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电梯回馈电能质量及回馈节能效率检测系统设计
李存岑 1袁 李顺荣 1袁 刘松国 1袁 潘国兵 2袁 徐 雷 1袁 郑尚透 1袁 徐金海 1袁 吴 斌
1（1.杭州市特种设备检测研究院，杭州 浙江 310003；2.浙江工业大学，杭州 浙江 310016）
摘 要院为对电梯的回馈电能质量和回馈节能效率进行评估，开发电梯回馈电能质量及回馈节能效率集成检测系统。采用 ADE7880
作为电能计量和电能质量计算芯片，LPC2368 作为下位机控制器，实现控制和通信功能。采用
VC++和数据库技术编写上位机控制软件，实现测量控制、数据存储、数据分析、生成检测报告等功能。系统出具的检测报告可
以明确地显示回馈电能是否满足入网条件，计算累积回馈节能效率，并指出能量回馈型节能电梯的安全性和经济性
建议。实验表明：系统结构简单、性能稳定，有良好的测量精度。
关键词院 测试计量仪器；电梯；能量回馈；电能质量；节能效率文献标志码院A
文章编号院1674-5124渊2015冤02-0076-04
Design of testing system for feedback power quality and
energyefficiency of traction type elevator
LI Cuncen1，LI Shunrong1，LIU Songguo1，PAN Guobing2，XU Lei1，ZHENG
Shangtou1，XU Jinhai1，WU Bin1
（1. Hangzhou Special Equipment Inspection Institute，Hangzhou
310003，China；2. Zhejiang University of Technology，Hangzhou
310016，China）
Abstract: In order to evaluate the feedback power quality and
energy efficiency of the tractiontype elevator， a testing system
was developed. ADE7880 was used as the processing chip ofelectric
energy metering and power quality analysis. LPC2368 was adopted as
the main controllerto realize the control and communications
functions. The control program used VC++ and databaseto realize the
measuring control，data storage and analysis，and test reporting
functions. Whetherthe feedback electricity could be transmitted to
the local grid，energy saving efficiency of actualoperating could be
given using this system. And the test reports could give the user
of theelevator and the power supply department advises on safety
and economy using energy-feedbackelevators. Experimental results
indicate that this system has a simple structure，good reliability
andhigh accuracy.Keywords: measuring and metrology
instrument；elevator；energy-feedback；power
quality；energyefficiency
收稿日期院2014-02-11曰收到修改稿日期院2014-04-08基金项目院国家质检部局科技计划项目（2012QK313）
浙江省质量技术监督系统科研计划项目（20120307）作者简介：李存岑（1981-），男，河南南阳市人，高级工程师，博士，主要从事特种设备安全检验与节能检测。
0 引 言电梯是现代高层建筑必备的垂直交通工具袁其
能耗占建筑总能耗的 3%耀8%袁且具有较大的节能潜力遥 目前国际上普遍采用德国工程师协会制定的VDI 4707 Part1
标准对电梯的能效进行评估遥 我国目前尚未出台有关电梯能源利用效率的检测方法和
评价方面的全国性规范标准袁只有海南省质量技术监督局尧浙江省质量技术监督局尧上海市质量技术监督局先后出台了一些参考性地方标准[1-3]遥
由于没有全
doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2015.02.019
中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.41 No.2February，2015第 41 卷第
2 期2015 年 2 月
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第 41 卷第 2 期
动力回路测试电压
回馈回路测试电压
总回路测试电压
电压采样
采样电压滤波处理
动力回路测试电流
回馈回路测试电流
总回路测试点电流
电流采样
采样电流滤波处理
信号
信号
信号
信号
信号
指令
指令
指令
信号模数转换处理
电能数量和质量计算
信号强弱电隔离处理
微控制器模块
测量数据处理与结果输出
图 1 系统总体功能模块
国统一的评价指标和检测方法[4]袁无法科学尧公正地确定实际节电效果袁法律规定的电梯能效审查与节能监管也难以开展遥
能量回馈[5-6]作为电梯节能技术的一种袁节电率[7]通常可以达到 15%~35%遥
曳引式电梯袁在轻载下行或重载上行时袁曳引电机处于电动状态袁电能转化为势能遥
在下行或轻载上行时袁曳引电机处于发电状态袁势能转化为电能[8]遥对于发电状态下产生的电能袁常通过串联制动电阻袁将其转换为热量消耗掉[9]遥如果采用能量回馈技术[10]袁可以将这部分电能转换为交流电回馈到电网中去[11]遥由于机房减少了散热量袁可以节约大量用于电梯机房降温的空调耗电量袁还可以明显降低电梯控制系统的故障率袁使电梯的工作寿命大大延长袁对于建筑物节能降耗及电梯安全运行都有重要作用遥
由于没有全国统一的评价指标和检测方法袁电梯企业和媒体提供的节能效率及节能数据没有可
比性[12]遥
电梯用户和供电单位无法确定回馈电能是否对周围其他用电设备造成冲击[13-14]袁也无法确定多久能收回加装能量回馈装置的成本袁导致我国在用电梯中袁采用能量回馈技术的数量还不足
2%[15]遥
只有对电梯的回馈电能质量和回馈节能效率进
行准确评估袁才能促进电梯能量回馈技术的应用曰为此本文开发了电梯回馈电能质量及回馈节能效率集
成检测系统遥1 系统功能模块
开发的电梯回馈电能质量及回馈节能效率集成
检测系统的功能模块如图 1
所示袁主要包括信号采样尧信号处理尧模数转换尧电能质量计算尧功率和电能计算尧光电隔离尧微处理器尧总线通信尧测量控制尧数据存储尧数据分析尧生成报告等模块遥
信号采样模块负责采样曳引式电梯的动力回
路尧回馈回路尧总供电回路的电压和电流信号遥信号处理模块负责对采集到的信号进行衰减和滤波遥
模数转换模块负责对处理后的信号进行模数转换遥
电能质量计算模块负责对模数转换后的信号进行计算袁得到电压偏差尧频率偏差尧三相电压不平衡度尧三相电流不平衡度和总谐波畸变率等电能质量参数遥
功率和电能计算模块对 3
路输入的电压和电流进行积分袁以计算每路的功率和电能遥光电隔离模块用于将强电和微处理器模块的弱电进行隔离袁防止强电干扰微处理器模块的正常工作遥
微处理器模块用于控制信号处理模块尧模数转换模块尧电能质量计算模块尧功率和电能计算模块的工作状态袁并接收上位机的命令及将上位机命令转化为对上述模块的命令袁并将计算结果上传至上位机软件遥
总线通信模块用于实现微处理器模块和上位机软件的数据通信遥
上位机软件主要包括测量控制尧数据存储尧数据分析尧生成报告等模块遥测量控制模块用于产生下位机的命令袁接收和存储下位机上传的数据遥数据存储模块用于将电梯技术参数尧测量仪器参数尧测量结果等参数保存至本地数据库袁供数据分析使用遥数据分析模块用于对测量结果进行分析袁得到详细的电能质量参数遥
生成报告模块利用电能质量的分析数据和测试电梯及测试仪器信息一起生成测试报告遥2 系统测试点及计算公式
系统共 3 处测试点袁待测电压通过电压衰减电路直接接入测试系统袁待测电流通过电流互感器接入测试系统遥 3
处测试点分别为院
1冤动力回路测试点袁位于电梯主开关之后控制柜之前袁同时测量电能数量渊Wm冤和电能质量遥
2冤总供电回路测试点袁为试验电梯机房内电源闸箱的下口袁只记录电能数量渊W t冤遥
3冤回馈回路测试点袁位于回馈电能并网开关前袁不包括制动电阻袁同时测量电能数量渊W f冤和电能质量遥
电梯的回馈节能效率计算公式为
动力系统回馈节能效率 浊m= W fWm系统总体回馈节能效率 浊t= W fW t
3 下位机硬件系统的硬件组成如图 2 所示袁主要包括电压衰
减电路尧电压通道滤波电路尧电流互感器尧电流通道滤波电路尧电能质量计量芯片尧隔离电路尧下位机微控制器尧通信总线尧PC 机遥
系统采用 ADE7880 作
李存岑等：电梯回馈电能质量及回馈节能效率检测系统设计 77
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中国测试 2015 年 2 月
PC 机RS485
总线驱动模块
RS485微处理器 LPC2368
隔离电路SPI SPI
ADE7880
采样电压 采样电流
测试电流测试电压总回路测试点
测试电流采样电流
采样电压 测试电压测试电压 采样电压
测试电流
采样电流
电压衰减电路
电压通道滤波电路
电流通道滤波电路
电流互感器
电流通道滤波电路
电流互感器
回馈回路测试点
电压衰减电路
电压通道滤波电路动
力回路测试点
电流互感器
电流通道滤波电路
电压衰减电路
电压通道滤波电路
SPI
图 2 集成检测系统的硬件组成
为电能计量和电能质量分析的处理芯片袁LPC2368作为下位机微控制器袁实现控制和通信功能遥 采用ADuM340x
作为下位机微控制器和 ADE7880 之间的控制信号和通信信号通道隔离芯片遥3.1 电压通道衰减和滤波电路
线电压通过电阻分压电路后袁输入 ADE7880 的VxP渊x 为 A袁B 或 C冤袁零线则接入 ADE7880 的 VN
引脚遥衰减电路的-3dB 转角频率必须与相应电流输入通道的抗混叠滤波电路一致袁以减少低功率因数时产生较大的能量计量误差遥 在 VN
引脚袁通过有一电阻和一电容组成的混叠滤波电路袁接入模拟地遥3.2 电流通道滤波电路
3 个回路中袁每路的三相电流和中性线的电流通过电流变换器进行测量遥
电流变换器的两个输出端均设置有负载电阻袁负载电阻的阻值需要根据系统能接受的最大电流和电流变换器的电流变换比来设
置遥电流变换器的两个输出信号袁最后分别通过由电阻和电容组成的混叠滤波电路袁接入 ADE7880 的IxP 和 IxN
引脚遥3.3 电能数量和电能质量计算芯片
电梯回馈电能质量及回馈节能效率集成检测系
统共使用 3 片 ADE7880 芯片袁每片负责一路共三相的电流和电压的测量遥3 个芯片通过 SPI
总线与下位机微控制器芯片通信遥3.4 下位机微控制器
LPC2368 作为主 SPI器件袁和作为从器件的 3 个ADE7880 进行通信遥 SPI
通信模式连接时袁ADE7880的/SS/HAS 引脚为片选引脚袁与 MOSI尧MISO尧SCLK3
个引脚一起构成双向同步传输命令和数据通道遥ADE7880 的
PM0尧PM1尧/RESET尧/IRQ0尧/IRQ1尧CF1尧CF2尧CF3分别由 LPC2368 的常规 I/O 控制袁其中
PM0和 PM1 决定 ADE7880 的工作模式遥 /IRQ0 和/IRQ1用于当 ADE7880 出现中断时袁向 LPC2368
发出中断请求袁进而通过 SPI 通信读取相关中断信息遥 通过对CF1尧CF2尧CF3 的不同组合控制袁ADE7880
可以输出不同类型的功率信息遥4 上位机软件
系统上位机软件采用 VC++2008 开发袁数据保存到 Microsoft SQLServer 2008 数据库中遥
通过操作上位机软件袁可以实现电梯总供电回路和回馈回路的电能质量检测遥
软件具有电梯供电和电力回馈的电能质量历史数据分析功能袁并具有数据曲线图形显
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第 41 卷第 2 期
6 结束语采用专用电能质量计量芯片开发电梯回馈电能
质量和回馈节能效率检测系统袁开发人员无需为测试系统开发复杂的数字信号处理电路袁明显缩短了测试系统的设计与生产周期袁系统结构简单尧功能强大袁有良好的测量精度遥
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图 3 反馈回路的功率因数和电能质量测试曲线
渊a冤反馈回路的功率因数
0.81.0
0.60.40.20
-0.2-0.4-0.6-0.8-1.012-29 10颐41颐50 10颐43颐14 10颐44颐49 10颐46颐20
10颐47颐58 10颐50颐20
时间
A 相功率因素B 相功率因素C 相功率因素
渊b冤反馈回路的电能质量
三相电压不平衡度电压畸变率电流畸变率
12-29 10颐42颐28 10颐43颐44 10颐45颐09 10颐46颐29 10颐47颐57时间
-6-4-202468
1012
示的功能遥软件具有电梯能耗量尧回馈电力以及辅助耗电的计量功能曰 能够进行电力回馈后的动力节能效率与总体节能效率的测试与计算遥
对于测试的结果能够自动生成电梯电力回馈电能质量尧 回馈的节能效率检测报告遥5 测试试验
样机经计量检定部门测试袁准确度为院1冤电压偏差袁测量准确度
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第 41 卷第 2 期
在刚性压力控制模式下袁压部根据压力差值大小实时完整地进退袁使得揉捻叶受到的压力较为均匀袁细胞破碎率较好袁碎茶率低袁机载负荷小袁但是成条率不理想袁因为压力太过均匀袁不能起到相应的揉搓效果遥
在柔性压力控制模式下袁压力控制相当于模拟弹簧受力弹性变化的过程遥
由于压力弹性系数的存在袁让压力有一定的弹性变化空间袁这样使得揉捻叶受到的压力既不突变也不均匀一致袁这样既能保证揉捻叶的揉捻翻转效果也能降低揉捻机的损耗遥
揉捻叶缩紧成条率高袁细胞破碎效果好袁碎茶率低袁形成死结少遥6 结束语
本文提出了一种全新的揉捻压力控制方法袁柔性压力控制是完全区别于传统揉捻机的压力控制方
法袁柔性压力控制对揉捻加工过程中茶叶的品质影响很大遥该控制系统目前已应用于揉捻单机中袁运行稳定袁状况良好遥
在以后的工作中袁将借助于该控制系统模型袁摸索总结不同种类的茶叶揉捻所需的压力工艺参数袁并将其量化袁建立茶叶揉捻压力数据库袁为茶机智能化做准备袁为茶叶的整体加工品质提供保障遥
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渊上接第 79页冤
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