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能量回饋裝置在電梯中的節能運用

日期: 2019-05-31
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  電梯節能設備供應商提醒您:隨著環保意識的不斷增強,節能環保已成為我國當前提倡的具有現實意義的一項基本國策。在電梯行業日益競爭激烈的今天,采用新技術,速度更快,載重量更大雖然是最能突出產品優勢的幾大方面,但是不可否認,電梯投入使用后的經濟性和環保性也是電梯采購時必須考慮的因素。

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  一、電梯基本構造和運行現狀

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  1.電梯的基本構造

  現在電梯主要由曳引機系統、導向系統、轎廂系統、門系統。重量平衡系統、電力拖動系統、電氣控制系統、安全保護系統等組成。這些部分分別安裝在建筑物的井道和機房中。通常采用鋼絲繩傳動,鋼絲繩繞過曳引輪,兩端分別連接轎廂和對重,曳引機驅動曳引輪使轎廂升降。

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  2.電梯運行現狀分析:

  當電梯向上運行時,要消耗能量,當電梯從高處下行時,電梯要放出能量。電梯由曳引機拖動的負載是由載客轎廂和對重塊組成,為了均衡拖動負載,只有當轎廂載重量加上轎廂額定載重的50%(例如載重為1050kg載客電梯乘客為7人左右)時,兩者才相互平衡。此舉雖然改變了用能的峰值點,但卻不能改變平均能耗。而在實際使用的過程中轎廂重量加上乘客的體重正好等于對重平衡塊的重量出現頻率較低。所以電梯的運行狀態基本上都是處在一種非平衡的狀態,而且還非常有可能出現乘客較多的時候轎廂下降,乘客較少或者沒有乘客的時候轎廂又上升,若出現第一種情況是乘客的重力勢能釋放的情況,出現第二種情況的時候又是對重的重力勢能的釋放,這兩種狀況下由于位能負載的作用,使其轉速高于同步轉速,即n>no時,轉差率s=(no一n)/no<0,轉子感應電動勢反向,定子繞組向電網回饋電能,T方向與轉速方向相反,電動機既回饋電能,又在軸上產生了機械制動轉矩。但由于電梯用變頻器的交一直一交主電力AC/DC整流電路是不可逆的,發出來的電無法回饋到電網上去,造成主電路電容器二端電壓升高,產生了“泵升電壓”。 一般變頻電梯采用電阻消耗電容中儲存電能的方法來防止電容過壓。電梯運行中,這些電阻都會散發出很大的熱量(其表面溫度100℃以上),浪費的這部分能量占電梯用電總量的25%~45%。電阻耗能不僅降低了系統的工作效率,而且電阻產生的大量熱量加速了機房空氣中塵埃的流動,吸附靜電,就大大的影響了電梯控制柜周邊的環境。同時溫度的升高會大幅縮短電梯的原器件的使用壽命,器件老化故障不斷。為了使機房溫度降低到常溫狀態,讓電梯免于因高溫而產生故障,用戶需要安裝大排風量的空調或風機;在電梯功率較大的機房,往往需要多臺空調、風機同時啟動。使得電梯和空調成為耗能最大的“電老虎”。

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  二、電梯能量回饋裝置的運行原理

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  電梯要節能,關鍵就是電梯的曳引機工作中要把其在發電狀態時產生的電能利用起來,將制動電阻所消耗的那些發熱的能量 ,通過逆變再重新轉化為交流電,或供給其他電氣設備使用,或回饋致電網。一般能量逆變效率在85%左右,上面提到的制動電阻消耗能量占電梯用電總量的25%~45%,若樓層越高或者電梯速度越快的時候,那么電能的回饋效果就更明顯了。能量回饋系統的主回路結構主要是由濾波電容、三項IGBT全橋、串聯電感以及外圍電路所組成的,電梯能量回饋系統的輸入端與電梯變頻器的直流母線側連接,輸出端與電網側連接。當電梯曳引機工作在電動狀態時,能量回饋系統的開關全部處于關斷狀態,當曳引機工作在發電狀態的時候,變頻器直流母線側的泵升電壓升高,并滿足了其他逆變條件后,能量回饋系統開始啟動,隨著直流目前上的能量的回饋至電網,直流母線電壓下降,直到回落至設定值后,系統停止工作。

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  將直流電能轉換為交流電能的有源逆變是電梯能量回饋的本質,目的是將曳引機在發電狀態下產生的電能通過逆變回饋,實現節能且需注意避免逆變輸出電能對電網的污染。所以在曳引機發電產生的能量回饋過程中,要在相位、電壓、電流方面滿足四個控制條件:

  a)不能隨便啟動系統,須當直流母線電壓超過設定值時,逆變裝置才開始啟動,進行能量的回饋;

  b)逆變電流必須滿足回饋功率的需求,且不可大于逆變電路所容許的最大電流;

  c)逆變過程需要與電網相位保持同步,向電網回饋的能量要在電網的高壓端;

  d)盡可能的減少逆變過程對電網的污染。

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  三、電梯能量回饋系統硬件的設計

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  1.功率逆變電路

  功率逆變電路中通過控制開關的通斷,把電梯曳引機工作在發電狀態時存儲在電梯變頻器直流母線側的直流電轉換為交流電。是電梯能量回饋系統的主回路,根據逆變電路不同分類,均有不同的結構。通過控制開關的通斷,把曳引機工作在發電狀態時存儲的在電梯變頻器直流母線側的直流電轉換為交流電。在電路中,同一橋臂上的上下兩個開關不能同時導通,每一項的導通時刻和時間根據逆變控制算法進行控制。

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  2.并網同步電路

  電梯能否有效的將直流母線上的能量回饋到電網,相位同步控制起到關鍵作用。并網同步電路采用電網線電壓同步,同時為了避免換相時的死區影響,在同一個橋臂上下開關工作120度。通過比較器得到并網同步信號與電網過零點信號的邏輯關系,通過Multisim仿真得到各開關器件的并網同步信號和電網電壓的關系,每個開關工作角為120度,且依次間隔60度。逆變橋中任何時候只有兩只開關管導通,工作安全可靠,且每兩個開關都在電網線電壓的最高電壓段工作,逆變效率高。

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  3.電壓檢測控制電路

  由于電梯變頻器直流母線側的電壓較高,需先利用電阻進行分壓,再通過霍爾電壓傳感器將母線電壓隔離降壓,并轉換為低電壓信號,在電壓檢測控制電路中采用滯環跟蹤比較控制方式,滯環比較是在比較器的基礎上又增加了正反饋,給比較器提供了兩個比較值,即上下閥值。由硬件電路實現,控制即迅速又準確。電壓檢測控制電路不僅可以避免干擾信號瞬間疊加在電壓信號上,造成比較器的輸出狀態出現抖動,還可以避免能量回饋系統過于頻繁的啟動關閉。

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  4.電流檢測控制電路

  能量回饋過程中,電流必須滿足其功率的要求,回饋電網的功率必須大于或等于曳引機處于發電狀態時的最大功率,否則直流母線上的電壓降繼續升高。當電網電壓一定時,系統能量回饋功率由回饋電流決定,另外,回饋電流須限定在逆變器功率開關器件的額定范圍內,而且電網和逆變器之間電抗扼流,容許大電流通過又希望電抗器的體積盡可能的小,所以電抗器的電感量必須是一個較小的值,這樣能量回饋時。電流變化速度就很快。同時采用電流滯環控制方式也能有效控制回饋電流防止過流事故。

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  5.主控制電路

  電梯能量回饋系統的中央處理單元是主控制電路,它用來控制整個系統的工作。主控電路由單片機和外圍電路組成,一方面根據控制算法產生高精度的PWM波;另一方面根據并網同步信號,IPM故障控制整個能量回饋過程中的安全和有效的進行。

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  6.邏輯保護控制電路

  并網同步信號,電壓、電流的控制信號,IPM故障信號,以及主控制電路輸出的驅動信號都需要進過邏輯保護控制電路,進行邏輯運算,最終送入功率逆變電路,控制回饋過程的進行。這樣,既可以保證逆變輸出的交流電與電網同步,又可以在電路過流,過壓,欠壓和IPM故障時,封鎖驅動信號,使能量回饋過程停止。

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  由于電梯能量回饋系統只有在曳引機處于發電狀態才啟動的,所以使用壽命要比電梯還要長。由此可見,電梯能量回饋系統的運用不管從原理,節能效果,還是性能,都值得在能源日趨匱乏的今天大力推廣,這樣既營造了健康良好的綠色節能環境,又響應了國家和政府關于節能降耗,建設節約型社會的號召,為國家的節能減排貢獻力量。

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