難題，提升檢驗質量和效率，促進我國電梯節能事業的發展。

1 平臺的結構

儀器結構如圖1 和圖2 所示，儀器主要包括上位機、USB 轉RS232 轉接口、直流電源、三相交流電源、交流電子負載、單相功率計、電能質量分析儀。

圖1 平臺結構原理

圖2 平臺通信原理

直流電源具有可編程功能，模擬變頻器直流母線側的輸出，可以輸出電壓和電流可變的直流電。三相交流電源具有可編程功能，模擬電網側的輸出，可以輸出電壓、頻率可變的三相交流電。交流電子負載用于模擬電網側的能耗設備，用于調整被測能量回饋裝置的輸出功率。單相功率計用于檢測被測能量回饋裝置的輸入直流功率。電能質量分析儀用于檢測被測能量回饋裝置輸出的交流有功功率、電流諧波、功率因數、直流分量等參數。

考慮到現在的計算機一般不標配RS232 接口，因此上位機通過USB 轉RS232 轉接口和直流電源、三相交流電源、交流電子負載、單相功率計、電能質量分析儀等進行通信。上位機采用LabVIEW 編程，實現對各個設備的控制和信號的接收。

2 儀器檢測原理

2.1 性能指標的檢測

回饋裝置的效率通過式（1）計算：

式中：η為回饋裝置效率；Pac為電能質量分析儀測得的有功功率；Pdc為單相功率計測得的直流功率。

啟動試驗平臺，調整交流電子負載的輸出功率，分別使被測能量回饋裝置輸出25%額定功率、50%額定功率、100%額定功率，分別記錄此時單相功率計和電能質量分析儀測得的功率值，通過式（1）得到被測能量回饋裝置的效率。

電能質量分析儀同時檢測被測能量回饋裝置輸出電能的質量，并且將回饋電流諧波、功率因數、直流分量等數據直接傳輸到上位機。

2.2 保護功能

啟動試驗平臺，被測能量回饋裝置正常工作，通過模擬相應的故障測試回饋裝置的保護功能。

（1）電網故障保護

通過逐漸調整三相交流電源的輸出電壓，當輸出電壓超過被測能量回饋裝置的過∕欠壓保護電壓時，觀察回饋裝置是否停止運行。

通過逐漸調整三相交流電源的輸出頻率，當輸出頻率超過被測能量回饋裝置的過∕欠頻保護頻率時，觀察回饋裝置是否停止運行。

（2）防反放電保護

降低直流電源的輸出電壓，使回饋裝置處于非回饋工作狀態，記錄單相功率計的電流值，判斷該值是否超過100 mA。

（3）極性反接保護

將直流電源和回饋裝置的連接線反接，然后開啟試驗平臺，觀察回饋裝置是否停止工作，并且不損壞。

（4）直流電壓過壓保護

調整直流電源的輸出電壓超過回饋裝置工作電壓的上限，觀察回饋是否停止工作。

（5）過流保護

調整交流電子負載的輸出功率，觀察電能質量分析儀測得的輸出電流值。當電流值超過回饋裝置的工作電流額定值時，觀察回饋裝置是否停止工作。

3 測量儀器技術方案

電梯能量回饋裝置需要在電網正常的情況下才能運行。當電網上沒有供電，或者供電電壓和頻率存在異常時，能量回饋裝置應當停止工作，避免產生孤島效應，防止安全事件的發生。

根據市場調研結果，除了部分超高速或者超大載重的電梯，市場上常用電梯的功率一般不超過20 kW，同時考慮到試驗室的電容量，本文中設計的試驗平臺所試驗的電梯能量回饋裝置的最大功率為20 kW。

按照GB∕T 32771-2015《電梯能量回饋裝置》的要求，三相交流電源的容量應大于被測回饋裝置額定功率的5倍。如圖3所示，三相交流電源采用深圳市某公司的TAC6100 交流變頻電源，容量達到100 kVA，輸出電壓和頻率可調的三相電，電壓單相可調范圍0～300 VAC，頻率可調范圍45～200 Hz。

圖3 三相交流電源

在電梯能量回饋裝置試驗過程中，能量回饋裝置向三相交流電源和交流電子負載輸出功率。當交流電子負載斷開或者交流電子負載的消耗功率小于回饋裝置的輸出功率時，三相交流電源將有功率輸入。如果輸入功率過大，將造成三相交流電源的損壞。針對以上風險，本平臺使用的三相交流電源具有防反保護功能，當被測回饋裝置向三相交流電源輸入的功率達到一定數值時，三相交流電源將停止工作或者限制輸入功率進一步增加。

直流電源向電梯能量回饋裝置輸出電壓逐漸增大的直流電。當電壓值超過回饋裝置的啟動電壓時，回饋裝置開始工作。當電壓值超過回饋裝置的最高電壓時，回饋裝置停止工作。通過設定直流電源的輸出功率可以限制回饋裝置的工作功率。

按照GB∕T 32771-2015《電梯能量回饋裝置》的要求，直流輸入源應至少能提供被測回饋裝置最大直流輸入功率的1.5 倍。如圖4 所示，直流電源采用深圳市某公司的TDC2000C 系列直流電源，容量達到50 kW，輸出電壓和電流可調的直流電，電壓可調范圍0～1 000 VDC，電流可調范圍0～50 A。

圖4 直流電源

交流電子負載可以消耗回饋裝置向電網反饋的電能。通過調整交流電子負載的阻性功率值，使回饋裝置輸出特定的功率值，用以完成回饋裝置效率等試驗項目的測試。如圖5 所示，交流電子負載采用深圳市某公司的TAC-R-50K型號的交流電子負載，額定功率為50 kW，可以滿足額定功率為50 kW的能量回饋裝置的試驗。

圖5 交流電子負載

能量回饋裝置的效率直接反映其節能水平。根據標準要求，須在回饋裝置的輸入端和輸出端測量輸入和輸出功率，從而得到其效率值。本平臺在回饋裝置的輸入端采用日置公司PW3335 型號的單相功率計，如圖6 所示，DC、AC 的最大輸入電壓均為1 000 V，DC、AC 的電流輸入端子的最大輸入電流均為30 A。

圖6 單相功率計

能量回饋裝置將逆變的電能輸出到電網，如果電能質量不達標，容易造成對電網的污染，影響電網的正常運行。同時，考慮測量回饋裝置輸出端的功率，本平臺在回饋裝置的輸出端采用某公司PQ3198型號的電能質量分析儀，如圖7 所示。可測試的最大電流達到6 000 A，連續進行高精度的電能質量測量，還可測量高次諧波成分。

圖7 電能質量分析儀

綜上所述，本平臺可完成額定功率為20 kW 的能量回饋裝置的試驗，基本滿足市場上常規能量回饋裝置的試驗要求。

4 測試與結果分析

采用本平臺對2 臺電梯能量回饋裝置進行試驗，如圖8 所示。根據電梯型式試驗規則的要求，回饋裝置應具有防反放電保護、極性反接保護、直流電壓過壓保護、短路保護、斷路保護等保護功能。試驗結果表明2 臺回饋裝置都滿足型式試驗規則的要求。

根據GB∕T 32771-2015，能量回饋裝置還需具備電網故障保護。在對2臺回饋裝置進行試驗時，2臺都不滿足標準要求。當電網斷開時，2臺都能夠停止運行。

由于型式試驗規則屬于國家強制執行規范，企業能夠嚴格遵守規范的相關的要求。而國標屬于推薦性標準，企業并未采納其中的一些條款。為了進一步提升能量回饋裝置的質量，企業應將國標的要求納入到產品的功能中。

5 結束語

（1）該試驗平臺讓電梯能量回饋裝置不需要安裝到電梯上進行試驗，可以在試驗室內完成所有試驗項目。

圖8 電梯能量回饋裝置

（2）該試驗平臺在試驗室內模擬電梯能量回饋裝置的各種運行工況，完成檢規、型規、標準的試驗要求。

（3）該平臺解決了電梯能量回饋裝置檢不了、檢不準的難題，提升了檢驗質量，大大降低了勞動程度。

（4）試驗結果表明，市面上部分產品能夠滿足型規的所有要求，但是標準中的部分要求不能滿足，產品質量需進一步提升。

（5）該試驗平臺操作簡單，界面友好，可以滿足市場上常規能量回饋裝置的試驗要求。

（6）該試驗平臺提高了電梯行業的科技和裝備水平，對提升電梯節能水平、促進我國低碳環保社會的建設具有積極的推動作用。