基于變頻回饋的電梯節(jié)能技術研究探討論文
摘 要：隨著城市高層建筑的增多，電梯的使用越來越廣泛。電梯的節(jié)能技術的發(fā)展，能夠極大的減少能源的消耗。變頻變壓調速控制技術在電梯工業(yè)廣泛使用，回饋節(jié)能技術越來越多的應用在其中。本文通過有源逆變回饋、超級電容儲能回饋、群控回饋技術對電梯節(jié)能技術進行探討，從而實現(xiàn)電梯節(jié)能控制。
關鍵詞：電梯節(jié)能；VVVF；回饋技術
Based on feedback elevator inverter energy-saving technology study was to investigate
Li Xue-song
�。⊿pecial Equipment Inspection Institute of Anhui Province， Hefei 230000）
Abstract： With the increase in urban high-rise buildings， the elevator more widely used. Lift the development of energy-saving technology， can greatly reduce energy consumption. VVVF control technology widely used in the elevator industry， contribute to energy-saving technology more and more applications in them. In this paper， active inverter feedback， super capacitor energy storage feedback on the elevator group control feedback technology to explore energy-saving technologies， in order to achieve energy-saving elevator control.
Keywords： Lift Energy； VVVF； feedback technology
前言
能源是我國社會及經濟發(fā)展的三大支柱之一。目前我國的能源利用率僅為30%左右，比發(fā)達國家低十多個百分點。隨著可持續(xù)發(fā)展的逐步開展，倡導節(jié)能環(huán)保，尤其是高能耗行業(yè)特種設備的節(jié)能降耗，已經成為影響社會發(fā)展的關鍵所在。
作為建筑群中的高能耗特種設備，電梯在運行中的節(jié)能問題尤為重要。據統(tǒng)計，我國的電梯數(shù)量高達百萬臺，并保持每年15%的增長率；在能耗方面，電梯的耗電量占整個樓宇總能耗的8%左右。電梯的耗電量遠遠超過供水、照明設備用電，僅次于空調。一部普通電梯的日用電量約為50-150千瓦時，按照平均日用電量90千瓦時計算，全國每年電梯耗電量高達430億千瓦時，耗電量十分巨大。遺憾的是，目前我國約有30%的電梯仍為交流雙速、交流調壓調速的老式電梯，而采用新型節(jié)能技術的電梯不足10%。由此可見，電梯能耗具備高度的節(jié)能潛力和改善空間，而大力發(fā)展電梯節(jié)能新技術、推廣節(jié)能電梯尤為重要。
文獻指出，電梯的節(jié)能技術體現(xiàn)在多個方面，其中最主要的指標是其耗電量應為常規(guī)電梯的70%左右；同時，節(jié)能電梯在各項能耗環(huán)節(jié)的消耗比例為：電梯驅動主機拖動負載消耗電能占電梯總消耗量的70%以上；電梯門計開關、廳門、轎門消耗電能占電梯總消耗電量的.20%左右；電梯照明、控制系統(tǒng)等環(huán)節(jié)消耗電能占電梯總消耗電量的10%左右。
新型節(jié)能電梯拖動設計大多數(shù)是采用專用的電梯拖動異步電動機結合專用的電梯拖動變頻器進行設計，這樣設計的電梯拖動系統(tǒng)簡稱為VVVF（變壓變頻）電梯拖動系統(tǒng)，VVVF技術在現(xiàn)代交流調速電梯驅動控制系統(tǒng)中得到了最廣泛的應用。電梯驅動系統(tǒng)采用成熟的VVVF技術早已成為當今改善電梯驅動控制性能、提高電梯運行質量的主要途徑。VVVF技術淘汰了各類交流雙速電機調速驅動，取代了直流無齒輪驅動，不僅使電梯的運行性能優(yōu)越，同時也有效地節(jié)約了能源，降低了損耗。
由于采用了變頻技術，電梯的調速性能及節(jié)能指標有很大的改善，如今已成為電梯行業(yè)的主流拖動系統(tǒng)。本文針對目前在電梯節(jié)能中最具應用前景的變頻回饋技術，分別從有源逆變、能量回饋和超級電容等幾個方面闡述當前變壓變頻回饋電梯節(jié)能技術的研究進展。
1.VVVF控制與回饋原理
1.1 VVVF控制特點
文獻將電梯運行簡化為起動、穩(wěn)速運行、制動3個階段，進而對比傳統(tǒng)的調壓調速電梯以及基于VVVF控制的節(jié)能電梯。
�。�1）起動階段：傳統(tǒng)的調壓調速電機啟動電流大，而VVVF低頻起動電流較小，從而大大降低電力損耗。
�。�2）穩(wěn)速階段：在輕載上行（或重載下行）時，由于倒拉效應，傳統(tǒng)的調壓調速電梯要從電網取得能量產生制動轉矩，而VVVF電梯工作處于再生發(fā)電制動狀態(tài)，不需從電網中獲得能量，進一步降了能耗。
�。�3） 制動階段：傳統(tǒng)的調壓調速電梯在制動段從電網中取得能耗制動電流，電流變成熱能而消耗，同事導致電機發(fā)熱嚴重；VVVF 電梯在制動段不需從電網中獲得任何能量，電動機運行在再生發(fā)電制動狀態(tài)，電梯系統(tǒng)的動能轉化成電能消耗在電機外部電阻上，節(jié)能的同事避免了制動電機的過度發(fā)熱現(xiàn)象。
經實際運行測算比較，采用VVVF控制的電梯，與ACVV調速電梯相比，節(jié)能達30%以上。VVVF系統(tǒng)還可以提高電氣系統(tǒng)功率因數(shù)，降低電梯線路設備的容量和電動機的容量達30%以上。
1.2 控制回饋
電梯進入減速運行時，電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)，由于電動機不能直接快速起動、制動和頻繁正反轉調速，使大量再生電能無法回饋到電網，只能被大功率電阻消耗掉，造成再生能源浪費。變頻回饋節(jié)能技術通過使用能量回饋裝置，時地檢測變頻器直流母線上的電壓及電網頻率，把變頻器直流母線上多余的電能重新逆變?yōu)榻涣麟�，能將電梯運動過程中產生的機械能通過變頻回饋器轉換成電能，然后把這些再生電能送回交流電網再利用，以實現(xiàn)節(jié)電節(jié)能，同時可以省去耗電發(fā)熱的大功率電阻，從而改善了系統(tǒng)的運行環(huán)境。
2.變頻回饋技術研究現(xiàn)狀
2.1有源逆變回饋技術
在回饋制動運行時，若在整流側附加一個逆變裝置進行有源逆變將能量回饋電網無疑是電梯節(jié)能的有效手段。由于有源逆變要并入電網，并且要滿足并網電壓相位條件和并網電壓
頻率條件和并網電壓幅值條件，如今以IGBT全控型新器件為核心的智能功率模塊集保護驅動為一體，另加上以DSP為核心的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，為電梯進行有源逆變將能量回饋電網創(chuàng)造了條件。
文獻[7]分析統(tǒng)計了有源逆變回饋技術的節(jié)能效果，認為有源逆變可使電梯節(jié)能21%-46%，節(jié)能效果明顯。同時，IPM有源逆變電梯節(jié)能方案不可避免存在高次諧波，從而對電網造成一定程度的污染。
文獻[8]分析了傳統(tǒng)的變頻調速電梯，發(fā)現(xiàn)多數(shù)采用制動單元或外加大功率電阻，通過逆變器泄放大電容中的電量，造成能源浪費�；诖耍岢霾捎糜性茨孀兤髂芰炕仞伷�，將大電容中的電量無消耗的反饋于電網，減少電阻發(fā)熱損耗，同時改善了電梯的運行環(huán)境。
文獻[9]針對普通電梯變頻器不能回饋再生能量的缺點， 研制了一臺基于幅相控制的15kW電梯能量回饋器樣機，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)能量回饋和直流母線電壓可控。在此基礎上，根據電梯起停頻繁的特點，利用直流母線電壓變化率推導出起動時刻理想初始參數(shù)和在輸入功率變化時的前饋調節(jié)量，提高了系統(tǒng)的快速性。通過在上海三菱電梯有限公司現(xiàn)場實測表明，該回饋器工作穩(wěn)定可靠，具有良好的動、靜態(tài)性能。
研究表明，有源逆變器回饋用于電梯節(jié)能方面，具備以下的特點：
�。�1）適用范圍寬，可與220V、380V、480V電壓等級的變頻器配合使用，功率等級從7.5kW到55kW；
�。�2）節(jié)能效果明顯，無發(fā)熱電阻，在電梯中使用可以節(jié)電21%-46%；（該數(shù)據范圍與文獻[9]吻合）
�。�3）安裝方便，即裝即用；
（4）諧波含量較少；
（5）具備過壓、過熱等完備的保護功能；
2.2超級電容儲能回饋技術
如今，超級電容的應用逐步改變了過去純電池儲能的時代。與電池相比，超級電容具有較低的能量密度和較高的功率密度，在能量存儲和管理方面得到了廣泛應用。為了打破像鋰離子電池、燃料電池等能量源的功率限制，超級電容主要應用于能量緩沖器。
文獻[10]以交流變壓變頻調速電梯為研究對象，通過分析電梯的運行原理，提出了電梯節(jié)能新方法。利用電梯再生制動將能量轉化為電能反饋給電網，采用基于DSP的Fuzzy-DPLL復合數(shù)字鎖相環(huán)技術，設計了一臺并網逆變器，該裝置具有功率因數(shù)高、諧波電流小、動態(tài)響應快、整體效果好等特點。
文獻[11]通過實驗研究了能量回饋裝置的節(jié)電指標，基于大量的實驗統(tǒng)計數(shù)據表明，安裝能量回饋器的電梯節(jié)電量約為33%，效果顯著。安裝了能量回饋裝置的電梯，年均運行總耗電量普遍可下降25%～35%，機房空調耗電量夏季可下降40%～60%，一臺20層的電梯一年可以節(jié)省6000kW·h電能左右，一個擁有100部電梯的小區(qū)，一年則可節(jié)省60萬kW·h電能，相當于800個家庭1年的用電量。
文獻[2]在分析電梯運行特性的基礎上，針對整個節(jié)能系統(tǒng)提出了超級電容、雙向DC/DC及制動電阻的匹配方案，使得匹配參數(shù)既能滿足電梯曳引機的功率需求又節(jié)約了系統(tǒng)成本。通過制定系統(tǒng)的控制策略，根據直流母線和超級電容電壓判斷曳引機的工作狀態(tài)，從而決定超級電容的充放電動作，并且從控制系統(tǒng)成本角度提出了超級電容充放電電流控制策略。
在類似于電梯而處于垂直運動的工程機械領域（如輪胎式集裝箱起重機、輪式裝載機），也應用了超級電容儲能技術。例如上海振華港機公司生產的綠色RTG系列，采用了超級電容作為儲能裝置，其節(jié)能效果高達30%。
2.3群控回饋技術
隨著社會發(fā)展，單臺電梯不可能滿足高樓的人流需求，而采用多臺電梯單獨運行必然導致資源的極大浪費——電梯群控技術因此而悄然興起。電梯群控系統(tǒng)采用優(yōu)化的控制策略協(xié)調多臺電梯的運行，以提高電梯的運行效率，節(jié)約能耗。
傳統(tǒng)的電梯群控技術包括分區(qū)調度法、基于搜索的算法、基于規(guī)則的算法和隨機理論算法。當前關于電梯群控回饋技術研究的主要發(fā)展有：模糊控制技術、神經網絡技術、專家系統(tǒng)技術、遺傳算法技術等。
模糊控制技術在電梯控制中應用的實質是由專家的知識決定隸屬函數(shù)及模糊控制規(guī)則， 并由此確定以后的控制行為， 實現(xiàn)對每個電梯運行方案的評價， 以得出當前系統(tǒng)中符合性能指標要求的最佳方案。
神經網絡的應用，使得自動適應各種不同的交通條件成為可能， 乘客候梯時間可以保持在較小的數(shù)值。借助于模糊推理的數(shù)據整理分析，使得針對交通量的變化較好。另一方面， 神經網絡的自學習能力使得系統(tǒng)適應于長期間內的交通量變化。系統(tǒng)能夠適應建筑物內的各種條件變化，與模糊控制相比平均候梯時間減少了10%，長候梯率減少了20%，并有效地控制了扎堆現(xiàn)象。
3.結語
本文針對目前在電梯節(jié)能中最具應用前景的變頻回饋技術，分別從有源逆變、能量回饋和超級電容等幾個方面闡述當前變壓變頻回饋電梯節(jié)能技術的研究進展。
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