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。