电梯电能回馈装置的应用

电梯能量回馈装置的应用实践
————李维善
一、我国电梯发展的简要回顾
统计数据显示，1979年以前，我国的在用电梯不到１万台。

八十年代以来，随着经济建设的持续高速发展，国内电梯需求量越来越大，新增数量整体呈快速上升趋势，并持续至今。

根据历年的统计数据：1986年，我国大陆地区电梯年产量突破1万台；1997年达到了近3万台；2002年首次突破6万台；2006达到16.8万台，成为全球之首。

2007年达到21.6万台，这个产量超过了全球当年电梯产量的40%。

中国电梯协会提供的信息显示，截止到2007年底，中国大陆在用电梯总数达917 313台，成为世界电梯保有量最大的几个国家之一。

各省份电梯数量如下：
单位：台
北京 78945 重庆22949
天津 17771 贵州5273
河北 15379 云南13203
山东 30089 河南18684
内蒙 5843 江西9429
山西 9149 湖南22035
上海 94637 湖北23351
浙江 86104 陕西16597
福建 31040 新疆8092
广西 13279 甘肃6838
广东 204057 宁夏2210
海南 7057 青海1845
安徽 13980 西藏766
江苏 79566 黑龙江11964
四川 23400 吉林8734
辽宁 35047
总计917313
根据有关方面提供的对酒店，写字楼等的用电情况调查材料显示，当出租率或者入住率比较高的时候(超过85%)，建筑物内电梯的用电量可以达到建筑物总用电量的15%—25%仅次于建筑物内制冷、空调的用电量，高于楼内公共区域照明，供水等的用电量。

随着电价的不断上涨，电梯节能已经成为广大电梯使用单位十分关注的问题。

近年，新建的楼宇中带有电能回馈装置的电梯已经逐渐开始被建设单位选用。

二、交流异步电动机的发电原理
交流异步电动机也被称为“感应式电动机”，在电动机处在电动状态的时候，转子导体不断地切割旋转磁场的磁力线而产生电磁转矩，使转子发生转动并且输出扭矩。

但是当交流异步电动机的实际转速高于同步转速的时候，电动机转子切割磁力线的方向与电动状态的方向相反，于是转子的感应电动势和转子的电流方向都和电动状态时的方向相反，继而导致转矩与转速的方向相反，电动机处在回馈制动的状态下。

此时电动机输出的机械功率＜0，从定子到转子的的电磁功率也＜0。

P ＝3U1Ｉ1cosφ＜0
说明电动机不是从电网吸收有功功率，而是向电网输送有功功率，换句话说此时的一台交流异步电动机已经变成了一台交流异步发电机与电网并联运行。

但是电动机仍然需要从电网吸收无功功率以便建立旋转磁场的磁通势。

正因为如此，这台发电机不用考虑同步问题。

三、泵升电压
当我们把一个重物从低处提到高处时，必须要付出能量，当把这个重物从高处放回低处时，这个能量将会释放出来，这是“能量守恒”原理。

电梯也是同样的道理，当把电梯向上提时，我们要使用电能，当把电梯从高处放下时，电梯要放出能量，为了均匀拖动负载，电梯由曳引机拖动的负载是由载客轿厢和对重平衡块组成，只有当轿厢载重量加上轿箱额定负载的50%（1吨载客电梯乘客为7人左右）时，两者才相互平衡。

此举虽然改变了用能的峰值点，但不能改变平均能耗。

而在实际使用的过程中不太可能出现这么巧的事情，即轿箱重量加上乘客的体重正好等于对重平衡块的重量。

所以电梯基本上都是处在一种非平衡状态下运行的。

在电梯的实际运行中经常会出现以下两种现象：
1、乘客较多的时候轿箱下降。

2、乘客比较少或者没有乘客的时候轿箱上升。

出现第1种情况的时候乘客的重力势能做功，也就是释放能量。

出现第2种情况的时候，对重平衡块的重力势能做功。

这两种状况下电动机就会处在发电的状态。

原因是两种重力势能释放的时候就会拉着电动机向前转，从而使电动机的实际旋转速度高于电动机的额定同步转速。

但由于电梯用变频器的交－直－交主电力AC/DC整流电路是不可逆的，因此发出来的电无法回馈到电网上去，结果造成主电路电容器二端电压升高，这种现象称为“泵升电压”。

另外采用变频调速的电梯启动运行达到最高运行速度后具有最大的机械功能，电梯达到目标层前要逐步减速直到电梯停止运动为止。

从高速到停止（速度为零），这时电气的频率变化很快就完成了，但电动机的转子带着负载有较大的机械惯性，不可能很快的停止，此刻电动机在这个过程中电动机也处于发电状态，同样会产生泵升电压。

四、泵升电压的处理方式
电梯运行中多余的这些能量通过电动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，回送到电容中的电能越多，电容电压就越高，如不及时释放电容器储存的电能，就会出现过电压。

电梯控制系统的保护装置会迫动作，使变频器停止工作，电梯就无法运行了。

为了避免这种现象的发生，目前泄放变频器内大电容中电量的方法是采用制动单元和外加大功率电阻，将大电容中电量消耗到外加大功率电阻上，实际上就是白白地变成热能浪费掉了。

这种通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中方式，被人们称之为电梯的“能耗制动方式”。

目前国内的变频电梯几乎全都采用这种办法。

电梯运行中，这些电阻都会散发出很大的热量（其表面温度可达100摄氏度以上），浪费的这部分能量占电梯用电总量的 25-40% 。

同时电阻产生的热量还恶化了电梯控制柜周边的环境，为了保证电梯控制系统中其他组件能够正常工作，管理方基本上要装空调、风机来降低电梯间温度，使得电梯系统的电能消耗进一步加大。

在一些条价较差的电梯机房内，空调的用电量几乎和电梯的用电量大致相同。

五、电梯电能回馈器的工作原理
所谓回馈就是将上述多余的电能经过逆变变成与低压电网（局域电网）相同相位，相同频率，相同电压，相同相序交流电送回低压电网。

这与风力发电和太阳能发电向低压电网并网送电的过程非常相像。

电能回馈器的主电路采用 IGBT 功率模块，控制电路中产生的控制脉冲列，经性能可靠的驱动电路控制IGBT 功率单元的开通、关断。

电流指令发生器产生和回馈能量成正比的正弦波电流信号，使回馈电网的电流接近正弦波。

主电路由IGBT、智能模块IPM、隔离二极管、滤波电感、电容，外围信号采样器等元件组成。

模块是主电路中的核心元件，它将直流电能逆变为与交流电网同步的三相电流回送电网。

隔离二极管可防止能量回馈器反送电能给变频器，确保系统安全运行。

电感和电容构成高次谐波滤波器，阻止模块高频开关产生的高次谐波电流进入电网，提高电能回馈器的电磁兼容（EMC）性能。

回馈器采用电压自适应控制，即无论电网电压如何波动，只有当电梯机械能转换成电能送入直流回路电容中时，电梯专用电能回馈器才及时将电容中的储能回送电网，如果电容器中没有储能，回馈器就不工作（不发电）。

为保证能量回馈器能够安全可靠地工作，产品还采用了可编程逻辑器件，使回馈器具有极强的抗干扰能力。

回馈器都有完备保护功能，保证了回馈器的可靠运行。

主要技术指标大致如下：
1. 采用PWM脉宽调制技术，输出相位准确、有效抑制高次谐波。

2. 采用DSP中央处理器，速率高、精度高、稳定性能好、抗干扰能力强。

3. 采用自诊断技术确保输出电压精确，防止电流回送，使变频器不受影响。

4. 电压畸变小于5%，符合IEC61000-3-2及GB/T14549标准。

5. 应用电抗器和噪声滤波器，可直接和0.4kV电网驳接使用。

6. 能量转换率达97%以上，节电率在25%～45%（根据不同工况）。

7. 实现变频调速系统四象限运行；
8. 制动能量得到回收，系统效率提高；在频繁制动的工况下运行时节电更明显。

六、电能回馈器简介
电梯能源反馈本身不是新技术，但仍属于先进技术，只是我国引进得比较晚。

在国外从90年代起，我们常见的电梯品牌如：富士达，东芝，迅达，奥蒂斯，三菱，日立，蒂森等等品牌的原装电梯上就都可以带能源反馈装置。

另外在油田抽油机，矿井的提升机等等地方，这项技术也得到了较为广泛的应用。

国内超高层建筑物内或者梯速3米/秒以上的高档电梯的基本都使用了这套装置，因为电阻放热的方式对这样的电梯已经不起作用了。

但在一般建筑物中，由于在引进的时候这套装置报价相当高，所以绝大部分开发商在初期建设的时为了降低成本都没有选用。

如果你有兴趣去电梯机房观察一下电梯控制柜，在其变频器的出线端子排上几乎都有标着“+”和“—”这样两个端子，这就是电能回馈装置的接线点。

目前国产电梯出厂时都不配有电能回馈装置。

进入本世纪以后，这项技术被一些厂家引入国内，目前北京市场上常见的有深圳0TT，深圳加能，秦皇岛PROSPECT，西子奥的斯等几个厂家的产品。

他们的产品从原理，构造和性能上基本相似，只是在辅助功能上有些差别而已。

理论寿命可达70000小时以上
图1：壁挂式
图2 ：落地式
目前市场上的能源反馈装置的设计完全是按照无人管理的全智能模式设计的（傻瓜型）。

外观上看就像一个配电箱，大多采用壁挂式，体积大约在300×300×500mm(各个厂家有所差异)，采用落地式的相对少一些。

原理图如下：
整个安装过程相当简单，主要的工作内容是固定回馈器和接线。

然后根据实际情况对动作电压和控制参考电压进行一下设定，回馈器即可投入运行。

回馈器有6根引出线：其中3根是相线，分别接在三相电源上，作用是向低压电网回馈电能。

另外 2根接在变频器的直流端子上，（变频器接线端子排上的那2个直流端子因变频器品牌的不同，其名称不完全一样，在接线以前应仔细阅读变频器说明书）其作用这是从直流母排上收集过剩的电能。

剩下一根是接地线（PE线）。

为了用户能够确认回馈器的节电功能，各个厂家在安装首台回馈器的线路上通常还要安装三块电表（见下图），其中一块（A）用来计量不含有回馈电量的用电量，也就是没有安装回馈器时候电梯的用电量。

第二块(B)计量包含回馈电量在内的电梯用电量。

第三块（C）专门用于计量回馈的电量,也就是节约的电量。

它们之间的关系是：B=A-C
接线图
在电梯运行的期间，一旦电梯的电动机进入发电状态，人们就可以清楚地看见电表A在反转，电表B微动，电表C在正转。

不过有一点一定要予以注意：在这里安装的电表必须是机械式电表，因为电子式电表是不会反转的。

五、节能效益
电梯能源回馈器的节能效益是相当高的。

中国特种设备检验协会对某产品进行过能好测试：
工况为100%载荷（满载）时往返10次的耗电量，用电能回馈技术前耗电0.852Kw.h，应用电能回馈技术后耗电0.472Kw.h，节电率查过44%；
工况为0%载荷（空载）时往返10次的耗电量，用电能回馈技术前耗电0.748Kw.h，应用电能回馈技术后耗电0.486Kw.h，节电率超过35%。

根据笔者这几年的实际观察和测试，节电量与电梯的工作状况有很大的关系。

在楼层越高，日平均运行频次越多，电梯的梯速越高，停站次数越频繁的电梯上面使用回馈器的节能效益越好。

在高层写字楼内，每天叫梯次数超过1000次的电梯，安装回馈装置以后节电率几乎都能够达到35%以上。

此外使用该项技术以后，放热电阻不再工作，电梯机房的室内温度大幅度下降，通常可以下降5~10摄氏度。

机房空调机的开启时间减少了50~75%（依电梯机房的位置和结构而异），进一步降低了电梯系统的能耗。

同时电梯机房的温度下降以后，对电梯机房设备的安全运行和延长使用寿命都很有好处。

写字楼，商场，医院由于受到电梯客户群的影响，其主要工作时间往往都相对集中在8：30到18：00这段时间内，此间正值用电高峰期，电价都比较高，北京地区商业电价在高峰期间（10：00-15：00）是1.2283元/千瓦时，夏季7、8、9月的尖峰期间（11：00-13：00）1.3377元/千瓦时，因此节电效益更加明显。

一年节约的电费基本上就能够达到初期投资的水平。

例如：深圳某大厦
电梯停站30层，梯速2.5m/s。

实验状态：不用回馈器和用回馈器，各运行2周（336小时）。

不用回馈器用电量是817千瓦时。

电阻温度128摄氏度。

使用回馈器用电量是491千瓦时。

电阻温度 22摄氏度。

节电率大约39%。

一年节约的电费就超过了改造的投资。

即使在叫梯次数很少的电梯上使用回馈器，节电率也相当可观。

笔者曾经组织过一次测试，在XX高档公寓，2号楼7单元，楼高12层楼，地下2层，电梯功率是 11千瓦。

一星期才叫梯次数230多次，使用回馈器以后节电率仍可以达到19.5%。

只是在这种工况下，节电效益很低，投资回收期过长。

六、对几个问题的解答
1、电能回馈装置发出来的电到哪里去了？
安装了电能回馈装置等于在建筑物低压电网中并联了一台不是连续工作的小发电机。

当电梯处在发电状态的时候，回馈的电能进入局域电网，与时电网中其他正在运行中的用电设备（如水泵，冷水机组，风机，照明灯等等）将这一部分电消耗掉了，于是这些设备减少了对总电源的电力需求，从而达到了节约用电的目的。

2、加装电能回馈装置是否会影响电梯的安全运行？
电梯的电能回馈装置是在直流母排上并入的。

回馈装饰都具备完整的保护功能（如：过压保护、欠压保护、过流保护、过热保护，采用自诊断技术确保输出电压精确，防止电流回送等），而且这些保护的设置参数都大幅度低于电梯控制柜和变频器的保护参数的水平，一旦回馈装置发生故障，其本身的各种保护就会先于电梯控制回路中保护起作用，使回馈装置停止工作。

此时电梯仍可以正常工作，只是没有了电能回馈的功能而已，因此安装电能回馈装置对电梯的安全性能没有任何影响。

另外该产品已经得到国家电梯质量检测中心认可，可以放心使用。

3、在不同建筑物内，同样功率，层站的电梯为什么节电率相差很大？
问题出在电梯的使用频率不一样。

正如前面提到的，回馈器只是在轻载上升，重载下降以及电梯停站之前的制动期间才会发电，所以发电量的取决于出现上面三种运行状况的几率。

总体上讲，使用频率越高，电梯出现上述三种状况的几率就越高，回馈的电量就越多，节电率就越高。

4、什么样的电梯适合安装电能回馈器？
从理论个上讲，只要变频的垂直电梯都可以安装电能回馈器。

非变频电梯、液压电梯由于工作原理不同，不能安装电能回馈器。

无机房电梯也可以安装回馈器，安装回馈器后的节能效果不如有机房电梯那样明显，所以人们不太应用。

从节能效益上讲，应该首先应该考虑在楼层高，运行频率高，梯速高和停站多的电梯上使用这项技术。

这样投资回收期比较短，而且电梯机房环境的改变更加明显。

使用单位可以根据实验数据进行推算，大约在2-3年内可以收回投资的电梯都可以考虑进行改造。

电梯电能回馈技术是一项完全成熟而且很值得推广的节能技术，已经得到国家电梯质量管理部门的认可。

在设备选型的时候，写字楼，医院，商厦等等建筑物就应该考虑安装带电能回馈装置的电梯。

建议有关部门早日完成国家相关标准和规范的制定，使这项节能技术的推广和应用进入法制化的轨道。

应该在建筑物方案审核的时候就进行相应的干预，以便从源头上控制住高能耗电梯的进入市场。

避免再次陷入先耗能再治理的怪圈内。