關(guān)于VVVF型電梯配電設(shè)計(jì)的探討

1、關(guān)于 VVVF 型電梯配電設(shè)計(jì)的探討摘 要：針對(duì)目前變頻變壓調(diào)速（ VVVF ）控制系統(tǒng)的電梯，以電梯配電設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，分析原理并圍繞電梯供配 電設(shè)計(jì)中的電梯計(jì)算負(fù)荷、配電線路計(jì)算電流、電壓降校驗(yàn) 等問(wèn)題進(jìn)行討論，最后給出部分合理化建議供相關(guān)設(shè)計(jì)人員 參考。關(guān)鍵詞： VVVF ；電梯配電；計(jì)算負(fù)荷；計(jì)算電流；電壓降校驗(yàn)中圖分類(lèi)口號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）10-0059-02隨著城鎮(zhèn)化的有序推進(jìn)，高樓林立帶來(lái)的是電梯數(shù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng)。乘客對(duì)使用的電梯也提出了快速、節(jié)能、低噪 音等新需求?？萍嫉陌l(fā)展和市場(chǎng)的迫切要求使得電梯制造企 業(yè)對(duì)技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的

2、改進(jìn)。由于變頻調(diào)速具有回路簡(jiǎn)單、 功率因素高、節(jié)省能源、起動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因 此目前市面上的電梯控制系統(tǒng)已廣泛采用變頻變壓調(diào)速控 制技術(shù)。針對(duì)電機(jī)類(lèi)型的不同，電機(jī)容量 15kW 以上一般采 用交流異步電機(jī)， 15kW 以下一般采用交流同步電機(jī)。本文 對(duì) VVVF 型電梯進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算， 并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn) 行探討。1 電梯運(yùn)行分析及估算1.1 ?梯運(yùn)行分析首先根據(jù)電梯轎廂運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行分析：轎廂運(yùn)動(dòng)分上行和下行，均需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)曳引鋼絲繩來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轎廂在 井道位置的控制。令 TM 為電梯配備電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩轎廂的上行運(yùn)行狀態(tài)包含以下三種情況：1)當(dāng) TM大于零時(shí)，轎廂載重大于配重；2

3、)當(dāng) TM等于零時(shí)，轎廂載重等于配重；3)當(dāng) TM小于零時(shí)，轎廂載重小于配重。在實(shí)際工作中，當(dāng)轎廂處于滿(mǎn)載狀態(tài)時(shí)，電梯電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TM 就會(huì)達(dá)到最大值 TMmax ，此時(shí)設(shè)定該驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 為額定值TMe。令平衡系數(shù) =0.45，那么額定負(fù)載下的額 定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 0.55TMe （1-）TMe=0.55TMe ）。TXmax 為 轎廂與乘客重量形成的最大阻轉(zhuǎn)矩，即電梯滿(mǎn)載時(shí)的阻轉(zhuǎn) 矩。與此類(lèi)似，電梯轎廂的下行運(yùn)行狀態(tài)也包含三種情況：1 )電梯電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TM 大于零，此時(shí)的轎廂重量小于配重； ( 2)電梯電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TM 等于零，此時(shí)的 轎廂重量等于配重； ( 3)電梯電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

4、TM 小于零， 此時(shí)的轎廂重量大于配重。電梯在下行過(guò)程中，如果載重為零，則電梯的阻轉(zhuǎn)矩值最大，令平衡系數(shù)=0.45 ,那么額定負(fù)載下的額定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 為0.45TMe，此時(shí)電梯的負(fù)載率可以用(1-1 )式求得。1.2 電梯配備電源設(shè)備容量的估算 在對(duì)電梯配電設(shè)計(jì)時(shí)，為安全起見(jiàn)，需故算電梯電源設(shè)備的容量。設(shè)電梯所配電源設(shè)備的容量為 S(kV?A )，電梯額定載重為M ( kg),電梯額定運(yùn)行速度為V (m/s),則可 根據(jù)下式估算電梯設(shè)備的容量：1)交流單速型電梯： S=0.035L*V ；( 2)交流雙速型電梯： S=0.030L*V 。實(shí)際計(jì)算時(shí)，電梯的電源設(shè)備容量 S 應(yīng)以制造商提供的數(shù)據(jù)為

5、準(zhǔn)。2 電流及功率計(jì)算 根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范 GB50055-201通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范，在單臺(tái)交流電梯工作時(shí)，其供配電線路的工作時(shí)的載 流量應(yīng)大于其銘牌連續(xù)工作制額定電流的 140%或銘牌 0.5h或 1h 工作制額定電流的 90%。至于短時(shí)或周期工作制電動(dòng)機(jī)的功率和計(jì)算電流，則需進(jìn)行相應(yīng)的折算，又稱(chēng)暫載率。根據(jù)折算到暫載率下的功率和電流值進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)采用需要 系數(shù)法計(jì)算負(fù)荷時(shí)統(tǒng)一持續(xù)率取為 25%，用到如下公式：是電梯電動(dòng)機(jī)的額定電壓，一般為 380V ;為電梯電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作制時(shí)的功率因數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，電梯由于經(jīng)常處于 啟動(dòng)、制動(dòng)狀態(tài)，而且很多時(shí)候處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，甚至空載運(yùn)行狀態(tài)， 因此交流電

6、梯的功率因數(shù)很低， 只有 0.5 0.7，而目前在民用建筑中大多采用的 VVVF 變頻變壓調(diào)速電梯 的功率因數(shù)可在 0.9 以上，這些基本資料可向選擇電梯的建 筑專(zhuān)業(yè)或電梯生產(chǎn)廠家索取。3 部件選型與計(jì)算根據(jù)全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施一電氣（2009）中對(duì)負(fù)荷計(jì)算過(guò)程中所需的需要系數(shù)表要求，當(dāng)電梯的需要 系數(shù)取0.20.5時(shí)，電梯計(jì)算負(fù)荷非常小。而根據(jù)要求，電 梯配電設(shè)備中開(kāi)罐與電纜的計(jì)算電流應(yīng)為長(zhǎng)期工作制電動(dòng) 機(jī)額定電流的 1.4 2 倍，而上文計(jì)算的電流似乎存在明顯的 矛盾。而如若分析，其實(shí)不然，因?yàn)殡娞萦?jì)算電流表示的是 當(dāng)電梯處于最大負(fù)荷時(shí)，影響到電梯供電回路中斷路器和電 纜短時(shí)間內(nèi)發(fā)

7、熱的電流（含有功電流和無(wú)功電流） ，而該電 流為選擇電纜及斷路器等設(shè)備的參考閾值。然而，從運(yùn)行角 度考量，電梯在整個(gè)工作過(guò)程中引起變壓器發(fā)熱（溫升） 應(yīng)等于一個(gè)在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的加權(quán)平均值，而非最大負(fù)荷值。而經(jīng)過(guò)變電所采取無(wú)功補(bǔ)償后，無(wú)功電流也將得到有力控 制，影響將被顯著降低。而從電梯工作中轎廂的六中工作狀態(tài)分析，電梯滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)間在整個(gè)運(yùn)行時(shí)段的占比以及整體平均負(fù)荷率都很低。盡管在電梯設(shè)計(jì)時(shí)，配電設(shè)備參考最大負(fù)荷，但其實(shí)際上相 對(duì)于變壓器而言，負(fù)荷較小，向多臺(tái)電梯供電電源容量的計(jì)算。同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其銘牌上的額定功率和額定電流有多種表達(dá)，隨著負(fù)載持續(xù)率不同而不同，越小額定功率越大。實(shí)際運(yùn)行負(fù)載持續(xù)

8、率越低，同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶載能力越大，允 許電流也越大。其原理是電機(jī)允許溫度所決定的。反之，若 按低負(fù)載持續(xù)率選擇電動(dòng)機(jī)，當(dāng)運(yùn)行在高負(fù)載持續(xù)率時(shí)因電 動(dòng)機(jī)承載能力降低而發(fā)生過(guò)載，這是不允許的。50s 可從低運(yùn)行周期時(shí)間不足 10min ，屬斷續(xù)負(fù)載范疇。如 100m高的電梯井，電梯以 2m/s 速度中間不停站運(yùn)行， 層升到頂層，停留150s，負(fù)載持續(xù)率為25%，運(yùn)行周期時(shí)間 不到4min，不足10min，屬斷續(xù)負(fù)載范疇?？紤]極端運(yùn)行狀況，假設(shè)用戶(hù)為處于某較高樓層的大會(huì)議室，大量人員需要在某一密集時(shí)間段集中。這樣將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)滿(mǎn)載上升、空載下降兩種需要滿(mǎn)載功率的極端工況。而電梯層時(shí)間短， 負(fù)載持

9、續(xù)率高于80% ，接近連續(xù)工作，故此時(shí)該電梯應(yīng)當(dāng)按照連續(xù)工作制考慮。其中， 電動(dòng)機(jī)為 S5工作制（包括電制動(dòng)的斷續(xù)周期工作制），而電梯電源則為S4 工作制（包括啟動(dòng)的斷續(xù)周期工作制）無(wú)制動(dòng)段，故為 S4制。如圖1所示。4 配電設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)供電， 而產(chǎn)生如上區(qū)別的原因在于電梯電動(dòng)機(jī)制動(dòng)過(guò)程中所采取的 回饋制動(dòng)或能耗制動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生額外的能量消耗，故電源供電的常見(jiàn)問(wèn)題及改進(jìn)措施結(jié)合上述計(jì)算以及筆者經(jīng)驗(yàn)，在確定電梯電源導(dǎo)體截面時(shí)要考慮兩個(gè)條件，并從中選取較大者，一是按溫升選擇導(dǎo)線截面，是滿(mǎn)足電壓降的要求。一般按電梯的計(jì)算電流選擇導(dǎo)體截面主要是考慮溫升的要求，忽略了電壓降的要求， 尤其是在供電變壓器距電梯

10、曳引電動(dòng)機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)，電壓降是指 電梯啟動(dòng)加速時(shí)的沖擊電流所產(chǎn)生的電壓損失，不應(yīng)超過(guò)電 動(dòng)機(jī)額定電壓的 10%。因此在根據(jù)計(jì)算電流按溫升選擇了導(dǎo)體后，還要對(duì)其電壓降進(jìn)行校驗(yàn)。例 1，一棟 28 層的高層住宅，電梯載重量為1200kg，電動(dòng)機(jī)功率速度為 1 . 75m/s ，電氣設(shè)計(jì)人員按一般常規(guī)設(shè)計(jì)， 為 22kW ，配電電纜截面為 35mm2 的交聯(lián)電纜， 很多設(shè)計(jì)手 冊(cè)上也是這么選定的。 工程實(shí)際采用了 VVVF 變頻變壓調(diào)速電梯，銘牌上電動(dòng)機(jī)的功率為16.8kW，啟動(dòng)電流為42.8A，電梯廠家配套的從控制箱到電梯曳引機(jī)的電纜截面只有6mm2。說(shuō)明電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流是比較小的，當(dāng)然由于這段配線只

11、是在末端。配電電纜的截面選擇多大為宜？我們先校驗(yàn)線路電壓降，假定從變壓器到電動(dòng)機(jī)的距離為250m，選擇電纜為YJV-1型電纜，截面為10mm2,電壓降為9.067% , 基本滿(mǎn)足要求，為可靠起見(jiàn)，選擇截面為 16mm2 的電纜，這比原來(lái) 35mm2 的要小得多。例 2，一棟 33 層的高層住宅，電梯載重量為1000kg，速度為2m/s，銘牌上的電動(dòng)機(jī)功率為11.5kW，電動(dòng)機(jī)的額定線電流是31A，啟動(dòng)電流為58A。按上述同樣的條件，作 電壓降的校驗(yàn)，選擇截面為 16mm2 的電纜，能滿(mǎn)足要求。綜合分析上述 2 個(gè)實(shí)例，結(jié)合筆者審圖過(guò)程中所了解的情況，目前單臺(tái)電梯配電的計(jì)算存在兩個(gè)問(wèn)題，一是在沒(méi)

12、有 具體型號(hào)規(guī)格的情況下設(shè)計(jì)人員參照一些設(shè)計(jì)資料，確定的 容量都偏大；二是計(jì)算電流也偏大，多臺(tái)電梯時(shí)亦是如此， 設(shè)計(jì)取值比實(shí)際的結(jié)果都要大，當(dāng)電梯臺(tái)數(shù)較多時(shí)，設(shè)計(jì)累 計(jì)誤差更大，這無(wú)疑會(huì)造成資源極大的浪費(fèi)。電氣設(shè)計(jì)人員 不能認(rèn)為越大越好， ?f 無(wú)一失， 應(yīng)該從節(jié)能減排的原則出發(fā)， 充分了解電梯的具體技術(shù)數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確地確定電梯的配電 容量和配電電纜截面。需要對(duì)電機(jī)啟動(dòng)電流作電壓降校驗(yàn)有 考慮，如果電梯配電房有多臺(tái)電梯，可以考慮乘以多臺(tái)電梯 同時(shí)系數(shù)。所以電梯的電壓降校驗(yàn)應(yīng)包括兩部分內(nèi)容：第 部分依據(jù)啟動(dòng)電流校驗(yàn)電梯配電房母線上電壓降；第二部分 依據(jù)計(jì)算電流校驗(yàn)配電房母線電壓降及分支線至電梯控制 柜電壓降的總壓降。具體項(xiàng)目的變壓器容量需要通過(guò)負(fù)荷計(jì)算來(lái)確定，不過(guò)還是可以通過(guò)超高層建筑電梯容量和變壓器容量的變化規(guī) 律找到其關(guān)聯(lián)。作為電梯設(shè)備，大功率的電機(jī)啟動(dòng)勢(shì)必帶來(lái) 變壓器供電母線的壓降。而電梯設(shè)備允許的電壓降為 -7%，所以變壓器容量應(yīng)該滿(mǎn)足電梯啟動(dòng)的壓降要求，同時(shí)需要考 慮變壓器的二次運(yùn)輸問(wèn)題。電梯配電線路保護(hù)斷路器的選型， 設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)，還應(yīng)校驗(yàn)線路首端短路和接地故障保護(hù)的靈敏 性。由于斷路器的型號(hào)及產(chǎn)品可供選擇的很多，可依據(jù)設(shè)計(jì) 經(jīng)驗(yàn)或 設(shè)計(jì)手冊(cè) 試選一種斷路器， 再依據(jù)以上原則校驗(yàn)。如果出現(xiàn)了線路尖峰電流大于單相接地短路電流的情況，建 議選擇電機(jī)保護(hù)專(zhuān)用斷