摘要：针对电梯变频器相关试验方法和试验设备缺乏的问题，开发了一款电梯变频器试验装置，对电梯变频器相关性能进行试验研究。该试验装置包括试验曳引机、加载系统、电能质量分析仪和三相功率分析仪，变频器的一端连接电网，一端连接试验曳引机，电梯曳引机的轮轴输出端和加载系统机械连接，电能质量分析仪安装在电网和变频器输入端之间，三相功率分析仪安装在变频器和试验曳引机之间。试验过程中，通过调整加载系统使变频器输出不同的功率，模拟变频器各个不同的工况，采用电能质量分析仪和三相功率分析仪分别读取变频器输入端和输出端的电参数，完成变频器性能指标的测试。试验结果表明，试验人员可以在实验室内采用试验装置完成电梯变频器在各种不同工况下的试验，被测试电梯变频器的功率因数较低、谐波含量高，建议电梯变频器相关厂家采取相关措施提升产品性能。
关键词：电梯,变频器,试验装置,效率,电能质量
0引言
近年来，我国城市化进程飞速推进，许多高楼大厦在各个城市拔地而起。电梯作为高楼必须的垂直交通工具，其数量也在飞速增长。现如今，我国已经成为全球电梯保有量较多的国家，也是电梯新增数量较多的国家之一[1]。
在变频变压调速电梯出现之前，电梯主要采用交流双速、调压调速等方式进行电梯调速控制[2]。采用这些控制方式的电梯在整个运行过程中都需要消耗电能，导致电梯消耗大量能量[3]。随着电梯变频器技术的发展，变频变压调速方式逐渐取代传统的调速控制方式[4]。
采用变频变压调速方式的电梯，在电梯制动过程中或是处在下行重载以及上行轻载的情况下，电梯处于发电状态，并不消耗电能，因此电梯的节能效率大大提高。同时，采用变频变压调速的电梯在启动和制动阶段都比较平稳，可以实现零速抱闸，乘客的乘坐舒适感明显提高[5-6]。
许多学者对变频器进行了相关的研究[7-16],但是电梯行业并没有电梯变频器的产品标准，电梯相关标准里面也没有对电梯变频器的具体性能和试验的条款要求，只是在电梯控制柜或者整梯试验中体现其功能要求。变频器作为电梯驱动系统非常重要的部件，其性能好坏对电梯能否平稳运行非常重要。针对以上问题，本文开发了一种电梯变频器试验装置，在试验室可以完成变频器的相关测试项目。
1装置结构
变频器试验平台如图1所示，试验装置包括上位机、试验用电梯曳引机、加载电动机、加载变频器、控制器、转速和力矩传感器、三相功率分析仪以及电能质量分析仪。
被测变频器的输入端和三相交流电电性连接，输出端和试验用电梯曳引机电性连接。电能质量分析仪连接在被测变频器的输入端，用来测量交流电源到被测变频器之间的电信号。三相功率分析连接在被测变频器的输出端，测量被测变频器到试验用电梯曳引机之间的电信号。转速和力矩传感器通过机械连接方式安装在试验用电梯曳引机和加载电动机之间，并且和控制器电性连接，采集的速度和力矩信号通过控制器处理后传输到上位机。
加载变频器的输入端和控制器电性连接，输出端和加载电动机电性连接。
试验过程中，三相交流电导通后，向被测变频器供电，被测变频器驱动试验用电梯曳引机运转。控制器接收到上位机的信号，驱动加载变频器工作，加载电动机启动，被测变频器输出试验要求的转矩和功率。电能质量分析和三相功率分析仪采集试验中的电信号，转速和力矩传感器采集转速和力矩信号，并且上传到上位机。
通过读取电能质量分析仪、三相功率分析仪等仪器上的数据，完成变频器转效率、谐波分析、功率因数等多项内容的测试。
2仪器检测原理
2.1效率的检测
变频器效率是变频器非常重要的一项性能指标，直接关系到电梯的节能效率，本文将对变频器在50%额定功率、100%额定功率时的效率进行测试。变频器的效率的计算如下：
式中：η为变频器效率；P ac为三相功率分析仪在输出端检测的有功功率；P AC为电能质量分析仪在输入端检测的有功功率。
在变频器试验装置上，分别调整变频器输出50%额定功率、100%额定功率，采用电能质量分析仪和三相功率分析仪记录变频器输入端和输出端的有功功率。将采集的数据代入式(1)得到被测变频器的效率。
2.2电能质量检测
变频器的电能质量主要包括功率因数、谐波等参数，当变频器输入端的功率因数过低或谐波过高时，很容易对外部电网造成影响，容易造成电动机性能下降，甚至造成损坏。同时，也会使变频器内部元器件损坏，从而影响变频器的使用寿命。
在变频器试验装置上，将变频器调整为50%额度功率和额定功率输出，分别采用电能质量分析仪和三相功率分析仪采集变频器输入端和输出端的电能质量，分析试验结果。
3测量仪器技术方案
如图2所示，在电梯驱动主机试验台的1个电柜内，预留了2个外接变频器接口。变频器的输入端和电网连接，变频器的输出端连接到与被测试曳引机电性连接的3根输出线上。
电梯变频器制造厂家出厂的变频器通常和电梯控制主板一起集合成一体机，可以实现对电梯的驱动和控制。电梯一体机在正常工作情况下，需要接收电梯实际运行过程中的多个信号才能控制和驱动电梯驱动主机运行。
为了在驱动主机试验台上完成变频器的试验，试验人员需要将一体机的外部信号端口短接屏蔽，一体机按照直接驱动模式运行。变频器只需要在输入端接电网，输出端连接驱动主机，然后采集驱动主机编码器的信号完成自学习后就可以控制电梯驱动主机按照设定的工况模式工作。
在完成变频器的接线后，试验人员需要通过操作一体机配套的手操器（图3),将试验用曳引机的相关参数输入到一体机。在被测试曳引机处于抱闸状态下，操作手操器使一体机进行自学习，以完成驱动主机编码器信息的读取。
试验用曳引机和加载系统如图4所示，试验用曳引机和变频器的输出端通过三相线连接，曳引轮轴和加载变频器、减速机构和轴连接机构组成，通过向试验用曳引机的轮轴施加力矩，实现试验用曳引机的加载，使变频器按照试验工况运行。
试验用曳引机制动器电路的通断和电压大小的调整，通过主机试验台操作面板上的按钮实现，如图5所示。
根据试验用曳引机制动器电路类型选择交流或者直流输入电源，按压制动器手动开启或者手动关闭按钮，以及调整电源的电压大小，实现试验用曳引机制动器的开启和闭合。试验过程中，制动器处于开启状态，试验装置通过加载系统实现变频器各个工况的模拟。
加载系统的操作面板如图6所示，可以选择转速或者转矩加载模式，本试验中选择转矩加载模式。试验变频器设置为额定速度输出，加载系统的运行速度和变频器的额定速度同步，通过调节加载系统加载转矩的大小，进而调节变频器的输出力矩和输出功率，实现变频器多个工况的模拟。试验装置的加载系统配置有能量回馈装置，试验过程中加载电动机处于发电状态，如果采用制动电阻直接消耗这部分能量，很容易造成试验区域温度升高，电能浪费。通过加装能量回馈装置将试验过程中产生的电能回馈到电网，避免试验场所温度的升高，也节约了电能，降低了试验成本。
变频器的输入端连接电网，电网是三相工频电路，因此选择日置公司PQ3198型号的电能质量分析仪（图7)采集变频器输入端的电参数。电能质量分析仪采用钳形电流传感器采集线路中的电流信号，主要用于工频电路，可以实现电路中电流、电压、功率、谐波、功率因数等多种电参数的采集。变频器的输出端连接试验用曳引机，由于需要对试验用曳引机进行变频变压调速，变频器输出端的电信号为变频信号，因此采用日置公司PW6001型号的三相功率分析仪（图8)。
三相功率分析仪可以测量频率0.1 Hz~2 MHz范围内的电信号，可以准确测量变频器输出的电流、电压、功率、谐波、功率因数等多种电参数。电能质量分析仪和三相功率分析仪使用界面基本相似，操作简单，试验人员只需要简单进行接电设置和相关参数设置就可以让仪器正常采集变频器的输入输出参数，结果显示丰富，大大提升了试验效率。
4试验流程
(1)试验前，试验人员将电梯控制和驱动一体机连接到试验装置上，并且将驱动一体机调整为直接驱动模式。试验曳引机处于抱闸状态，驱动一体机采集曳引机编码器的信号，完成自学习。
(2)在试验装置操作平台上，将试验用曳引机制动器抱闸打开，开启加载系统，加载系统设置输出为较小的力矩。
(3)操作一体机手操器，设置变频器输出速度为试验用曳引机的额定速度，变频器开始带动试验用曳引机运行。
(4)调整加载系统的力矩输出，使变频器达到试验工况，同时读取电能质量分析仪和三相功率分析仪上的试验数据，完成测试。
5测试与结果分析
试验人员对一台变频器进行试验研究。变频器的额定功率为11 kW,额定电流为28.5 A。试验用曳引机的额定功率为14.3 kW,额定电流30 A。
试验人员将变频器连接到试验装置上，分别使变频器输出50%额定功率和100%额定功率，采用电能质量分析仪和三相功率分析仪采集变频器输入端和输出端的电能参数。
5.1效率测试
变频器的效率测试结果如表1所示。在50%额定载荷和100%额定载荷输出情况下，变频器的效率都超过了90%,而且在100%额定载荷下，变频器输出效率超过95%。该变频器效率性能指标良好。
5.2电能质量检测结果
变频器功率因数测试结果如表2所示。在50%额定载荷和100%额定载荷输出情况下，变频器输入端的功率因数只稍稍超过了0.5,输出端则超过了0.8。变频器输入端的功率因数过低，输出端的功率因数也不算高。
变频器输入端和输出端的谐波测试结果分别如图9和图10所示。变频器输入端的总谐波含量较高，奇数次谐波含量较高。
从以上测试结果可以发现，试验变频器的输入端谐波含量高，功率因数很低，很容易对外部电网其他设备的正常运行产生影响，同时可能引起试验变频器内部元器件的损坏，进而影响变频器的使用寿命。试验变频器输出端的的谐波含量不高和功率因数勉强及格，可能影响被驱动电动机的运行稳定性。
对于试验变频器存在的以上问题，建议变频器安装时，安装人员在变频器的输入端并联电容器、电抗器等电器装置，提升变频器输入端的功率因数，降低谐波含量。变频器的输出端则可以采用主动无功补偿的方法，对电动机运行中的无功功率实时补偿，提升变频器输出端的电能质量，提升电动机的运行稳定性。
6结束语
(1)试验人员无须将变频器安装到电梯整梯或者控制柜上，可以在实验室内将变频器连接到试验装置上，根据试验要求调整变频器的输出功率，模拟变频器各种不同的工况状态，完成电梯变频器相关性能指标的试验，这大大提升了试验质量和效率，降低试验成本。
(2)该试验装置接线简单，试验装置预留了变频器的接线位置，试验时只需要将变频器的输入和输出端分别连接到电网端和电动机输入端。
(3)该试验装置操作简单，可以在试验面板上通过简单操作按钮，实现电梯曳引机制动器的开启、关闭和调整变频器的输出功率。
(4)该试验装置的研制可以引导行业人员对变频器开展更深入的研究，推动电梯变频器检测技术的发展，提升电梯变频器的质量水平，促进行业高质量发展。
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