浅谈电梯节能系统设计

摘 要：电梯节能是社会发展的要求，具有可观的经济效益。我国节能电梯价格偏高。在有关电梯的法律法规中，没有对电梯节能项目进行强制性规定等等。推进电梯节能，政府有关部门应出台相关的法律法规，加大媒体宣传力度。电梯生产企业要依靠科技，开发研制节能电梯。应完善电梯配置，改良电梯管理。消费者要提高节能意识。

关键词：电梯；系统分析；充电；放电；电路

中图分类号：TU857 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）03－0142－02

电梯是人们生活中必不可少的工具，电梯的数量日益增加。统计表明，电梯能耗占建筑总能耗的20%左右，是建筑能耗的大户之一，仅次于空调。因此，电梯节能越来越受到社会的广泛关注，电梯节能技术也随之不断改善和更新。目前较为先进的电梯节能技术――能量回馈技术可获得非常明显的节能效果，节电率达22.6%～44.7%。基于后备电池的电梯节能方案，既能够达到节能的目的，又能够提供自动断电平层的功能。同时，由于接收下来的再生能量可用于照明、风机和门机使用，因而也有利于充分激活电池，延长电池寿命。尽管电池技术本身存在着一些不足，但是在超级电容技术还不成熟的情况下，本文中提出的电梯节能方案具有较高的可行性。

1 系统分析

电梯系统的基本结构包括一个轿箱和一个作平衡用的配重，配重的重量一般为轿箱满负载时的40%～50%。当轿箱移动时，配重会反方向移动。因此，电梯在某些运行状态，如空载上行时，有一部分机械能会通过电动机转化为直流电能，称之为“再生电能”，存储在变频器的直流回路中，形成所谓的“泵升电压”，从而有可能损坏变频器。非节能电梯一般采用制动电阻的方式，将再生的电转化为热能释放掉，而节能电梯则是考虑如何回收再生电能。

2 系统设计

2.1 电压检测电路设计

电压检测电路主要实现的功能是三相电压和充电电流检测、断电平层及显示功能。对三相电压的检测是为了判断三相市电状态，本文中采用简单的电阻串联限流导通光耦的方法。首先对三相电压进行整流，然后用R1、R2进行限流，限流后的电流为2 mA左右，这样隔离光耦4N25就有足够的导通电流。型号为STC12C5604AD的MCU对光耦后端的集电极进行检测，从而测得当前三相市电状态，并且保证不会因缺相而造成误判。考虑到工业现场可能会出现较大的电压波动，在三相接入时增加了保险丝，以提高系统的可靠性。

电流的检测采用霍尔传感器，其基本原理是当电流流过霍尔元件时，在它的副边会产生与原边电流一定比例的电流。该电流流过电阻产生一定压降便可获得主电路的电流信息。本系统使用的霍尔传感器型号为GSM015A。电流检测的目的是为了防止充电电流过大时对系统造成损害。本系统所用的LCD1602是一种工业字符型液晶显示器，能够同时显示16×2即32个字符，其内部的字符发生存储器存储有160个不同的点阵字符图形，可用来实时显示电压和电流。

2.2 充电电路设计

本系统充电部分采用微处理器控制的充电电路结构。当检测电梯变频器的母线电压达到650 V时，充电电路开启，对备用电池进行充电；待母线电压降到620 V时，关闭充电，从而使原先在制动电阻上损耗的能量大部分变为可再利用的电池能量。由于直流母线电压较高（650～820 V），因此采用全桥变换电路。在移相控制技术的基础上，利用功率管的输出电容和输出变压器的漏电感作为谐振元件，使全桥变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关。由于减少了开关过程损耗，变换效率可达80%～90%，并且不会发生开关应力过大等问题。系统采用典型的UC3875构成的移相控制全桥零电压开关－脉宽调制变换电路，实现定频脉宽调制控制。控制模式采用电压电流双闭环控制，刚开始充电时，充电电压达不到电压限定值，充电电流较大，为防止损坏电池，充电方式选择恒流充电，此时只有电流环起作用，在电流环的作用下恒流充电，达到恒流的输出控制效果；随着充电进行，充电电压逐渐上升，而充电电流逐渐回落减小，充电控制模式将由恒流控制方式自动转变为恒压限流控制方式，直到充电电压达到设定的极限值，此时充电电压限定在极限值，不再升高，保证电池系统安全正常运行。

2.3 放电电路设计

放电电路包括DC/DC变换电路和逆变电路。当备用电池电压低于230 V时，电路切断备用电池的输出；待备用电池电压充至240 V以上，电池恢复输出。电池输出电压径逆变后供照明、风机和门机使用。

DC/DC变换电路采用交错并联Boost电路，把20节12 V/17 Ah蓄电池串联后，电压变成240 V接入逆变电路。交错并联是指用两个Boost电路单元在同一个开关频率下交替工作，其优点是开关电流只有输入电流的一半，减少开关管的电流应力的同时也减少输入电流谐波；利用Boost电路中耦合电感的漏感解决二极管的反向恢复电流的问题，实现开关管零电流开通，降低开关损耗的同时也降低EMI，提高变换器效率。

逆变电路由SPWM控制电路、驱动电路和主逆变回路组成，主电路是一个全桥开关电路，开关元件采用的是两个2单元的IGBT模块，加上RCD缓冲电路即构成统单相逆变回路。

3 断电平层算法

本文中设计的节能系统，具有断电自动平层功能。为实现这一目的，需要对电梯主控系统的电路进行改造，使之与智能电源管理模块相适应。智能电源管理模块和电梯主控制器的连接方式：电梯电源连接到智能电源管理模块，智能电源管理模块通过检测三相电压模块判断市电是否正常，如果市电正常，KUP接触器保持闭合状态；如果市电不正常，则先断开接触器KUP，然后吸合接触器KUPS，电梯系统随即切换到备用电池

供电方式。在备用电池供电方式下，智能电源管理模块连续检测电梯主控制器的运行信号Y16，如果Y16保持高电平，则继续维持在备用电池工作模式；如果Y16为低电平信号，表明电梯主控制器已完成断电平层任务，则供电方式自动切换到市电供电状态，等待市电恢复。

4 实验及结果分析

对上述设计的系统进行现场测试。试验楼共3层，电梯运行高度11 m，电梯的变频器型号是安川公司的L1000，功率为7.5 kW。备用电池选用12 V/14 Ah，共有20节，采用串行连接。

4.1 充电实验

测试方法：电梯空载上行20次，分别测试备用电池和制动电阻上的功率。测试工具为HOKI3390功率计。考虑到蓄电池能量充足的情况下，不再进行再生能量的回收，仍给电梯接上制动电阻，以避免发生危险。通过设置充电电路最大电流参数，得到表1中的测试结果。

再生电能的吸收和充电电流的大小有关，在充电电流为8 A时，备用电池可以吸收78%左右的再生电能。在该试验环境下，电梯每次产生的电能大约为230.4 kJ，对照表1可知，系统本身有14.4 kJ的损耗。

4.2 断电平层实验

变频器的参数设置：转速3 r/min，启动功率1 000 W。备用电池组的开始电压为260 V，在电梯运行过程中，手动关掉三相电源，智能电源管理模块在检测不到三相输入的情况下，延时一段时间，等待直流母线上的电压变低，然后从市电供电切换到备用电池供电。在电梯主控器发出平层结束信号之后，重新切换到市电供电状态，等待电网恢复供电。连续测试三次，电梯总共运行距离13 m左右，再次测得备用电池组电压为248 V。

5 结束语

本文中提出的基于后备电池的电梯节能方案，既能达到节能的目的，又能提供自动断电平层的功能。同时，由于接收下来的再生能量可用于照明、风机和门机使用，因而也有利于充分激活电池，延长电池寿命。

参考文献：

［1］徐兵.采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统研究［D］.浙江大学，2001.

On the Elevator Energy－saving System Design

Chen Haihe

Abstract: Elevator energy－saving is the requirements of social development, with considerable economic benefits. China’s energy－saving elevator prices are high. In the laws and regulations of the elevator, there is no mandatory requirement, and so lift energy－saving projects. Promote the elevator energy－saving, government departments, should be introduced to relevant laws and regulations, increasing media propaganda. Elevator manufacturers have to rely on technology to develop energy－saving elevator. We should improve the elevator configuration, improved elevator management. Consumers to raise awareness of energy conservation.

Key words: elevator; systems analysis; charge; discharge; circuit

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