制进行了研究,设计开发了相应的嵌人式速度控制模块,实现了基 于剩...
肖健媛
摘 要：针对目前变频变压调速（VVVF）控制系统的电梯，以电梯配电设计为出发点，分析原理并围绕电梯供配电设计中的电梯计算负荷、配电线路计算电流、电压降校验等问题进行讨论，最后给出部分合理化建议供相关设计人员参考。
关键词：VVVF；电梯配电；计算负荷；计算电流；电压降校验
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）10-0059-02
随着城镇化的有序推进，高楼林立带来的是电梯数量的爆发式增长。乘客对使用的电梯也提出了快速、节能、低噪音等新需求。科技的发展和市场的迫切要求使得电梯制造企业对技术进行了相应的改进。由于变频调速具有回路简单、功率因素高、节省能源、起动平稳、调速范围宽等优点，因此目前市面上的电梯控制系统已广泛采用变频变压调速控制技术。针对电机类型的不同，电机容量15kW以上一般采用交流异步电机，15kW以下一般采用交流同步电机。本文对VVVF型电梯进行设计计算，并对现场可能出现的问题进行探讨。
1 电梯运行分析及估算
1.1 電梯运行分析
首先根据电梯轿厢运行的状态进行分析：轿厢运动分上行和下行，均需要驱动电机通过曳引钢丝绳来实现对轿厢在井道位置的控制。
令TM为电梯配备电机驱动转矩轿厢的上行运行状态包含以下三种情况：
（1）当TM大于零时，轿厢载重大于配重；
（2）当TM等于零时，轿厢载重等于配重；
（3）当TM小于零时，轿厢载重小于配重。
在实际工作中，当轿厢处于满载状态时，电梯电机的驱动转矩TM就会达到最大值TMmax，此时设定该驱动转矩为额定值TMe。令平衡系数Φ=0.45，那么额定负载下的额定驱动转矩为0.55TMe（（1-Φ）TMe=0.55TMe）。TXmax为轿厢与乘客重量形成的最大阻转矩，即电梯满载时的阻转矩。
与此类似，电梯轿厢的下行运行状态也包含三种情况：
（1）电梯电机的驱动转矩TM大于零，此时的轿厢重量小于配重；（2）电梯电机的驱动转矩TM等于零，此时的轿厢重量等于配重；（3）电梯电机的驱动转矩TM小于零，此时的轿厢重量大于配重。
电梯在下行过程中，如果载重为零，则电梯的阻转矩值最大，令平衡系数Φ=0.45，那么额定负载下的额定驱动转矩为0.45TMe，此时电梯的负载率可以用（1-1）式求得。
1.2 电梯配备电源设备容量的估算
在对电梯配电设计时，为安全起见，需故算电梯电源设备的容量。设电梯所配电源设备的容量为S（kV·A），电梯额定载重为M（kg），电梯额定运行速度为V（m/s），则可根据下式估算电梯设备的容量：
（1）交流单速型电梯：S=0.035L*V；（2）交流双速型电梯：S=0.030L*V。
实际计算时，电梯的电源设备容量S应以制造商提供的数据为准。
2 电流及功率计算
根据现行规范GB50055-2011《通用用电设备配电设计规范》，在单台交流电梯工作时，其供配电线路的工作时的载流量应大于其铭牌连续工作制额定电流的140%或铭牌0.5h或1h工作制额定电流的90%。至于短时或周期工作制电动机的功率和计算电流，则需进行相应的折算，又称暂载率。根据折算到暂载率下的功率和电流值进行设计。当采用需要系数法计算负荷时统一持续率取为25%，用到如下公式：
是电梯电动机的额定电压，一般为380V；为电梯电动机长期工作制时的功率因数，一般来说，电梯由于经常处于启动、制动状态，而且很多时候处于轻载运行状态，甚至空载运行状态，因此交流电梯的功率因数很低，只有0.5～0.7，而目前在民用建筑中大多采用的VVVF变频变压调速电梯的功率因数可在0.9以上，这些基本资料可向选择电梯的建筑专业或电梯生产厂家索取。
3 部件选型与计算
根据《全国民用建筑工程设计技术措施—电气》（2009）中对负荷计算过程中所需的需要系数表要求，当电梯的需要系数取0.2～0.5时，电梯计算负荷非常小。而根据要求，电梯配电设备中开罐与电缆的计算电流应为长期工作制电动机额定电流的1.4～2倍，而上文计算的电流似乎存在明显的矛盾。而如若分析，其实不然，因为电梯计算电流表示的是当电梯处于最大负荷时，影响到电梯供电回路中断路器和电缆短时间内发热的电流（含有功电流和无功电流），而该电流为选择电缆及断路器等设备的参考阈值。然而，从运行角度考量，电梯在整个工作过程中引起变压器发热（温升），应等于一个在长时间段内的加权平均值，而非最大负荷值。而经过变电所采取无功补偿后，无功电流也将得到有力控制，影响将被显著降低。
而从电梯工作中轿厢的六中工作状态分析，电梯满载运行时间在整个运行时段的占比以及整体平均负荷率都很低。尽管在电梯设计时，配电设备参考最大负荷，但其实际上相对于变压器而言，负荷较小，向多台电梯供电电源容量的计算。
同一台电动机，其铭牌上的额定功率和额定电流有多种表达，随着负载持续率ε不同而不同，ε越小额定功率越大。实际运行负载持续率越低，同一台电动机带载能力越大，允许电流也越大。其原理是电机允许温度所决定的。反之，若按低负载持续率选择电动机，当运行在高负载持续率时因电动机承载能力降低而发生过载，这是不允许的。
运行周期时间不足10min，属断续负载范畴。如100m高的电梯井，电梯以2m/s速度中间不停站运行，50s可从低层升到顶层，停留150s，负载持续率为25%，运行周期时间不到4min，不足10min，属断续负载范畴。
考虑极端运行状况，假设用户为处于某较高楼层的大会议室，大量人员需要在某一密集时间段集中。这样将会在短时间内出现满载上升、空载下降两种需要满载功率的极端工况。而电梯层时间短，负载持续率高于80%，接近连续工作，故此时该电梯应当按照连续工作制考虑。其中，电动机为S5工作制（包括电制动的断续周期工作制），而电梯电源则为S4工作制（包括启动的断续周期工作制）的电动机供电，而产生如上区别的原因在于电梯电动机制动过程中所采取的回馈制动或能耗制动不会产生额外的能量消耗，故电源供电无制动段，故为S4制。如图1所示。
4 配电设计中的常见问题及改进措施
结合上述计算以及笔者经验，在确定电梯电源导体截面时要考虑两个条件，并从中选取较大者，一是按温升选择导线截面，二是满足电压降的要求。一般按电梯的计算电流选择导体截面主要是考虑温升的要求，忽略了电压降的要求，尤其是在供电变压器距电梯曳引电动机较远时，电压降是指电梯启动加速时的冲击电流所产生的电压损失，不应超过电动机额定电压的10%。因此在根据计算电流按温升选择了导体后，还要对其电压降进行校验。
例1，一栋28层的高层住宅，电梯载重量为1200kg，速度为1.75m/s，电气设计人员按一般常规设计，电动机功率为22kW，配电电缆截面为35mm2的交联电缆，很多设计手册上也是这么选定的。工程实际采用了VVVF变频变压调速电梯，铭牌上电动机的功率为16.8kW，启动电流为42.8A，电梯厂家配套的从控制箱到电梯曳引机的电缆截面只有6mm2。说明电动机的运行电流是比较小的，当然由于这段配线只是在末端。配电电缆的截面选择多大为宜？我们先校验线路电压降，假定从变压器到电动机的距离为250m，选择电缆为YJV-1型电缆，截面为10mm2，电压降为9.067%，基本满足要求，为可靠起见，选择截面为16mm2的电缆，这比原来35mm2的要小得多。
例2，一栋33层的高层住宅，电梯载重量为1000kg，速度为2m/s，铭牌上的电动机功率为11.5kW，电动机的额定线电流是31A，启动电流为58A。按上述同样的条件，作电压降的校验，选择截面为16mm2的电缆，能满足要求。
综合分析上述2个实例，结合笔者审图过程中所了解的情况，目前单台电梯配电的计算存在两个问题，一是在没有具体型号规格的情况下设计人员参照一些设计资料，确定的容量都偏大；二是计算电流也偏大，多台电梯时亦是如此，设计取值比实际的结果都要大，当电梯台数较多时，设计累计误差更大，这无疑会造成资源极大的浪费。电气设计人员不能认为越大越好，萬无一失，应该从节能减排的原则出发，充分了解电梯的具体技术数据，才能准确地确定电梯的配电容量和配电电缆截面。需要对电机启动电流作电压降校验有考虑，如果电梯配电房有多台电梯，可以考虑乘以多台电梯同时系数。所以电梯的电压降校验应包括两部分内容：第一部分依据启动电流校验电梯配电房母线上电压降；第二部分依据计算电流校验配电房母线电压降及分支线至电梯控制柜电压降的总压降。
具体项目的变压器容量需要通过负荷计算来确定，不过还是可以通过超高层建筑电梯容量和变压器容量的变化规律找到其关联。作为电梯设备，大功率的电机启动势必带来变压器供电母线的压降。而电梯设备允许的电压降为-7%，所以变压器容量应该满足电梯启动的压降要求，同时需要考虑变压器的二次运输问题。
电梯配电线路保护断路器的选型，《设计手册》规定当线路较长时，还应校验线路首端短路和接地故障保护的灵敏性。由于断路器的型号及产品可供选择的很多，可依据设计经验或《设计手册》试选一种断路器，再依据以上原则校验。如果出现了线路尖峰电流大于单相接地短路电流的情况，建议选择电机保护专用断路器。
参考文献
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