摘要: 隨著經濟的發展，能源需求量越來越高，能源緊缺成為限制各個領域發展的主要因素之一。近些年來建筑業和交通業得到長足發展，電梯也得到越來越廣泛的應用，而作為耗能大戶的電梯其運行能耗十分驚人。因此，電梯節能控制設計，具有十分重要的社會意義和經濟價值。

　　0 引言

　　21世紀全球面臨資源緊缺問題，各國都極其重視資源和能量的利用，大力探索節能技術，并將各類節能技術的研發提到國家發展戰略中。通常情況下，一部普通電梯的日用電量在50KWH～150KWH之間，如果按照平均日用電量90KWH計算，到2010年年末，全國每年電梯耗電總量將達到430億千瓦時以上，耗電量十分巨大，電梯作為建筑

　　行業和運輸行業的耗電大戶得到越來越多的關注。電梯運行過程中驅動電梯轎廂運行的曳引機部分會消耗大部分能量，根據相關統計數據，曳引機系統中的電機拖動耗電占電梯運行總能量的75%以上，如何在電機拖動耗電過程中節約能量成為研究節能電梯的關鍵。根據電梯運行原理，電梯減速制動時，電機處于發電工作狀態。目前電梯一般將制動產生的能量回饋到變頻器直流環節的電容中存儲，為防止變頻器中電容過壓，對于這部分反饋制動能量，現有技術往往是將其通過大功率電阻耗散掉，這樣不僅對能量造成大量浪費，同時由于電阻耗散會產生大量熱能，為了避免因高溫對電梯機房其他部分組件產生消極影響還需要裝空調等散熱設備，這會導致能量的二次浪費。

　　本文主要根據能量回饋原理對商業大廈電梯提出一種節能控制方案.同時對多臺電梯變頻器直流側并聯控制系統進行設計。在商業大廈中均是多臺電。

　　1 能量回饋節能原理

　　再生制動能量回饋原理是將運動中負載的機械能(位能、動能)通過變頻器變換成電能(蔣生電能)并回送給交流電網.或供附近其它用電設備使用，使電機拖動系統在單位時間消耗電網電能下降。普通的變頻器大都采用二極管整流橋將交流電轉化成直流電，然后采用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)逆變技術將直流電轉化成電壓、頻率皆可調整的交流電。這種變頻器只能工作在電機的電動狀態.故稱之為二象限變頻器。由于二象限變頻器采用二極管整流橋，無法實現能量的雙向流動.所以無法將電機回饋系統的能量送回電網。在某些電動機回饋能量的應用中。如電梯、提升設備、離心機系統，只能在二象限變頻器上增加電阻制動單元。將電動機回饋的能量消耗掉。

　　IGBT功率模塊可以實現能量的雙向流動，如果采用IGBT為整流橋.用高速度、高運算能力的DSP產生SPWM(正弦脈寬調制)控制脈沖。可以將電動機回饋產生的能量反送到電網.達到節能的效果。如圖1所示。

 

　　2 電梯的運行與節能控制方案

　　圖2為一臺電梯曳引系統的簡單示意圖.其中對重重量為轎廂額定載重量的40%～50%(一般定義為45%)。由此可以將電梯的運行分為3種情況：①對重或轎廂較重的一邊在下降，如電梯輕載上行和重載下行，其特點是由勢能轉化為電能，即電梯曳引機工作在發電狀態。②對重或轎廂較重的一邊在上升。如電梯輕載下行和重載上行.其特點是由電能轉化為勢能。即電梯曳引機工作在用電狀態。③半載或接近半載狀態下運行.此時電梯曳引機工作在平衡或接近平衡的狀態。這時電梯運行的效率最高。

　　根據能量回饋原理，電梯的第①種運行情況產生的電能通過節能控制系統的合理分配.可達到節能的目的。本文所闡述的控制方案主要用于電梯的第①種運行情況。節能控制方案(與變頻器控制系統配合使用)如下：

　　a.電動機發電產生的電能不是通過電阻熱耗,而是通過直流側電能并聯控制系統,將發出的電能合理分配給其它用電電梯，從而實現節能目的。

　　b.當發電能量過剩時.電動機發電產生的電能不是通過電阻熱耗，而是通過整流(逆變)再將這部分電能回饋給電網。

　　c.某一時刻電梯總用電大于總發電電能時.采用直流電能并聯控制方案.只有在直流側能量過剩時。才采用回饋控制。

　　d.當有一部電梯處于回饋能量狀態時.其它所有電梯的整流功能全部停止.即整流與回饋不能同時進行.避免環流發生。

　　e.當控制系統發生故障或有突發情況發生時。可切斷控制器使一部或幾部電梯單獨運行.此時電梯變頻器直流側不再并聯.電梯制動產生的電能直接回饋給電網。

 

　　3 多臺電梯變頻器直流側并聯控制系統設計

　　3.1 控制系統構成及工作原理

　　本文以4臺電梯并聯為例,對4臺電梯變頻器直流側并聯控制系統進行設計。如圖3所示，當某臺或某幾臺電梯輕載上行或重載下行發電時,產生的交流電通過整流器整流后變成直流電.可直接供給其它需要用電的電梯.或逆變后回饋給電網。由于該系統使用的整流器和逆變器都是由IGBT功率模塊組成的,結構基本相同。故可實現能量的雙向流動，但也帶來了一些問題。例如怎樣避免環流。該控制系統通過檢測電流的方向來判斷電梯是否用電.通過合理的控制方案控制各個控制器的通斷.使電梯所發出的電能合理分配.避免有的IGBT功率模塊在整流、有的IGBT功率模塊在逆變的情況發生，從而既實現節能，又避免環流的發生。

 

　　圖3中A、B、C、D為4組電梯，A1、A2為A組電梯的兩個控制器。以此類推。當A組電梯發電時，若B組電梯需要供電，此時控制器A1、B1將檢測到的電流信號傳送給單片機,單片機通過既定程序發出控制信號使A2、B2導通，則A組電梯通過控制器A2、B2給B組電梯供電;若此時沒有電梯需要供電，則通過控制器A1，將電能回饋給電網,從而達到節能的目的。

　　3.2控制系統的電路設計

　　控制系統控制原理如圖4所示.以A組電梯為例來介紹該控制系統的主電路。其中斷路器用于檢修時隔離電源.或有突發情況發生時切斷故障電梯。控制器A1可檢測直流側線路電流的方向，從而判斷此時A組電梯是處于發電狀態還是處于用電狀態,或是處于停運狀態。并將檢測到的信號發送給單片機。單片機通過既定程序作出判斷后發出控制信號,控制信號經驅動芯片控制繼電器的通斷,繼電器的觸點與接觸器線圈串聯,從而控制接觸器的通斷。即控制了控制器A2的通斷。其中單片機的輸入、輸出均加入光耦隔離。

　　單片機發出兩路控制信號：一路直接通過驅動芯片、繼電器使接觸器1導通;另一路通過兩個串聯的反相器之后使接觸器2導通.以達到緩沖的目的。當A2上電時。單片機發出的控制信號先使接觸器l導通。電流通過斷路器、接觸器l和限流電阻。使控制器A2導通，經過一段緩沖時間，再使接觸器2導通。從而使之完全導通。其目的是防止A2導通時電流di/dt過大,燒毀器件。接觸器斷開時同樣有緩沖的效果。

　　該控制系統主要由控制部分和檢測部分組成。

　　控制部分主要由單片機和驅動電路組成。本設計采用PICl6F874型單片機.該單片機具有高性能RISC CPU。穩定性和可靠性較高,同時具有A/D、D/A轉換功能.可直接輸入模擬信號。單片機的輸入和輸出均使用光耦隔離.防止電流過大燒毀單片機。驅動電路主要由驅動芯片ULN2803A和繼電器組成。ULN2803A是一種高電壓、大電流的達林頓晶體管陣列。內部自帶續流二極管。能夠很好地驅動繼電器。

　　檢測部分主要由霍爾電流傳感器和比較器組成。本設計采用CHB一25NP型閉環霍爾電流傳感器.該傳感器通過調節不同的匝數比.可測量多個量程的直流電流。該傳感器根據直流電流的方向輸出正負電壓,正負電壓通過過零比較器輸出高低電平。故可通過輸送給單片機的電平的高低來判斷直流側電流的方向,從而判斷電梯是處于發電狀態還是處于用電狀態。當直流側無電流時。霍爾電流傳感器輸出為低電平,通過過零比較器后輸出仍為低電平。在設計程序時,當單片機輸入為低電平時。使單片機發出控制信號將控制器A2關斷即可滿足要求。

 

　　控制系統的軟件部分要根據實際運行的電梯并聯臺數及所用電梯曳引機的制動發電能力來設計。控制系統各個器件之間的邏輯控制關系較為簡單.只要把并聯電梯的運行情況考慮完全.軟件設計就變得較為容易，在此不做過多敘述。

　　4 結論

　　該方案的節能效果取決于實際運行的電梯并聯臺數及所用電梯曳引機的制動發電能力.同時也與軟件設計有關。基于能量回饋節能原理的控制策略可以實現電梯四象限節能運行.根據節能控制方案設計的4臺電梯變頻器直流側并聯控制系統可以合理分配電梯所產生的電能，達到節能的目的。文中提出的節能控制方案可用于多臺電梯并聯.該方案可以為節能電梯的發展提供研究方向。

　　本文還需要進一步研究的問題：

　　a.模型仿真及實驗研究。

　　b.產品樣機的研制。

　　c.實際節能測試