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超高层建筑电梯群节能控制方案设计分析作者：宋镇江 王庆宇 丁宝 来源：电气&智能建筑 .摘 要 文章提出了一种超高层建筑电梯群的节能控制方案。该方案是基于能量回馈原理设计的。对电梯运行情况及节能方案进行了探讨，并对4台电梯变频器直流侧并联控制系统进行设计，分析其工作原理，设计了控制系统的主电路并阐述了其工作原理。该控制系统可以合理分配电梯制动所产生的电能，以达到节能的目的，而且只需改变软件设计，即可将该控制系统用于多台电梯并联。关键词 电梯并联 节能 逆变器 能量回馈1 前言随着社会的快速发展，超高层建筑层出不穷，电梯作为超高层建筑中的垂直交通工具已经被广泛使用。由于能源的逐渐匮乏，节能呼声越来越高，超高层建筑电梯能耗却逐年增高，其节能问题已经被越来越多的人所重视。本文主要根据能量回馈原理对超高层建筑电梯提出一种节能控制方案，同时对多台电梯变频器直流侧并联控制系统进行设计。在超高层建筑中均是多台电梯并联使用，并且要求使用高速电梯。高速电梯不仅用电量大，发电量也大，通过该控制系统的合理分配，可将电梯所发电能供给其它并联电梯或回馈电网，从而达到节能的目的。普通电梯制动虽然也产生一部分电能，但所产电能较少，不足以维持其它并联电梯的可靠运行，因而对大功率的高速电梯进行节能研究意义重大。2 能量回馈节能原理再生制动能量回馈原理1-3是将运动中负载的机械能（位能、动能）通过变频器变换成电能（再生电能）并回送给交流电网，或供附近其它用电设备使用，使电机拖动系统在单位时间消耗电网电能下降。普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流，然后采用IGBT逆变技术将直流转化成电压、频率皆可调整的交流电。这种变频器只能工作在电动状态，所以称之为二象限变频器。由于二象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回馈系统的能量送回电网。在某些电动机要回馈能量的应用中，如电梯、提升设备、离心机系统，只能在二象限变频器上增加电阻制动单元，将电动机回馈的能量消耗掉。IGBT功率模块可以实现能量的双向流动，如果采用IGBT为整流桥，用高速度、高运算能力的DSP产生SPWM控制脉冲。一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的谐波污染，让变频器真正成为“绿色产品”；另一方面可以将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到节能的效果（如图1所示）。3 电梯的运行与节能控制方案图2为一台电梯曳引系统的简单示意图，其中对重量为轿厢额定载重量的40%50%（一般定义为45%）。由此可以将电梯的运行分为三种情况：（1）对重或轿厢较重的一边在下降，如轻载上行和重载下行，其特点是由势能转化为电能，即电梯曳引机工作在发电状态；（2）对重或轿厢较重的一边在上升，如轻载下行和重载上行，其特点是由电能转化为电势，即电梯曳引机工作在用电状态；（3）半载或接近半载状态下运行，此时电梯曳引机工作在平衡或接近平衡的状态，这时电梯运行的效率最高4。根据能量回馈的原理，电梯的第（1）种运行情况产生的电能通过节能控制系统的合理分配，可达到节能的目的。本文所阐述的控制方案主要用于电梯的第（1）种运行情况。 节能控制方案可表述为：（1）电动机发电的电能不是通过电阻热耗，而是通过直流侧电能并联控制系统，将发电的能量合理分配给其它用电电梯，从而实现节能目的；（2）当发电能量过剩时，电动机发电的电能不是通过电阻热耗，而是通过整流（逆变器）再将这部分电能回馈给电网；（3）某一时刻电梯总用电大于总发电电能时，采用直流电能并联控制方案，只有在直流侧并联控制能量过剩时，才采用回馈控制；（4）当有一部电梯处于回馈能量状态时，其它所有电梯的整流功能全部停止，即整流与回馈不能同时进行，避免环流发生；（5）当控制系统发生故障或有突发情况发生时，可切断控制器使一部或几部电梯单独运行，此时电梯变频器直流侧不再并联，电梯制动产生的电能直接回馈给电网。该节能控制方案应与变频器控制系统配合使用。4 多台电梯变频器直流侧并联控制系统设计4.1 控制系统构成及工作原理本文以4台电梯并联为例，对4台电梯变频器直流侧并联控制系统进行设计。如图3所示，当某台或某几台电梯轻载上行或重载下行发电时，产生的交流电通过逆变器整流后变成直流电，可直接供给其它需要用电的电梯，或回馈给电网。由于该系统使用的整流器和逆变器都是由IGBT功率模块组成的，结构基本相同，故可实现能量的双向流动，但也带来了一些问题，例如如何避免环流等。该控制系统通过检测电流的方向来判断电梯是否用电，通过合理的控制方案控制各个控制器的通断，使电梯所发出的电能合理分配，并且避免有整流器在整流，有的整流器在逆变的情况发生，从而达到了节能的目的，又避免了环流的发生。其中A、B、C、D为四组电梯，A1、A2为A组电梯的两个控制器，以此类推。举例说明该控制系统的工作过程，例如当A组电梯发电时，若B组电梯需要供电，此时控制器A1、B1将检测到的电流信号传送给单片机，单片机通过既定程序发出控制信号使A2、B2导通，则A组电梯通过控制器A2、B2给B组电梯供电；若此时没有电梯需要供电，则通过控制器A1，将电能回馈给电网，从而达到节能的目的。4.2 控制系统的电路设计控制器内部原理图如图4所示，在此以A组电梯为例介绍该控制系统得主电路。其中空气开关用于检修时切断电源，或有突发情况发生时隔离某部电梯。控制器A1可检测直流侧线路电流的方向，从而判断此时A组电梯是处于发电状态还是处于用电状态，或是出于停运状态，并将检测到的信号经过处理后发送给单片机，单片机通过既定程序做出判断后发出控制信号，控制信号经过驱动芯片控制继电器的通断，继电器的开关与接触器线圈串联，从而控制接触器的通断，即控制了控制器A2的通断。其中单片机的输入、输出均加入光耦隔离。单片机发出控制信号使接触器导通时，发出两路控制信号，一路直接通过驱动芯片、继电器使接触器1导通，另一路通过两个串联的反相器之后使接触器2导通，以达到缓冲的目的。当A2通电时，先使接触器1导通，电流通过空气开关、接触器1和限流电阻，使控制器A2导通，经过一段缓冲时间，再使接触器2导通，从而使之完全导通。其目的是防止通电时电流及di/dt过大，烧毁器件。接触器关断时同样有缓冲的效果。制系统主要由控制部分和检测部分组成。控制部分主要由单片机和驱动电路组成。该设计采用PIC16F874型单片机，该单片机具有高性能RISC CPU，稳定性和可靠性较高，同时具有A/D，D/A转换功能，可直接输入模拟信号，适用于该系统。单片机的输入和输出均使用光耦隔离，防止电流过大时烧毁单片机。驱动电路主要由驱动芯片ULN2803A和继电器组成，ULN2803A是一种高电压、大电流的达林顿晶体管阵列，内部自带续流二极管，能够很好地驱动继电器。检测部分主要由霍尔电流传感器和比较器组成。该设计采用CHB-25NP型闭环霍尔电流传感器，该传感器通过调节不同的匝数比，可测量多个量程的直流电流。该传感器根据直流电流的方向输出正负电压，正负电压通过过零比较器输出高低电平，故可通过输送给单片机的电平的高低来判断直流侧电流的方向，从而判断电梯是处于发电状态还是处于用电状态。当直流侧没有电流时，霍尔电流传感器输出为低电平，通过过零比较器后输出仍为低电平，在设计程序时，当单片机输入为低电平时，使单片机发出控制信号将控制器A2关断即可满足要求。控制系统的软件部分要根据实际的电梯并联台数及所用电梯曳引机的制动发电能力来设计。控制系统各个器件之间的逻辑控制关系较为简单，只要把并联电梯的运行情况考虑完全，软件设计就变得较为容易，在此不做过多叙述。5 结束语本文以超高层建筑电梯为研究对象，提出一种节能控制方案，该方案的节能效果取决于实际的电梯并联台数及所用电梯曳引机的制动发电能力，同时也与软件设计有关。基于能量回馈节能原理的控制策略可以实现电梯四象限节能运行，根据节能控制方案设计的4台电梯变频器直流侧并联控制系统可以合理分配电梯所产生的电能，达到节能的目的。文中提出的节能控制方案可用于多台电梯并联，该方案可以为节能电梯的发展提供研究方向，对于促进节能电梯的开发和推广具有重要意义。 & 参考文献1 冷增祥.有源逆变器用于电梯节能J.电源技术应用2007,10（7）:9-11.2 申瑞,张自强,董燕,叶立.电梯节能能量回馈控制系统设计J.河南科技大学学报.2010,31（1）:27-30.3 张家胜,努尔泰,陈飞.有源能量回馈器在电梯节能方面的应用J.建筑节能.2008.（7）: