電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置技術(shù)與算法分析

陳 斌

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院湛江檢測院，廣東 湛江 524000）

引言

目前，建筑物的能耗約占全國總能耗的1/3 左右，而電梯用電量已經(jīng)占到建筑物總用量的17%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于照明和供水系統(tǒng)的用電量。在目前投入使用的電梯中，其驅(qū)動方式大部分是變頻器驅(qū)動電機的方式。電梯在運行過程中，有電動運行與發(fā)電運行（也叫制動運行）兩種狀態(tài)。電梯能量回饋技術(shù)的研究就是要解決電梯運行過程中的能量浪費問題，降低電梯的能耗。

1 電梯能量回饋裝置的技術(shù)現(xiàn)狀

目前常見的電梯能量回饋裝置是把電梯發(fā)電產(chǎn)生的能量通過反饋電路反饋回電網(wǎng)，能量回饋系統(tǒng)電路由6 個MOS 管組成電梯能量回饋電路的主電路。當(dāng)直流側(cè)電容電壓超過設(shè)定閥值時，能量反饋電路啟動，把多余的能量回饋給電網(wǎng)[1]。

目前雖然已經(jīng)存在了多種電梯能量回饋裝置，但是卻仍然存在著諸多的弊端。現(xiàn)有的裝置沒有設(shè)置濾波電容，使電子電路的工作性能不穩(wěn)定；現(xiàn)有的裝置沒有設(shè)置散熱網(wǎng)，導(dǎo)致裝置的內(nèi)部可能因為溫度過高而造成損壞；現(xiàn)有裝置回饋能量直接與外網(wǎng)連接，需保持同步同頻，電路設(shè)計復(fù)雜，成本較高；回饋電路直接與外電網(wǎng)連接，可能會對外電網(wǎng)有諧波污染。

2 電梯能量回饋裝置的回饋原理

一般回饋型節(jié)能電梯要求電梯變頻器的整流和逆變部分均采用全控器件，采用雙PWM 控制實現(xiàn)能量的雙向流動，而大部分在電梯其整流部分采用不可控二極管，能量無法雙向流動。要實現(xiàn)能量回饋，必須更換原有電梯，成本過高。故有必要采用基于電梯能量回饋的節(jié)能裝置，有效的解決了現(xiàn)有電梯浪費電能、控制精度低、穩(wěn)定性差的問題。

在可靠性高、制造成本低的電梯能量回饋裝置的結(jié)構(gòu)中，包括正極電源連接端、負(fù)極電源連接端、充電電路、儲能電容器、逆變電路、高頻變壓器和高頻整流電路等。作為最佳選擇，儲能電容器由多個電容器串聯(lián)組成。儲能電容器由100 個100F/2.7V 的電容器串聯(lián)組成。正極電源連接端與電梯供電裝置中的逆變電路的正極輸入端連接，負(fù)極電源連接端與電梯供電裝置中的逆變電路的負(fù)極輸入端連接。

這種電梯能量回饋裝置采用了多個電容組成的儲能電容器儲存電梯發(fā)電能量，在電梯正常運行時反饋給電梯主電路直流端，能量不輸送給外電網(wǎng)，避免了電網(wǎng)污染，降低了單臺電梯的能耗[2]。同時儲能電容器采用由多個電容器串聯(lián)組成，采用較低電壓和過壓保護的方式，把能量通過逆變升壓整流反饋給主電路直流側(cè)使用，儲能電容器利用率高。

3 電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置技術(shù)方案

電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的技術(shù)實現(xiàn)方案如下，在這種裝置的結(jié)構(gòu)組成中包括整流電路、正常逆變電路和回饋電路。整流電路和正常逆變電路包括由全橋整流器和三相橋式逆變電路，三相交流電經(jīng)電感濾波后，再經(jīng)由二極管組成的全橋整流器整流后，再經(jīng)電容濾波后，再經(jīng)由絕緣柵雙極晶體管IGBT 構(gòu)成的三相橋式逆變電路逆變，逆變后連接曳引電機。

4 電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的算法

對于電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的算法，可以采用閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，將輸出量通過反饋控制環(huán)節(jié)，和控制系統(tǒng)的輸入量進行疊加計算，從而提高電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的實際控制性能。一般而言，電子自動化控制系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 電子自動化控制系統(tǒng)原理圖

在電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量通過測量變送環(huán)節(jié)，和給定量一起疊加之后，再送入到控制器中進行分析處理、以及計算。經(jīng)過處理之后，再將控制策略下發(fā)給執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動被控對象做出相應(yīng)的動作。工業(yè)生產(chǎn)可以分為三個過程，即連續(xù)過程、離散過程和批量過程等，每個過程需要根據(jù)不同的特點采取相應(yīng)的控制方法。

在電子自動化控制系統(tǒng)中，可以采用數(shù)字PID控制算法。該算法是通過按照比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行運算，運算結(jié)果用以控制輸出，通過輸出控制量以消除誤差[3]。該控制器的控制規(guī)律如式（1）所示。

對應(yīng)的模擬PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

式中：Kp為比例增益；u（t）為控制量；e（t）為偏差量。電子自動化PID 控制系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

圖2 PID 控制系統(tǒng)圖

A/D 轉(zhuǎn)換器和D/A 轉(zhuǎn)換器的字長如式（3）所示：

式中：r 為轉(zhuǎn)換當(dāng)量；umax和umin分別為能量回饋控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的最大和最小輸入值。

5 電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的回饋電路

在上述所分析的控制系統(tǒng)中，測量變送回饋電路是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于控制系統(tǒng)的性能具有直接的影響，以下詳細(xì)分析節(jié)能控制裝置中的回饋電路。對于電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置中的關(guān)鍵回饋電路，包括回饋逆變電路、濾波電路和DSP 控制電路，回饋逆變電路由絕緣柵雙極晶體管IGBT 構(gòu)成的第二三相橋式逆變電路，濾波電路由電容和電阻組成。經(jīng)回饋逆變電路逆變的電壓再經(jīng)濾波電路濾波后，回饋至電網(wǎng)。DSP 控制電路由DSP 處理器、電網(wǎng)相位檢測、PLL 同步控制、第一霍爾電流傳感器和第二霍爾電流傳感器構(gòu)成。電網(wǎng)相位檢測電網(wǎng)三相交流電的相位，經(jīng)PLL 同步控制輸入至DSP 處理器，第一霍爾電流傳感器檢測交流電的電流，再傳輸至DSP處理器，第二霍爾電流傳感器將三相交流電整流成的直流電，傳輸至DSP 處理器，DSP 處理器輸出SPWM 波控制逆變電路中的絕緣柵雙極晶體管IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷[4]。這種電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置的結(jié)構(gòu)簡單，電梯在輕載上行或重載下行和到達(dá)滿速后接近停靠層站制動減速時的機械能通過回饋電路轉(zhuǎn)換為電能，并回饋至電網(wǎng)，可以供給附近其他用電設(shè)備使用，具有省電、控制精度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點。

6 結(jié)語

電梯的運行離不開電能，由于電梯運行時曳引機會產(chǎn)生再生能量，這些再生能量需要得到適當(dāng)處理和運用，而能量回饋技術(shù)正是解決再生能量的最佳處理方法。本文所述的電梯分體式能量回饋節(jié)能裝置技術(shù)，可以在電梯設(shè)計及運行的實際中予以推廣應(yīng)用。