通過(guò)多種方式改進(jìn)電梯和自動(dòng)扶梯設(shè)計(jì)

新技術(shù)在各種場(chǎng)景中廣泛應(yīng)用，包括我們所有人用來(lái)到達(dá)商業(yè)大樓、購(gòu)物中心、公寓大樓和公寓樓層的電梯和自動(dòng)扶梯。據(jù)估計(jì)，全球有近 2000 萬(wàn)臺(tái)電梯和自動(dòng)扶梯在運(yùn)行，安裝數(shù)量還在大幅增加。2021 年，新安裝數(shù)量超過(guò) 100 萬(wàn)臺(tái)。市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素包括城市人口的增長(zhǎng)，這就需要更多的公寓樓和辦公樓，其他驅(qū)動(dòng)因素包括增加智能傳感和無(wú)線連接，以減少意外停機(jī)時(shí)間，提高用戶便利性。

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(jī)驅(qū)動(dòng)器和電子設(shè)備可以顯著降低能耗和成本。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(jī)驅(qū)動(dòng)可減少高達(dá) 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(zhuǎn)移到其他建筑系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

除了要確保全天候運(yùn)行的產(chǎn)品具有高可靠性外，額外的電子設(shè)備還要求設(shè)計(jì)人員保護(hù)敏感電路免受外部環(huán)境威脅。此外，與老式電梯設(shè)計(jì)相比，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)工程師提供針對(duì)過(guò)流、瞬態(tài)過(guò)壓、過(guò)熱和靜電放電 (ESD) 情況的保護(hù)解決方案。此外，文章還推薦了可提高設(shè)計(jì)效率和降低能源成本的組件。這些建議將使設(shè)計(jì)人員能夠開(kāi)發(fā)出堅(jiān)固、可靠、安全和節(jié)能的電梯。

設(shè)計(jì)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(nèi)容將介紹如何使這兩個(gè)電梯部件在面對(duì)電氣危險(xiǎn)和能源效率方面保持穩(wěn)定。

關(guān)于堅(jiān)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(shè)計(jì)開(kāi)始。圖 1 中為電梯電源控制面板示例。控制面板周圍的產(chǎn)品列表突出顯示了提供電路保護(hù)、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(jié)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(xì)節(jié)和框圖。下表列出了各電路所需的保護(hù)和功率元件。

圖 2電梯電源控制面板框圖

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

保護(hù)控制面板電路免受過(guò)流和過(guò)壓影響

輸入保護(hù)模塊

輸入保護(hù)塊與交流電源相連。如果出現(xiàn)過(guò)流情況，交流電源有能力向電梯控制面板等負(fù)載提供大電流。此外，交流電源線路上由雷電和大型電機(jī)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(hù)模塊。

為了最大程度地確保安全，使用快速熔斷保險(xiǎn)絲保護(hù)控制面板免受交流電源線路大電流的影響。為確保保險(xiǎn)絲能正常工作，應(yīng)選擇額定電壓超過(guò)交流電源線路最大可能電壓的保險(xiǎn)絲。此外，還要選擇額定分?jǐn)嚯娏鬏^高的保險(xiǎn)絲，這樣保險(xiǎn)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(xiǎn)絲固定在與保險(xiǎn)絲額定值相似的保險(xiǎn)絲座上，以免降低保險(xiǎn)絲的性能。

考慮使用 MOV 安全吸收交流電源線路上傳播的瞬態(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(shè)計(jì)人員可以通過(guò)選擇帶有內(nèi)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(xù)時(shí)間導(dǎo)致過(guò)熱時(shí)會(huì)打開(kāi)。

輔助電源模塊

輔助電源將交流線路電壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)人員可以使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管保護(hù)該電路，使其免受通過(guò)輸入保護(hù)模塊的任何瞬態(tài)電壓的影響。TVS 二極管可保護(hù)輔助電源和下游模塊中的半導(dǎo)體。TVS 二極管的響應(yīng)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(qū)動(dòng)交流起升電機(jī)的電源?？紤]使用高速保險(xiǎn)絲和 TVS 二極管來(lái)保護(hù)功率半導(dǎo)體元件免受電機(jī)引起的瞬態(tài)影響。選擇具有低 I2t 特性的保險(xiǎn)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(dá) 600 W 的峰值脈沖功率。

過(guò)溫保護(hù)

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

ESD 保護(hù)

與外部環(huán)境連接的電路模塊，如用戶界面和無(wú)線通信接口，很容易受到 ESD（靜電放電）的影響。TVS 二極管具有超快的響應(yīng)時(shí)間，是抑制來(lái)自用戶或外部環(huán)境的 ESD 的最佳選擇。對(duì)于用戶界面，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(hù)多達(dá)五條數(shù)據(jù)線。使用符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)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)線通信模塊中，ESD 保護(hù)選項(xiàng)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(yīng)根據(jù)二極管電容進(jìn)行選擇，以盡量減少傳輸信號(hào)的失真。可提供電容低于 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(dá) 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

融入可靠的性能

在樓層呼叫按鈕電路中使用使用壽命長(zhǎng)的輕觸開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)應(yīng)有足夠的觸覺(jué)反饋，以便用戶能感覺(jué)到按鈕已被激活。應(yīng)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(dá) 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(dá)樓層時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。磁性接近傳感器可滿足這一要求。選擇密封式傳感器可延長(zhǎng)使用壽命并獲得最大可靠性。

最大限度地節(jié)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(jié)省大量電費(fèi)。電梯的能效越高，在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)就越大。設(shè)計(jì)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(jī)電機(jī)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(shè)計(jì)人員可利用采用 SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效 AC-DC 轉(zhuǎn)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(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)。

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

· 快速導(dǎo)通和關(guān)斷信號(hào)可控制 MOSFET，

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

· 采用單一封裝，可節(jié)省更多能源并簡(jiǎn)化電路復(fù)雜性。

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

設(shè)計(jì)人員可以節(jié)能的第四種電路是逆變器電路。在該電路中，設(shè)計(jì)人員可采用 IGBT 功率晶體管為電機(jī)供電。考慮使用低 VCE（SAT）和低柵極電荷的 IGBT，以確保最大的驅(qū)動(dòng)效率。

可靠節(jié)能電梯轎廂系統(tǒng)的建議

在優(yōu)化了動(dòng)力控制面板，使其具有強(qiáng)大的保護(hù)功能和能源效率之后，設(shè)計(jì)人員需要將同樣的開(kāi)發(fā)考慮因素應(yīng)用到電梯轎廂中，從而完成電梯設(shè)計(jì)工作。圖 6 顯示了一個(gè)電梯轎廂示例，周圍的產(chǎn)品列表表明了保護(hù)和節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用范圍。圖 7 顯示了轎廂系統(tǒng)框圖。旁邊的表格列出了為轎廂系統(tǒng)電路提供保護(hù)、安全和節(jié)能的推薦組件。

圖 6電梯轎廂系統(tǒng)

 圖 7電梯轎廂系統(tǒng)框圖

保護(hù)電梯轎廂

為保護(hù)轎廂控制系統(tǒng)免受交流電源線路引起的過(guò)流和過(guò)壓影響，請(qǐng)?jiān)谳斎氡Ｗo(hù)電路中使用保險(xiǎn)絲和 MOV。與控制面板不同，可考慮在轎廂控制系統(tǒng)的輸入保護(hù)電路中使用時(shí)滯保險(xiǎn)絲。時(shí)滯熔斷器可避免因浪涌電流造成的停機(jī)故障。

確保防止門電機(jī)過(guò)熱。使用 NTC 熱敏電阻監(jiān)控門電機(jī)的溫度。

有線通信和無(wú)線通信電路應(yīng)使用 TVS 二極管陣列來(lái)保護(hù)半導(dǎo)體元件免受靜電放電沖擊。與電源控制面板的無(wú)線通信電路一樣，設(shè)計(jì)人員可以選擇聚合物 ESD 抑制器，而不是 TVS 二極管。

兼顧可靠性和安全性

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

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

在按鈕輸入電路中，應(yīng)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(zhǎng)壽命開(kāi)關(guān)。 長(zhǎng)壽命輕觸開(kāi)關(guān)的額定操作次數(shù)可高達(dá) 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)。

節(jié)能設(shè)計(jì)

提高電梯轎廂系統(tǒng)的能效是有機(jī)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(jié)省電路板空間和成本。

占用傳感器電路中的移動(dòng)探測(cè)器電路可檢測(cè)并通知電梯內(nèi)有人。設(shè)計(jì)人員可以使用集成了微控制器的緊湊型移動(dòng)探測(cè)器來(lái)簡(jiǎn)化移動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。電路中的數(shù)據(jù)可通知轎廂系統(tǒng)微控制器何時(shí)關(guān)閉電源電路。

實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固可靠的節(jié)能電梯

設(shè)計(jì)一個(gè)可靠、堅(jiān)固、安全和節(jié)能的電梯項(xiàng)目對(duì)設(shè)計(jì)工程師提出了許多挑戰(zhàn)。本文針對(duì)幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的部件提出了建議。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，采用元件制造商應(yīng)用工程師的專業(yè)知識(shí)是非常有益的，可以節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。提供的技術(shù)服務(wù)及專業(yè)知識(shí)，包括： 

· 具有成本效益的組件選擇；

· 適用安全標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)；

· 預(yù)符合性測(cè)試（由某些元件制造商提供），以幫助在提交設(shè)計(jì)進(jìn)行正式符合性測(cè)試之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

使用推薦的保護(hù)、控制和傳感組件可確保電梯可靠、安全和節(jié)能。

關(guān)于作者

Barry Brents 是 Littelfuse 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。他曾是美國(guó)海軍核潛艇軍官，是科羅拉多州和加利福尼亞州的執(zhí)業(yè)專業(yè)電氣工程師。他在Littelfuse工作了35年（包括收購(gòu)），目前的職責(zé)包括為客戶和銷售人員提供技術(shù)支持、設(shè)計(jì)協(xié)助和培訓(xùn)。Barry Brents擁有德克薩斯理工大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。