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1、浅谈电梯的能量回馈装置浅谈电梯的能量回馈装置OnElevatorEnergyFeedbackDevice一柯宇辉电梯作为一种交通工具越来越频繁的出现在我们的日常生活中.随着社会的发展,电梯的技术也在不断的发展,特别是在节能方面,现在的永磁同步无齿轮电梯比以前的电梯有了很大的进步,尤其是有能量回馈的永磁同步无齿轮电梯,其节能效果相当明显.据统计,同步无齿轮有能量回馈电梯比同参数的蜗轮蜗杆无能量回馈电梯有大幅度节能,平均节电率约为45%.近年来,同步无齿轮有能量回馈电梯的技术不断完善,已经逐渐广泛应用于中,高速的电梯中,代表了电梯以后的一个发展趋势,所以,笔者在参加完一个有关电梯节能测试研究后,想
2、在这里结合一些研究数据,简单谈下能量回馈装置的一些结构特性,回馈电能的质量及对电梯节能的影响.1能量回馈装置原理VVVF电梯多采用交一直一交变频器,三相交流电通过整流器得到直流电,再经逆变器输出电压,频率可调的交流电给电梯曳引电机供电.我们知道电梯运送的是位势性负载,根据需要,曳引电机常常工作在正反转的电动状态(第一,三象限);当电梯运送低于平衡负载的重量上行或高于平衡负载的重量下行,以及电梯达到满速后接近停靠层站减速制动时,电机处于再生发电状态(第二,四象限),系统中的机械能(动能和势能)通过电机和变频器转换成直流电能储存在变频器直流回路中的电容中,产生泵升电压;回送到电容中的电能越多,电容
3、电压就越高,如不及时释放电容器储存的电能,就会产生过压故障,变频器停止工作,电梯无法正常运行.目前国内使用的大多数中低速电梯在控制泵升电压方面采用最简便的方法是能耗制动:在变频其直流侧并联一组能耗电阻,当直流电压上升超过一定值时,用大功率晶体管控制其导通,将能量在电阻上变为热量释放;直流电压下降时晶体管关断,切除电阻.这样,通过不断重复此过程达到控制直流电压的目的.来自电机的再生功率越大,电阻的通电比率越高.如果电梯使用频繁或长时间处于非平衡负载状态上下运行(例如下班时写字楼的电梯重载下行并空载上行),则能量浪费严重;同时制动电阻发热,导致控制柜周围温度升高,将会影响电梯控制系统的可靠运行,缩
4、短电梯的使用寿命;通常为了降低机房高温对电梯控制系统的影响,用户需要在电梯机房安装通风或制冷设备,如空调,风扇等来降温,这样一来不仅电梯能量浪费严重,又增加了降温设备的耗电量.并且,因功率为转速与转矩的乘积,在制动单元容量一定时,显然转速越低产生的制动转矩越大.如将电机在第二,四象限发电运行时这部分能量转换成电能,并回馈到电网(即再生制动),既降低了能耗,又可以提高电梯拖动系统的动态性能,真正实现电机的四象限运行.目前电梯上采用的能量回馈装置主要有两种:能量回馈单元和双PWM变频器.1.1能量回馈单元能量回馈单元作为一个独立的器件,是采用IGBT模块组成的有源逆变单元,能直接作为变频器的一个外
5、围装置,并联到变频器的直流侧,同时取消了能耗制动电阻,将再生能量回馈到电网中,如图l.中国电梯201O年12月第21卷第24期67.rqJ户日寸空能量回馈单元图1能量回馈单元原理图这种电路成本低,结构简单,可靠性高,能量回馈单元独立于变频器,能与不同的变频器配合使用.能量回馈单元相当于一个变频器的逆向使用,具有普通变频器的缺相,过热,过流,短路等保护功能,出现故障时可能会导致电梯不能正常运行,但不会对电梯的安全造成影响,并且大部分允许保留原来的制动电阻,通过设定能量回馈单元的参数,使回馈单元投入工作时制动电阻没有电流通过,自动退出工作,而一旦能量回馈单元发生故障不能工作时,制动电阻又能投人工作
6、,保证电梯的正常运行.1.2双PWM变频器1【,本-1本一E浪M浦器滤波器自.1本.1本-1整流器逆变器图2双PwM变频器原理图68ChinaElevatolVol21No24Dec2010曳引机广M将普通变频器整流侧的二极管采用可关断器件的PWM控制技术,即成为双PWM变频器,它的工作原理:当电机处于电动状态时,能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电,逆变器在PWM控制下将能量传送到电机;当电机处于发电状态时,其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电,使中间直流电压升高,此时整流器中开关元件在PWM控制下将能量回馈到交流电网,完成能量的双向流动.它的主电路为普通的三相桥式电
7、路,采用直流电压和输入电流的双闭环控制.双PWM变频器在同一变频器上实现电机的四象限运行,其体积比普通变频器+能量回馈单元的组合要小,适用于新装电梯上,它与普通变频器相比,由于将整流模块改成IGBT模块,需增加驱动模块级控制模块,相应增加了控制的难度,也增加了一套IGBT,驱动,控制模块的故障的几率,而且出现故障时会导致电梯的停止运行.也就是说,采用双PWM变频器的电梯拖动部分出现故障的几率较普通变频电梯高,但目前一些大企业通过设计完善,元件控制以及严格的试验等措施,使双PWM变频器的可靠性完全能满足电梯的使用.2能量回馈装置回馈电能的质量能量回馈装置最大的作用就是能够回馈电能,但如果回馈的电
8、能质量不满足电网的要求,其作用还是无法体现,甚至还会产生副作用,对电网有污染,那就更得不偿失了.所以回馈电能的质量十分重要.2.1空载运行图3是空载带回馈全程上行匀速阶段各次电流谐波率的最大值,蓝色是实测值,红色是GB/Z17625.62003中第一级简化连接时的电流谐波限值.由图可知,2至20次电流谐波皆小于标准限值,满足标准要求.图4是空载带回馈全程上行匀速阶段各次电压谐波率的最大值,蓝色是实测值,红色是电能质量公用电网谐波(GB/T1454993)中对电压谐波的限值.由图可知2至20次电压谐波皆小于标准限值,满足标准要求.图6是满载带回馈全程下行匀速阶段各次电压谐波率的最大值,蓝色是实测
9、值,红色是电能质量公用电网谐波(GB/T1454993)中对电压谐波的限值.由图可知2至20次电压谐波皆小于标准限值,满足标准要求.结论:电梯能量回馈装置处于图3空载带回馈全程上行匀速阶段各次电流谐波率f最大值)空载上行匀速段各次电压谐波率5432_Il-一_-_1J1.1-.1JlJ.1J._.|l-._.一.I.-._一l_nU2345678910l1121314151617181920谐波次数l一实测值?标准值l图4空载带回馈全程上行匀速阶段各次电压谐波率(最大值)2.2满载运行图5是满载带回馈全程下行匀速阶段各次电流谐波率的最大值,蓝色是实测值,红色是GB/Z17625.6-2003中
10、第一级简化连接时的电流谐波限值.由图可知,2至20次电流谐波皆小于标准限值,满足标准要求.很多因素的影响,将它应用于不同类型的电梯中,其节能的效果有很大的区别.在这次的电梯的节能研究中,我们通过对各类电梯的对比分析,得出以下结论:(1)增加能量回馈器后电梯有很明显节能效果.采用能量回馈的电梯比没有能量回馈平均可节能约23%.(2)同步无齿轮有能量回馈电梯比蜗轮蜗杆无能量回馈电梯有大幅度节能,平均节电率约为45%.(3)同步无齿轮传动电梯采用能量回馈装置时的节能效果最明显,平均节约用电达28.26%,远大于蜗轮蜗杆曳引机传动电梯的15.69%.所以,曳引传动方式对能量回馈装置的节能中国电梯201
11、O年12月第21卷第24期69用户la寸空u.效果影响很大,采用能量回馈装置时,同步无齿轮电梯比蜗轮蜗杆电梯的节能效果好.(4)采用能量回馈装置时,同样传动方式下,额定功率大的电梯比额定功率小的电梯的节能效果更明显,因为额定功率大的电梯本来的能耗就较大,因此采用能量回馈装置有较好的节能效果.图5满载带回馈全程下行匀速阶段各次电流谐波率(最大值5432_-_-_一_-_IlII._J_lJ.-J.-J.一_._一.一._一l_n2345678910l1121314151617181920谐波次数l_实测值-标准值l图6满载带回馈全程下行匀速阶段各次电压谐波率(最大值)4能量回馈装置的经济效益开发
12、电梯能量回馈装置的最主要目的就是为了节能,而其能否得到推广应用,除了该设备本身的安全和可靠性以及回馈电能质量需满足要求外,更重要的是能为电梯业主带来经济效益,因为对业主来说,增加能量回馈功能需增加其前期的投入,如果能量回馈装置在电梯一定使用周期内所节约的电费高于增加设备的初期投入,从经济效益来说就是不划算的,这将影响能量回馈装置的推广应用.从我们这次的测试研究中可以看出,不同使用场合,不同功率,不70ChinaElevatorVol21No24Dec2010同传动方式的电梯采用能量回馈装置的投入回报时间差别很大,最短的不到1年,最长达29年,可见,应根据电梯的实际情况选择是否采用能量回馈装置,
13、按能量回馈装置平均寿命8年算,我们认为,投入回报时间不大于5年的,增加能量回馈装置是比较符合经济效益的.这里,我们忽略了采用能量回馈装置后机房的发热减少节约的空调费,因为不同的地区气温不同,即使没有采用能量回馈装置,也不是一定需要增加空调.对于机房环境温度较高的电梯,没有采用能量回馈装置往往意味着需要增加空调,这时采用能量回馈装置无疑更有经济效益.5总结电梯能量回馈装置回馈电能质量符合标准的要求,它不会增加电梯对电网的谐波污染,不会对电梯运行的安全性造成影响,对电梯的可靠性也基本不产生影响,可以在电梯上投入使用.从经济效益上看,对使用频率较高的功率10NW以上的同步无齿轮电梯,以及使用频率较高的大功率的蜗轮蜗杆电梯,采用能量回馈装置有比较好的效果.柯字辉.广东省特种设备检测院东莞分院