浅谈能量回馈装置在电梯中的应用

张少煌

（福建省特种设备检验研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

电梯是高层建筑中用于垂直运输乘客或货物的交通运输设备。自1854年美国OTIS向世人展示第一台电梯以来，电梯生产技术紧跟科技步伐经历了160多年的不断发展，已经广泛应用于住宅、商业、工业、交通运输等方面，几乎覆盖人们城市活动的各个领域。随着城镇化进程加快，市场对新电梯的需求量还将继续保持较高水平。据有关部门统计，前十年我国内地电梯数量保持年均15%以上的增长速度，截至2017年12月，中国电梯保有量约为535.31万台，仅2017年全国电梯增长67.9万台[1]。目前中国已成为世界上电梯拥有量最大的国家，虽然我国电梯保有量很大，但人均拥有量只有世界平均数的1/3，参照美国、日本、韩国等国家，每百人拥有一台电梯，即中国将约有1300万台电梯使用量，可见中国市场远未饱和，中国电梯还会大幅度增加。

电梯作为高层建筑的重要高效运输设备，渐渐成为除空调之外的第二大用电设备。现国家大力提倡建立节能型社会，而国内在用电梯90%以上为非节能型电梯。据国际标准化组织的工作组分析，主要有以下因素将影响电梯设备耗能，分别是机械系统：导向机构、平衡系数、补偿系统、减速机构、曳引/导向轮、绕绳比；驱动系统：有无能量回馈装置、电机运行效率及运行曲线；电气系统：照明、通风、空调；控制系统：控制器、门机系统等，其中驱动系统的耗能占总电梯耗能的80%以上。目前，已有大部分电梯采用变频调压调速电机驱动，曳引机发电产生的电能会使得变频器内部直流母线电压突然升高，这部分能量均靠制动电阻发热消耗。据统计，每台电梯平均日耗电量约为30kWH,截至2016年底，全国仅电梯的日耗电量为1.4亿kWH，其中有20%～30%电量消耗于制动电阻。传统的采用电阻耗能方式不仅降低电梯系统工作效率，电阻产生大量热量还恶化了电梯控制柜周边工作环境，严重时甚至导致火灾,实际使用中必须要求机房中的环境温度应保持在5℃～40℃[2]。笔者在电梯检验过程中，曾遇到一台电梯控制系统的制动电阻因消耗功率过大，现场出现大量冒烟，若采用节能装置替代制动电阻即可有效避免该种隐患发生的可能。若以每台电梯节能10%计算，全国每日将可节能1400万kWH，约可减少燃煤51.80万吨，可见研究设计电梯能量回馈装置具有重要的经济效益和社会意义[3]。

电梯发展至今，曳引驱动电梯已经占市场的90%以上，从早期的涡轮蜗杆传动发展到目前的永磁同步驱动，机械效率已经得到很大的提升，文中就以永磁同步曳引驱动电梯作为讨论对象。

1 电梯的运行状态及耗能分析

如图1所示，由于对重块的作用，使得曳引电机运行方向与所受力矩呈四象限特性，可概括为：

（1）轿厢小于对重时：轿厢上行，曳引机处于发电状态；轿厢下行，曳引机处于电动状态。

（2）轿厢大于对重时：轿厢上行，曳引机处于电动状态；轿厢下行，曳引机处于发电状态。

（3）轿厢等于对重时：轿厢在启动时，曳引机处于电动状态；当轿厢靠近平层时，曳引机处于制动发电状态。

图1 曳引电梯示意图

文中所探讨的替代传统电机制动电阻的能量回馈装置就是当曳引驱动电机处于制动发电状态时，将发电机所产生的电能转移到能量存储装置；若电梯处于加速，曳引驱动电机需要大功率输入电能，该储能装置又成为电源，辅助电网输出，减少曳引驱动电机给电网带来谐波污染；当曳引驱动电机处于电动轻载，能量回馈系统装置运行于待机模式；如果电网突然断电，能量回馈装置存储的电能还可给轿厢紧急照明装置、紧急救援通话装置，断电自动紧急救援装置，电动松闸装置等电梯安全系统供电；对于高速和超高速电梯，能量回馈装置可回收电能更多，甚至可用于轿厢普通照明或者空调供电等。因此，采用能量回馈装置将大大减少能量损耗和电网污染，同时加快电梯的响应速度。

2 能量回馈装置结构组成及工作原理分析

图2 永磁同步曳引驱动变频器内部主电路图

在图2中CD之间的二极管并联接入能量回馈装置。当曳引机处于发电状态所产生的交流电经逆变器中的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）管内置二极管整流，在电容AB两端产生泵升电压。此时，控制PB管导通，能量回馈装置介入，将电容中的能量转移到储能装置。反之，在电梯启动瞬间需要较大的启动功率时曳引机处于电动状态，可控制PB管导通，由储能装置作为电源辅助电网输出。因此要求该能量回馈装置必须能够进行双向电流流通。由于曳引电机制动产生的能量在短时间内变化较大，因此能量回馈装置的储能电源要求有较高的功率密度和能量密度，以目前的储能技术超级电容作为储能装置是最好的选择，超级电容具有使用寿命长、内阻小、充放电速度快、效率高等优点。

图3所示为传统BUCK-BOOST（降压-升压）型双向DC-DC（直流-直流）变换拓扑[4]。其中S0和S0’是IGBT,L0为滤波电感，C1和CAB为滤波电容，CAB为图2中PB导通后等效于能量回馈装置连接在AB两端的电容。该变换拓扑的工作原理是当曳引驱动控制系统检测到电容两端电压（图1中的UAB）超过560V时，说明曳引驱动电机处于发电状态，控制PB管导通，双向DC-DC变换装置介入，通过控制S0的占空比（S0’不工作），使得电流从高压侧流向低压侧，双向DC-DC电路工作于BUCK（降压）模式；当电容两端电压（图1中的UAB）在510V～560V时，曳引驱动电机处于轻载状态，控制PB管断开，DC-DC变换器工作于待机模式；若是电容两端电压低于510V时，说明曳引驱动电机处于重载状态，且有可能因外电网供给功率不足导致整流后的母线电压被拉低，这时控制PB管导通，改变S0’的占空比(S0不工作)，使得电流从低压侧流向高压侧，电路工作于BOOST模式。

图3 传统的BUCK-BOOST型双向DC-DC变换拓扑

在实际使用中，经过变换后的超级电容端电压较低，一般取24V或48V，因此流过变换器的电流较大，变换器拓扑要选用交错并联型结构[5,6]。按照功率和变换前后压差比可选三重三相错位并联型结构，其拓扑结构如图4所示，三重三相型是利用三个传统的BUCK-BOOST型双向DC-DC变换器通过相位错开并联构成的另一种复合型DC-DC变换装置，图4中S1/S2/S3工作时，S1’/S2’/S3’不工作，变换电路工作于BUCK模式,曳引驱动电机发电给超级电容充电；反之电路工作于BOOST模式，超级电容输出电流辅助电网驱动曳引电机转动。相比于传统的变换拓扑，三重三相型双向DC-DC变换拓扑可减小输出电流纹波（见图5），降低器件的电压电流应力，降低电感设计要求及器件选型标准，可通过电感分流来提高系统的动态性能。

图4 三重三相型双向DC-DC变换拓扑

图5 三重三相型变换器工作在BOOST模式下的输出电流纹波同传统变换器的比较

3 能量回馈系统的控制策略

三重三相型双向DC-DC变换装置的控制系统采用电流型PWM控制模式，即采用电压外环，电流内环控制。能量回馈装置工作于BOOST模式时，超级电容器正往外输出功率，协助电网驱动电梯运行，控制目的是维持直流母线电压稳定，在控制过程采样直流母线电压作为电压外环，电感电流作为电流内环。能量回馈装置工作于BUCK模式时，直流母线电压给超级电容充电，控制目的是给超级电容在限制的电流范围内充电至额定电压，在控制过程中采样超级电容电压作为输出电压，采样电感电流作为电流内环反馈量。能量回馈装置工作于两种不同方式，所采样的反馈量也不相同。

图6 能量回馈装置控制框图

图6为能量回馈装置变换拓扑的控制框图，通过采样获得输出电压反馈信号与参考电压Vref比较，通过误差放大器得到误差信号作为电流环的给定信号iref，因为能量回馈装置的变换拓扑选择三重三相型，故iref需除以3分别作为各个电流内环的参考信号。理论上采样电感电流信号是三个支路各个电感电流之和，但实际电路因器件设计制造、电路走线等因素差异，各个支路参数不完全一致，很难做到三个支路完全均流。因此，在实际使用中需采样各个支路的电感电流作为电流反馈信号与电流参考信号比较并产生PWM信号。如图5所示，各个之路的PWM信号需错开120°相位角，才可减小输出电流纹波。需要注意的是，能量回馈装置工作于BUCK和BOOST模式的输出电压是不同量，BUCK模式的输出电压是超级电容端电压，BOOST模式的输出电压为直流母线电压。另外，图6中的传递函数[7,8]Gid（s）和Gui（s）也因能量回馈装置处于不同工作模式而不同，由于篇幅的原因，文中不做详细讨论。

4 结语

文中就电梯的发展现状、电梯运行状态及耗能分析、能量回馈装置结构组成及工作原理分析、能量回馈系统的控制策略等三个方面做了简单探讨。随着社会的发展，电梯的需求量越来越多，能量回馈技术显得特别重要，目前国内投入市场使用的非常少，极个别有配备能量回馈系统但实际使用效果一般，因此还需不断进行能量回馈技术的节能技术研究。