1 引言

　　VVVF 變頻調(diào)速技術(shù)在現(xiàn)代交流調(diào)速電梯驅(qū)動控制系統(tǒng)中得到了最廣泛的應(yīng)用。 東莞電梯驅(qū)動系統(tǒng)采用成熟的變頻調(diào)速技術(shù)早已成為當今改善電梯驅(qū)動控制性能、 提高電梯運行質(zhì)量的主要途徑。變頻調(diào)速技術(shù)淘汰了各類交流雙速電機調(diào)速驅(qū)動、取代了直流無齒輪驅(qū)動，不僅使電梯的運行性能優(yōu)越，同時也有效地節(jié)約了能源、降低了損耗。但人們在對電梯驅(qū)動廣泛應(yīng)用 VVVF 變頻調(diào)速技術(shù)的一片贊譽聲中，往往忽視了變頻調(diào)速技術(shù)在電梯驅(qū)動特性應(yīng)用中還存在另一個重要課題——如何來進一步挖掘電梯變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能潛力以及進一步提高驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用效率問題！顯然，在電梯變頻調(diào)速驅(qū)動控制技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)與應(yīng)用過程中原本就存在著兩個重要環(huán)節(jié)。 第一個環(huán)節(jié)是在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計中如何通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化設(shè)計方案， 在滿足電梯運行過程中的速度、 轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)等要求的前題下，采用合理的設(shè)計與最優(yōu)配置以盡量減少系統(tǒng)所設(shè)的輸入能量。 第二個環(huán)節(jié)即為本文所研討的課題：即在應(yīng)用中如何結(jié)合變頻技術(shù)與電梯固有特性，進一步科學、合理地對位能負載、反復減速制動的升降系統(tǒng)中釋放的機械能所產(chǎn)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(shù)將系統(tǒng)載功泵升電能及時高效地回饋電網(wǎng) （實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)直流回路無功能量向供電網(wǎng)絡(luò)有功電梯的轉(zhuǎn)換） ；采用同機房梯群共直流母線（在梯群驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部進行無功能量向有功能電能間的雙向交互與相互補償）等幾種綜合節(jié)能方案。

　　2 采用有源逆變技術(shù)將制動能量回饋電網(wǎng)

　　電梯系統(tǒng)所儲存的位能在反復升、降運行過程中的釋放以及反復減速、制動過程由于慣性原因使系統(tǒng)動能釋放，都將導致曳引電動機運行于超同步轉(zhuǎn)速狀態(tài)——工作在 II、IV 象限。采用有源逆變技術(shù)是將上述制動過程中所產(chǎn)生的再生電能及時高效地逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率、同相位的交流電反送電網(wǎng)。電梯變頻驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)中的能量回饋裝置通常采用 PWM 控制模式，它不僅克服了傳統(tǒng)電阻制動方式的效率低、能耗大、產(chǎn)生大量發(fā)熱、限制制動性能提高等缺陷，同時也兼具了回饋至電源電網(wǎng)的電能諧波污染少、功率因數(shù)高等優(yōu)點；節(jié)約了大量的能源，滿足了電梯驅(qū)動系統(tǒng)對速度跟隨的快速性和精確性要求；使曳引驅(qū)動電動機在I-IV象限內(nèi)運行時的工作效率更高。

　　2.1 變頻器外接能量回饋逆變制動單元

　　在東莞電梯驅(qū)動領(lǐng)域中廣泛使用的交-直-交變頻器的結(jié)構(gòu)框；其左半部分交直回路大多為不可控整流橋，采用電壓源控制方式；中間直流環(huán)節(jié)用大容量電容構(gòu)成電壓源；右半部分為驅(qū)動控制逆變裝置。其上部分為在變頻系統(tǒng)中外接的再生能量逆變器 。

　　其工作原理為：三相交流電源由變頻器輸入端的不可控整流橋中6個二極管實現(xiàn)三相全波整流——對中間直流環(huán)節(jié)的大容量電容進行脈動充電后使之構(gòu)成了直流電壓源，電容器組既充當儲存能量又實現(xiàn)濾波功能；隨著中間直流環(huán)節(jié)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(qū)動控制逆就器是根據(jù)系統(tǒng)指令要求，輸出電壓、頻率可調(diào)的三相交流電源來驅(qū)動并控制曳引電動機的運轉(zhuǎn)。電動機在電動狀態(tài)下工作時，由中間直流部分提供能量來滿足驅(qū)動控制逆就器在 PWM 模式控制下對轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的變化要求。 而當電動機工作在系統(tǒng)的機械能釋放過程，此時電動機的實時轉(zhuǎn)速高于頻率給定被返制動運行，其產(chǎn)生的再生電能經(jīng)逆變器中的續(xù)流二管向中間直流電壓源電容組充電并使中間直流環(huán)節(jié)的電壓在基本定值以上泵升。 由于輸入端整流橋二極管的單向作用， 不可能使中間直流環(huán)節(jié)由系統(tǒng)產(chǎn)生的泵升電能向電網(wǎng)側(cè)流動，當電壓泵升達到某設(shè)定值時，由外接的再生能量逆變器開啟工作并迅速地將上述過程中產(chǎn)生的直流泵升電能及時高效地進行有源逆變反送回電網(wǎng)。 這樣的拓撲結(jié)構(gòu)不但實現(xiàn)了完全控制交流側(cè)和直流側(cè)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(qū)動系統(tǒng)具有了更好的制動性能要求和更高的動態(tài)響應(yīng)能力。

　　2.2 有源逆變制動單元工作原理

　　有源逆變制動控制框，系統(tǒng)主電路采用 IGBT 可關(guān)斷開關(guān)元件，集有源逆變與電流控制功能于一體。其逆變時的控制方式為直流側(cè)電壓控制和交流側(cè)電流控制兩部分。直流側(cè)電壓的控制靠直流側(cè)電壓取樣反饋，與給定參考電壓比較來控制交流側(cè)電流幅值的給定。交流側(cè)電流控制采用電流跟蹤型 PWM 模式控制橋臂 6 個開關(guān)導通和關(guān)斷，使逆變時輸出的實際電流跟蹤參考電流變化。

　　當制動結(jié)束或電動狀態(tài)時，變頻器中間環(huán)節(jié)的直流電壓下降至所需要設(shè)定電壓值下限值，由變頻器輸入端實現(xiàn)整流功能——對中間直流環(huán)節(jié)電容進行充電。而在制動狀態(tài)，當中間直流環(huán)節(jié)的電壓上升（電動機再生電能向中間直流環(huán)節(jié)電容組充電）超過所需設(shè)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 IGBT管在 PWM 模式控制下實現(xiàn)有源逆變-將中間直流部分的再生電能經(jīng)逆變后反送回電網(wǎng)。饋電開啟后中間直流環(huán)節(jié)的電壓迅速下降，當降到設(shè)定值上限時時逆變器即關(guān)閉，從而使變頻器中間直流環(huán)節(jié)的電壓始終控制在一定的所設(shè)范圍內(nèi)。由于逆變器在 PWM 的閉控制作用下實現(xiàn)變流饋電，使其在逆變狀態(tài)下回饋至交流電網(wǎng)側(cè)的電流波形接近正弦，功率因數(shù)≈1。實現(xiàn)了驅(qū)動系統(tǒng)直流回路中無功能量向電網(wǎng)側(cè)有功能量的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了驅(qū)動系統(tǒng)與供電網(wǎng)絡(luò)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控制變頻器

　　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 IGBT 開關(guān)管反并聯(lián)的6個整流二極管實現(xiàn)三相全波整流功能和6個IGBT管按PWM模式實現(xiàn)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(xiàn)整流與逆變的自動轉(zhuǎn)換控制過程， 使得變頻器逆變器合二為一。
雙 PWM 控制變頻器是整流、逆變都采用 PWM 變流技術(shù)控制的最新型變頻器，由于通常變頻器輸入整流器大都采用不可控二極管整流方式， 存在著從電網(wǎng)吸取畸變電流造成電網(wǎng)側(cè)諧波污染， 同樣也借助于 PWM 變流技術(shù)——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半導體器件的通斷進行 PWM 調(diào)制， 使變頻器從電網(wǎng)中所吸取的電流與所回饋電網(wǎng)的電流都能接近正弦從而使整個系統(tǒng)的功率因數(shù)接近 1。目前雙 PWM 變流器技術(shù)處于探索研制階段未能得到普及應(yīng)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(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)線等其他領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 如能將同機房內(nèi)梯群的各驅(qū)動變頻器中直流部分并聯(lián)，組成強大的共直流母線結(jié)構(gòu)，可使整個驅(qū)動系統(tǒng)的工作效率更優(yōu)于其他工業(yè)領(lǐng)域，這將為電梯驅(qū)動領(lǐng)域的節(jié)能開辟一條嶄新的道路。

　　在電梯梯群驅(qū)動系統(tǒng)中，由于各電梯都存在頻繁起制動、反復升降的共有特點，各分散系統(tǒng)的位能與動能在不斷地發(fā)生著變化，都會有儲存能力和釋放能量等動態(tài)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(tài)下， 實現(xiàn)系統(tǒng)運行釋放的機械能所產(chǎn)生的再生電能在直流母線電容器內(nèi)進行無功能量直接向有功轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了能量的回饋互補。從而抑制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(huán)節(jié)直流部分并聯(lián)后構(gòu)成了更大的公共直流電壓源，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性也可靠性；采用這種方案不需增加設(shè)備，只需要多幾根并聯(lián)導線和開關(guān)。但在母線共連后不僅優(yōu)化了整個梯群驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能，而且可將各分散系統(tǒng)再生能量得以充分地利用，起到既節(jié)約能源又完成了直接處理再生電能的功效。

　　3.1 構(gòu)成方式

　　同機房內(nèi)各電梯驅(qū)動變頻系統(tǒng)在采用共直流母線方案時， 要檢查使所有并聯(lián)母線上的變頻器必須使用的是同一個三相供電電源，而母線共連線采用屏蔽線以適應(yīng)電磁兼容。考慮到在設(shè)備故障時便于維修，可在直流母線（并聯(lián)網(wǎng)）和各變頻器直流端之間設(shè)置電氣開關(guān)和快速熔斷器，方便實施并網(wǎng)與退網(wǎng)操作，可使每一個變頻器都可以單獨地從直流母線中分離出來而不影響系統(tǒng)中其它電梯運行； 但要注意在實施并網(wǎng)操作前必須要保證所要并入變頻器的直流端電壓與并聯(lián)網(wǎng)電壓基本相同（電容組已完成充電） ，不然易在并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(yōu)點與功效

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

　　由于梯群組中各東莞電梯的曳引驅(qū)動電動機很少有可能都運行在同一狀態(tài)（式中的“+”為驅(qū)動電梯機的電動工作狀態(tài)， “—”為回饋制動狀態(tài)） ，通常情況下母線的共連方式可大大降低整個系統(tǒng)總能量的輸入與損耗。

　　為了使整個系統(tǒng)能量在梯群驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部和供電網(wǎng)絡(luò)間更好地進行直接傳遞利用和再利用， 同時也考慮到偶爾會發(fā)生各梯的驅(qū)動電動機都工作在回饋制動狀態(tài)時系統(tǒng)對速度變化的快速性要求，可在整個系統(tǒng)的共直流母線端加上一個梯群共用的有源逆變制動單元，以此來實現(xiàn)能量既可在電容器內(nèi)部互補又可從內(nèi)到外逆變至電網(wǎng)的能量多向交互流動。

　　設(shè)置為梯群共用一個輸入整流裝置向直流母線提供直流電源，采用梯群直流供電柜并加上一個系統(tǒng)共有的有源逆變制動單元或電阻能耗制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(diào)速裝置體積減?。▋H為逆變模塊和驅(qū)動板） ，從而減小了控制柜外形尺寸適合了小機房等要求。設(shè)計時考慮到梯群中各驅(qū)動電機的狀態(tài)和分時性，系統(tǒng)輸入裝置和制動單元容量的設(shè)置可小于多臺電機的總?cè)萘炕蛟谠O(shè)計時可以不考慮過載余量。

　　將多臺變頻器共直流母線，由于母線共連后，大部分無功能量在中間直流環(huán)節(jié)電容器內(nèi)已完成了向有功能量的直接轉(zhuǎn)換和回饋互補，使得各變頻器中原有電阻制動單元的工作周期大為減小。 共直流母線梯群系統(tǒng)的設(shè)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(yōu)點為：

　?。?）梯群中各曳引電動機在不同狀態(tài)下工作時，無功能量可在直流環(huán)節(jié)電容器內(nèi)向有功直接轉(zhuǎn)換和互補，即節(jié)約能源又完成了再生電能處理，優(yōu)化了整個系統(tǒng)的動態(tài)特性；
　?。?）減少了整個驅(qū)動系統(tǒng)中的能量回饋裝置或制動電阻單元的重復配置，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為簡單合理、經(jīng)濟可靠。
　?。?）梯群直流母線中各電容組并聯(lián)后使整個系統(tǒng)中間直流環(huán)節(jié)的儲能容量成倍加大構(gòu)成強大的直流電壓源以鉗制中間環(huán)節(jié)直流電壓的瞬時脈動，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性；
　?。?）抑制了變頻器輸入端整流部分的工作周期，提高了系統(tǒng)的功率因素，降低了電網(wǎng)側(cè)輸入電流的諧波污染，大大地提高了整個梯群系統(tǒng)的節(jié)能效應(yīng)。 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(xiàn)。 將梯群中各電梯驅(qū)動變頻器的中間直流環(huán)節(jié)相互連接實施共直流母線方案操作十分簡單，只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(wǎng)、并聯(lián)母線網(wǎng)時注意相互直流電壓差的控制范疇等安全問題，而并不需要多大成本。但實現(xiàn)后即刻所能得到的利益和效應(yīng)則是長期的，顯而易見的。

　　4 節(jié)能意義

　　全球的工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟建設(shè)取得了飛躍性發(fā)展， 自然資源與生態(tài)環(huán)境卻遭受到了如此嚴重破壞。使幾億年來地球所積累的資源與財富被大量地挖掘與掏空！如何保護我們賴以生存的生態(tài)環(huán)境、維持人類生產(chǎn)生活的可持續(xù)發(fā)展，是我們所面臨的嚴峻課題。這將是一場史無前例的長期而又艱苦的任務(wù)和我們必須肩負的職責，更是一項直接關(guān)系到子孫后代千秋偉業(yè)，關(guān)系到人類的生存與進化的重大工程！

　　保護有限資源、降低能源損耗、減少環(huán)境污染，著力發(fā)展和應(yīng)用各種高科技含量的新興綠色工業(yè)及產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用， 科學有效地節(jié)約能源， 這將為人類面臨的困境帶來一線曙光。電梯能源的消耗主要集中于驅(qū)動系統(tǒng)，對其節(jié)能方法的深入探索、透析和優(yōu)化將對能源損耗的降低和自然環(huán)境的保護等方面都有貢獻。 節(jié)能將日益成為當代電梯優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的一項重要指標。這不僅關(guān)系到千百萬用戶長期的經(jīng)濟利益，更關(guān)系到資源與環(huán)境的保護、污染和二次污染的減少、大氣熱量排放降低等社會問題。所以，節(jié)能理念不只僅僅是產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)研究工作者所必須要討論的重要問題，同樣也應(yīng)該是各行業(yè)及至全社會每個人所需關(guān)心的重大課題。