双PWM控制能量回馈在电梯系统应用

卢希彦

摘要：随着我国城市建设的发展，高层建筑的越来越多，对高性能电梯的电力拖动系统提出了新的要求。更加舒适、节能、可靠和精确有效的速度控制是其发展方向。本文针对双PWM能量回馈控制技术在电梯控制系统中的应用进行了分析。

关键词：电梯传动；双PWM；控制技术；能量回馈

电梯是高层建筑中耗电量较高的设备之一，其用电量远远高于照明和供水的用电量，仅次于空调的用电量。同时由于全球能源紧张问题日益突出，人们对电梯能耗的关注越来越大。深入强化节能减排是应对能源短缺问题的重要措施之一，是人类可持续发展的必由之路，因此节能绿色环保的电梯成为电梯业的发展趋势。

电梯是一个带有平衡对重的曳引系统，主要依靠电动机提供动力。电梯节能主要有以下几种途径：

（1）采用永磁同步无齿轮曳引机和变频器调速取代异步电动机调压调速，以提高电动机运行效率达到节能。该方法具有一定的节能效果，但没有利用电梯运行过程中产生的电能。

（2）将电梯运行过程中产生的电能通过逆变装置回馈给交流电网，使电动机拖动系统在单位时间消耗电网电能下降。该方法可以充分利用电梯的再生能量，具有较好的节能效果。

1 能量回馈控制系统设计

1.1 能量回馈原理

电梯在运行的过程中有时处于耗电状态，有时处于发电状态。根据能量守恒定律，当电梯空载下行、轻载下行或重载上行时，电梯处于耗电状态，这时电能转化为载荷的位能；当电梯处于空载上行、轻载上行或重载下行时，电梯处于发电状态，这时载荷的位能转化为电能。

这些所产生的电能存储在一个电容中，随着时间的增加电容中蓄积的电能越来越多，电容电压越来越高，如果不及时把电容储存的这些电能释放掉，可能会导致电梯无法正常运行。传统的电梯大都采用能耗制动方式，用大功率电阻以热能形式将这部分能量消耗掉。该方法虽然简单，但浪费能量，降低了系统的效率，同时电阻发热还会影响系统其他部分的正常工作。而节能电梯将这部分再生电能通过逆变元件处理后反馈到电网，供电梯或其他电器设备使用，从而达到节能目的，这就是能量回馈的基本原理。

1.2 双PWM控制技术

双PWM控制技术是目前最常用的一种能量回馈技术，具有网侧功率因数可控、动态响应快速、电能双向传输、可实现电动机的四象限运行和对电网无谐波污染等特性。

双PWM控制技术的结构图如图1所示，主电路由扼流电抗器、电网侧PWM整流器、储能电容和电机侧PWM逆变器组成。其工作原理描述如下。当电动机工作在电动状态时，电网侧PWM整流器工作在整流状态，电机侧PWM逆变器工作在逆变状态。电网侧整流器使用PWM控制交流电网的电流和电压同相位，电机侧逆变器的IGBT在PWM的控制下使输出电压和工作频率成正比，电动机得到恒定转矩，同时输入到电动机的电流为正弦波，减少了高次谐波电流的损耗。

当电动机工作在发电状态时，电动机产生的能量经电机侧PWM逆变器向中间滤波电容充电，当中间滤波电容两端的直流电压大于极值时，电网侧整流器中IGBT在PWM控制下将能量回馈到交流电网，完成能量的双向流动，使得整个系统的功率因数为l，消除了对电网的谐波影响。

1.3 能量回馈控制系统设计

基于能量回馈控制技术，采用西门子S7-300系列PLC设计了电梯控制系统，其框图如图2所示。该电梯控制系统主要由操作控制子系统、运行控制子系统、门控制子系统和驱动子系统组成。各个子系统通过具有高可靠性的串行通讯网络紧密地联系在一起。

系统的工作过程为：

（1）检测到轿箱的呼唤信号后，根据轿箱所在的楼层位置和电梯内选外呼信号的次序，确定运行方向。

（2）驱动系统驱动电机使轿箱运行，轿箱速度由低速转变为中速再转变为高速，并以高速运行至目标层。

（3）当检测到目标层减速点后，轿厢速度由高速转变为中速再转变为低速，并以低速运行至平层点停止。其中电梯的驱动子系统采用了上述双PWM能量回馈控制技术，使电梯的运行更加平稳舒适，同时取得了较好的节能效果。

（4）电梯平层以后，经过2秒延时后开门，再经过10秒延时后关门。关门过程中如果有人或物在门中间，电梯利用光电开关使门自动打开。重复上述四个步骤可使电梯连续运行。

2 试验分析

为了检验所设计的电梯节能效果，对同一部电梯分别采用能量回馈控制技术和传统能耗制动技术进行对比试验。所采用的电梯控制系统具体配置参数如表1所示。

对于采用能量回馈控制技术和传统能耗制动技术的两种情况，分别统计负载为0、20％、40％、60%、80％和100%六种工况时，电梯一天的耗电量，计算出节电率。图3 为测得的试验结果。

图3 采用能量回馈控制技术的电梯节电率

从上图中可以看出在负载为不同工况时，电梯采用能量回馈控制技术相对于采用传统能耗制动技术具有较好的节电效果，特别是当电梯在满载和空载工况下运行时，节电效果非常明显，节电率可达50%左右。

3 结束语

通过双PWM控制能量回馈电梯传动系统在运行时电网侧的功率因数基本上为单位功率因数，最大限度地消除了电梯运行对于电网的谐波污染，节能效果相当明显。试验表明该电梯控制系统有效降低了能源损耗，节能效果十分明显，具有巨大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 孔伟荣 朱武标 姜建国；双PWM控制能量回馈电梯传动系统的设计[J]电气传动，2007.08

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。