朱建康 陳明琪 黃金蘭 盛 林

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院太倉分院 太倉 2154002)(2.福州大學(xué) 福州 350108)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)迅速發(fā)展，現(xiàn)代化進(jìn)程穩(wěn)步推，高層建筑日益增多，變頻曳引式電梯設(shè)備也得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計顯示：2011年底我國在用電梯201．06萬臺,全國年電梯耗電量約為293億kWh，近3年以來我國電梯擁有量年均增長在15%以上。電梯耗電已經(jīng)占到大樓總能耗的3%～5%，占到全社會用電總量的約0．49%[1-2]。由于現(xiàn)在電力資源的不足，出現(xiàn)了供需矛盾，電梯的節(jié)能凸顯出越來越重要的地位。

近幾年通過電梯行業(yè)專家的不斷研究和開發(fā)，電梯的節(jié)能技術(shù)逐漸走向成熟，尤其是能量回饋節(jié)能技術(shù)有重大突破，其一，是采用逆變器將再生能量回饋到電網(wǎng)[3-4]；其二是超級電容器與直流母線直接相連吸收回饋能量超級電容器直接與變頻器的直流母線連接；其三，采用電池吸收回饋能量，電池組通過雙向DC-DC與變頻器的直流母線連接。對于第一種方法由于逆變PWM的脈寬調(diào)制，回饋的能量中其電流諧波畸變率約在5%～7%之間高次諧波對電網(wǎng)及其用電設(shè)備都有不可忽視的影響但因其價格因素以及對電網(wǎng)的影響，尚有一定難度推廣應(yīng)用；第二種方法，由于變頻器直流母線電壓在513～539V之間變化，而超級電容的單體電壓在2～3V之間，此結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致串聯(lián)單體數(shù)量過多，成本高昂[5-6]；對于第三種方法，該方案可回收能量有限，并且電池需要按期更換，雖理論上存在可行性，但應(yīng)用并不廣泛。

因此，本項目針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，設(shè)計了一種能實時判斷變頻器狀態(tài)的變頻曳引設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)，從而準(zhǔn)確判別電梯所處工作狀態(tài)，對變頻曳引設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)的自動控制工作起到?jīng)Q定作用，可以正確指令DC/DC適時進(jìn)行充放電。既克服了回饋能量污染電網(wǎng)的問題，又避免了超級電容串聯(lián)單體數(shù)量過多，且超級電容具有半永久性壽命，不需經(jīng)常更換的優(yōu)點，從而減少超級電容使用成本。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，一種能判斷變頻器狀態(tài)的變頻曳引設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)，包括以下部分：

圖1 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1) 檢測控制模塊：用來檢測變頻器直流母線電壓及控制超級電容充放電;

2) 變頻器：具有變頻變壓節(jié)能調(diào)速的作用，并實現(xiàn)自動控制和高精度控制，以實現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行;

3) 超級電容組件：由超級電容單體組成，用來儲存和釋放能量;

4) 第一電源供應(yīng)器、第二電源供應(yīng)器、第三電源供應(yīng)器：進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，為各模塊提供能量;

5) 第一輔助電源、第二輔助電源：為電梯運(yùn)動平臺及輔助設(shè)備提供能量;

6) 第一電流傳感器、第二電流傳感器：用來檢測變頻器直流母線是否有電流通過;

7) 控制箱：電梯外部硬件設(shè)備。

1.2 工作原理

系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)電梯啟動時，由于變頻器與第一電源供應(yīng)器的連接電路中設(shè)有第一電流傳感器與第二電流傳感器，所以通過第一電流傳感器與第二電流傳感器就可以檢測到變頻器是否有電流通過，從而判斷變頻器是處于待機(jī)狀態(tài)還是運(yùn)行狀態(tài)，若變頻器處于運(yùn)行狀態(tài)就表示電梯開始運(yùn)行。與此同時，采樣電路檢測變頻器直流母線電壓，若電壓大于市電變流后的基準(zhǔn)值則表示電梯運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，此時，通過檢測控制模塊控制電源供應(yīng)器，對超級電容進(jìn)行充電，將能量儲存起來；反之，若電壓小于市電變流后的基準(zhǔn)值就表示電梯運(yùn)行在電動狀態(tài)，此時，通過檢測控制模塊控制電源供應(yīng)器，使超級電容進(jìn)行放電，與市電一起為電梯運(yùn)行提供能量。即通過準(zhǔn)確判別電梯所處的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對變頻曳引設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)的自動控制工作，正確指令電源供應(yīng)器適時進(jìn)行充放電的工作。電梯運(yùn)動平臺及輔助設(shè)備所需的能量由第一、二輔助電源提供。

2 控制策略

系統(tǒng)的控制策略流程圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)控制策略流程圖

由圖2可知：

1) 通過變頻器輸出端所接的電流傳感器是否有電流來確定變頻器的工作狀態(tài)，繼而通過電路檢測變頻器直流母線電壓與市電變流后的基準(zhǔn)值的比較來判斷電梯的運(yùn)行狀態(tài)；

2)根據(jù)設(shè)備實際運(yùn)行確定，當(dāng)超級電容存儲電能后控制檢測電路判定電梯處于電動狀態(tài)時，DC/DC向變頻器直流母線輸出設(shè)定的電流值，恒定向母線供電；這時當(dāng)負(fù)載需求小于恒定供電電流值時，母線電壓升高至600V就變成恒壓供電了，保證設(shè)備在正常工作范圍；當(dāng)負(fù)載需求大于恒定供電電流時，母線電壓降低至市電AC/DC變流后的電壓值，即與市電并行供電，避免了將能量回饋到電網(wǎng)，造成污染；若處于發(fā)電狀態(tài)，控制系統(tǒng)將指令電源供應(yīng)器使超級電容處于充電狀態(tài)，將電梯產(chǎn)生的能量進(jìn)行回收；

3)電梯停運(yùn)的時候，控制系統(tǒng)會自動檢測超級電容儲存能量情況，若需要充電，電網(wǎng)對超級電容器進(jìn)行充電；

4)電梯在應(yīng)急斷電時可以實現(xiàn)自動平層，將超級電容儲存的電能逆變?yōu)?80VAC，作為電梯的備用電源，將電梯快速安全的送到附近的樓層并打開電梯門，以確保滯留在電梯內(nèi)的乘客的安全，還可以供給橋箱應(yīng)急照明燈使用；

5)超級電容器單體串聯(lián)組合的組件，根據(jù)電梯用的電壓等級和超級電容器單體電壓范圍確定單體數(shù)量，由于超級電容沒有直接與變頻器直流母線連接，而是通過DC/DC隔離，其電壓遠(yuǎn)低于600V，因此可以減少單體數(shù)量，由控制系統(tǒng)控制超級電容器組件工作。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

此節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用于商務(wù)樓和住宅樓的電梯實際運(yùn)行環(huán)境中，以下為電梯行業(yè)專業(yè)人士通過使用測量儀器(如電表等)對商務(wù)樓和住宅樓節(jié)能效果進(jìn)行的測試。

3.1 測試過程

本測試中的驅(qū)動電機(jī)采用交流變頻電機(jī)，在超級電容器組件的輸入和輸出端安裝可逆的DC/DC變換器，在變頻器輸出端安裝電流傳感器，超級電容器充放電工作由CPU控制器進(jìn)行控制；在該測試中，反饋能量按3～6kW設(shè)計可調(diào)，即市電經(jīng)變頻器前級AC/DC變流后在變頻器直流母線上的電壓在520～600V區(qū)間，因市電波動而異，所以該反饋裝置的輸出電壓設(shè)定在600V，輸出電流設(shè)定在5～10A可調(diào)區(qū)間；最后記錄應(yīng)用此節(jié)能系統(tǒng)后兩電梯樓每月的用電量。

3.2 測試結(jié)果

表1為實際運(yùn)行中兩電梯樓平均用電量的測試結(jié)果：

表1 平均用電量測試結(jié)果

注：節(jié)電率：現(xiàn)有系統(tǒng)實際節(jié)省用電量與原用電量的比值

由表1知：可以節(jié)能38%以上，從而節(jié)約用電費用的支出，可見此節(jié)能系統(tǒng)具有比較好的節(jié)能效果，實現(xiàn)了節(jié)能目的。

4 總結(jié)

本文主要從系統(tǒng)應(yīng)用背景、工作原理及應(yīng)用三方面闡述了該節(jié)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)能正確判斷變頻器狀態(tài)，從而判斷電梯運(yùn)行狀態(tài)，正確指令DC/DC適時進(jìn)行充放電，實現(xiàn)電能的回收利用。應(yīng)用測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)比原系統(tǒng)節(jié)能38%以上，更進(jìn)一步提高了電梯的節(jié)能效果，且該系統(tǒng)實用新型，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，具有較強(qiáng)的社會經(jīng)濟(jì)應(yīng)用價值。

1 朱武標(biāo).電梯節(jié)能綜述[J].上海節(jié)能, 2013 (2): 27-29.2 葉亮.關(guān)于電梯節(jié)能的探討[J].科技致富向?qū)?2011(21):195-195.

3 范奉和,一種電梯能源再生自用裝置;201020504721.3,中國,2011-05-04

4 金寶國,沈國平等.電梯用變頻曳引設(shè)備節(jié)能系統(tǒng);201120058396.7中國,2011-09-07

5 史俊霞.超級電容在電梯節(jié)能中的應(yīng)用前景探討[J].電氣自動化,2013,35(1).

6 唐靜.基于超級電容的電梯節(jié)能裝置的電路設(shè)計[D].電子科技大學(xué),2010.

7 陶寶春.電梯節(jié)能控制系統(tǒng)研究[J].商品與質(zhì)量·學(xué)術(shù)觀察,2013(3).

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