能量回馈系统在矿区电梯上的应用

2013-05-05周玮大庆油田有限责任公司矿区服务事业部

石油石化节能 2013年5期

周玮（大庆油田有限责任公司矿区服务事业部）

能量回馈系统在矿区电梯上的应用

周玮（大庆油田有限责任公司矿区服务事业部）

结合矿区电梯的现状，从电梯能量转化状态说明电梯的主要能量损耗，并简要分析了当前矿区电梯能量损耗状况。介绍了一种新型的电梯节能装置——能量回馈系统，并通过其工作原理与特点进行分析，讨论其推广的可行性。结合研究数据，预算能量回馈系统在矿区推广的效益，从而阐述了电梯能量回馈系统在矿区推广的重要意义。

电梯节能能量回馈再生能量效益

大庆油田矿区服务事业电梯工程公司目前管辖2300多部各种型号的电梯（扶梯、竖梯），其中涡轮蜗杆减速箱曳引机构电梯 100多部，其余电梯曳引机为永磁同步电动机，这些电梯广泛应用于机关办公楼、各大医院、民用住宅等处。根据国务院《特种设备安全监察条例》的规定[1]，电梯为高耗能特种设备，所以电梯的节能措施对矿区发展有着重要的意义，现对电梯曳引机为永磁同步电动机能量回馈系统的推广意义做简要分析。

1 矿区电梯能耗现状

1.1电梯运行中的能量转化状态

为了缩小电梯曳引机的输出功率范围，电梯都会设置对重系统，对重系统的质量一般为 M （对重质量）=M1（轿厢质量）+M2（额定载重量）/2，根据电梯的实际负载情况与其额定负载之间的占比关系，做如下定义：电梯负载∈{空载、轻载、微轻载、平衡负载、微重载、重载、满载}。对于以上七个元素，在电梯运行中的具体分析如下：

上行加速阶段：空载、轻载、微轻载的情况为电动机转子受外力矩拖动而产生电能。平衡负载、微重载、重载、满载的情况为电动机输出功率，消耗电能。

上行匀速阶段：空载、轻载、微轻载的情况依然为电动机转子受外力矩拖动而产生电能。平衡负载，电动机处于非工作状态。微重载、重载、满载的情况为电动机输出功率，消耗电能。

上行加速阶段：空载、轻载、微轻载、平衡负载的情况为电动机转子受外力矩拖动而产生电能。微重载、重载、满载的情况为电动机输出功率，消耗电能。

下行过程基本与之相反。由此可以看出当电动机的输出力矩与转动方向相同时，电动机输出功率，处于耗能状态。当电动机的输出力矩与转动方向相反时，因其转子受外力矩拖动而产生电能，此时电动机处于能量再生状态。

1.2目前矿区电梯的再生能量处理

电梯在能量再生状态下，曳引机构将电梯轿厢及其中的负载、对重和曳引轮等减少的机械能通过电磁耦合转化为再生能量，这些再生能量必须得到及时、适当的处理，否则会引起电梯驱动系统主回路的电压不断升高，从而使系统出现高压故障，无法正常运行。

目前矿区电梯的电动机再生能量处理方式主要以能量转化为主，通常是利用耗能电阻将再生能量转化为热能并将其释放。这种再生能量的处理方式结构简单、难度小、成本低，但由于该方法只是简单的将再生能量转化为热能并释放掉，没有对其进行任何的利用，造成了很大的能量浪费，同时该方法在电梯机房内产生的大量热量，夏季可达 40～50℃，恶化了控制柜周围环境，大大增加电梯散热系统的负担。

2 推广能量回馈系统的分析

2.1能量回馈系统的基本原理[2]

能量回馈系统主要由 IGBT、智能模块 IPM、隔离二极管、滤波电感、电容等元件组成。IPM 模块是主电路中的核心元件，它将直流电能逆变为与交流电网同步的三相电流回送电网，见图1。

图1 能量回馈系统原理

二极管 D1、D2可防止能量回馈系统反送给变频器，确保系统安全运行。电感 L1～L3，电容CT1～CT3构成高次谐波滤波器，组织 IPM 模块高频开关产生的高次谐波电流进入电网，提高能量回馈系统的电磁兼容（EMC）性能。

控制电路有单片微机、可编程逻辑芯片、外围信号采样器构成。配以冗余度高的软件设计，是控制电路能自动识别三相交流电网的相序、相位、电压、电流瞬时值，有序的控制 IPM 工作在 PWM 状态，保证直流电能及时的回馈再生利用。

2.2能量回馈系统的优点

与能量转化法相比，其最大的优点在于实现了再生能量的充分利用，能量回馈效率达 97%，热损耗仅为耗能电阻的3%以下。同时也不会增加散热风扇的负担。

其次，能量回馈系统的适用范围广，可与电压等级为 220V、380V、480V，功率等级从15～47kW的变频器匹配。

此外，在能量回馈中，基于PMW可逆整流技术的完全可控整流方式和矩阵变换器方式处理能实现能量再利用，还实现了对电梯网侧电流的完全控制。

2.3在矿区推广的效益

目前矿区电梯大多为 VVVF的小型住宅楼电梯，尤其适合能量回馈系统的安装，对电梯主要控制电路的改动少，改装成本降低。

据研究表明，一般安装能量回馈系统的电梯节电效率在 15%～40%左右，高的甚至达到 45%以上。且由于减少了原本的转化的热能，使机房温度大大降低，节省了在机房降温方面的消耗，从而进一步节约了电能。

按1台电梯每天正常运行耗电 30kWh计算，安装能量回馈系统后节点效率按 30%计算，1 台电梯运行一年可以节约电能 3285kWh，每 1kWh 的价格 0.6581 元，1 年可节省 2161.86 元。目前，一般电能回馈装置的市场价格在 5000～10000 元之间，所以回馈装置一般在 3～5年就可以收回成本。随着能量回馈系统的不断普及，成本也会逐步下降，回收期会更短一些。

2.4对电梯安装能量回馈系统的要求

1）安装能量回馈系统，不应改变电梯主参数（如额定速度，额定载重量等），也不得切断或拆除原来的耗能电阻，以保证在回馈系统发生故障时，耗能电阻能马上投入使用，确保电梯安全运行。

2）选择能量回馈系统时，其功率必须与电梯的主机、变频器的功率相匹配，且应调试正常，既回馈装置的截止电压应设置在直流母排上，回馈装置的启动电压一般应设置比耗能电阻工作电压小20～30V，如果设置太高，则电梯再生能量仍能在耗能电阻上消耗发热，降低回馈系统工作效率。