【正文】
。 華南理工大學碩士學位論文 28 三相電流信號處理 電梯控制柜的三相輸入電流是能效儀的主要測量信號之一，它是電能計量與電能質(zhì)量分析的基礎(chǔ)，所以電流檢測電路的設(shè)計十分關(guān)鍵。通過圖 43 電路，能精確獲得三相電壓信號，且不受三相電壓中性點電壓波動的影響。為克服中性點電壓不定所造成的影響，把相電壓信號 VPH 和中性點信號 UF 的差值輸入到運算放大器 4中，同時用大功率電阻 R601， R602 把高電壓衰變?yōu)榉递^小的信號。 第 四 章 電梯能效測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 27 浮動中性點法三相電 壓信號處理 為測量電梯耗用的電能需要測量三相電壓。 （ 5）根據(jù)電梯額定載荷，在電梯轎廂內(nèi)加載 20%額定載荷的砝碼，電梯按測試圖譜運行一次，電梯能效測量儀自動計算、記錄本次電梯輸入電能和輸出機械能。 （ 3）在電梯曳引輪側(cè)面上沿圓周均勻分布貼 8 片磁鋼 片，電磁感應傳感器則安裝在具有三自由度的支架上，電磁感應器垂直于曳引輪側(cè)面，且與磁鋼片間隙為 3mm5mm為宜。 華南理工大學碩士學位論文 26 圖 42 電梯能效測量儀工作原理流程圖 Elevator Energy Efficiency Working Flow meter 利用該電梯能效測量儀現(xiàn)場測量時，包括下列測量步驟： （ 1）根據(jù)電梯在建筑物中運行的樓層數(shù)確定被測電梯的測試運行工作圖譜。采用 DSP 芯片實現(xiàn)實時數(shù)字信號處理，保證測 量的精度與速度。三相電壓、三相電流的數(shù)字化采樣頻率 20kHz，這樣不僅保證有功電能與無功電能的測量精度，同時實現(xiàn)滿足 IEC6100047/20xx標準的諧波分析。第 四 章 電梯能效測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 25 第四章 電梯能效測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 框架 電梯能效 測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 41 所示。將功率信號對時間進行積分就可以得到能量。 通過對電流、電壓采樣值進行平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運算得到。無功功率計量算法與有功類似，只是電壓信號采用移相 90 度之后的。 各相的有功功率是通過對去直流分量后的電流、電壓信號進行乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號處理后得到的。的處理。的信號處理。 如圖 33 所示，其中數(shù)字高通濾波器，是用于濾除電流、電壓采樣數(shù)據(jù)中的直流分量。 (7)有效值測量 通過對電流、電壓 采樣值進行平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運算得到。 DSP 能夠方便實現(xiàn)四象限無功電能測量。 輸入有功標識為 +，表示用戶消耗的電能，而輸出有功標識為 ，表示用戶發(fā)出的電能。測量帶寬主要受到數(shù)字移相濾波器的帶寬限制，所以無功功率的測量也可包含高次諧波。由于電流、電壓采樣速率為 20kHz，根據(jù)采樣定理可知電流、電壓采樣數(shù)據(jù)中可包含較高次的諧波信息，所以依據(jù) 公式01P = ( ) ( )N Nn U n I n? ??計算得到的有功功率也至少包含相應得高次諧波信息。因此無功計量的帶寬限制在 1500Hz以內(nèi)。 (2)數(shù)字移相濾波器 主要完成對電壓信號移相 90 度的信號處理。 第三步， ezfir 濾波器生成濾波器系數(shù)，高通濾波器頻率響應如圖 35 所示。 利用 TI DSP 提供的濾波器函數(shù)庫來設(shè)計濾波器 ， 首先 利用 MATLAB 信號處理箱的FIR 指令，利用窗函數(shù)法設(shè)計 FIR 濾波器系數(shù)。設(shè)所希望得到的濾波器理想響應為： ( ) ( )j jnddnh e h n e??? ????? ? (320) FIR 濾波器的設(shè)計就在于尋找一個傳遞函數(shù) 10( ) ( )Nj jnnH e h n e??? ??? ?去逼近 ()jdHe? ，第三章 電梯循環(huán)周期內(nèi)電能測量 21 設(shè)： 1( ) ( )2 j jnddh n H e e? ???? ?? ? (321) 由于 ()jdHe? 的矩形頻率特性，故 ()dhn一定是無限長的序列，而且是非因果的。窗函數(shù)設(shè)計法的基本思想是要選取某一 適合的理想頻率特性作為 濾波器，然后將它的脈沖響應截斷以得到一個線性相位 的 FIR 濾器。 FIR 濾波器的一般結(jié)構(gòu)如圖（ 34）所示 [22,23]。它的單位脈沖響應 ()hn 是一個有限長序列。 設(shè) ( )( 0 ,1, 2 , , 1)h n n N??為濾波器的沖擊響應，輸入信號為 ()xn ，則 FIR 濾波器就是要實現(xiàn)下列差分方程： 10( ) ( ) ( )Nky n h k x n k????? (319) 式（ 319）就是 FIR 濾波器的差分方程。 圖 33 電能 測 量原理圖 Energy measurement schematic 如圖 33 所示電能測量原理圖，各個模塊如下說明： (1)數(shù)字高通濾波器 華南理工大學碩士學位論文 20 由于電網(wǎng)中的電壓和電流往往含有直流分量，若直接相乘計算的話會導致測量結(jié)果不準，所以必須對輸入信號先進行預處理即濾除直流分量，然后再進行計算。所以，傳統(tǒng)的正弦系統(tǒng)的 功率計算 方法不適用與該系統(tǒng)。對于這些設(shè)備，即使供給它理想的正弦 波電壓，它的電流也是非正弦的，即有諧波電流存在 [20]。 底 層 中 間 層 中 間 層 頂 層中 間 層 中 間 層 圖 31 電梯循環(huán)周期工作圖譜 Fig. 31 Elevator work cycle map 第三章 電梯循環(huán)周期內(nèi)電能測量 17 循環(huán)周期內(nèi)的電能 測 量 正弦系統(tǒng)的電能 測量 對于正弦，線性負載的電能測量，可以按照以下 電路 基本計算 公式 計算 ： 電壓有效值： 201 ()TrmsU u t dtT? ? (31) 電流有效值： 201 ()TrmsI i t dtT? ? (32) 功率因數(shù)： ()() ()abs PPF si gn Q abs S?? (33) 三相三線合相功率： 3 ACAB CBP U I U I? ? ? ??? (34) 3 9 0 9 0ACA B CBQ U I U I? ? ? ?? ? ? ? ? ? (35) 223 3 3S P Q?? (36) 三相四線合相功率： 4 A B CA B CP U I U I U I? ? ? ? ? ?? ? ? (37) 4 9 0 9 0 9 0A B CA B CQ U I U I U I? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? (38) 224 4 4S P Q?? (39) 有功能量： ()pE p t dt?? (310) 華南理工大學碩士學位論文 18 非正弦系統(tǒng)的電能測量 電梯系統(tǒng)本身包括能夠產(chǎn)生諧波電流的非線性元件，如變壓器的空載電路，交、直流換流站的晶閘管控制元件，晶閘管控制的電容器、電抗器等。 電梯循環(huán)周期工作圖譜 中間層的設(shè)定： 8 層站以下不設(shè)中間層站； 915 層站設(shè)一個中間層站； 1622 層設(shè)二個中間層站； 2329 層設(shè)三個中間層站； 30 層以上設(shè)四個中間層站；中間層站的具體設(shè)置應保證電梯從次底層至中間層、中間層至次頂層及中間層之間運行時能達到電梯額定速度值并盡量平均分配各中間層站。在進行檢測時，采用同樣的工作圖譜測量 。并由電梯能效測量儀測量得到該過程電梯能耗與電梯 “名義 ”空載工作量。華南理工大學碩士學位論文 16 第三章 電梯循環(huán)周期內(nèi)的電能 測 量 電梯循環(huán)運行模式定義 全程空載標準工作圖譜循環(huán)運行模式 電梯的載荷工況為空載，同時根據(jù)電梯運行樓層數(shù)確定電梯工作圖譜，電梯 按設(shè)定的工作圖譜循環(huán)運行。本測量方法僅需測量空載和 20%負載，各循環(huán)運行一次的數(shù)據(jù)，無需對各種不同負載率下的電梯進行能效測量，大大減少了電梯運行次數(shù)和測試時間、降低了測試成本。因此，本測量方法屏蔽額電梯提升高度對電梯能效測量結(jié)果的影響，使運行于不同高度建筑物中的電梯能效具有可對比性。電梯提升高度不同，相應的電梯系統(tǒng)曳引繩長度、補償繩長度、隨行電纜長度不同而質(zhì)量也不同，會對電梯 能耗造成一定影響。在額定載荷相同的情況下，電梯平衡系數(shù)僅與轎廂質(zhì)量和對重質(zhì)量有關(guān)，因本能效測量方法與轎廂及對重質(zhì)量無關(guān)，從而測量結(jié)果與電梯平衡系數(shù)無關(guān)，使不同平衡系數(shù)的電梯能效具有可對比性。而以 差額質(zhì)量速度積分法計算可以屏蔽轎廂和對重質(zhì)量。機械能為勢能和動能之和，電梯運行始末動能為零，勢能正比于質(zhì)量與高度的 乘積。本設(shè)計電梯能效測量第二章 電梯能效評價方法 15 儀工作采樣頻率為 20kHz，在測量精度上能達到要求。 ?一個循環(huán)周期內(nèi)的實際工作量 一個循環(huán)周期內(nèi)的耗電量 噸千米 計算當量電量 (28) 把 “計算當量電量 ”作為能效指標比把 “噸千米的用電量 ”作為能效指標可以大大縮短測試時間，如果每 次測量是精準的，則并未降低測量精度。由于工程上定義的電梯能效是電梯重復按循環(huán)運行，根據(jù)電梯的特性，每次循環(huán)的耗電量是基本一樣的，所以可以進一步簡化。即以前后兩次輸送載荷的質(zhì)量差作為計算基礎(chǔ)，有別于以電梯額定載荷的不同百分比質(zhì)量絕對值作為衡量電梯所作機械能的方法。 基于差額質(zhì)量速度積分的電梯能效測量方法的特點 本文采用差額質(zhì) 量速度積分法，以 Mvdt?? 即差額質(zhì)量速度積分計算電梯輸送有效載荷所作的機械能。 為了達到更好的技術(shù)效果，有效載荷 M? 優(yōu)選為額定載荷的 20%。由于前面步驟測量得到的是一 個循環(huán)周期內(nèi)電梯針對 “差額質(zhì)量 ”所產(chǎn)生的機械能，所以要折算得到電梯產(chǎn)生機械能為 1 噸千米的耗電量。 根據(jù)有效載荷狀態(tài)下的電梯三相電流、 三相電壓，計算上述電梯有效載荷運行過程，電梯所總共消耗的電能 20%E 。 V （ 米 / 秒 ）t ( 秒 )底 層 頂 層中 間 層中 間 層 底 層 圖 23 電梯工作原理的簡化模型圖 Simplified model of the lift works plan 然后，根據(jù)空載狀態(tài)下的電梯三 相電流、 三相電 壓，計算上述電梯空載運行過程，電梯所總共消耗的電能 1E 。電梯按圖 7 所示運行，始于底層且終于底層。 華南理工大學碩士學位論文 12 如圖 22 中方框 12 所示，根據(jù)電梯的額定載荷，假定一個轎廂的凈重 M，即電梯配重減去轎廂自身重量， M 值沒必要很精確，它并不影響測量結(jié)果。因為 “ dt??距 離 速 度 ”，所以測量曳引輪旋轉(zhuǎn)速度，對其積分，就能準確計算出轎廂移動距離。 電梯工作原理是電動機通過配套的減速機構(gòu)驅(qū)動曳引輪，再由曳引輪上的鋼索牽引電梯轎廂上下運動。不能籠統(tǒng)地以電梯運送載荷所作的功和消耗的電能比值來衡量電梯能效，而要明確是以一個循環(huán)周期為比較前提。所以考慮電梯所完成的有用輸送量應該是電梯一個工作循環(huán)周期即由上往下再返回。相當于把電梯 當 做一個黑盒系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入為電能，輸出為有用輸送量，忽略系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖 21 所示。從社會經(jīng)濟學 的角度出發(fā)，電梯能效指標就是對電梯的能源利用效率做出評價，根據(jù)系統(tǒng)評價的基本方法 ——成本效益法，選擇電梯運送有效載荷所作的機械功作為成本效益法中的系統(tǒng)產(chǎn)出效益，電梯運送有效載荷所需要的電力能耗作為成本，確定電梯能效評價指標。電梯能效系數(shù)和每噸千米的耗電指標，能較好的體現(xiàn)電梯能效水