變頻驅動東莞電梯節能透析

　　1 引言

　　VVVF 變頻調速技術在現代交流調速電梯驅動控製係統中得到了最廣泛的應用。 東(dong) 莞電梯驅動係統采用成熟的變頻調速技術早已成為(wei) 當今改善電梯驅動控製性能、 提高電梯運行質量的主要途徑。變頻調速技術淘汰了各類交流雙速電機調速驅動、取代了直流無齒輪驅動，不僅(jin) 使電梯的運行性能優(you) 越，同時也有效地節約了能源、降低了損耗。但人們(men) 在對電梯驅動廣泛應用 VVVF 變頻調速技術的一片讚譽聲中，往往忽視了變頻調速技術在電梯驅動特性應用中還存在另一個(ge) 重要課題——如何來進一步挖掘電梯變頻調速係統節能潛力以及進一步提高驅動係統的應用效率問題！顯然，在電梯變頻調速驅動控製技術係統的設計和開發與(yu) 應用過程中原本就存在著兩(liang) 個(ge) 重要環節。 第一個(ge) 環節是在產(chan) 品的開發設計中如何通過變頻調速技術及其優(you) 化設計方案， 在滿足電梯運行過程中的速度、 轉矩與(yu) 係統動態響應等要求的前題下，采用合理的設計與(yu) 最優(you) 配置以盡量減少係統所設的輸入能量。 第二個(ge) 環節即為(wei) 本文所研討的課題：即在應用中如何結合變頻技術與(yu) 電梯固有特性，進一步科學、合理地對位能負載、反複減速製動的升降係統中釋放的機械能所產(chan) 生的再生電能加以直接利用和再利用。 討論采用有源逆變技術將係統載功泵升電能及時高效地回饋電網 （實現驅動係統直流回路無功能量向供電網絡有功電梯的轉換） ；采用同機房梯群共直流母線（在梯群驅動係統內(nei) 部進行無功能量向有功能電能間的雙向交互與(yu) 相互補償(chang) ）等幾種綜合節能方案。

　　2 采用有源逆變技術將製動能量回饋電網

　　電梯係統所儲(chu) 存的位能在反複升、降運行過程中的釋放以及反複減速、製動過程由於(yu) 慣性原因使係統動能釋放，都將導致曳引電動機運行於(yu) 超同步轉速狀態——工作在 II、IV 象限。采用有源逆變技術是將上述製動過程中所產(chan) 生的再生電能及時高效地逆變為(wei) 與(yu) 電網同頻率、同相位的交流電反送電網。電梯變頻驅動調速係統中的能量回饋裝置通常采用 PWM 控製模式，它不僅(jin) 克服了傳(chuan) 統電阻製動方式的效率低、能耗大、產(chan) 生大量發熱、限製製動性能提高等缺陷，同時也兼具了回饋至電源電網的電能諧波汙染少、功率因數高等優(you) 點；節約了大量的能源，滿足了電梯驅動係統對速度跟隨的快速性和精確性要求；使曳引驅動電動機在I-IV象限內(nei) 運行時的工作效率更高。

　　2.1 變頻器外接能量回饋逆變製動單元

　　在東(dong) 莞電梯驅動領域中廣泛使用的交-直-交變頻器的結構框；其左半部分交直回路大多為(wei) 不可控整流橋，采用電壓源控製方式；中間直流環節用大容量電容構成電壓源；右半部分為(wei) 驅動控製逆變裝置。其上部分為(wei) 在變頻係統中外接的再生能量逆變器 。

　　其工作原理為(wei) ：三相交流電源由變頻器輸入端的不可控整流橋中6個(ge) 二極管實現三相全波整流——對中間直流環節的大容量電容進行脈動充電後使之構成了直流電壓源，電容器組既充當儲(chu) 存能量又實現濾波功能；隨著中間直流環節電壓升高當達至所需要基本定值時整流電流自動逐步減小可至截止。 右半部分的驅動控製逆就器是根據係統指令要求，輸出電壓、頻率可調的三相交流電源來驅動並控製曳引電動機的運轉。電動機在電動狀態下工作時，由中間直流部分提供能量來滿足驅動控製逆就器在 PWM 模式控製下對轉速與(yu) 轉矩的變化要求。 而當電動機工作在係統的機械能釋放過程，此時電動機的實時轉速高於(yu) 頻率給定被返製動運行，其產(chan) 生的再生電能經逆變器中的續流二管向中間直流電壓源電容組充電並使中間直流環節的電壓在基本定值以上泵升。 由於(yu) 輸入端整流橋二極管的單向作用， 不可能使中間直流環節由係統產(chan) 生的泵升電能向電網側(ce) 流動，當電壓泵升達到某設定值時，由外接的再生能量逆變器開啟工作並迅速地將上述過程中產(chan) 生的直流泵升電能及時高效地進行有源逆變反送回電網。 這樣的拓撲結構不但實現了完全控製交流側(ce) 和直流側(ce) 間的無功和有功能量交換，形成了能量的雙向流動；而恒定的中間直流電壓使驅動係統具有了更好的製動性能要求和更高的動態響應能力。

　　2.2 有源逆變製動單元工作原理

　　有源逆變製動控製框，係統主電路采用 IGBT 可關(guan) 斷開關(guan) 元件，集有源逆變與(yu) 電流控製功能於(yu) 一體(ti) 。其逆變時的控製方式為(wei) 直流側(ce) 電壓控製和交流側(ce) 電流控製兩(liang) 部分。直流側(ce) 電壓的控製靠直流側(ce) 電壓取樣反饋，與(yu) 給定參考電壓比較來控製交流側(ce) 電流幅值的給定。交流側(ce) 電流控製采用電流跟蹤型 PWM 模式控製橋臂 6 個(ge) 開關(guan) 導通和關(guan) 斷，使逆變時輸出的實際電流跟蹤參考電流變化。

　　當製動結束或電動狀態時，變頻器中間環節的直流電壓下降至所需要設定電壓值下限值，由變頻器輸入端實現整流功能——對中間直流環節電容進行充電。而在製動狀態，當中間直流環節的電壓上升（電動機再生電能向中間直流環節電容組充電）超過所需設定電壓值的上限時，逆變器開啟饋電功能，變流模塊中的 6 個(ge) IGBT管在 PWM 模式控製下實現有源逆變-將中間直流部分的再生電能經逆變後反送回電網。饋電開啟後中間直流環節的電壓迅速下降，當降到設定值上限時時逆變器即關(guan) 閉，從(cong) 而使變頻器中間直流環節的電壓始終控製在一定的所設範圍內(nei) 。由於(yu) 逆變器在 PWM 的閉控製作用下實現變流饋電，使其在逆變狀態下回饋至交流電網側(ce) 的電流波形接近正弦，功率因數≈1。實現了驅動係統直流回路中無功能量向電網側(ce) 有功能量的轉換，實現了驅動係統與(yu) 供電網絡間能量的雙向交互。

　　2.3 輸入口同時兼具整流、逆變功能的變頻器和雙 PWM控製變頻器

　　輸入口同時兼具整流、 逆變功能的新型變頻器即輸入端變流模塊中與(yu) IGBT 開關(guan) 管反並聯的6個(ge) 整流二極管實現三相全波整流功能和6個(ge) IGBT管按PWM模式實現有源逆變功能，其工作原理同上所述也是按中間段電壓值來實現整流與(yu) 逆變的自動轉換控製過程， 使得變頻器逆變器合二為(wei) 一。
雙 PWM 控製變頻器是整流、逆變都采用 PWM 變流技術控製的最新型變頻器，由於(yu) 通常變頻器輸入整流器大都采用不可控二極管整流方式， 存在著從(cong) 電網吸取畸變電流造成電網側(ce) 諧波汙染， 同樣也借助於(yu) PWM 變流技術——采用高功率因素整流器和高功率因素有源逆變直接對各個(ge) 半導體(ti) 器件的通斷進行 PWM 調製， 使變頻器從(cong) 電網中所吸取的電流與(yu) 所回饋電網的電流都能接近正弦從(cong) 而使整個(ge) 係統的功率因數接近 1。目前雙 PWM 變流器技術處於(yu) 探索研製階段未能得到普及應用。

　　3 同機房梯群共直流母線方案

　　變頻器的共直流母線方案已經在工業(ye) 生產(chan) 線等其他領域得到了廣泛應用。 如能將同機房內(nei) 梯群的各驅動變頻器中直流部分並聯，組成強大的共直流母線結構，可使整個(ge) 驅動係統的工作效率更優(you) 於(yu) 其他工業(ye) 領域，這將為(wei) 電梯驅動領域的節能開辟一條嶄新的道路。

　　在電梯梯群驅動係統中，由於(yu) 各電梯都存在頻繁起製動、反複升降的共有特點，各分散係統的位能與(yu) 動能在不斷地發生著變化，都會(hui) 有儲(chu) 存能力和釋放能量等動態變化，共直流母線方法可使曳引電動機群組在各自不同的工作狀態下， 實現係統運行釋放的機械能所產(chan) 生的再生電能在直流母線電容器內(nei) 進行無功能量直接向有功轉換，實現了能量的回饋互補。從(cong) 而抑製了變頻器輸入端整流部分的工作周期，使輸入能量減少。而各變頻器的中間環節直流部分並聯後構成了更大的公共直流電壓源，提高了整個(ge) 係統的穩定性也可靠性；采用這種方案不需增加設備，隻需要多幾根並聯導線和開關(guan) 。但在母線共連後不僅(jin) 優(you) 化了整個(ge) 梯群驅動係統的動態性能，而且可將各分散係統再生能量得以充分地利用，起到既節約能源又完成了直接處理再生電能的功效。

　　3.1 構成方式

　　同機房內(nei) 各電梯驅動變頻係統在采用共直流母線方案時， 要檢查使所有並聯母線上的變頻器必須使用的是同一個(ge) 三相供電電源，而母線共連線采用屏蔽線以適應電磁兼容。考慮到在設備故障時便於(yu) 維修，可在直流母線（並聯網）和各變頻器直流端之間設置電氣開關(guan) 和快速熔斷器，方便實施並網與(yu) 退網操作，可使每一個(ge) 變頻器都可以單獨地從(cong) 直流母線中分離出來而不影響係統中其它電梯運行； 但要注意在實施並網操作前必須要保證所要並入變頻器的直流端電壓與(yu) 並聯網電壓基本相同（電容組已完成充電） ，不然易在並入時造成母線電壓瞬時降低影響其他電梯的正常運行。

　　3.2 優(you) 點與(yu) 功效

　　同機房梯群采用了共直流母線方案後可得到如下能量交互優(you) 化公式：
P總=±P1+±P2+……+±Pn

　　由於(yu) 梯群組中各東(dong) 莞電梯的曳引驅動電動機很少有可能都運行在同一狀態（式中的“+”為(wei) 驅動電梯機的電動工作狀態， “—”為(wei) 回饋製動狀態） ，通常情況下母線的共連方式可大大降低整個(ge) 係統總能量的輸入與(yu) 損耗。

　　為(wei) 了使整個(ge) 係統能量在梯群驅動係統內(nei) 部和供電網絡間更好地進行直接傳(chuan) 遞利用和再利用， 同時也考慮到偶爾會(hui) 發生各梯的驅動電動機都工作在回饋製動狀態時係統對速度變化的快速性要求，可在整個(ge) 係統的共直流母線端加上一個(ge) 梯群共用的有源逆變製動單元，以此來實現能量既可在電容器內(nei) 部互補又可從(cong) 內(nei) 到外逆變至電網的能量多向交互流動。

　　設置為(wei) 梯群共用一個(ge) 輸入整流裝置向直流母線提供直流電源，采用梯群直流供電櫃並加上一個(ge) 係統共有的有源逆變製動單元或電阻能耗製動單元來完成再生電能的處理。采用這種方案可使單梯的調速裝置體(ti) 積減小（僅(jin) 為(wei) 逆變模塊和驅動板） ，從(cong) 而減小了控製櫃外形尺寸適合了小機房等要求。設計時考慮到梯群中各驅動電機的狀態和分時性，係統輸入裝置和製動單元容量的設置可小於(yu) 多台電機的總容量或在設計時可以不考慮過載餘(yu) 量。

　　將多台變頻器共直流母線，由於(yu) 母線共連後，大部分無功能量在中間直流環節電容器內(nei) 已完成了向有功能量的直接轉換和回饋互補，使得各變頻器中原有電阻製動單元的工作周期大為(wei) 減小。 共直流母線梯群係統的設計方案可有多種形式就不一一贅述。

　　同機房梯群采用共直流母線方案的優(you) 點為(wei) ：

　　（1）梯群中各曳引電動機在不同狀態下工作時，無功能量可在直流環節電容器內(nei) 向有功直接轉換和互補，即節約能源又完成了再生電能處理，優(you) 化了整個(ge) 係統的動態特性；
　　（2）減少了整個(ge) 驅動係統中的能量回饋裝置或製動電阻單元的重複配置，使係統的結構更為(wei) 簡單合理、經濟可靠。
　　（3）梯群直流母線中各電容組並聯後使整個(ge) 係統中間直流環節的儲(chu) 能容量成倍加大構成強大的直流電壓源以鉗製中間環節直流電壓的瞬時脈動，提高了整個(ge) 係統的穩定性與(yu) 可靠性；
　　（4）抑製了變頻器輸入端整流部分的工作周期，提高了係統的功率因素，降低了電網側(ce) 輸入電流的諧波汙染，大大地提高了整個(ge) 梯群係統的節能效應。 目前我國的在用電梯中存在有大量的同機房同類型的電梯群組， 共直流母線方案在這些工程上可以方便地予以實現。 將梯群中各電梯驅動變頻器的中間直流環節相互連接實施共直流母線方案操作十分簡單，隻需稍加注意在其中單梯故障情況使之自動退出直流母線/網、並聯母線網時注意相互直流電壓差的控製範疇等安全問題，而並不需要多大成本。但實現後即刻所能得到的利益和效應則是長期的，顯而易見的。

　　4 節能意義(yi)

　　全球的工業(ye) 技術和經濟建設取得了飛躍性發展， 自然資源與(yu) 生態環境卻遭受到了如此嚴(yan) 重破壞。使幾億(yi) 年來地球所積累的資源與(yu) 財富被大量地挖掘與(yu) 掏空！如何保護我們(men) 賴以生存的生態環境、維持人類生產(chan) 生活的可持續發展，是我們(men) 所麵臨(lin) 的嚴(yan) 峻課題。這將是一場史無前例的長期而又艱苦的任務和我們(men) 必須肩負的職責，更是一項直接關(guan) 係到子孫後代千秋偉(wei) 業(ye) ，關(guan) 係到人類的生存與(yu) 進化的重大工程！

　　保護有限資源、降低能源損耗、減少環境汙染，著力發展和應用各種高科技含量的新興(xing) 綠色工業(ye) 及產(chan) 品的研發和應用， 科學有效地節約能源， 這將為(wei) 人類麵臨(lin) 的困境帶來一線曙光。電梯能源的消耗主要集中於(yu) 驅動係統，對其節能方法的深入探索、透析和優(you) 化將對能源損耗的降低和自然環境的保護等方麵都有貢獻。 節能將日益成為(wei) 當代電梯優(you) 質產(chan) 品的一項重要指標。這不僅(jin) 關(guan) 係到千百萬(wan) 用戶長期的經濟利益，更關(guan) 係到資源與(yu) 環境的保護、汙染和二次汙染的減少、大氣熱量排放降低等社會(hui) 問題。所以，節能理念不隻僅(jin) 僅(jin) 是產(chan) 品設計開發研究工作者所必須要討論的重要問題，同樣也應該是各行業(ye) 及至全社會(hui) 每個(ge) 人所需關(guan) 心的重大課題。