通過(guò)多種方式改進(jìn)電梯和自動(dòng)扶梯設計

新技術(shù)在各種場(chǎng)景中廣泛應用，包括我們所有人用來(lái)到達商業(yè)大樓、購物中心、公寓大樓和公寓樓層的電梯和自動(dòng)扶梯。據估計，全球有近 2000 萬(wàn)臺電梯和自動(dòng)扶梯在運行，安裝數量還在大幅增加。2021 年，新安裝數量超過(guò) 100 萬(wàn)臺。市場(chǎng)驅動(dòng)因素包括城市人口的增長(cháng)，這就需要更多的公寓樓和辦公樓，其他驅動(dòng)因素包括增加智能傳感和無(wú)線(xiàn)連接，以減少意外停機時(shí)間，提高用戶(hù)便利性。

降低功耗的需求迫使我們不斷創(chuàng )新。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的新型電機驅動(dòng)器和電子設備可以顯著(zhù)降低能耗和成本。例如，LED 照明可減少電梯照明所需的電力，而占用傳感器可在電梯閑置時(shí)關(guān)閉電源。尤為重要的是，再生式電機驅動(dòng)可減少高達 35% 的能耗。這是通過(guò)在電梯下行時(shí)采集能量，并將能量轉移到其他建筑系統來(lái)實(shí)現的。

除了要確保全天候運行的產(chǎn)品具有高可靠性外，額外的電子設備還要求設計人員保護敏感電路免受外部環(huán)境威脅。此外，與老式電梯設計相比，設計人員還必須考慮如何降低能耗。

本文關(guān)注安全高效的電梯設計，為設計工程師提供針對過(guò)流、瞬態(tài)過(guò)壓、過(guò)熱和靜電放電 (ESD) 情況的保護解決方案。此外，文章還推薦了可提高設計效率和降低能源成本的組件。這些建議將使設計人員能夠開(kāi)發(fā)出堅固、可靠、安全和節能的電梯。

設計人員必須確保電梯電源控制面板和電梯轎廂的可靠性。以下內容將介紹如何使這兩個(gè)電梯部件在面對電氣危險和能源效率方面保持穩定。

1 關(guān)于堅固耐用、高能效電梯電源控制面板的建議

讓我們從電梯電源控制面板的設計開(kāi)始。圖 1 中為電梯電源控制面板示例?？刂泼姘逯?chē)漠a(chǎn)品列表突出顯示了提供電路保護、傳感和有效控制的推薦組件。這些控制組件有助于降低能耗和節約能源。

 圖 1 電梯電源控制面板

圖 2 為電梯電源控制面板細節和框圖。下表列出了各電路所需的保護和功率元件。

圖 2電梯電源控制面板框圖

由于確保電梯設計的可靠性至關(guān)重要，因此最初的討論將側重于保護控制面板，使其不會(huì )因電氣危險而發(fā)生故障。這些危險包括過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱和靜電放電。

2 保護控制面板電路免受過(guò)流和過(guò)壓影響

輸入保護模塊

輸入保護塊與交流電源相連。如果出現過(guò)流情況，交流電源有能力向電梯控制面板等負載提供大電流。此外，交流電源線(xiàn)路上由雷電和大型電機通電和斷電引起的大功率瞬態(tài)電壓也會(huì )影響控制面板的輸入保護模塊。

為了最大程度地確保安全，使用快速熔斷保險絲保護控制面板免受交流電源線(xiàn)路大電流的影響。為確保保險絲能正常工作，應選擇額定電壓超過(guò)交流電源線(xiàn)路最大可能電壓的保險絲。此外，還要選擇額定分斷電流較高的保險絲，這樣保險絲才能安全斷開(kāi)，不會(huì )在過(guò)流情況下產(chǎn)生電弧。將保險絲固定在與保險絲額定值相似的保險絲座上，以免降低保險絲的性能。

考慮使用 MOV 安全吸收交流電源線(xiàn)路上傳播的瞬態(tài)電壓。研究一種至少能承受 6000 A 瞬態(tài)脈沖和至少 400 J 瞬態(tài)能量的 MOV。設計人員可以通過(guò)選擇帶有內部熱敏元件的 MOV 來(lái)確保 MOV 正常工作，該元件在瞬態(tài)持續時(shí)間導致過(guò)熱時(shí)會(huì )打開(kāi)。

輔助電源模塊

輔助電源將交流線(xiàn)路電壓轉換為直流電壓，為可編程邏輯控制器 (PLC) 和其他直流電源模塊供電。 設計人員可以使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管保護該電路，使其免受通過(guò)輸入保護模塊的任何瞬態(tài)電壓的影響。TVS 二極管可保護輔助電源和下游模塊中的半導體。TVS 二極管的響應時(shí)間低于納秒。TVS 二極管可安全吸收至少 200 W 的瞬態(tài)功率。

逆變器模塊

逆變器提供驅動(dòng)交流起升電機的電源?？紤]使用高速保險絲和 TVS 二極管來(lái)保護功率半導體元件免受電機引起的瞬態(tài)影響。選擇具有低 I2t 特性的保險絲，以最大限度地減少熱能沖擊。添加一個(gè) TVS 二極管，將瞬態(tài)電壓箝位到安全水平。確保 TVS 二極管能安全吸收高達 600 W 的峰值脈沖功率。

過(guò)溫保護

在逆變器電路模塊中，必須監控大功率半導體的溫度，以防止出現熱失控情況。請選擇具有快速熱響應的 NTC 熱敏電阻。使用密封且工作溫度高達 220°C 的熱敏電阻可確保高可靠性。

ESD 保護

與外部環(huán)境連接的電路模塊，如用戶(hù)界面和無(wú)線(xiàn)通信接口，很容易受到 ESD（靜電放電）的影響。TVS 二極管具有超快的響應時(shí)間，是抑制來(lái)自用戶(hù)或外部環(huán)境的 ESD 的最佳選擇。對于用戶(hù)界面，可考慮使用 TVS 二極管陣列（如圖 3 所示），用一個(gè)小型元件保護多達五條數據線(xiàn)。使用符合 IEC 61000-4-2 標準的 TVS 二極管，以獲得足夠的 ESD 吸收能力。

在傳輸電梯狀態(tài)信息的無(wú)線(xiàn)通信模塊中，ESD 保護選項包括 TVS 二極管或聚合物 ESD 抑制器。圖 4 為一個(gè)雙向 TVS 二極管，用于防止任何極性的靜電放電。如果使用 TVS 二極管，應根據二極管電容進(jìn)行選擇，以盡量減少傳輸信號的失真?？商峁╇娙莸陀?1.0 pF 的 TVS 二極管。另一種選擇是聚合物 ESD 抑制器，可承受更高的 ESD 沖擊，最高可達 30 kV，電容低于 0.1 pF。圖 5 為聚合物 ESD 抑制器的示例原理圖。

圖 3 5 通道雙向 TVS 二極管陣列示例

圖 4 雙向分立 TVS 二極管 

圖 5聚合物 ESD 抑制器

3 融入可靠的性能

在樓層呼叫按鈕電路中使用使用壽命長(cháng)的輕觸開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)應有足夠的觸覺(jué)反饋，以便用戶(hù)能感覺(jué)到按鈕已被激活。應選擇額定壽命至少為 20 萬(wàn)次操作的開(kāi)關(guān)，也可選擇額定壽命高達 1000 萬(wàn)次操作的開(kāi)關(guān)。研究具有氣密密封和耐腐蝕特性的開(kāi)關(guān)，以進(jìn)一步提高可靠性。

樓層指示傳感器塊可在電梯到達樓層時(shí)進(jìn)行檢測。磁性接近傳感器可滿(mǎn)足這一要求。選擇密封式傳感器可延長(cháng)使用壽命并獲得最大可靠性。

4 最大限度地節約能源

電梯消耗大量能源，而高能效電梯可以為樓宇業(yè)主節省大量電費。電梯的能效越高，在市場(chǎng)上的競爭優(yōu)勢就越大。設計人員的任務(wù)就是最大限度地提高能源效率。

整流器模塊是一種可降低功耗的電路。整流二極管封裝具有低正向壓降和低漏電流的特點(diǎn)。此外，還提供帶有控制電路的封裝，可利用提升機電機制動(dòng)時(shí)回收的能量將能量送回電網(wǎng)。

輔助電源是另一個(gè)可以提高能效的電路。設計人員可利用采用 SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)模式拓撲結構實(shí)現高效 AC-DC 轉換器。使用具有低 RDS(ON)、低柵極電荷和低輸出電容的 SiC MOSFET，最大限度地減少 MOSFET 中的功率損耗，并實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)。

使用柵極驅動(dòng)芯片優(yōu)化 MOSFET 的效率，該芯片可提供以下功能：

· 快速導通和關(guān)斷信號可控制 MOSFET，

· 負柵極偏置電路可實(shí)現 MOSFET 的快速關(guān)斷，以及

· 采用單一封裝，可節省更多能源并簡(jiǎn)化電路復雜性。

柵極驅動(dòng)器電路模塊控制功率逆變器半導體。使用大功率柵極驅動(dòng)器，特別是，雙柵極驅動(dòng)器芯片組的峰值電流可達 30 A，工作電壓為 5 V 至 35 V。此外，應選擇電源電流在 10 μA 左右、功耗最低的柵極驅動(dòng)器。

設計人員可以節能的第四種電路是逆變器電路。在該電路中，設計人員可采用 IGBT 功率晶體管為電機供電?？紤]使用低 VCE（SAT）和低柵極電荷的 IGBT，以確保最大的驅動(dòng)效率。

5 可靠節能電梯轎廂系統的建議

在優(yōu)化了動(dòng)力控制面板，使其具有強大的保護功能和能源效率之后，設計人員需要將同樣的開(kāi)發(fā)考慮因素應用到電梯轎廂中，從而完成電梯設計工作。圖 6 顯示了一個(gè)電梯轎廂示例，周?chē)漠a(chǎn)品列表表明了保護和節能技術(shù)的應用范圍。圖 7 顯示了轎廂系統框圖。旁邊的表格列出了為轎廂系統電路提供保護、安全和節能的推薦組件。

圖 6電梯轎廂系統 圖 7電梯轎廂系統框圖

6 保護電梯轎廂

為保護轎廂控制系統免受交流電源線(xiàn)路引起的過(guò)流和過(guò)壓影響，請在輸入保護電路中使用保險絲和 MOV。與控制面板不同，可考慮在轎廂控制系統的輸入保護電路中使用時(shí)滯保險絲。時(shí)滯熔斷器可避免因浪涌電流造成的停機故障。

確保防止門(mén)電機過(guò)熱。使用 NTC 熱敏電阻監控門(mén)電機的溫度。

有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信電路應使用 TVS 二極管陣列來(lái)保護半導體元件免受靜電放電沖擊。與電源控制面板的無(wú)線(xiàn)通信電路一樣，設計人員可以選擇聚合物 ESD 抑制器，而不是 TVS 二極管。

7 可靠性和安全性

在照明、音頻和其他輸出電路塊中，應考慮采用光隔離固態(tài)繼電器，以保護用戶(hù)和維修人員免受高壓電路的傷害。繼電器應具有主動(dòng)限流和熱關(guān)斷保護功能。

考慮在門(mén)開(kāi)關(guān)傳感器電路中使用磁傳感器來(lái)檢測門(mén)的位置。密封式傳感器可延長(cháng)使用壽命，提高可靠性。

在按鈕輸入電路中，應使用與電源控制電路中樓層呼叫電路建議使用的開(kāi)關(guān)相同的長(cháng)壽命開(kāi)關(guān)。 長(cháng)壽命輕觸開(kāi)關(guān)的額定操作次數可高達 1000 萬(wàn)次。此外，還可考慮使用可選照明且密封防水防塵的開(kāi)關(guān)。

8 節能設計

提高電梯轎廂系統的能效是有機會(huì )的。使用功率 MOSFET，使開(kāi)關(guān)模式電源具有較高的開(kāi)關(guān)速度，從而最大限度地提高輔助電源電路的效率。高速開(kāi)關(guān)頻率可使用較小的電感元件，從而節省電路板空間和成本。

占用傳感器電路中的移動(dòng)探測器電路可檢測并通知電梯內有人。設計人員可以使用集成了微控制器的緊湊型移動(dòng)探測器來(lái)簡(jiǎn)化移動(dòng)檢測和數據處理。電路中的數據可通知轎廂系統微控制器何時(shí)關(guān)閉電源電路。

9 實(shí)現堅固可靠的節能電梯

設計一個(gè)可靠、堅固、安全和節能的電梯項目對設計工程師提出了許多挑戰。本文針對幫助設計人員實(shí)現這些目標的部件提出了建議。

對于設計人員來(lái)說(shuō)，采用元件制造商應用工程師的專(zhuān)業(yè)知識是非常有益的，可以節省開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。提供的技術(shù)服務(wù)及專(zhuān)業(yè)知識，包括： 

· 具有成本效益的組件選擇；

· 適用安全標準指導；

· 預符合性測試（由某些元件制造商提供），以幫助在提交設計進(jìn)行正式符合性測試之前發(fā)現問(wèn)題。

使用推薦的保護、控制和傳感組件可確保電梯可靠、安全和節能。

關(guān)于作者

Barry Brents 是 Littelfuse 現場(chǎng)應用工程師。他曾是美國海軍核潛艇軍官，是科羅拉多州和加利福尼亞州的執業(yè)專(zhuān)業(yè)電氣工程師。他在Littelfuse工作了35年（包括收購），目前的職責包括為客戶(hù)和銷(xiāo)售人員提供技術(shù)支持、設計協(xié)助和培訓。Barry Brents擁有德克薩斯理工大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。