Barry Brents, 現(xiàn)場應用工程師, EBU, Littelfuse Inc.

新技術(shù)在各種場景中廣泛應用，包括我們所有人用來到達商業(yè)大樓、購物中心、公寓大樓和公寓樓層的電梯和自動扶梯。據(jù)估計，全球有近2000萬臺電梯和自動扶梯在運行，安裝數(shù)量還在大幅增加。2021年，新安裝數(shù)量超過100萬臺。市場驅(qū)動因素包括城市人口的增長，這就需要更多的公寓樓和辦公樓，其他驅(qū)動因素包括增加智能傳感和無線連接，以減少意外停機時間，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)過改進的新型電機驅(qū)動器和電子設(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關(guān)閉電源。尤為重要的是，再生式電機驅(qū)動可減少高達35%的能耗。這是通過在電梯下行時采集能量，并將能量轉(zhuǎn)移到其他建筑系統(tǒng)來實現(xiàn)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(shè)備還要求設(shè)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(shè)計相比，設(shè)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(shè)計，為設(shè)計工程師提供針對過流、瞬態(tài)過壓、過熱和靜電放電 (ESD) 情況的保護解決方案。此外，文章還推薦了可提高設(shè)計效率和降低能源成本的組件。這些建議將使設(shè)計人員能夠開發(fā)出堅固、可靠、安全和節(jié)能的電梯。

設(shè)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(nèi)容將介紹如何使這兩個電梯部件在面對電氣危險和能源效率方面保持穩(wěn)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(shè)計開始。圖1中為電梯電源控制面板示例?？刂泼姘逯車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(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節(jié)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(shè)計的可靠性至關(guān)重要，因此最初的討論將側(cè)重于保護控制面板，使其不會因電氣危險而發(fā)生故障。這些危險包括過流、過壓、過熱和靜電放電。

2保護控制面板電路免受過流和過壓影響

輸入保護模塊

輸入保護塊與交流電源相連。如果出現(xiàn)過流情況，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交流電源線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，不會在過流情況下產(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?？紤]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6000A瞬態(tài)脈沖和至少400J瞬態(tài)能量的MOV。設(shè)計人員可以通過選擇帶有內(nèi)部熱敏元件的MOV來確保MOV正常工作，該元件在瞬態(tài)持續(xù)時間導致過熱時會打開。

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二極管的響應時間低于納秒。TVS二極管可安全吸收至少200W的瞬態(tài)功率。

逆變器模塊

逆變器提供驅(qū)動交流起升電機的電源?？紤]使用高速保險絲和TVS二極管來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600W的峰值脈沖功率。

過溫保護

在逆變器電路模塊中，必須監(jiān)控大功率半導體的溫度，以防止出現(xiàn)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，如用戶界面和無線通信接口，很容易受到 ESD(靜電放電)的影響。TVS二極管具有超快的響應時間，是抑制來自用戶或外部環(huán)境的ESD的最佳選擇。對于用戶界面，可考慮使用TVS二極管陣列(如圖3所示)，用一個小型元件保護多達五條數(shù)據(jù)線。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。

圖3 5通道雙向TVS二極管陣列示例

在傳輸電梯狀態(tài)信息的無線通信模塊中，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(jù)二極管電容進行選擇，以盡量減少傳輸信號的失真?？商峁╇娙莸陀?.0pF的TVS二極管。

圖4 雙向分立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30kV，電容低于0.1pF。圖5為聚合物ESD抑制器的示例原理圖。

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的輕觸開關(guān)。開關(guān)應有足夠的觸覺反饋，以便用戶能感覺到按鈕已被激活。應選擇額定壽命至少為20萬次操作的開關(guān)，也可選擇額定壽命高達1000萬次操作的開關(guān)。研究具有氣密密封和耐腐蝕特性的開關(guān)，以進一步提高可靠性。

樓層指示傳感器塊可在電梯到達樓層時進行檢測。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使用壽命并獲得最大可靠性。

4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。電梯的能效越高，在市場上的競爭優(yōu)勢就越大。設(shè)計人員的任務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。此外，還提供帶有控制電路的封裝，可利用提升機電機制動時回收的能量將能量送回電網(wǎng)。

輔助電源是另一個可以提高能效的電路。設(shè)計人員可利用采用SiC MOSFET的開關(guān)模式拓撲結(jié)構(gòu)實現(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，并實現(xiàn)高頻開關(guān)。

使用柵極驅(qū)動芯片優(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)省更多能源并簡化電路復雜性。

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

設(shè)計人員可以節(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(qū)動效率。

5可靠節(jié)能電梯轎廂系統(tǒng)的建議

在優(yōu)化了動力控制面板，使其具有強大的保護功能和能源效率之后，設(shè)計人員需要將同樣的開發(fā)考慮因素應用到電梯轎廂中，從而完成電梯設(shè)計工作。圖6顯示了一個電梯轎廂示例，周圍的產(chǎn)品列表表明了保護和節(jié)能技術(shù)的應用范圍。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、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

6保護電梯轎廂

為保護轎廂控制系統(tǒng)免受交流電源線路引起的過流和過壓影響，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(tǒng)的輸入保護電路中使用時滯保險絲。時滯熔斷器可避免因浪涌電流造成的停機故障。

確保防止門電機過熱。使用NTC熱敏電阻監(jiān)控門電機的溫度。

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

7兼顧可靠性和安全性

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，以保護用戶和維修人員免受高壓電路的傷害。繼電器應具有主動限流和熱關(guān)斷保護功能。

考慮在門開關(guān)傳感器電路中使用磁傳感器來檢測門的位置。密封式傳感器可延長使用壽命，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關(guān)相同的長壽命開關(guān)。長壽命輕觸開關(guān)的額定操作次數(shù)可高達1000萬次。此外，還可考慮使用可選照明且密封防水防塵的開關(guān)。

8節(jié)能設(shè)計

提高電梯轎廂系統(tǒng)的能效是有機會的。使用功率MOSFET，使開關(guān)模式電源具有較高的開關(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探測器電路可檢測并通知電梯內(nèi)有人。設(shè)計人員可以使用集成了微控制器的緊湊型移動探測器來簡化移動檢測和數(shù)據(jù)處理。電路中的數(shù)據(jù)可通知轎廂系統(tǒng)微控制器何時關(guān)閉電源電路。

9實現(xiàn)堅固可靠的節(jié)能電梯

設(shè)計一個可靠、堅固、安全和節(jié)能的電梯項目對設(shè)計工程師提出了許多挑戰(zhàn)。本文針對幫助設(shè)計人員實現(xiàn)這些目標的部件提出了建議。

對于設(shè)計人員來說，采用元件制造商應用工程師的專業(yè)知識是非常有益的，可以節(jié)省開發(fā)時間和成本。提供的技術(shù)服務及專業(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(shè)計進行正式符合性測試之前發(fā)現(xiàn)問題。

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(jié)能。

關(guān)于作者

Barry Brents是Littelfuse現(xiàn)場應用工程師。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(zhí)業(yè)專業(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和銷售人員提供技術(shù)支持、設(shè)計協(xié)助和培訓。Barry Brents擁有德克薩斯理工大學電子工程學士學位。