商業(yè)大廈電梯節(jié)能控制設(shè)計(jì)分析
0 引言
21世紀(jì)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(jié)能技術(shù)，并將各類節(jié)能技術(shù)的研發(fā)提到國家發(fā)展戰(zhàn)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(jì)算，到2010年年末，全國每年電梯耗電總量將達(dá)到430億千瓦時(shí)以上，耗電量十分巨大，電梯作為建筑
行業(yè)和運(yùn)輸行業(yè)的耗電大戶得到越來越多的關(guān)注。電梯運(yùn)行過程中驅(qū)動(dòng)電梯轎廂運(yùn)行的曳引機(jī)部分會(huì)消耗大部分能量，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，曳引機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)拖動(dòng)耗電占電梯運(yùn)行總能量的75%以上，如何在電機(jī)拖動(dòng)耗電過程中節(jié)約能量成為研究節(jié)能電梯的關(guān)鍵。根據(jù)電梯運(yùn)行原理，電梯減速制動(dòng)時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電工作狀態(tài)。目前電梯一般將制動(dòng)產(chǎn)生的能量回饋到變頻器直流環(huán)節(jié)的電容中存儲(chǔ)，為防止變頻器中電容過壓，對(duì)于這部分反饋制動(dòng)能量，現(xiàn)有技術(shù)往往是將其通過大功率電阻耗散掉，這樣不僅對(duì)能量造成大量浪費(fèi)，同時(shí)由于電阻耗散會(huì)產(chǎn)生大量熱能，為了避免因高溫對(duì)電梯機(jī)房其他部分組件產(chǎn)生消極影響還需要裝空調(diào)等散熱設(shè)備，這會(huì)導(dǎo)致能量的二次浪費(fèi)。
本文主要根據(jù)能量回饋原理對(duì)商業(yè)大廈電梯提出一種節(jié)能控制方案.同時(shí)對(duì)多臺(tái)電梯變頻器直流側(cè)并聯(lián)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在商業(yè)大廈中均是多臺(tái)電。
1 能量回饋節(jié)能原理
再生制動(dòng)能量回饋原理是將運(yùn)動(dòng)中負(fù)載的機(jī)械能(位能、動(dòng)能)通過變頻器變換成電能(蔣生電能)并回送給交流電網(wǎng).或供附近其它用電設(shè)備使用，使電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在單位時(shí)間消耗電網(wǎng)電能下降。普通的變頻器大都采用二極管整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)化成直流電，然后采用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)逆變技術(shù)將直流電轉(zhuǎn)化成電壓、頻率皆可調(diào)整的交流電。這種變頻器只能工作在電機(jī)的電動(dòng)狀態(tài).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(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng).所以無法將電機(jī)回饋系統(tǒng)的能量送回電網(wǎng)。在某些電動(dòng)機(jī)回饋能量的應(yīng)用中。如電梯、提升設(shè)備、離心機(jī)系統(tǒng)，只能在二象限變頻器上增加電阻制動(dòng)單元。將電動(dòng)機(jī)回饋的能量消耗掉。
IGBT功率模塊可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，如果采用IGBT為整流橋.用高速度、高運(yùn)算能力的DSP產(chǎn)生SPWM(正弦脈寬調(diào)制)控制脈沖�？梢詫㈦妱�(dòng)機(jī)回饋產(chǎn)生的能量反送到電網(wǎng).達(dá)到節(jié)能的效果。如圖1所示。
2 電梯的運(yùn)行與節(jié)能控制方案
圖2為一臺(tái)電梯曳引系統(tǒng)的簡單示意圖.其中對(duì)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(yùn)行分為3種情況：①對(duì)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(diǎn)是由勢能轉(zhuǎn)化為電能，即電梯曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。②對(duì)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(diǎn)是由電能轉(zhuǎn)化為勢能。即電梯曳引機(jī)工作在用電狀態(tài)。③半載或接近半載狀態(tài)下運(yùn)行.此時(shí)電梯曳引機(jī)工作在平衡或接近平衡的狀態(tài)。這時(shí)電梯運(yùn)行的效率最高。
根據(jù)能量回饋原理，電梯的第①種運(yùn)行情況產(chǎn)生的電能通過節(jié)能控制系統(tǒng)的合理分配.可達(dá)到節(jié)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(yùn)行情況。節(jié)能控制方案(與變頻器控制系統(tǒng)配合使用)如下：
a.電動(dòng)機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的電能不是通過電阻熱耗,而是通過直流側(cè)電能并聯(lián)控制系統(tǒng),將發(fā)出的電能合理分配給其它用電電梯，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。
b.當(dāng)發(fā)電能量過剩時(shí).電動(dòng)機(jī)發(fā)電產(chǎn)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(wǎng)。
c.某一時(shí)刻電梯總用電大于總發(fā)電電能時(shí).采用直流電能并聯(lián)控制方案.只有在直流側(cè)能量過剩時(shí)。才采用回饋控制。
d.當(dāng)有一部電梯處于回饋能量狀態(tài)時(shí).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(shí)進(jìn)行.避免環(huán)流發(fā)生。
e.當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障或有突發(fā)情況發(fā)生時(shí)�？汕袛嗫刂破魇挂徊炕驇撞侩娞輪为�(dú)運(yùn)行.此時(shí)電梯變頻器直流側(cè)不再并聯(lián).電梯制動(dòng)產(chǎn)生的電能直接回饋給電網(wǎng)。
3 多臺(tái)電梯變頻器直流側(cè)并聯(lián)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
本文以4臺(tái)電梯并聯(lián)為例,對(duì)4臺(tái)電梯變頻器直流側(cè)并聯(lián)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖3所示，當(dāng)某臺(tái)或某幾臺(tái)電梯輕載上行或重載下行發(fā)電時(shí),產(chǎn)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(wǎng)。由于該系統(tǒng)使用的整流器和逆變器都是由IGBT功率模塊組成的,結(jié)構(gòu)基本相同。故可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，但也帶來了一些問題。例如怎樣避免環(huán)流。該控制系統(tǒng)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(gè)控制器的通斷.使電梯所發(fā)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(fā)生，從而既實(shí)現(xiàn)節(jié)能，又避免環(huán)流的發(fā)生。
圖3中A、B、C、D為4組電梯，A1、A2為A組電梯的兩個(gè)控制器。以此類推。當(dāng)A組電梯發(fā)電時(shí)，若B組電梯需要供電，此時(shí)控制器A1、B1將檢測到的電流信號(hào)傳送給單片機(jī),單片機(jī)通過既定程序發(fā)出控制信號(hào)使A2、B2導(dǎo)通，則A組電梯通過控制器A2、B2給B組電梯供電;若此時(shí)沒有電梯需要供電，則通過控制器A1，將電能回饋給電網(wǎng),從而達(dá)到節(jié)能的目的。
3.2控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)控制原理如圖4所示.以A組電梯為例來介紹該控制系統(tǒng)的主電路。其中斷路器用于檢修時(shí)隔離電源.或有突發(fā)情況發(fā)生時(shí)切斷故障電梯�？刂破鰽1可檢測直流側(cè)線路電流的方向，從而判斷此時(shí)A組電梯是處于發(fā)電狀態(tài)還是處于用電狀態(tài),或是處于停運(yùn)狀態(tài)。并將檢測到的信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)通過既定程序作出判斷后發(fā)出控制信號(hào),控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片控制繼電器的通斷,繼電器的觸點(diǎn)與接觸器線圈串聯(lián),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(jī)的輸入、輸出均加入光耦隔離。
單片機(jī)發(fā)出兩路控制信號(hào)：一路直接通過驅(qū)動(dòng)芯片、繼電器使接觸器1導(dǎo)通;另一路通過兩個(gè)串聯(lián)的反相器之后使接觸器2導(dǎo)通.以達(dá)到緩沖的目的。當(dāng)A2上電時(shí)。單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)先使接觸器l導(dǎo)通。電流通過斷路器、接觸器l和限流電阻。使控制器A2導(dǎo)通，經(jīng)過一段緩沖時(shí)間，再使接觸器2導(dǎo)通。從而使之完全導(dǎo)通。其目的是防止A2導(dǎo)通時(shí)電流di/dt過大,燒毀器件。接觸器斷開時(shí)同樣有緩沖的效果。
該控制系統(tǒng)主要由控制部分和檢測部分組成。
控制部分主要由單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路組成。本設(shè)計(jì)采用PICl6F874型單片機(jī).該單片機(jī)具有高性能RISC CPU。穩(wěn)定性和可靠性較高,同時(shí)具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能.可直接輸入模擬信號(hào)。單片機(jī)的輸入和輸出均使用光耦隔離.防止電流過大燒毀單片機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路主要由驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803A和繼電器組成。ULN2803A是一種高電壓、大電流的達(dá)林頓晶體管陣列。內(nèi)部自帶續(xù)流二極管。能夠很好地驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)采用CHB一25NP型閉環(huán)霍爾電流傳感器.該傳感器通過調(diào)節(jié)不同的匝數(shù)比.可測量多個(gè)量程的直流電流。該傳感器根據(jù)直流電流的方向輸出正負(fù)電壓,正負(fù)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(jī)的電平的高低來判斷直流側(cè)電流的方向,從而判斷電梯是處于發(fā)電狀態(tài)還是處于用電狀態(tài)。當(dāng)直流側(cè)無電流時(shí)。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(shè)計(jì)程序時(shí),當(dāng)單片機(jī)輸入為低電平時(shí)。使單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)將控制器A2關(guān)斷即可滿足要求。
控制系統(tǒng)的軟件部分要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的電梯并聯(lián)臺(tái)數(shù)及所用電梯曳引機(jī)的制動(dòng)發(fā)電能力來設(shè)計(jì)�？刂葡到y(tǒng)各個(gè)器件之間的邏輯控制關(guān)系較為簡單.只要把并聯(lián)電梯的運(yùn)行情況考慮完全.軟件設(shè)計(jì)就變得較為容易，在此不做過多敘述。
4 結(jié)論
該方案的節(jié)能效果取決于實(shí)際運(yùn)行的電梯并聯(lián)臺(tái)數(shù)及所用電梯曳引機(jī)的制動(dòng)發(fā)電能力.同時(shí)也與軟件設(shè)計(jì)有關(guān)�；谀芰炕仞伖�(jié)能原理的控制策略可以實(shí)現(xiàn)電梯四象限節(jié)能運(yùn)行.根據(jù)節(jié)能控制方案設(shè)計(jì)的4臺(tái)電梯變頻器直流側(cè)并聯(lián)控制系統(tǒng)可以合理分配電梯所產(chǎn)生的電能，達(dá)到節(jié)能的目的。文中提出的節(jié)能控制方案可用于多臺(tái)電梯并聯(lián).該方案可以為節(jié)能電梯的發(fā)展提供研究方向。
本文還需要進(jìn)一步研究的問題：
a.模型仿真及實(shí)驗(yàn)研究。
b.產(chǎn)品樣機(jī)的研制。
c.實(shí)際節(jié)能測試
