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变频驱动东莞电梯节能透析


  1 引言

  VVVF 变频调速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。 东莞电梯驱动系统采用成熟的变频调速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。变频调速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。但人们在对电梯驱动广泛应用 VVVF 变频调速技术的一片赞誉声中,往往忽视了变频调速技术在电梯驱动特性应用中还存在另一个重要课题——如何来进一步挖掘电梯变频调速系统节能潜力以及进一步提高驱动系统的应用效率问题!显然,在电梯变频调速驱动控制技术系统的设计和开发与应用过程中原本就存在着两个重要环节。 第一个环节是在产品的开发设计中如何通过变频调速技术及其优化设计方案, 在满足电梯运行过程中的速度、 转矩与系统动态响应等要求的前题下,采用合理的设计与最优配置以尽量减少系统所设的输入能量。 第二个环节即为本文所研讨的课题:即在应用中如何结合变频技术与电梯固有特性,进一步科学、合理地对位能负载、反复减速制动的升降系统中释放的机械能所产生的再生电能加以直接利用和再利用。 讨论采用有源逆变技术将系统载功泵升电能及时高效地回馈电网 (实现驱动系统直流回路无功能量向供电网络有功电梯的转换) ;采用同机房梯群共直流母线(在梯群驱动系统内部进行无功能量向有功能电能间的双向交互与相互补偿)等几种综合节能方案。

  2 采用有源逆变技术将制动能量回馈电网

  电梯系统所储存的位能在反复升、降运行过程中的释放以及反复减速、制动过程由于惯性原因使系统动能释放,都将导致曳引电动机运行于超同步转速状态——工作在 II、IV 象限。采用有源逆变技术是将上述制动过程中所产生的再生电能及时高效地逆变为与电网同频率、同相位的交流电反送电网。电梯变频驱动调速系统中的能量回馈装置通常采用 PWM 控制模式,它不仅克服了传统电阻制动方式的效率低、能耗大、产生大量发热、限制制动性能提高等缺陷,同时也兼具了回馈至电源电网的电能谐波污染少、功率因数高等优点;节约了大量的能源,满足了电梯驱动系统对速度跟随的快速性和精确性要求;使曳引驱动电动机在I-IV象限内运行时的工作效率更高。

  2.1 变频器外接能量回馈逆变制动单元

  在东莞电梯驱动领域中广泛使用的交-直-交变频器的结构框;其左半部分交直回路大多为不可控整流桥,采用电压源控制方式;中间直流环节用大容量电容构成电压源;右半部分为驱动控制逆变装置。其上部分为在变频系统中外接的再生能量逆变器 。

  其工作原理为:三相交流电源由变频器输入端的不可控整流桥中6个二极管实现三相全波整流——对中间直流环节的大容量电容进行脉动充电后使之构成了直流电压源,电容器组既充当储存能量又实现滤波功能;随着中间直流环节电压升高当达至所需要基本定值时整流电流自动逐步减小可至截止。 右半部分的驱动控制逆就器是根据系统指令要求,输出电压、频率可调的三相交流电源来驱动并控制曳引电动机的运转。电动机在电动状态下工作时,由中间直流部分提供能量来满足驱动控制逆就器在 PWM 模式控制下对转速与转矩的变化要求。 而当电动机工作在系统的机械能释放过程,此时电动机的实时转速高于频率给定被返制动运行,其产生的再生电能经逆变器中的续流二管向中间直流电压源电容组充电并使中间直流环节的电压在基本定值以上泵升。 由于输入端整流桥二极管的单向作用, 不可能使中间直流环节由系统产生的泵升电能向电网侧流动,当电压泵升达到某设定值时,由外接的再生能量逆变器开启工作并迅速地将上述过程中产生的直流泵升电能及时高效地进行有源逆变反送回电网。 这样的拓扑结构不但实现了完全控制交流侧和直流侧间的无功和有功能量交换,形成了能量的双向流动;而恒定的中间直流电压使驱动系统具有了更好的制动性能要求和更高的动态响应能力。

  2.2 有源逆变制动单元工作原理

  有源逆变制动控制框,系统主电路采用 IGBT 可关断开关元件,集有源逆变与电流控制功能于一体。其逆变时的控制方式为直流侧电压控制和交流侧电流控制两部分。直流侧电压的控制靠直流侧电压取样反馈,与给定参考电压比较来控制交流侧电流幅值的给定。交流侧电流控制采用电流跟踪型 PWM 模式控制桥臂 6 个开关导通和关断,使逆变时输出的实际电流跟踪参考电流变化。

  当制动结束或电动状态时,变频器中间环节的直流电压下降至所需要设定电压值下限值,由变频器输入端实现整流功能——对中间直流环节电容进行充电。而在制动状态,当中间直流环节的电压上升(电动机再生电能向中间直流环节电容组充电)超过所需设定电压值的上限时,逆变器开启馈电功能,变流模块中的 6 个 IGBT管在 PWM 模式控制下实现有源逆变-将中间直流部分的再生电能经逆变后反送回电网。馈电开启后中间直流环节的电压迅速下降,当降到设定值上限时时逆变器即关闭,从而使变频器中间直流环节的电压始终控制在一定的所设范围内。由于逆变器在 PWM 的闭控制作用下实现变流馈电,使其在逆变状态下回馈至交流电网侧的电流波形接近正弦,功率因数≈1。实现了驱动系统直流回路中无功能量向电网侧有功能量的转换,实现了驱动系统与供电网络间能量的双向交互。

  2.3 输入口同时兼具整流、逆变功能的变频器和双 PWM控制变频器

  输入口同时兼具整流、 逆变功能的新型变频器即输入端变流模块中与 IGBT 开关管反并联的6个整流二极管实现三相全波整流功能和6个IGBT管按PWM模式实现有源逆变功能,其工作原理同上所述也是按中间段电压值来实现整流与逆变的自动转换控制过程, 使得变频器逆变器合二为一。
双 PWM 控制变频器是整流、逆变都采用 PWM 变流技术控制的最新型变频器,由于通常变频器输入整流器大都采用不可控二极管整流方式, 存在着从电网吸取畸变电流造成电网侧谐波污染, 同样也借助于 PWM 变流技术——采用高功率因素整流器和高功率因素有源逆变直接对各个半导体器件的通断进行 PWM 调制, 使变频器从电网中所吸取的电流与所回馈电网的电流都能接近正弦从而使整个系统的功率因数接近 1。目前双 PWM 变流器技术处于探索研制阶段未能得到普及应用。

  3 同机房梯群共直流母线方案

  变频器的共直流母线方案已经在工业生产线等其他领域得到了广泛应用。 如能将同机房内梯群的各驱动变频器中直流部分并联,组成强大的共直流母线结构,可使整个驱动系统的工作效率更优于其他工业领域,这将为电梯驱动领域的节能开辟一条崭新的道路。

  在电梯梯群驱动系统中,由于各电梯都存在频繁起制动、反复升降的共有特点,各分散系统的位能与动能在不断地发生着变化,都会有储存能力和释放能量等动态变化,共直流母线方法可使曳引电动机群组在各自不同的工作状态下, 实现系统运行释放的机械能所产生的再生电能在直流母线电容器内进行无功能量直接向有功转换,实现了能量的回馈互补。从而抑制了变频器输入端整流部分的工作周期,使输入能量减少。而各变频器的中间环节直流部分并联后构成了更大的公共直流电压源,提高了整个系统的稳定性也可靠性;采用这种方案不需增加设备,只需要多几根并联导线和开关。但在母线共连后不仅优化了整个梯群驱动系统的动态性能,而且可将各分散系统再生能量得以充分地利用,起到既节约能源又完成了直接处理再生电能的功效。

  3.1 构成方式

  同机房内各电梯驱动变频系统在采用共直流母线方案时, 要检查使所有并联母线上的变频器必须使用的是同一个三相供电电源,而母线共连线采用屏蔽线以适应电磁兼容。考虑到在设备故障时便于维修,可在直流母线(并联网)和各变频器直流端之间设置电气开关和快速熔断器,方便实施并网与退网操作,可使每一个变频器都可以单独地从直流母线中分离出来而不影响系统中其它电梯运行; 但要注意在实施并网操作前必须要保证所要并入变频器的直流端电压与并联网电压基本相同(电容组已完成充电) ,不然易在并入时造成母线电压瞬时降低影响其他电梯的正常运行。

  3.2 优点与功效

  同机房梯群采用了共直流母线方案后可得到如下能量交互优化公式:
P总=±P1+±P2+……+±Pn

  由于梯群组中各东莞电梯的曳引驱动电动机很少有可能都运行在同一状态(式中的“+”为驱动电梯机的电动工作状态, “—”为回馈制动状态) ,通常情况下母线的共连方式可大大降低整个系统总能量的输入与损耗。

  为了使整个系统能量在梯群驱动系统内部和供电网络间更好地进行直接传递利用和再利用, 同时也考虑到偶尔会发生各梯的驱动电动机都工作在回馈制动状态时系统对速度变化的快速性要求,可在整个系统的共直流母线端加上一个梯群共用的有源逆变制动单元,以此来实现能量既可在电容器内部互补又可从内到外逆变至电网的能量多向交互流动。

  设置为梯群共用一个输入整流装置向直流母线提供直流电源,采用梯群直流供电柜并加上一个系统共有的有源逆变制动单元或电阻能耗制动单元来完成再生电能的处理。采用这种方案可使单梯的调速装置体积减小(仅为逆变模块和驱动板) ,从而减小了控制柜外形尺寸适合了小机房等要求。设计时考虑到梯群中各驱动电机的状态和分时性,系统输入装置和制动单元容量的设置可小于多台电机的总容量或在设计时可以不考虑过载余量。

  将多台变频器共直流母线,由于母线共连后,大部分无功能量在中间直流环节电容器内已完成了向有功能量的直接转换和回馈互补,使得各变频器中原有电阻制动单元的工作周期大为减小。 共直流母线梯群系统的设计方案可有多种形式就不一一赘述。

  同机房梯群采用共直流母线方案的优点为:

  (1)梯群中各曳引电动机在不同状态下工作时,无功能量可在直流环节电容器内向有功直接转换和互补,即节约能源又完成了再生电能处理,优化了整个系统的动态特性;
  (2)减少了整个驱动系统中的能量回馈装置或制动电阻单元的重复配置,使系统的结构更为简单合理、经济可靠。
  (3)梯群直流母线中各电容组并联后使整个系统中间直流环节的储能容量成倍加大构成强大的直流电压源以钳制中间环节直流电压的瞬时脉动,提高了整个系统的稳定性与可靠性;
  (4)抑制了变频器输入端整流部分的工作周期,提高了系统的功率因素,降低了电网侧输入电流的谐波污染,大大地提高了整个梯群系统的节能效应。 目前我国的在用电梯中存在有大量的同机房同类型的电梯群组, 共直流母线方案在这些工程上可以方便地予以实现。 将梯群中各电梯驱动变频器的中间直流环节相互连接实施共直流母线方案操作十分简单,只需稍加注意在其中单梯故障情况使之自动退出直流母线/网、并联母线网时注意相互直流电压差的控制范畴等安全问题,而并不需要多大成本。但实现后即刻所能得到的利益和效应则是长期的,显而易见的。

  4 节能意义

  全球的工业技术和经济建设取得了飞跃性发展, 自然资源与生态环境却遭受到了如此严重破坏。使几亿年来地球所积累的资源与财富被大量地挖掘与掏空!如何保护我们赖以生存的生态环境、维持人类生产生活的可持续发展,是我们所面临的严峻课题。这将是一场史无前例的长期而又艰苦的任务和我们必须肩负的职责,更是一项直接关系到子孙后代千秋伟业,关系到人类的生存与进化的重大工程!

  保护有限资源、降低能源损耗、减少环境污染,着力发展和应用各种高科技含量的新兴绿色工业及产品的研发和应用, 科学有效地节约能源, 这将为人类面临的困境带来一线曙光。电梯能源的消耗主要集中于驱动系统,对其节能方法的深入探索、透析和优化将对能源损耗的降低和自然环境的保护等方面都有贡献。 节能将日益成为当代电梯优质产品的一项重要指标。这不仅关系到千百万用户长期的经济利益,更关系到资源与环境的保护、污染和二次污染的减少、大气热量排放降低等社会问题。所以,节能理念不只仅仅是产品设计开发研究工作者所必须要讨论的重要问题,同样也应该是各行业及至全社会每个人所需关心的重大课题。

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