电梯驱动、电能质量和节能

作者：乔纳森·布里克和布拉德·威尔金森 | 继续教育 | 十二月1，2011

阅读时间：23分钟

图1

人工智能概述

交流变频驱动器已成为控制电梯曳引机的首选方法，因为它们可以提高效率、简化调试并提升乘坐舒适度。六脉冲变频器采用二极管整流器、直流母线电容器和脉宽调制IGBT，作为非线性负载，会注入电流谐波（尤其是5次和7次谐波），从而导致系统电压畸变、均方根电流升高和损耗增加。IEEE 519标准定义了测量点，区分了总谐波失真(THD)和总谐波日度(TDD)，并根据短路电流/插入损耗(ISC/IL)设定了可接受的畸变率，典型的电梯目标TDD约为8%至15%。缓解方案包括输入电抗器（可将THiD降低至约45%）、无源谐波滤波器（THiD<8%，功率因数接近1）、用于向电网回馈能量的再生单元，以及能够提供最佳谐波性能但成本和体积更大的有源前端。

变频驱动器的基础知识、它们的优势以及谐波是如何产生的

作者：乔纳森·布利克和布拉德·威尔金森

介绍

在过去的 25 年中，交流变频驱动器 (VFD) 的使用不断增加，并且对许多人来说，它们已成为控制电梯曳引机的首选方式。优点是有据可查的，包括提高系统效率、简化调试和改善乘坐质量。在选择和调整电梯系统大小时，电力系统的电能质量问题越来越成为关注点。

学习目标

阅读本文后，您应该了解：
♦ 电梯变频器和回馈单元的基本组成和操作
♦ 交流电梯驱动器如何产生电流谐波
♦ 电流谐波如何产生电压畸变并影响电气设备的运行
♦ 如何减少电梯变频器中的电流谐波
♦ 各种谐波抑制和再生解决方案的相对成本和性能

本文首先解释了 VFD 的基本构建块以及电流谐波是如何产生的。相关 IEEE 519-1992 的简要概述^[1] 然后讨论与电梯和建筑安装有关的标准。最后，概述了侧重于谐波性能和节能的高级驱动架构，并提供了每种技术的成本/收益分析。

六脉冲变频器

六脉冲 VFD 最常用于工业应用，因为它已被证明具有成本效益和可靠性。六脉冲 VFD（图 1）由三个主要部分组成：输入二极管电桥、中间直流母线电容器和输出晶体管。

输入级由三相全波二极管桥组成，可将输入的三相交流电整流为直流电。由于二极管只允许电流在一个方向上通过，因此应注意六脉冲 VFD 的输入级充当单向街道 - 允许电能流入驱动器，但不会流回线路。

中间级或“直流总线”主要由电容器组成。电容器过滤由 AC/DC 转换产生的电压纹波，并通过存储能量充当缓冲器。

VFD 的输出级由六个绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 组成，它们以高频（通常为 8 kHz 或更高）开启和关闭，从而调制来自总线电容器的直流电压。该技术被称为脉宽调制 (PWM)，它允许驱动器构建一个三相可变交流电压/频率输出到电梯电机。通过控制电压和频率的幅度和相位，驱动器能够控制电机的转矩和速度。与输入二极管不同，电流可以在 IGBT 的两个方向上流动，从而允许将能量放回到直流总线电容器上。

线性和非线性负载

电力负载是向其输送或消耗电力的任何设备。对负载进行分类的一种方法是根据其电流消耗的性质——线性或非线性。在稳态运行期间，线性负载的阻抗在整个交流电循环中不会改变，它会从理想的交流电压源汲取纯正弦电流（图 2）。线性负载的例子是电阻器、电容器、电感器和从交流线路以稳定状态运行的交流电机。

相比之下，非线性负载的阻抗会在整个交流电循环中发生变化，并且负载会不规则地汲取电流（图 3）。

由于不规则电流消耗不是正弦曲线，它包含基频的谐波。电流谐波作用于建筑物电力系统内的系统阻抗。随着谐波数量和幅度的增加，系统内其他负载可用的电压会失真。最终，如果失真足够高，其他设备的运行可能会受到不利影响（表 1）。

简而言之，较高的电流谐波会导致从电力系统汲取的均方根电流较大。增加的电流意味着系统的供电设备（保险丝、电线和变压器）必须过大。此外，当谐波电流流过电阻阻抗时，会损失额外的热量。

VFD 作为非线性负载

在功率转换过程中使用整流器或半导体作为开关的电子设备都是非线性负载。典型的建筑物有许多非线性负载，包括荧光灯；旧的无补偿电气设备；和 VFD 操作电梯或供暖、通风和空调 (HVAC) 系统。当连接到三相电源时，六脉冲整流器在交流电压的每个半波期间产生两个非线性电流脉冲（图 4）。

VFD 产生的电流谐波是 VFD 输入级上使用的整流器数量的函数，可以用以下等式描述：

h = kq±1

其中：

h = 谐波次数

k = 任何整数

q = 整流脉冲数（即 6、12、18 等）

使用该等式，六脉冲驱动器将汲取位于五、七、十一、十三等阶的电流谐波。电流谐波的幅度在更高阶衰减，六脉冲驱动器中最重要的谐波出现在五阶和七阶。

谐波

根据电气和电子工程师协会 (IEEE)，谐波被定义为“频率是基频整数倍的周期波或量的正弦分量”。对于北美安装，60 Hz 公用电源的谐波将包括表 2 中列出的频率。

初级电流分量称为基波，它位于线路频率。每个谐波电流的特定频率是线路频率的 n 倍，其大小取决于负载。这些的总和产生流入负载的完整电流。只有基波电流分量对设备的输出产生可用功。其他谐波分量被归类为无功功率，不会产生可用功。

每个电流分量通过电气系统的阻抗与电压源相互作用。由于某些阻抗对设施中的多个负载是通用的，因此影响会在负载之间共享。这样，其他负载的电源电压就会被相关设备扭曲。

图 6 显示了在五次和七次处添加两个谐波分量如何可能使电气系统上的电压失真。

功率因数

功率因数有时也用于表示系统中的谐波量。功率因数表示在基频下投入有用功的功率（有功功率）与传输的总电功率之间的比率。需要统一的功率因数 (1.00)，这表明所有传输的功率都被负载有效消耗。避免了低功率因数，因为它需要加大电气组件的尺寸以适应未使用的无功和/或谐波功率的传输。

IEEE 519 标准描述了构成总功率因数的两个组成部分——位移因数和失真因数。

PF_合计 = PF_移位 XPF_失真方程2

PF_移位是基频下使用的有功功率（以瓦特为单位）与无功功率（以伏特/安培为单位）的比率。位移因子受负载阻抗的影响，并通过测量施加电压和负载电流之间的相移（公式 3）来计算。六脉冲 VFD 将具有相对较高的 PF_移位，通常大于 0.9。

PF_移位 = cos(ø) 等式 3

PF_失真是受谐波影响的功率因数分量。它表示基频下的均方根电流与所有频率下的总均方根电流之间的比率。

PF_失真 = I _基本的， _有效值 / I _有效值方程4

IEEE 519-1992 标准

IEEE 519-1992 标准，名为“IEEE 电力系统谐波控制推荐实践和要求”，是根据定义和测量可接受的系统级电压和电流谐波的需要而发展起来的。公用事业公司负责为其客户提供低失真的干净正弦电压。反过来，客户有责任不产生过多的电流谐波，从而对其他客户造成不良电压失真。 IEEE 519 标准提供了测量谐波的基础并定义了可接受的谐波水平。

PCC

根据 IEEE 519 标准的规定，公用事业的电力系统和消费者的系统结合在一起的点被定义为公共耦合点 (PCC)。从字面上看，它是电力系统在消费者设施内分布的第一个点；通常是设施的主馈线面板。 PCC 是用户系统内的所有负载汇集在一起以向公用事业单位提供统一负载的地方。这很重要，因为一些消费者的负载实际上可能会补偿或抵消其他负载的较低功率因数或高谐波。因此，公用事业公司会看到 PCC 处所有消费者负载的汇总。在 PCC 处测量的集体负载的失真通常比任何单个非线性负载的失真要好。

话虽如此，负载对公用事业的影响程度在很大程度上取决于该负载的相对大小和负载。例如，与以 200% 负载运行的 40 马力电梯系统相比，以连续负载运行的单个 50 马力、VFD 驱动的冷水机组对建筑物的电力系统和公用设施负载的影响要大得多。仅来自冷水机 VFD 的谐波电流就可能超过从电梯 VFD 汲取的总电流，从而使电梯负载变得无关紧要。

但是，由于设备承包商通常难以接近设施的主馈线面板，因此已采用一般做法将 IEEE 519 标准的条款和条件应用于本地可访问的电气系统。这通常是为相关设备供电的断路开关。因此，在实践中，PCC 成为冷却器系统的断路开关。同样，电梯系统的断开连接是电梯控制供应商和承包商的 PCC。虽然根据标准这在技术上是不正确的（而且，公用事业公司永远不会进行这样的测量），但这是公认的做法。该理论认为，如果设备断开处的电能质量符合要求，则该设备绝不会对建筑物内的电能质量产生负面影响。

THD 与 TDD

虽然计算方法相似，但总谐波失真 (THD) 和总需求失真 (TDD) 会导致数值结果显着不同。以下定义直接取自 IEEE 519-1992 标准。

THD 计算为谐波含量的均方根与基波量的均方根值之比，以基波的百分比表示。需要明确的是，这是一个瞬时值。在给定的时刻。

TDD 计算为总和方根谐波电流失真，以最大需求负载电流（15 或 30 分钟需求）的百分比表示。这种方法与时间有关，因为基波电流的值是随时间确定的，并且该值的平均值用作计算的参考点。这可以更准确地了解所谓的额定电流值究竟是什么。然后将电流谐波与该长期平均值进行比较，从而更准确地了解对系统的影响。这就是使用它来确定 IEEE-519 标准中规定的限值的原因。

最大需求基波电流是 PCC 上所有基波负载电流的平均值。当 PCC 上仅连接一个负载时，如在单一设备评估（即一台电梯）的情况下，该电流成为流入该负载的平均电流。这往往会使测量和后续计算复杂化，因为电梯不会连续运行。平均电流远小于瞬时值。在任何给定时刻计算得出的失真值随后会受到电梯随时间推移的负载和运行次数的影响。为了克服这个问题，在电梯满载运行时测量电流并计算 THD 值已变得司空见惯。这将是来自电力系统的伪最大电流点，因此，可能对设施内的其他负载产生最大影响的点。

电气系统阻抗的影响

为 PCC 供电的电气系统的阻抗对失真值有影响。较高的系统阻抗通常会导致系统更容易因给定的非线性负载而失真。 IEEE 519 标准通过根据可用短路电流与平均负载电流的比率建立失真限制来考虑这一点， I_SC/I_L. 随着系统阻抗变低，该比率变高；因此，允许的失真水平增加。级别定义如下：

下面的例子建立了几个参考点 I_SC/_IL 比。

例子1

假设每台电梯都由位于 PCC 线路侧的单独隔离变压器供电。变压器的大小取决于电梯电机的 VA（其中变压器 VA = FLA_马达 x 伏特_马达 x 1.73）。如果变压器的阻抗约为 5%，则结果 I_SC/I_L将约为 20。如果比率低于 5，则可接受的 TDD 值为 20%，如果比率等于或高于 8，则可接受的 TDD 值为 20%。请注意，这将被视为变压器的最小尺寸，并且通常不会采用该配置。

通常，在确定变压器的大小时会考虑控制器的输入满载电流 (FLA)，这会推高变压器的 VA。结果是 I_SC/_IL 比率将上升到大约 25-30，可接受的 TDD 值为 8%。

例子2

假设一组四台电梯由配电变压器供电，并且变压器位于 PCC 的线路侧。变压器的大小是根据所有四个电梯控制装置的总负载确定的。如果变压器的阻抗为 5.5%，则结果为 I_SC/I_L 将在 75 左右，可接受的 TDD 为 12%。

例子3

假设电梯直接从设施的主线供电，没有变压器。该建筑有一个 800 kVA 的主馈线变压器，阻抗为 6.7%。电梯控制器的尺寸适合操作 40 马力感应电机（标准 350 fpm 和 3,500 磅）。所结果的 I_SC/I_L 大约为 266，可接受的 TDD 为 15%。

一般来说，较高的变压器阻抗会降低 I_SC/I_L 比率，而变压器尺寸过大会提高比率。基于这些示例，可以确定在大多数情况下，典型的电梯安装将具有 I_SC/I_L 比例在 20-500 之间。这意味着基于 IEEE 519 标准的目标 TDD 值将在 8-15% 的范围内。

高级电梯驱动拓扑

再生驱动

在典型的电梯循环中，能量被输入系统、存储和返回。在电动模式期间，能量从公用设施流向电机，并且在电梯轿厢移动时完成机械功。此外，势能和动能都存储在电梯系统中，并在发电模式期间返回到驱动器。由于电流不能流过输入整流器，再生能量存储在直流母线电容器中。

传统上，制动电阻器已被用于消除电容器多余的再生能量。随着电流流入电容器，电容器两端的电压增加。当直流母线电压达到阈值时，电容器两端的电阻电路闭合，电流流过制动电阻，将多余的电能以热量的形式耗散掉。热量代表系统中的能量损失，因为它无法恢复。当需要额外的能量为空调机组供电以冷却控制室时，制动电阻器的效率会低一倍。

可以使用再生单元代替制动电阻器，再生电力可以返回电网，供其他建筑负载消耗。再生装置越来越受欢迎，因为它们可以显着提高系统效率并降低电梯的总拥有成本。

再生驱动器的组件类似于六脉冲 VFD 的组件，只是没有输入二极管级。再生驱动器具有直流总线电容器和用于将电流输出到主线的 IGBT 级。此外，电感器用于平滑电流并使电流与主线的电压和频率同步。

当耦合直流母线的电压达到阈值时，再生单元的 IGBT 以与线路相同的频率循环，电流将流回线路。应该注意的是，由于再生单元的 IGBT 仅在 60 Hz 下循环，因此运行期间的开关损耗明显低于 VFD 的 PWM 运行。由于再生的 IGBT 以与六脉冲整流器中的二极管类似的方式将电流切换到线路中，因此再生单元在再生模式下将具有与 VFD 相似的谐波含量。

无源谐波滤波

可以在 VFD 或再生单元的输入端放置一系列低通谐波滤波器，以减少谐波电流。谐波滤波器由电感器和电容器组成，其设计使得滤波器通过基频的电流但阻止更高频率的电流。例如，KEB 的专利谐波滤波器设计用于过滤和消除 11 次、13 次、17 次、19 次、8 次和 XNUMX 次谐波，目标是在额定负载下实现低于 XNUMX% 的总谐波电流失真 (THiD)。由于滤波器在进出建筑物电力系统的电流的两个方向上运行，因此它可以与再生单元一起使用

KEB谐波滤波器

使用谐波滤波器，功率因数（PF_合计) 通常为 0.99 到 1.00。谐波滤波器因其无源设计而坚固耐用，有助于保护 VFD 和再生单元免受线路侧干扰或瞬变的影响。它们超过了隔离变压器的性能，在控制器可以直接从建筑物电压运行的情况下，不需要变压器。此外，安装谐波滤波器后，VFD 和再生单元直流母线中的电容器看到的纹波电流要低得多，从而减少发热并显着增加（最多三倍）寿命。

应该注意的是，谐波滤波器确实会给系统带来额外的电阻损耗。然而，与再生单元返回的能量相比，这些损失很小。此外，当 VFD 空闲时，滤波器会给电力系统带来轻微的容性负载。但是，如果需要，可以关闭该容性负载。滤波器可以设计成不同的拓扑结构来阻止不同的谐波阶次。因此，性能可能因过滤器而异。在某些情况下，如果滤波器不是为处理异常操作或系统共振而设计的，则滤波器实际上可能会损坏 VFD。因此，重要的是确保过滤器已与驱动和再生单元相匹配，并被批准用于双向功率流。

有源前端

有源前端 (AFE) 系统由两个背对背逆变器组成。第一个逆变器将自身与线路电压同步，并主动将交流电压整流为直流。该有源整流器级使用电感电容滤波器连接到交流线路。结果是电流以几乎纯正弦波的形式从线路流出，谐波失真很低；在许多情况下，它可以低于 3% THiD。 PF_合计调整为 1.00 的值。此外，系统前面需要一个高质量的 EMI 滤波器，因为有源整流器会产生相对于接地的高水平共模 EMI。第二个逆变器用作电机驱动器并像以前一样控制电机，独立于前端级。

由于 AFE 使用具有高载波频率的 PWM，与再生单元的块式换向相比，开关损耗更高。与类似尺寸的谐波滤波器相比，AFE 滤波器中的 PWM 铁损也更高。 AFE 系统只能连接到平衡的三相星形、中心接地电气系统；三角形连接系统是不允许的。此外，相电压相对于彼此应为 +/-5%。变压器必须用于具有较旧三角形电力系统的建筑物中，或者如果相位严重不平衡。 AFE 超过了 IEEE 519 标准的要求，但增加的性能需要更高的成本。

成本效益分析

六脉冲变频器

六脉冲 VFD 是最具成本效益的交流驱动解决方案，应考虑用于所有牵引应用。在较小的应用 (<30 hp) 中，标准 VFD 对设施电气系统的谐波失真影响相对较小，因此额外的低谐波解决方案可能不经济。同样，六脉冲 VFD 的优点是它的简单性、可靠性和通过改进控制实现的节能。

输入电抗器（带VFD）

在每个 VFD 应用中，强烈建议在 VFD 的输入端使用输入电抗器或扼流圈。输入电抗器是一项相对适中的投资，将显着改善 VFD 的谐波失真。使用输入电抗器会将六脉冲 VFD 的 THiD 值从大约 80% 降低到 45%。输入电抗器还具有降低流入整流器和直流母线电容器的峰值电流的额外好处。因此，使用输入电抗器时，直流母线电容器的使用寿命通常会增加一倍。请注意，驱动隔离变压器也能达到相同的效果，但变压器的成本是扼流圈成本的 10 到 XNUMX 倍。

再生驱动

应仔细选择使用再生驱动器的应用，以确保合理的回报。由于它们的高效率，应考虑使用无齿轮永磁电机的所有应用。电梯 24/7 运行的高负荷装置是再生装置的理想选择——潜在的装置包括医院、酒店和机场。高速 (>500 fpm) 和高容量 (>3,000 lbs.) 也应得到充分考虑，因为高速下的大移动质量可提供显着的能量回报——这些装置包括货车、办公楼等。低速、低容量和低效的蜗轮传动应用不会再生大量能量，因此再生装置在这些情况下几乎没有价值。

通常，添加再生单元可提供最快的投资回报，并最大程度地提高电梯系统的运行效率。即使使用 VFD 运行的现有电梯也可以使用独立的再生装置（例如，安装在主面板外的小型控制箱）轻松升级。大多数公用事业公司将根据升级或安装再生装置提供抵消回扣或积分。由于再生单元在再生操作期间确实会产生谐波，因此在某些应用中可能会考虑通过滤波器进行一些谐波抑制。然而，能源审计表明，电梯在建筑物的能源消耗中所占的比例相对较低——约占建筑物总量的 3-5%。^[3] 这很重要，因为这意味着还有其他建筑物负载，例如 HVAC 或照明系统，它们可能比电梯对建筑物的电力系统产生更多的谐波。

无源串联谐波滤波器（带 VFD 和/或再生）

谐波滤波器以可承受的价格提供出色的谐波抑制性能，每当需要满足 IEEE 519 标准时都应考虑使用。过滤器通常可以安装在电梯控制柜中，因此不需要单独的外壳——这有助于降低初始成本，并且是小型机房的良好解决方案。当控制器和建筑物电压相同时，滤波器完全不需要隔离变压器。在这种情况下，该变压器的成本节约抵消了滤波器的额外成本。由于滤波器是无源的，因此不需要单独控制电子元件。最终，这提供了更健壮的系统。