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MDFB能量回饋單元在電梯中的應用

日期:2011/12/14   來源:機電商報   作者:趙碧濤,徐憶平
  摘要: 目前全球能源危機已日益加重,2004年我國頒布了《中國人民共和國節約能源法》,節約能源已作為我國的一項基本國策,因此幾乎所有的工業系統都開始提倡“綠色”產品。 據中國電梯協會提供的信息顯示,全國在用電梯總保有量已超過90萬臺,成為世界上電梯總保有量最多的國家。而且,隨著我國城市化進程進入快速發展期,每年都將有超過15萬臺新增電梯(新增電梯數量世界第一)投入使用。因此,電梯的節能問題已成為當前電梯制造企業和社會各方面需要共同面對和關注的重要課題。

     目前全球能源危機已日益加重,2004年我國頒布了《中國人民共和國節約能源法》,節約能源已作為我國的一項基本國策,因此幾乎所有的工業系統都開始提倡“綠色”產品。
     據中國電梯協會提供的信息顯示,全國在用電梯總保有量已超過90萬臺,成為世界上電梯總保有量最多的國家。而且,隨著我國城市化進程進入快速發展期,每年都將有超過15萬臺新增電梯(新增電梯數量世界第一)投入使用。因此,電梯的節能問題已成為當前電梯制造企業和社會各方面需要共同面對和關注的重要課題。

電梯能量回饋的工作原理
       在絕大多數的變頻控制電梯中,通常采用的都是單PWM控制系統,即由二極管等不可控整流器件對交流電源進行整流,經過中間電容的濾波穩壓,最后通過PWM控制逆變器輸出電壓頻率可變的交流電供給電梯曳引機,從而控制電梯。這樣的系統一般存在功率因數低、電網側諧波污染嚴重,無法實現能量的再生利用。圖1是采用傳統的單PWM控制系統與能量回饋單元結合的系統,該系統能實現能量的雙向流動,實現電機四象限運行,是高質量能量回饋技術的最新技術之一。
      對于電梯控制系統來說,當電梯轎廂重量小于電梯配重重量時,電梯上行勢能轉化為電能向變頻器回饋能量,即發電運行;電梯下行時需要電動機拖動負載作功,電動機從電網中消耗電能,即電動運行;反之當電梯轎廂重量大于電梯配重重量時,則上行為電動運行,下行為發電運行。發電運行中,未加能量回饋單元的變頻器將電梯反饋的能量消耗在制動電阻上,而如圖1所示在加入能量反饋單元后,采用一定的控制方法,將存儲在電容中的能量轉變為與電網同頻率、同相位、同幅值的交流電能回送給電網,實現能量自動回饋,供電梯周邊設備用電,既能達到節電的目的,又能改善電梯控制系統的工作環境。
能量回饋單元選用技術方案
      選擇合適的能量回饋單元,就必須考慮現場的工況條件以及能量回饋單元的技術指標。每個現場的工況幾乎都是不相同的,但是可以通過變頻器的技術指標進行選擇。在電梯運行過程中,處于電動狀態或者發電狀態時的功率曲線都是動態變化的曲線。

圖2中電梯上下運行中,消耗的功率曲線圖,其中功率為正,表明電梯使用電網能量,完成電梯運行;而功率為負,表明電梯將勢能轉化為動能,通過能量回饋單元將能量反饋到電網上。另外,圖中功率消耗都會出現一個峰值的情況,而功率的幅值就決定了電流的大小,而且實際控制的是回饋電流,使之與電網同相位,再回饋給電網。所以選擇能量回饋單元應該關注電梯運行中回饋峰值電流而不是平均電流。因此,在明確電機實際發電功率峰值后,回饋單元功率必須大于或等于這個功率;在不能估算電動機發電功率的情況下,考慮到電機發電功率小于變頻器功率(電動機效率的原因),所以通常可以選擇回饋單元功率比變頻器功率小一檔即可。

MDFB能量回饋單元在電梯應用中的節能數據
      為了充分反映電梯在制動單元工作狀態和使用能量回饋單元時的能耗情況,我們分別對于曳引機為同步電機和異步電機在不同載重的工況下進行了能耗上的測量。雖然不同廠家的電梯各項參數可能有所不同,安裝好后的電梯的運行工況(如平衡系數、運行時間與待機時間、負載率等)也不盡相同,但此處的測試數據可以反映電梯使用MDFB能量回饋后的情況,如表1所示。
     試驗中在使用制動單元和使用MDFB能量回饋單元兩種情況下,分別對同步電機系統和異步電機系統在0%、10%、20%、40%、50%、60%、80%、100%、110%的負載情況下進行試驗。試驗方法是,電梯從最底層運行到最高層,然后正常開關門,再從頂樓運行到底層,累計50次的運行,采用專門的功率測試儀器對電機的功率進行測量。
圖3是永磁同步電動機的試驗結果,圖4是異步機的試驗結果,圖表中反映出使用能量回饋單元與使用制動單元的能耗情況,以及不同負載情況下的節電率。不論是同步電機還是異步電機的驅動系統,使用MDFB能量回饋單元都能在一定程度上節省電量。從曲線的變化上可以分析出,當電梯處于滿載和空載運行時,節電效果比較明顯,最高節電率可以達到55%。從圖3和圖4中也可以計算出如果永磁同步電機系統與異步電機系統處于同樣的工況下,其節電率高于異步電機。
      根據試驗的結果可知,在空載和滿載的時候,節電效果都很明顯。因此不管是同步電機還是異步電機的系統,在空載條件和滿載條件下,MDFB能量回饋單元的意義就顯得尤為突出。在人流比較大的情況下或者在住宅電梯、別墅電梯等乘客少的梯種,推薦使用MDFB能量回饋單元,將取得顯著的經濟效益。
     綠色節能之路是電梯的未來發展之路,使用雙PWM功率模塊的四象限電梯驅動器技術也已經成熟,相信未來也將有許多廠家設計四象限電梯驅動器。
       回收電梯再生能源,同時也降低了電梯運行中的發熱量,將大大降低電梯控制系統的故障率,延長使用壽命。目前能源已日益緊張,我國又是能源消耗大國,提倡節能、綠色環保勢在必行。因此,使用能量回饋裝置收集電梯再生能源符合我國經濟的發展趨勢,將得到廣泛應用。

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