电能回馈装置在电梯变频器节能改造中的应用

李跃华

（深圳技师学院电气技术系，广东深圳 518000）

电能回馈装置在电梯变频器节能改造中的应用

李跃华

（深圳技师学院电气技术系，广东深圳 518000）

阐述了变频器电能回馈装置的工作原理，介绍了变频器电能回馈装置在电梯节能改造中的研究与应用，并对改造后的节能效果进行了量化跟踪测量，对当前市场巨大存量变频器电能回馈装置在节能改造方面的应用提供了技术参考和借鉴。

电梯；变频器；能耗制动；电能回馈；电梯提升高度；节能改造

0 前言

在变频器节能领域，目前技术种类比较齐全，节能效果较为明显的有四象限变频器电能回馈方式、超级电容储能回馈方式等的应用，市场节能效果较为明显，但均属于新装电梯使用范围，目前市场存量巨大的普通变频器则存在很大的技术改造空间。本文则主要对市场未采用电能回馈装置的存量变频器，通过外部加装电能回馈模块来将电梯运行过程中储存在电容上的多余电能通过逆变装置回馈到电网，供给楼宇其他设备用电，同时减少制动电阻的发热量，降低电梯机房温升，减少甚至是停止空调的使用，达到双重节能的效果，同时也使得电梯机房的各类设备因环境温度的降低而延长使用寿命，减少因高温导致的各类故障，综合效应明显提高。

经过对市场存量的老旧变频器通过加装外部电能回馈装置的改造，大大降低了改造成本，节能效果显著，节电约15%～45%，具有显著的交流、推广和使用价值。

1 变频器电能回馈装置的研究与应用

1.1 电梯耗能工作模式

如图1所示，电梯可分为三种基本工作模式，即轿厢轻载、轿厢重载和轿厢与对重平衡三种模式。当轿厢满载上行（空载下行）时，因轿厢侧重量大于（小于）对重侧，曳引机电动机处于电动运行状态，变频器必须施加和轿厢方向一致（相反）的转矩才能拖动负载；当轿厢满载下行（空载上行）时，因轿厢侧重量大于（小于）对重侧重量，轿厢侧（对重侧）势能转化为机械能，曳引机电动机不但无需耗电，还要将部分势能转化为电能，电动机处于发电机状态，变频器此时直流侧端电压迅速升高，变频器工作在吸收电能的状态。当轿厢侧与对重平衡时，无论轿厢上行或是下行，变频器只需提供克服运行中的摩擦所耗能量即可，当然此种平衡模式属于理想模式，在实际运行中极少出现[1]。

图1 曳引式电梯耗能工作模式图

需要指出的是，运行中的轿厢挚停时，电动机在快速制动时，往往需要变频器工作于发电模式来吸收制动能量，未经改造的传统变频器将这种电量通过制动电阻来消耗，称之为能耗制动。无论是电梯的启动和制动还是上述三种状态下的运行，变频器都在不断地做着吸收电能的工作，如果其吸收的电能加以转换，可以大大节约电能，经济效益十分显著。

1.2 变频器电能回馈装置原理

能量回馈制动装置就是电梯曳引机电动机处在发电机运行状态，变频器因吸收回馈电能而出现直流端电压升高时，将吸收的多余电能回馈给电网。当曳引机电动机采用变频调速时，其电能回馈制动装置主要通过变频器的回馈制动模块实现，如图2所示[2]。

电能回馈装置将变频器直流端储存的多余的直流电经过IGBT模块逆变成恒频恒压的交流电，再通过滤波电路后返送电网供其他用电设备使用，减少市政用电量，其节电量主要取决于电梯的使用量和楼层的高度，一般节电率可达到15%～45%。

本文以日立GVF系列品牌电梯为例，采用富士牌变频器，在改造前测得直流母线静态电压和峰值电压分别为530 V和690 V，制动电阻持续电流和峰值电流分别是15 A和25 A，在夏季平均气温变化不大的外部环境下，机房温度为35℃～48℃，电梯机房必须通过空调降温。本文在改造中设置电能回馈设备工作电压为600～640 V之间，制动电阻工作电压为680 V。通过设置回馈设备的阀值电压低于制动单元的工作电压，来控制电能回馈设备比制动单元提前工作。这样连接电能回馈设备的电梯变频器直流母线电压就不会超过640 V，制动单元不再投入工作，制动电阻能耗减为零，大大降低了电梯机房的温升。当电能回馈装置发生故障停止工作或者自我保护时，变频器又可以通过之前的能耗方式将多余电能消耗在制动电阻上，并不影响电梯的正常使用。发生故障的变频器电能回馈装置可以通过外部显示等方式告知维保人员进行及时维修。

变频器回馈制动设置条件：

图2 变频器电能回馈装置原理图

（1）电动机从高速（高频FH）到低速（低频FL）减速过程中，频率减小，电动机的机械惯性使得电动机转速大于同步旋转磁场转速n0，此时转差s为负值，电动机处于发电机状态，这时的反电动势E大于端电压U。

（2）势能负载，如轿厢空载上行（或满载下行）时，轿厢和对重侧的质量差使得电动机不仅不需要输出功率，而且还要起到一定的制动作用，出现实际转速大于电动机同步旋转磁场转速n0，这时电动机处于发电机运行状态，当然反电动势E大于端电压U[3]。

1.3 采用控制算法

本文改造中的控制方法采用电流追踪型正弦脉宽调制SPWM控制，如图3所示。

图3 电能回馈变频器电流控制算法原理图

这种控制算法将实测的直流母线电压与给定值进行比较相减，它们的差通过PI电压调节器，得到电流的给定值I；电流给定值I再与与电源电压相位检测后得到的三相正弦基准值相乘，得到三相正弦输出电流的给定值，然后与电流检测信号进行相减，得到△Iabc，之后经PI电流调节器处理后得到三相输出电压的给定值V与三角载波进行比较的调制波作为开关管的触发信号。电流△Iabc的值直接控制了SPWM调制的占空比，使实际输入电流接近参考电流的大小[4]。

这种变频器电能回馈控制算法具有开关频率固定、噪声小，损耗小等优点。此控制方式算法略去了坐标变换的计算，因此与采用矢量控制方式相比具有算法简单，对控制器的计算能力要求较低的优点。

2 工程实际应用中节能效果的研究

2.1 节能效果的研究

为研究电梯变频器回馈装置在实际应用中的节电效果，可用通过电能表记录其有功功率和无功功率的消耗情况，通过定时定量的计算，对比改造前后的数据，得出总体的节能测算数据。电流钳表主要测量变频器输入端的电流，对照改造前后的电流值，说明变频器电能回馈装置工作情况正常，接点功能有效。为使该改造工程更具参考意义，特设置如下条件。

（1）在工程研究中，发现不同楼宇性质、不同的提升高度、不同功率的电机节能效果存在一定的差异，究其原因发现：启制动频率较大的写字楼节电效果优于使用频率较小的住宅电梯；提升高度越大的电梯，在相同情况下节能效果越明显；电梯额定速度越大的电梯，改造后节能效果越显著。本文所测量的电梯数据，主要来自写字楼宇，提升高度30层左右，梯速普遍在1.8 m/s及以上，电梯曳引机电动机功率20.5 kW以上。

图4 变频器电能回馈装置节电测量示意图

（2）测试电表如图4所示。电能表1是测量改造后的总的用电量；电能表2用来测量变频器输入耗电量；电能表3采用“反接反计数”的感应式电表，用来测量节电量。当系统引入变频器电能回馈模块后，总耗电量=电能表1计量=电能表2计量-电能表3计量；当系统脱离电能回馈装置，则总耗电量=电能表1计量=电能表2计量；在条件相同的情况下，集中用2 h以上时间，控制电梯轿厢上行、下行，循环动作，测得的量化数据如表1所示。

表1 变频器改造前后节能情况对比

（3）测试时注意检查一下其中电能3在上行时表盘会反转且读数会减小，下行时表盘正转，否则需要调试接线端子。测量点在机房变频器三相电源总输入端，电机功率：20.5 kW，每天运行时间：18小时，连续监测。

2.2 回馈电能质量测量

在电能节电率方面取得了理想效果的情况下，对于回馈电能的质量也不能忽视。节能改造后输入市电网络的电能主要存在以下问题需要克服。

（1）避免高次谐波含量超标，因为本次改造是在不改变原有变频器的基础上所做的增加节能回馈模块的方法，因此容易导致网侧的电流谐波含量超标，为此可对系统进行后续测量跟踪，可采用加装额外滤波环节加以改善。

（2）市电网络电压波动范围要符合要求，由于电量回馈装置是直接将电能反馈给电网，因此该装置对电网电能质量的影响也比较大，本文所涉及的电梯多数来自写字楼宇，多因楼宇本身都建有独立的变电房，电能质量良好，电压波动范围能限定在规定的范围之内。本次测试使用Fluke电能质量钳型表来测量电能质量的各项数据，并与相关的国家标准对比，图5为电能质量测量的现场照片，表2为电能质量检测数据与国标的对比。

图5 电能质量现场检测

图6 电能质量监测

由上可以得出结论，经改造后，该能量回馈制动装置输出电能的质量完全符合国家相关标准，总的节电率高达36%，完全满足目前市场大量未经改造的存量电梯的改造要求，该项目的研究与应用，为实现低碳节能环保的现代电梯产业提供了较好的参考借鉴价值。

表2 电能质量检测数据与国标的对比

3 结束语

该节能方案针对市场存量电梯变频器的改造具有很高的推广价值。

［1］戴广平.电动机变频器与电力拖动-第二章变频调速［M］.北京：中国石化出版社，1999.

［2］林梅丽.四象限变频器与传统变频器在电梯应用上的节能效果及输入指标对比［J］.电气应用，2012（8）：40-43.

［3］刘永峰.变频回馈制动技术［J］.变频器世界，2008（8）：53-55.

［4］韩安荣.通用变频器及其应用-第一章电力电子器件应用［M］.北京：机械工业出版社，2000.

图5 机架应力云图

参考文献：

［1］常维春.平贝母栽培［M］.北京：科学普及出版社，1984.

［2］刘兴权.平贝母细辛无公害高效栽培与加工［M］.北京：金盾出版社，2003.

［3］潘宣.百合川贝母平贝母伊贝母［M］.北京：科学技术文献出版社，2004.

［4］王艳红.平贝母质量评价的研究［D］.长春：吉林农业大学，2006.

［5］郑军，叶萌.人工栽培川贝母鳞茎采收分级研究［J］.中草药，2009（40）：273-274.

［6］宋江.螺旋式平贝母等级筛分机［J］.农机化研究，2013（2）：89-90.

［7］宋江，邱胜蓝.基于UG的平贝母等级筛分机设计［J］.机电工程技术，2013（8）：31-33.

［8］肖成林，周德义.基于ANSYS的耕整机机架有限元分析［J］.吉林农业大学学报，2011（4）：459-463.

第一作者简介：宋 江，男，1977年生，山东东阿人，硕士，讲师。研究领域：农产品收获与加工。已发表论文20篇。

(编辑：向 飞)

Application of Electric Energy Feedback Device in the Elevator Inverter Energy-Saving Modification

LI Yue-hua
（Electrical Technology Department，Shenzhen Institute of Technology，Shenzhen518000，China）

This paper expounds the working principle of the inverter energy feedback device，introduces the research and application of inverter energy feedback device in the elevator energy-saving modification，and the energy saving effect and benefit after transformation of quantitative measurement，provides technical reference for application of the inverter with huge stock in energy saving electric energy feedback device modification.

elevator；inverter；energy consumption braking；electricity feedback；elevator hoisting height；energy saving reconstruc⁃tion

TM921.51

A

1009－9492(2014)08－0161－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.046

李跃华，男，1976年生，内蒙古人，大学本科，讲师。研究领域：电梯技术、电工技术。已发表论文9篇。 (编辑：王智圣)

2014－07－29