周瑋（大慶油田有限責(zé)任公司礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部）

能量回饋系統(tǒng)在礦區(qū)電梯上的應(yīng)用

周瑋（大慶油田有限責(zé)任公司礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部）

結(jié)合礦區(qū)電梯的現(xiàn)狀，從電梯能量轉(zhuǎn)化狀態(tài)說(shuō)明電梯的主要能量損耗，并簡(jiǎn)要分析了當(dāng)前礦區(qū)電梯能量損耗狀況。介紹了一種新型的電梯節(jié)能裝置——能量回饋系統(tǒng)，并通過(guò)其工作原理與特點(diǎn)進(jìn)行分析，討論其推廣的可行性。結(jié)合研究數(shù)據(jù)，預(yù)算能量回饋系統(tǒng)在礦區(qū)推廣的效益，從而闡述了電梯能量回饋系統(tǒng)在礦區(qū)推廣的重要意義。

電梯節(jié)能 能量回饋 再生能量 效益

大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)電梯工程公司目前管轄2300多部各種型號(hào)的電梯 （扶梯、豎梯），其中渦輪蝸桿減速箱曳引機(jī)構(gòu)電梯 100多部，其余電梯曳引機(jī)為永磁同步電動(dòng)機(jī)，這些電梯廣泛應(yīng)用于機(jī)關(guān)辦公樓、各大醫(yī)院、民用住宅等處。根據(jù)國(guó)務(wù)院《特 種 設(shè) 備 安 全 監(jiān) 察 條 例》 的規(guī) 定[1]， 電 梯 為 高 耗能特種設(shè)備，所以電梯的節(jié)能措施對(duì)礦區(qū)發(fā)展有著重要的意義，現(xiàn)對(duì)電梯曳引機(jī)為永磁同步電動(dòng)機(jī)能量回饋系統(tǒng)的推廣意義做簡(jiǎn)要分析。

1 礦區(qū)電梯能耗現(xiàn)狀

1.1電梯運(yùn)行中的能量轉(zhuǎn)化狀態(tài)

為了縮小電梯曳引機(jī)的輸出功率范圍，電梯都會(huì)設(shè)置對(duì)重系統(tǒng)，對(duì)重系統(tǒng)的質(zhì)量一般為 M （對(duì)重質(zhì)量）=M1（轎廂質(zhì)量）+M2（額定載重量）/2，根據(jù)電梯的實(shí)際負(fù)載情況與其額定負(fù)載之間的占比關(guān)系，做如下定義：電梯負(fù)載∈{空載、輕載、微輕載、平衡負(fù)載、微重載、重載、滿載}。對(duì)于以上七個(gè)元素，在電梯運(yùn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子受外力矩拖動(dòng)而產(chǎn)生電能。平衡負(fù)載、微重載、重載、滿載的情況為電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子受外力矩拖動(dòng)而產(chǎn)生電能。平衡負(fù)載，電動(dòng)機(jī)處于非工作狀態(tài)。微重載、重載、滿載的情況為電動(dòng)機(jī)輸出功率，消耗電能。

上行加速階段：空載、輕載、微輕載、平衡負(fù)載的情況為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子受外力矩拖動(dòng)而產(chǎn)生電能。微重載、重載、滿載的情況為電動(dòng)機(jī)輸出功率，消耗電能。

下行過(guò)程基本與之相反。由此可以看出當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出功率，處于耗能狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反時(shí)，因其轉(zhuǎn)子受外力矩拖動(dòng)而產(chǎn)生電能，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于能量再生狀態(tài)。

1.2目前礦區(qū)電梯的再生能量處理

電梯在能量再生狀態(tài)下，曳引機(jī)構(gòu)將電梯轎廂及其中的負(fù)載、對(duì)重和曳引輪等減少的機(jī)械能通過(guò)電磁耦合轉(zhuǎn)化為再生能量，這些再生能量必須得到及時(shí)、適當(dāng)?shù)奶幚?，否則會(huì)引起電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主回路的電壓不斷升高，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)高壓故障，無(wú)法正常運(yùn)行。

目前礦區(qū)電梯的電動(dòng)機(jī)再生能量處理方式主要以能量轉(zhuǎn)化為主，通常是利用耗能電阻將再生能量轉(zhuǎn)化為熱能并將其釋放。這種再生能量的處理方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、難度小、成本低，但由于該方法只是簡(jiǎn)單的將再生能量轉(zhuǎn)化為熱能并釋放掉，沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行任何的利用，造成了很大的能量浪費(fèi)，同時(shí)該方法在電梯機(jī)房?jī)?nèi)產(chǎn)生的大量熱量，夏季可達(dá) 40～50℃，惡化了控制柜周圍環(huán)境，大大增加電梯散熱系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

2 推廣能量回饋系統(tǒng)的分析

2.1能量回饋系統(tǒng)的基本原理[2]

能量回饋系統(tǒng)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?yōu)榕c交流電網(wǎng)同步的三相電流回送電網(wǎng)，見(jiàn)圖1。

圖1 能量回饋系統(tǒng)原理

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

控制電路有單片微機(jī)、可編程邏輯芯片、外圍信號(hào)采樣器構(gòu)成。配以冗余度高的軟件設(shè)計(jì)，是控制電路能自動(dòng)識(shí)別三相交流電網(wǎng)的相序、相位、電壓、電流瞬時(shí)值，有序的控制 IPM 工作在 PWM 狀態(tài)，保證直流電能及時(shí)的回饋再生利用。

2.2能量回饋系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

與能量轉(zhuǎn)化法相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了再生能量的充分利用，能量回饋效率達(dá) 97%，熱損耗僅為耗能電阻的3%以下。同時(shí)也不會(huì)增加散熱風(fēng)扇的負(fù)擔(dān)。

其次，能量回饋系統(tǒng)的適用范圍廣，可與電壓等級(jí)為 220V、380V、480V，功率等級(jí)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(shù)的完全可控整流方式和矩陣變換器方式處理能實(shí)現(xiàn)能量再利用，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)電梯網(wǎng)側(cè)電流的完全控制。

2.3在礦區(qū)推廣的效益

目前礦區(qū)電梯大多為 VVVF的小型住宅樓電梯，尤其適合能量回饋系統(tǒng)的安裝，對(duì)電梯主要控制電路的改動(dòng)少，改裝成本降低。

據(jù)研究表明，一般安裝能量回饋系統(tǒng)的電梯節(jié)電效 率在 15%～40%左右，高 的甚 至達(dá) 到 45%以上。且由于減少了原本的轉(zhuǎn)化的熱能，使機(jī)房溫度大大降低，節(jié)省了在機(jī)房降溫方面的消耗，從而進(jìn)一步節(jié)約了電能。

按1臺(tái)電梯每天正常運(yùn)行耗電 30kWh計(jì)算，安裝能量回饋系統(tǒng)后節(jié)點(diǎn)效率按 30%計(jì)算，1 臺(tái)電梯運(yùn)行一年可以節(jié)約電能 3285kWh，每 1kWh 的價(jià)格 0.6581 元，1 年可 節(jié)省 2161.86 元。目 前，一 般電能回饋裝置的市場(chǎng)價(jià)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(tǒng)的不斷普及，成本也會(huì)逐步下降，回收期會(huì)更短一些。

2.4對(duì)電梯安裝能量回饋系統(tǒng)的要求

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

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

3 結(jié)語(yǔ)

礦區(qū)電梯的總量正在大幅度增加，而電梯作為高耗能特種設(shè)備，也將成為礦區(qū)工業(yè)用電的消耗大戶。在這種形式下，針對(duì)電梯的節(jié)能技術(shù)就顯得尤為重要。電梯能量回饋系統(tǒng)在電梯上的應(yīng)用節(jié)能效果顯著，成本回收期短，以長(zhǎng)期發(fā)展的角度來(lái)看，若大面積推廣應(yīng)用，將會(huì)產(chǎn)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(guó)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(jī)械工業(yè)出版社,2003.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.005.010

2013-03-05）

周瑋，2007年畢業(yè)于西安工業(yè)大學(xué)（工業(yè)設(shè)計(jì)系），現(xiàn)從事電梯工程公司公共設(shè)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(zé)任公司礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部，163000。