(恒达富士电梯有限公司 浙江省湖州市 313009)
【摘要】变频器是电梯的核心部件之一，本文从实际应用角度，介绍了四象限变频器在电梯上的应用。通过与传统变频器的对比，能够发现四象限变频器较传统变频器不仅能够实现能量的双向流动还能通过调整输入功率的因数降低对电网的干扰，是一种节能环保的变频器。
【关键词】四象限变频器；电梯；节能环保
0.引言
20世纪80年代末随着各种交流调速理论的和IGBT为代表的各种芯片的飞速发展，交流变频调速逐渐成为传动调速方式的主流。
四象限变频器出现极大的克服了以上的变频器的缺点。四象限变频器不但可以实现能量回收，还可以消除对电网的谐波污染。因此四象限变频器是一种符合当前社会需求的绿色产品。该变频器特别适用于一些起重提升设备等会回馈能量的场合，例如煤矿、油田和电梯等领域。
1.电梯的工作原理
1.1 曳引式电梯的主要部件
电梯正常运行依靠机械部件和电气控制系统的综合作用。曳引式电梯的基本结构如图1所示。
图1曳引式电梯
正如图1所示，电梯主要由以下几部分组成：
（1）驱动系统 主要有组成部件有曳引机、变频器、曳引绳（皮带）、导向轮和悬挂装置
（2）轿厢系统 轿厢作为电梯主要的承载部件，其作用是搭载运送人员及货物的。当人员和货物位于电梯轿厢内部将随着电梯一同运行。此外该系统同时背负随行电缆。
（3）导向系统 该系统是一种将电梯和对重限制在各自运行轨道上装置，使电梯的能够平稳运行。若电梯中没有该控制系统，将会产生横向偏移现象，使电梯的运行受阻。
（4）重量平衡系统 该系统的应用能够帮助电梯节能。在该系统中，对重和轿厢通过钢丝绳挂在曳引机两侧，作用是平衡轿厢。通过重量平衡装置能够实现电动机功率以及减少曳引绳与其他结构间摩擦，以增加钢丝绳寿命。
（5）门机控制系统 由轿厢门、层站门、开门机、门机驱动系统、门刀和门轮、门锁系统等部件组成。负责此楼层门的开合。
（6）随行电缆 负责每个楼层的启停、位置信息的接收、门机系统的控制信息的发送和轿厢载重的采集
2.1四象限变频器的工作原理
图2展示了四象限变频器的电路原理图，当电机在电动工作状态时,整流控制单元的DSP产生6路高频的PWM脉冲以控制整流侧的6个IGBT的开通和关断。通过IGBT的开通和关断与输入电抗器共同作用产生与输入电压相位一致的正弦电流波形,二极管整流桥产生的6K士l的谐波被成功消除了。功率因数接近百分之百。极大的降低了对电网产生的谐波污染。这时能量通过整流回路和逆变回路由电网流向电机,变频器在第一、第三象限工作。当电动机在发电工作状态时,电机产生的能量通过逆变侧的二极管累积到直流母线,当直流母线电压达到限值时,整流侧的能量回馈控制部件启动,将直流电逆变成交流电,将能量回馈到电网,实现了节能环保。
图2四象限变频器的原理图
2.2四象限变频器的系统构成
四象限变频系统由主回路和控制部分两大块构成
(1)四象限变频器的主回路
该系统由以下部分构成:预充电电路,输人电抗、智能功率模块,电解电容和输出电抗。各个部分及功能如下:
•预充电电路:由交流接触器、功率电阻及相应的控制回路组成。其主要功能是在系统上电时,对直流母线的电容完成预先充电以避免上电时出现的强大冲击电流将功率模块损坏。s
•智能功率模块(SkiiP):具有整流侧和逆变侧IGBT、隔离驱动、电流检测以及各种保护监测的功能。
•电解电容:起到储能,滤波的作用。
•输出电抗:降低输出的dy/dt,对能够起到保护电机的作用。
(2)控制部分
该系统由以下部件组成:系统辅助电源模块,预充电控制,功率接口板,DSP控制板以及人机接口板。
•系统辅助电源模块：能够作为系统控制所需的多种特定电压电源;
•预充电控制：用于控制预充电时的交流接触器的行为.
•功率接口板： 对于系统控制所需的电流信号,电压信号及温度信号进行反馈,并且将PWM控制波形传递到驱动板。信号进行滤波处理由接口板完成;
•DSP控制板：是系统的大脑，该部件的工作是完成整流和逆变PWM控制算法。
2.3四象限变频器与传统变频的优缺点对比
传统变频器的主要优点为:
（1）价格低。由于使用不可控的三相整流，而在半导体技术目前非常成熟，因此有大量可以选择的器件而且价格低。
（2）安全可靠。因为所用的整流架构非常简单，因此不需要 CPU 的控制。这样就降低了许多由软件的缺陷带来的风险，并且避免了电网相序改变或干扰等因素带来的误动作。此外由于整流桥的耐压值及短路的电流值都很高，所以还不需要额外的 SNUBBER 电路。
传统变频器的主要缺点为:
（1）回馈的能量需要一套制动电阻来吸收，制动电阻将回馈能量转化为了热能。这样了增加高层建筑的热负荷，同时也降低了用电的效率。
（2）高谐波失真。因为是采用了简单的不可控整流，所以网侧可能含有高达 80%电流谐波，如果要降低谐波含量则需要额外增加滤波环节。
（3）需要大的 DC － LINK 电容以达到稳压的目的。这样增加变频器的体积。
四象限变频器的主要优点为:
（1）对电网的干扰小。由于功率因数接近百分之百。极大的降低了对电网产生的谐波污染。（2）节能环保。能够将回馈能量转化为电能返回电网，这样和电梯在相同电网的设备和用户能够使用这些能量了避免了能源损失。
（3）不需要大容量的 DC －LINK 电容。这也缩小了变频器的空间体积。
2.3四象限变频器在电梯中的运行条件
电梯变频器要实现四象限运行, 必须满足以下条件:
1) 网侧端需要采用可控的变流器。当电机处于能量回馈状态时, 为了使电能能回馈到电网, 网侧变流器必须处于逆变状态, 同时不可控变流器不能实现逆变。
2) 直流母线电压要高于回馈的极限值。如果要变频器向电网回馈能量, 则直流母线电压值一定要高于回馈的极限值, 只有这样才能够变频器才能向电网输出电流。极限值的大小由电网的电压和变频器的耐压性能决定。
3) 回馈电压的频率与相位必须和电网的电压和相位一致。回馈的过程中必须严格的控制其输出电压频率和电网电压频率相同,以避免浪涌冲击。
3.结语
通过在电梯中应用四象限变频器可将电机的回馈能量转化为电能返回电网,能够达到节能的目的。不仅如此, 由于功率因数可接近于l，它还可减少对电网的谐波污染, 是一种真正的节能环保的变频器。与其它变频器性能优越，适合当前社会环境要求。
参考文献:
【1】林良灿. 基于热特性耦合分析的高速电梯变频器结构优化设计[D]. 浙江大学, 2014.
【2】林梅丽. 四象限变频器与传统变频器在电梯应用上的节能效果及输入指标对比[J]. 电气应用, 2012(8):40-43.
【3】夏后强. 四象限变频器原理及应用[J]. 电气开关, 2008, 46(5):63-64.
论文作者:吴伟国,吴雅婷
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/22
标签：变频器论文; 电梯论文; 电网论文; 四象论文; 系统论文; 能量论文; 谐波论文; 《电力设备》2018年第17期论文;