基于變頻回饋的電梯節(jié)能技術(shù)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(shù)的發(fā)展，能夠極大的減少能源的消耗。變頻變壓調(diào)速控制技術(shù)在電梯工業(yè)廣泛使用，回饋節(jié)能技術(shù)越來越多的應(yīng)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(shù)對電梯節(jié)能技術(shù)進行探討，從而實現(xiàn)電梯節(jié)能控制。
關(guān)鍵詞：電梯節(jié)能；VVVF；回饋技術(shù)
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(jīng)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(dǎo)節(jié)能環(huán)保，尤其是高能耗行業(yè)特種設(shè)備的節(jié)能降耗，已經(jīng)成為影響社會發(fā)展的關(guān)鍵所在。
作為建筑群中的高能耗特種設(shè)備，電梯在運行中的節(jié)能問題尤為重要。據(jù)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(shè)備用電，僅次于空調(diào)。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(diào)壓調(diào)速的老式電梯，而采用新型節(jié)能技術(shù)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(shù)、推廣節(jié)能電梯尤為重要。
文獻指出，電梯的節(jié)能技術(shù)體現(xiàn)在多個方面，其中最主要的指標是其耗電量應(yīng)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(qū)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(guān)、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(shè)計大多數(shù)是采用專用的電梯拖動異步電動機結(jié)合專用的電梯拖動變頻器進行設(shè)計，這樣設(shè)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(shù)在現(xiàn)代交流調(diào)速電梯驅(qū)動控制系統(tǒng)中得到了最廣泛的應(yīng)用。電梯驅(qū)動系統(tǒng)采用成熟的VVVF技術(shù)早已成為當今改善電梯驅(qū)動控制性能、提高電梯運行質(zhì)量的主要途徑。VVVF技術(shù)淘汰了各類交流雙速電機調(diào)速驅(qū)動，取代了直流無齒輪驅(qū)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(shù)，電梯的調(diào)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(yīng)用前景的變頻回饋技術(shù)，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(shù)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(diào)壓調(diào)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(diào)壓調(diào)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(yīng)，傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速電梯要從電網(wǎng)取得能量產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，而VVVF電梯工作處于再生發(fā)電制動狀態(tài)，不需從電網(wǎng)中獲得能量，進一步降了能耗。
�。�3） 制動階段：傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速電梯在制動段從電網(wǎng)中取得能耗制動電流，電流變成熱能而消耗，同事導(dǎo)致電機發(fā)熱嚴重；VVVF 電梯在制動段不需從電網(wǎng)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(zhuǎn)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(jīng)實際運行測算比較，采用VVVF控制的電梯，與ACVV調(diào)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(shè)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(zhuǎn)調(diào)速，使大量再生電能無法回饋到電網(wǎng)，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(shù)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(wǎng)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(chǎn)生的機械能通過變頻回饋器轉(zhuǎn)換成電能，然后把這些再生電能送回交流電網(wǎng)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(shù)研究現(xiàn)狀
2.1有源逆變回饋技術(shù)
在回饋制動運行時，若在整流側(cè)附加一個逆變裝置進行有源逆變將能量回饋電網(wǎng)無疑是電梯節(jié)能的有效手段。由于有源逆變要并入電網(wǎng)，并且要滿足并網(wǎng)電壓相位條件和并網(wǎng)電壓
頻率條件和并網(wǎng)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(qū)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(wǎng)創(chuàng)造了條件。
文獻[7]分析統(tǒng)計了有源逆變回饋技術(shù)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(wǎng)造成一定程度的污染。
文獻[8]分析了傳統(tǒng)的變頻調(diào)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�，提出采用有源逆變器能量回饋器，將大電容中的電量無消耗的反饋于電網(wǎng)，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(chǔ)上，根據(jù)電梯起停頻繁的特點，利用直流母線電壓變化率推導(dǎo)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(diào)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(jù)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(shù)
如今，超級電容的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用于能量緩沖器。
文獻[10]以交流變壓變頻調(diào)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(zhuǎn)化為電能反饋給電網(wǎng)，采用基于DSP的Fuzzy-DPLL復(fù)合數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，設(shè)計了一臺并網(wǎng)逆變器，該裝置具有功率因數(shù)高、諧波電流小、動態(tài)響應(yīng)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(jù)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(diào)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(chǔ)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(jù)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(lǐng)域（如輪胎式集裝箱起重機、輪式裝載機），也應(yīng)用了超級電容儲能技術(shù)。例如上海振華港機公司生產(chǎn)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(shù)
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(dǎo)致資源的極大浪費——電梯群控技術(shù)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(diào)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(shù)包括分區(qū)調(diào)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(guān)于電梯群控回饋技術(shù)研究的主要發(fā)展有：模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、遺傳算法技術(shù)等。
模糊控制技術(shù)在電梯控制中應(yīng)用的實質(zhì)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使得自動適應(yīng)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(jù)整理分析，使得針對交通量的變化較好。另一方面， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習能力使得系統(tǒng)適應(yīng)于長期間內(nèi)的交通量變化。系統(tǒng)能夠適應(yīng)建筑物內(nèi)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(jié)語
本文針對目前在電梯節(jié)能中最具應(yīng)用前景的變頻回饋技術(shù)，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(shù)的研究進展。
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