基于变频回馈的电梯节能技术研究探讨

李雪松

摘 要：随着城市高层建筑的增多，电梯的使用越来越广泛。电梯的节能技术的发展，能够极大的减少能源的消耗。变频变压调速控制技术在电梯工业广泛使用，回馈节能技术越来越多的应用在其中。本文通过有源逆变回馈、超级电容储能回馈、群控回馈技术对电梯节能技术进行探讨，从而实现电梯节能控制。

关键词：电梯节能；VVVF；回馈技术

前言

能源是我国社会及经济发展的三大支柱之一。目前我国的能源利用率仅为30%左右，比发达国家低十多个百分点。随着可持续发展的逐步开展，倡导节能环保，尤其是高能耗行业特种设备的节能降耗，已经成为影响社会发展的关键所在。

作为建筑群中的高能耗特种设备，电梯在运行中的节能问题尤为重要。据统计，我国的电梯数量高达百万台，并保持每年15%的增长率；在能耗方面，电梯的耗电量占整个楼宇总能耗的8%左右。电梯的耗电量远远超过供水、照明设备用电，仅次于空调。一部普通电梯的日用电量约为50-150千瓦时，按照平均日用电量90千瓦时计算，全国每年电梯耗电量高达430亿千瓦时，耗电量十分巨大。遗憾的是，目前我国约有30%的电梯仍为交流双速、交流调压调速的老式电梯，而采用新型节能技术的电梯不足10%。由此可见，电梯能耗具备高度的节能潜力和改善空间，而大力发展电梯节能新技术、推广节能电梯尤为重要。

文献指出，电梯的节能技术体现在多个方面，其中最主要的指标是其耗电量应为常规电梯的70%左右；同时，节能电梯在各项能耗环节的消耗比例为：电梯驱动主机拖动负载消耗电能占电梯总消耗量的70%以上；电梯门计开关、厅门、轿门消耗电能占电梯总消耗电量的20%左右；电梯照明、控制系统等环节消耗电能占电梯总消耗电量的10%左右。

新型节能电梯拖动设计大多数是采用专用的电梯拖动异步电动机结合专用的电梯拖动变频器进行设计，这样设计的电梯拖动系统简称为VVVF（变压变频）电梯拖动系统，VVVF技术在现代交流调速电梯驱动控制系统中得到了最广泛的应用。电梯驱动系统采用成熟的VVVF技术早已成为当今改善电梯驱动控制性能、提高电梯运行质量的主要途径。VVVF技术淘汰了各类交流双速电机调速驱动，取代了直流无齿轮驱动，不仅使电梯的运行性能优越，同时也有效地节约了能源，降低了损耗。

由于采用了变频技术，电梯的调速性能及节能指标有很大的改善，如今已成为电梯行业的主流拖动系统。本文针对目前在电梯节能中最具应用前景的变频回馈技术，分别从有源逆变、能量回馈和超级电容等几个方面阐述当前变压变频回馈电梯节能技术的研究进展。

1.VVVF控制与回馈原理

1.1 VVVF控制特点

文献将电梯运行简化为起动、稳速运行、制动3个阶段，进而对比传统的调压调速电梯以及基于VVVF控制的节能电梯。

（1）起动阶段：传统的调压调速电机启动电流大，而VVVF低频起动电流较小，从而大大降低电力损耗。

（2）稳速阶段：在轻载上行（或重载下行）时，由于倒拉效应，传统的调压调速电梯要从电网取得能量产生制动转矩，而VVVF电梯工作处于再生发电制动状态，不需从电网中获得能量，进一步降了能耗。

（3） 制动阶段：传统的调压调速电梯在制动段从电网中取得能耗制动电流，电流变成热能而消耗，同事导致电机发热严重；VVVF 电梯在制动段不需从电网中获得任何能量，电动机运行在再生发电制动状态，电梯系统的动能转化成电能消耗在电机外部电阻上，节能的同事避免了制动电机的过度发热现象。

经实际运行测算比较，采用VVVF控制的电梯，与ACVV调速电梯相比，节能达30%以上。VVVF系统还可以提高电气系统功率因数，降低电梯线路设备的容量和电动机的容量达30%以上。

1.2 控制回馈

电梯进入减速运行时，电动机处于再生发电状态，由于电动机不能直接快速起动、制动和频繁正反转调速，使大量再生电能无法回馈到电网，只能被大功率电阻消耗掉，造成再生能源浪费。变频回馈节能技术通过使用能量回馈装置，时地检测变频器直流母线上的电压及电网频率，把变频器直流母线上多余的电能重新逆变为交流电，能将电梯运动过程中产生的机械能通过变频回馈器转换成电能，然后把这些再生电能送回交流电网再利用，以实现节电节能，同时可以省去耗电发热的大功率电阻，从而改善了系统的运行环境。

2.变频回馈技术研究现状

2.1有源逆变回馈技术

在回馈制动运行时，若在整流侧附加一个逆变装置进行有源逆变将能量回馈电网无疑是电梯节能的有效手段。由于有源逆变要并入电网，并且要满足并网电压相位条件和并网电压

频率条件和并网电压幅值条件，如今以IGBT全控型新器件为核心的智能功率模块集保护驱动为一体，另加上以DSP为核心的数字信号处理系统，为电梯进行有源逆变将能量回馈电网创造了条件。

文献[7]分析统计了有源逆变回馈技术的节能效果，认为有源逆变可使电梯节能21%-46%，节能效果明显。同时，IPM有源逆变电梯节能方案不可避免存在高次谐波，从而对电网造成一定程度的污染。

文献[8]分析了传统的变频调速电梯，发现多数采用制动单元或外加大功率电阻，通过逆变器泄放大电容中的电量，造成能源浪费。基于此，提出采用有源逆变器能量回馈器，将大电容中的电量无消耗的反馈于电网，减少电阻发热损耗，同时改善了电梯的运行环境。

文献[9]针对普通电梯变频器不能回馈再生能量的缺点， 研制了一台基于幅相控制的15kW外挂式电梯能量回馈器样机，实现了单位功率因数能量回馈和直流母线电压可控。在此基础上，根据电梯起停频繁的特点，利用直流母线电压变化率推导出起动时刻理想初始参数和在输入功率变化时的前馈调节量，提高了系统的快速性。通过在上海三菱电梯有限公司现场实测表明，该回馈器工作稳定可靠，具有良好的动、静态性能。

研究表明，有源逆变器回馈用于电梯节能方面，具备以下的特点：

（1）适用范围宽，可与220V、380V、480V电压等级的变频器配合使用，功率等级从7.5kW到55kW；

（2）节能效果明显，无发热电阻，在电梯中使用可以节电21%-46%；（该数据范围与文献[9]吻合）

（3）安装方便，即装即用；

（4）谐波含量较少；

（5）具备过压、过热等完备的保护功能；

2.2超级电容储能回馈技术

如今，超级电容的应用逐步改变了过去纯电池储能的时代。与电池相比，超级电容具有较低的能量密度和较高的功率密度，在能量存储和管理方面得到了广泛应用。为了打破像锂离子电池、燃料电池等能量源的功率限制，超级电容主要应用于能量缓冲器。

文献[10]以交流变压变频调速电梯为研究对象，通过分析电梯的运行原理，提出了电梯节能新方法。利用电梯再生制动将能量转化为电能反馈给电网，采用基于DSP的Fuzzy-DPLL复合数字锁相环技术，设计了一台并网逆变器，该装置具有功率因数高、谐波电流小、动态响应快、整体效果好等特点。

文献[11]通过实验研究了能量回馈装置的节电指标，基于大量的实验统计数据表明，安装能量回馈器的电梯节电量约为33%，效果显著。安装了能量回馈装置的电梯，年均运行总耗电量普遍可下降25%～35%，机房空调耗电量夏季可下降40%～60%，一台20层的电梯一年可以节省6000kW·h电能左右，一个拥有100部电梯的小区，一年则可节省60万kW·h电能，相当于800个家庭1年的用电量。

文献[2]在分析电梯运行特性的基础上，针对整个节能系统提出了超级电容、双向DC/DC及制动电阻的匹配方案，使得匹配参数既能满足电梯曳引机的功率需求又节约了系统成本。通过制定系统的控制策略，根据直流母线和超级电容电压判断曳引机的工作状态，从而决定超级电容的充放电动作，并且从控制系统成本角度提出了超级电容充放电电流控制策略。

在类似于电梯而处于垂直运动的工程机械领域（如轮胎式集装箱起重机、轮式装载机），也应用了超级电容储能技术。例如上海振华港机公司生产的绿色RTG系列，采用了超级电容作为储能装置，其节能效果高达30%。

2.3群控回馈技术

随着社会发展，单台电梯不可能满足高楼的人流需求，而采用多台电梯单独运行必然导致资源的极大浪费——电梯群控技术因此而悄然兴起。电梯群控系统采用优化的控制策略协调多台电梯的运行，以提高电梯的运行效率，节约能耗。

传统的电梯群控技术包括分区调度法、基于搜索的算法、基于规则的算法和随机理论算法。当前关于电梯群控回馈技术研究的主要发展有：模糊控制技术、神经网络技术、专家系统技术、遗传算法技术等。

模糊控制技术在电梯控制中应用的实质是由专家的知识决定隶属函数及模糊控制规则， 并由此确定以后的控制行为， 实现对每个电梯运行方案的评价， 以得出当前系统中符合性能指标要求的最佳方案。

神经网络的应用，使得自动适应各种不同的交通条件成为可能， 乘客候梯时间可以保持在较小的数值。借助于模糊推理的数据整理分析，使得针对交通量的变化较好。另一方面， 神经网络的自学习能力使得系统适应于长期间内的交通量变化。系统能够适应建筑物内的各种条件变化，与模糊控制相比平均候梯时间减少了10%，长候梯率减少了20%，并有效地控制了扎堆现象。

3.结语

本文针对目前在电梯节能中最具应用前景的变频回馈技术，分别从有源逆变、能量回馈和超级电容等几个方面阐述当前变压变频回馈电梯节能技术的研究进展。结论如下：

参考文献

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