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能量回馈装置在电梯中的节能运用

日期: 2019-05-31
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  电梯节能设备供应商提醒您:随着环保意识的不断增强,节能环保已成为我国当前提倡的具有现实意义的一项基本国策。在电梯行业日益竞争激烈的今天,采用新技术,速度更快,载重量更大虽然是最能突出产品优势的几大方面,但是不可否认,电梯投入使用后的经济性和环保性也是电梯采购时必须考虑的因素。

 

  一、电梯基本构造和运行现状

 

  1.电梯的基本构造

  现在电梯主要由曳引机系统、导向系统、轿厢系统、门系统。重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统等组成。这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。通常采用钢丝绳传动,钢丝绳绕过曳引轮,两端分别连接轿厢和对重,曳引机驱动曳引轮使轿厢升降。

 

  2.电梯运行现状分析:

  当电梯向上运行时,要消耗能量,当电梯从高处下行时,电梯要放出能量。电梯由曳引机拖动的负载是由载客轿厢和对重块组成,为了均衡拖动负载,只有当轿厢载重量加上轿厢额定载重的50%(例如载重为1050kg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,但却不能改变平均能耗。而在实际使用的过程中轿厢重量加上乘客的体重正好等于对重平衡块的重量出现频率较低。所以电梯的运行状态基本上都是处在一种非平衡的状态,而且还非常有可能出现乘客较多的时候轿厢下降,乘客较少或者没有乘客的时候轿厢又上升,若出现第一种情况是乘客的重力势能释放的情况,出现第二种情况的时候又是对重的重力势能的释放,这两种状况下由于位能负载的作用,使其转速高于同步转速,即n>no时,转差率s=(no一n)/no<0,转子感应电动势反向,定子绕组向电网回馈电能,T方向与转速方向相反,电动机既回馈电能,又在轴上产生了机械制动转矩。但由于电梯用变频器的交一直一交主电力AC/DC整流电路是不可逆的,发出来的电无法回馈到电网上去,造成主电路电容器二端电压升高,产生了“泵升电压”。 一般变频电梯采用电阻消耗电容中储存电能的方法来防止电容过压。电梯运行中,这些电阻都会散发出很大的热量(其表面温度100℃以上),浪费的这部分能量占电梯用电总量的25%~45%。电阻耗能不仅降低了系统的工作效率,而且电阻产生的大量热量加速了机房空气中尘埃的流动,吸附静电,就大大的影响了电梯控制柜周边的环境。同时温度的升高会大幅缩短电梯的原器件的使用寿命,器件老化故障不断。为了使机房温度降低到常温状态,让电梯免于因高温而产生故障,用户需要安装大排风量的空调或风机;在电梯功率较大的机房,往往需要多台空调、风机同时启动。使得电梯和空调成为耗能最大的“电老虎”。

 

  二、电梯能量回馈装置的运行原理

 

  电梯要节能,关键就是电梯的曳引机工作中要把其在发电状态时产生的电能利用起来,将制动电阻所消耗的那些发热的能量 ,通过逆变再重新转化为交流电,或供给其他电气设备使用,或回馈致电网。一般能量逆变效率在85%左右,上面提到的制动电阻消耗能量占电梯用电总量的25%~45%,若楼层越高或者电梯速度越快的时候,那么电能的回馈效果就更明显了。能量回馈系统的主回路结构主要是由滤波电容、三项IGBT全桥、串联电感以及外围电路所组成的,电梯能量回馈系统的输入端与电梯变频器的直流母线侧连接,输出端与电网侧连接。当电梯曳引机工作在电动状态时,能量回馈系统的开关全部处于关断状态,当曳引机工作在发电状态的时候,变频器直流母线侧的泵升电压升高,并满足了其他逆变条件后,能量回馈系统开始启动,随着直流目前上的能量的回馈至电网,直流母线电压下降,直到回落至设定值后,系统停止工作。

 

  将直流电能转换为交流电能的有源逆变是电梯能量回馈的本质,目的是将曳引机在发电状态下产生的电能通过逆变回馈,实现节能且需注意避免逆变输出电能对电网的污染。所以在曳引机发电产生的能量回馈过程中,要在相位、电压、电流方面满足四个控制条件:

  a)不能随便启动系统,须当直流母线电压超过设定值时,逆变装置才开始启动,进行能量的回馈;

  b)逆变电流必须满足回馈功率的需求,且不可大于逆变电路所容许的最大电流;

  c)逆变过程需要与电网相位保持同步,向电网回馈的能量要在电网的高压端;

  d)尽可能的减少逆变过程对电网的污染。

 

  三、电梯能量回馈系统硬件的设计

 

  1.功率逆变电路

  功率逆变电路中通过控制开关的通断,把电梯曳引机工作在发电状态时存储在电梯变频器直流母线侧的直流电转换为交流电。是电梯能量回馈系统的主回路,根据逆变电路不同分类,均有不同的结构。通过控制开关的通断,把曳引机工作在发电状态时存储的在电梯变频器直流母线侧的直流电转换为交流电。在电路中,同一桥臂上的上下两个开关不能同时导通,每一项的导通时刻和时间根据逆变控制算法进行控制。

 

  2.并网同步电路

  电梯能否有效的将直流母线上的能量回馈到电网,相位同步控制起到关键作用。并网同步电路采用电网线电压同步,同时为了避免换相时的死区影响,在同一个桥臂上下开关工作120度。通过比较器得到并网同步信号与电网过零点信号的逻辑关系,通过Multisim仿真得到各开关器件的并网同步信号和电网电压的关系,每个开关工作角为120度,且依次间隔60度。逆变桥中任何时候只有两只开关管导通,工作安全可靠,且每两个开关都在电网线电压的最高电压段工作,逆变效率高。

 

  3.电压检测控制电路

  由于电梯变频器直流母线侧的电压较高,需先利用电阻进行分压,再通过霍尔电压传感器将母线电压隔离降压,并转换为低电压信号,在电压检测控制电路中采用滞环跟踪比较控制方式,滞环比较是在比较器的基础上又增加了正反馈,给比较器提供了两个比较值,即上下阀值。由硬件电路实现,控制即迅速又准确。电压检测控制电路不仅可以避免干扰信号瞬间叠加在电压信号上,造成比较器的输出状态出现抖动,还可以避免能量回馈系统过于频繁的启动关闭。

 

  4.电流检测控制电路

  能量回馈过程中,电流必须满足其功率的要求,回馈电网的功率必须大于或等于曳引机处于发电状态时的最大功率,否则直流母线上的电压降继续升高。当电网电压一定时,系统能量回馈功率由回馈电流决定,另外,回馈电流须限定在逆变器功率开关器件的额定范围内,而且电网和逆变器之间电抗扼流,容许大电流通过又希望电抗器的体积尽可能的小,所以电抗器的电感量必须是一个较小的值,这样能量回馈时。电流变化速度就很快。同时采用电流滞环控制方式也能有效控制回馈电流防止过流事故。

 

  5.主控制电路

  电梯能量回馈系统的中央处理单元是主控制电路,它用来控制整个系统的工作。主控电路由单片机和外围电路组成,一方面根据控制算法产生高精度的PWM波;另一方面根据并网同步信号,IPM故障控制整个能量回馈过程中的安全和有效的进行。

 

  6.逻辑保护控制电路

  并网同步信号,电压、电流的控制信号,IPM故障信号,以及主控制电路输出的驱动信号都需要进过逻辑保护控制电路,进行逻辑运算,最终送入功率逆变电路,控制回馈过程的进行。这样,既可以保证逆变输出的交流电与电网同步,又可以在电路过流,过压,欠压和IPM故障时,封锁驱动信号,使能量回馈过程停止。

 

  由于电梯能量回馈系统只有在曳引机处于发电状态才启动的,所以使用寿命要比电梯还要长。由此可见,电梯能量回馈系统的运用不管从原理,节能效果,还是性能,都值得在能源日趋匮乏的今天大力推广,这样既营造了健康良好的绿色节能环境,又响应了国家和政府关于节能降耗,建设节约型社会的号召,为国家的节能减排贡献力量。

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