陳 斌

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院湛江檢測院，廣東 湛江 524000）

引言

目前，建筑物的能耗約占全國總能耗的1/3 左右，而電梯用電量已經(jīng)占到建筑物總用量的17%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于照明和供水系統(tǒng)的用電量。在目前投入使用的電梯中，其驅(qū)動(dòng)方式大部分是變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式。電梯在運(yùn)行過程中，有電動(dòng)運(yùn)行與發(fā)電運(yùn)行（也叫制動(dòng)運(yùn)行）兩種狀態(tài)。電梯能量回饋技術(shù)的研究就是要解決電梯運(yùn)行過程中的能量浪費(fèi)問題，降低電梯的能耗。

1 電梯能量回饋裝置的技術(shù)現(xiàn)狀

目前常見的電梯能量回饋裝置是把電梯發(fā)電產(chǎn)生的能量通過反饋電路反饋回電網(wǎng)，能量回饋系統(tǒng)電路由6 個(gè)MOS 管組成電梯能量回饋電路的主電路。當(dāng)直流側(cè)電容電壓超過設(shè)定閥值時(shí)，能量反饋電路啟動(dòng)，把多余的能量回饋給電網(wǎng)[1]。

目前雖然已經(jīng)存在了多種電梯能量回饋裝置，但是卻仍然存在著諸多的弊端?，F(xiàn)有的裝置沒有設(shè)置濾波電容，使電子電路的工作性能不穩(wěn)定；現(xiàn)有的裝置沒有設(shè)置散熱網(wǎng)，導(dǎo)致裝置的內(nèi)部可能因?yàn)闇囟冗^高而造成損壞；現(xiàn)有裝置回饋能量直接與外網(wǎng)連接，需保持同步同頻，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高；回饋電路直接與外電網(wǎng)連接，可能會(huì)對外電網(wǎng)有諧波污染。

2 電梯能量回饋裝置的回饋原理

一般回饋型節(jié)能電梯要求電梯變頻器的整流和逆變部分均采用全控器件，采用雙PWM 控制實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，而大部分在電梯其整流部分采用不可控二極管，能量無法雙向流動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)能量回饋，必須更換原有電梯，成本過高。故有必要采用基于電梯能量回饋的節(jié)能裝置，有效的解決了現(xiàn)有電梯浪費(fèi)電能、控制精度低、穩(wěn)定性差的問題。

在可靠性高、制造成本低的電梯能量回饋裝置的結(jié)構(gòu)中，包括正極電源連接端、負(fù)極電源連接端、充電電路、儲(chǔ)能電容器、逆變電路、高頻變壓器和高頻整流電路等。作為最佳選擇，儲(chǔ)能電容器由多個(gè)電容器串聯(lián)組成。儲(chǔ)能電容器由100 個(gè)100F/2.7V 的電容器串聯(lián)組成。正極電源連接端與電梯供電裝置中的逆變電路的正極輸入端連接，負(fù)極電源連接端與電梯供電裝置中的逆變電路的負(fù)極輸入端連接。

這種電梯能量回饋裝置采用了多個(gè)電容組成的儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)存電梯發(fā)電能量，在電梯正常運(yùn)行時(shí)反饋給電梯主電路直流端，能量不輸送給外電網(wǎng)，避免了電網(wǎng)污染，降低了單臺(tái)電梯的能耗[2]。同時(shí)儲(chǔ)能電容器采用由多個(gè)電容器串聯(lián)組成，采用較低電壓和過壓保護(hù)的方式，把能量通過逆變升壓整流反饋給主電路直流側(cè)使用，儲(chǔ)能電容器利用率高。

3 電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置技術(shù)方案

電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案如下，在這種裝置的結(jié)構(gòu)組成中包括整流電路、正常逆變電路和回饋電路。整流電路和正常逆變電路包括由全橋整流器和三相橋式逆變電路，三相交流電經(jīng)電感濾波后，再經(jīng)由二極管組成的全橋整流器整流后，再經(jīng)電容濾波后，再經(jīng)由絕緣柵雙極晶體管IGBT 構(gòu)成的三相橋式逆變電路逆變，逆變后連接曳引電機(jī)。

4 電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的算法

對于電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的算法，可以采用閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，將輸出量通過反饋控制環(huán)節(jié)，和控制系統(tǒng)的輸入量進(jìn)行疊加計(jì)算，從而提高電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的實(shí)際控制性能。一般而言，電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)原理圖

在電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量通過測量變送環(huán)節(jié)，和給定量一起疊加之后，再送入到控制器中進(jìn)行分析處理、以及計(jì)算。經(jīng)過處理之后，再將控制策略下發(fā)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)被控對象做出相應(yīng)的動(dòng)作。工業(yè)生產(chǎn)可以分為三個(gè)過程，即連續(xù)過程、離散過程和批量過程等，每個(gè)過程需要根據(jù)不同的特點(diǎn)采取相應(yīng)的控制方法。

在電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，可以采用數(shù)字PID控制算法。該算法是通過按照比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果用以控制輸出，通過輸出控制量以消除誤差[3]。該控制器的控制規(guī)律如式（1）所示。

對應(yīng)的模擬PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

式中：Kp為比例增益；u（t）為控制量；e（t）為偏差量。電子自動(dòng)化PID 控制系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

圖2 PID 控制系統(tǒng)圖

A/D 轉(zhuǎn)換器和D/A 轉(zhuǎn)換器的字長如式（3）所示：

式中：r 為轉(zhuǎn)換當(dāng)量；umax和umin分別為能量回饋控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大和最小輸入值。

5 電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的回饋電路

在上述所分析的控制系統(tǒng)中，測量變送回饋電路是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于控制系統(tǒng)的性能具有直接的影響，以下詳細(xì)分析節(jié)能控制裝置中的回饋電路。對于電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置中的關(guān)鍵回饋電路，包括回饋逆變電路、濾波電路和DSP 控制電路，回饋逆變電路由絕緣柵雙極晶體管IGBT 構(gòu)成的第二三相橋式逆變電路，濾波電路由電容和電阻組成。經(jīng)回饋逆變電路逆變的電壓再經(jīng)濾波電路濾波后，回饋至電網(wǎng)。DSP 控制電路由DSP 處理器、電網(wǎng)相位檢測、PLL 同步控制、第一霍爾電流傳感器和第二霍爾電流傳感器構(gòu)成。電網(wǎng)相位檢測電網(wǎng)三相交流電的相位，經(jīng)PLL 同步控制輸入至DSP 處理器，第一霍爾電流傳感器檢測交流電的電流，再傳輸至DSP處理器，第二霍爾電流傳感器將三相交流電整流成的直流電，傳輸至DSP 處理器，DSP 處理器輸出SPWM 波控制逆變電路中的絕緣柵雙極晶體管IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷[4]。這種電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的結(jié)構(gòu)簡單，電梯在輕載上行或重載下行和到達(dá)滿速后接近停靠層站制動(dòng)減速時(shí)的機(jī)械能通過回饋電路轉(zhuǎn)換為電能，并回饋至電網(wǎng)，可以供給附近其他用電設(shè)備使用，具有省電、控制精度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)語

電梯的運(yùn)行離不開電能，由于電梯運(yùn)行時(shí)曳引機(jī)會(huì)產(chǎn)生再生能量，這些再生能量需要得到適當(dāng)處理和運(yùn)用，而能量回饋技術(shù)正是解決再生能量的最佳處理方法。本文所述的電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置技術(shù)，可以在電梯設(shè)計(jì)及運(yùn)行的實(shí)際中予以推廣應(yīng)用。