安全高效电梯和自动扶梯解决方案

Barry Brents, 现场应用工程师, EBU, Littelfuse Inc.

新技术在各种场景中广泛应用，包括我们所有人用来到达商业大楼、购物中心、公寓大楼和公寓楼层的电梯和自动扶梯。据估计，全球有近2000万台电梯和自动扶梯在运行，安装数量还在大幅增加。2021年，新安装数量超过100万台。市场驱动因素包括城市人口的增长，这就需要更多的公寓楼和办公楼，其他驱动因素包括增加智能传感和无线连接，以减少意外停机时间，提高用户便利性。

降低功耗的需求迫使我们不断创新。经过改进的新型电机驱动器和电子设备可以显著降低能耗和成本。例如，LED照明可减少电梯照明所需的电力，而占用传感器可在电梯闲置时关闭电源。尤为重要的是，再生式电机驱动可减少高达35%的能耗。这是通过在电梯下行时采集能量，并将能量转移到其他建筑系统来实现的。

除了要确保全天候运行的产品具有高可靠性外，额外的电子设备还要求设计人员保护敏感电路免受外部环境威胁。此外，与老式电梯设计相比，设计人员还必须考虑如何降低能耗。本文关注安全高效的电梯设计，为设计工程师提供针对过流、瞬态过压、过热和静电放电 (ESD) 情况的保护解决方案。此外，文章还推荐了可提高设计效率和降低能源成本的组件。这些建议将使设计人员能够开发出坚固、可靠、安全和节能的电梯。

设计人员必须确保电梯电源控制面板和电梯轿厢的可靠性。以下内容将介绍如何使这两个电梯部件在面对电气危险和能源效率方面保持稳定。

1关于坚固耐用、高能效电梯电源控制面板的建议

让我们从电梯电源控制面板的设计开始。图1中为电梯电源控制面板示例。控制面板周围的产品列表突出显示了提供电路保护、传感和有效控制的推荐组件。这些控制组件有助于降低能耗和节约能源。

图1 电梯电源控制面板

图2为电梯电源控制面板细节和框图。下表列出了各电路所需的保护和功率元件。

图2 电梯电源控制面板框图

由于确保电梯设计的可靠性至关重要，因此最初的讨论将侧重于保护控制面板，使其不会因电气危险而发生故障。这些危险包括过流、过压、过热和静电放电。

2保护控制面板电路免受过流和过压影响

输入保护模块

输入保护块与交流电源相连。如果出现过流情况，交流电源有能力向电梯控制面板等负载提供大电流。此外，交流电源线路上由雷电和大型电机通电和断电引起的大功率瞬态电压也会影响控制面板的输入保护模块。

为了最大程度地确保安全，使用快速熔断保险丝保护控制面板免受交流电源线路大电流的影响。为确保保险丝能正常工作，应选择额定电压超过交流电源线路最大可能电压的保险丝。此外，还要选择额定分断电流较高的保险丝，这样保险丝才能安全断开，不会在过流情况下产生电弧。将保险丝固定在与保险丝额定值相似的保险丝座上，以免降低保险丝的性能。考虑使用MOV安全吸收交流电源线路上传播的瞬态电压。研究一种至少能承受6000A瞬态脉冲和至少400J瞬态能量的MOV。设计人员可以通过选择带有内部热敏元件的MOV来确保MOV正常工作，该元件在瞬态持续时间导致过热时会打开。

辅助电源模块

辅助电源将交流线路电压转换为直流电压，为可编程逻辑控制器 (PLC) 和其他直流电源模块供电。设计人员可以使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管保护该电路，使其免受通过输入保护模块的任何瞬态电压的影响。TVS二极管可保护辅助电源和下游模块中的半导体。TVS二极管的响应时间低于纳秒。TVS二极管可安全吸收至少200W的瞬态功率。

逆变器模块

逆变器提供驱动交流起升电机的电源。考虑使用高速保险丝和TVS二极管来保护功率半导体元件免受电机引起的瞬态影响。选择具有低I2t特性的保险丝，以最大限度地减少热能冲击。添加一个TVS二极管，将瞬态电压箝位到安全水平。确保TVS二极管能安全吸收高达600W的峰值脉冲功率。

过温保护

在逆变器电路模块中，必须监控大功率半导体的温度，以防止出现热失控情况。请选择具有快速热响应的NTC热敏电阻。使用密封且工作温度高达220°C的热敏电阻可确保高可靠性。

ESD保护

与外部环境连接的电路模块，如用户界面和无线通信接口，很容易受到 ESD(静电放电)的影响。TVS二极管具有超快的响应时间，是抑制来自用户或外部环境的ESD的最佳选择。对于用户界面，可考虑使用TVS二极管阵列(如图3所示)，用一个小型元件保护多达五条数据线。使用符合IEC 61000-4-2标准的TVS二极管，以获得足够的ESD吸收能力。

图3 5通道双向TVS二极管阵列示例

在传输电梯状态信息的无线通信模块中，ESD保护选项包括TVS二极管或聚合物ESD抑制器。图4为一个双向TVS二极管，用于防止任何极性的静电放电。如果使用TVS二极管，应根据二极管电容进行选择，以尽量减少传输信号的失真。可提供电容低于1.0pF的TVS二极管。

图4 双向分立TVS二极管

另一种选择是聚合物ESD抑制器，可承受更高的ESD冲击，最高可达30kV，电容低于0.1pF。图5为聚合物ESD抑制器的示例原理图。

图5 聚合物ESD抑制器

3融入可靠的性能

在楼层呼叫按钮电路中使用使用寿命长的轻触开关。开关应有足够的触觉反馈，以便用户能感觉到按钮已被激活。应选择额定寿命至少为20万次操作的开关，也可选择额定寿命高达1000万次操作的开关。研究具有气密密封和耐腐蚀特性的开关，以进一步提高可靠性。

楼层指示传感器块可在电梯到达楼层时进行检测。磁性接近传感器可满足这一要求。选择密封式传感器可延长使用寿命并获得最大可靠性。

4最大限度地节约能源

电梯消耗大量能源，而高能效电梯可以为楼宇业主节省大量电费。电梯的能效越高，在市场上的竞争优势就越大。设计人员的任务就是最大限度地提高能源效率。

整流器模块是一种可降低功耗的电路。整流二极管封装具有低正向压降和低漏电流的特点。此外，还提供带有控制电路的封装，可利用提升机电机制动时回收的能量将能量送回电网。

辅助电源是另一个可以提高能效的电路。设计人员可利用采用SiC MOSFET的开关模式拓扑结构实现高效AC-DC转换器。使用具有低RDS(ON)、低栅极电荷和低输出电容的SiC MOSFET，最大限度地减少MOSFET中的功率损耗，并实现高频开关。

使用栅极驱动芯片优化MOSFET的效率，该芯片可提供以下功能：

快速导通和关断信号可控制MOSFET，

负栅极偏置电路可实现MOSFET的快速关断，以及

采用单一封装，可节省更多能源并简化电路复杂性。

栅极驱动器电路模块控制功率逆变器半导体。使用大功率栅极驱动器，特别是，双栅极驱动器芯片组的峰值电流可达30A，工作电压为5V至35V。此外，应选择电源电流在10?A左右、功耗最低的栅极驱动器。

设计人员可以节能的第四种电路是逆变器电路。在该电路中，设计人员可采用IGBT功率晶体管为电机供电。考虑使用低VCE (SAT) 和低栅极电荷的IGBT，以确保最大的驱动效率。

5可靠节能电梯轿厢系统的建议

在优化了动力控制面板，使其具有强大的保护功能和能源效率之后，设计人员需要将同样的开发考虑因素应用到电梯轿厢中，从而完成电梯设计工作。图6显示了一个电梯轿厢示例，周围的产品列表表明了保护和节能技术的应用范围。图7显示了轿厢系统框图。旁边的表格列出了为轿厢系统电路提供保护、安全和节能的推荐组件。

图6 电梯轿厢系统

图7 电梯轿厢系统框图

6保护电梯轿厢

为保护轿厢控制系统免受交流电源线路引起的过流和过压影响，请在输入保护电路中使用保险丝和MOV。与控制面板不同，可考虑在轿厢控制系统的输入保护电路中使用时滞保险丝。时滞熔断器可避免因浪涌电流造成的停机故障。

确保防止门电机过热。使用NTC热敏电阻监控门电机的温度。

有线通信和无线通信电路应使用TVS二极管阵列来保护半导体元件免受静电放电冲击。与电源控制面板的无线通信电路一样，设计人员可以选择聚合物ESD抑制器，而不是TVS二极管。

7兼顾可靠性和安全性

在照明、音频和其他输出电路块中，应考虑采用光隔离固态继电器，以保护用户和维修人员免受高压电路的伤害。继电器应具有主动限流和热关断保护功能。

考虑在门开关传感器电路中使用磁传感器来检测门的位置。密封式传感器可延长使用寿命，提高可靠性。

在按钮输入电路中，应使用与电源控制电路中楼层呼叫电路建议使用的开关相同的长寿命开关。长寿命轻触开关的额定操作次数可高达1000万次。此外，还可考虑使用可选照明且密封防水防尘的开关。

8节能设计

提高电梯轿厢系统的能效是有机会的。使用功率MOSFET，使开关模式电源具有较高的开关速度，从而最大限度地提高辅助电源电路的效率。高速开关频率可使用较小的电感元件，从而节省电路板空间和成本。

占用传感器电路中的移动探测器电路可检测并通知电梯内有人。设计人员可以使用集成了微控制器的紧凑型移动探测器来简化移动检测和数据处理。电路中的数据可通知轿厢系统微控制器何时关闭电源电路。

9实现坚固可靠的节能电梯

设计一个可靠、坚固、安全和节能的电梯项目对设计工程师提出了许多挑战。本文针对帮助设计人员实现这些目标的部件提出了建议。

对于设计人员来说，采用元件制造商应用工程师的专业知识是非常有益的，可以节省开发时间和成本。提供的技术服务及专业知识，包括：

具有成本效益的组件选择;

适用安全标准指导;

预符合性测试(由某些元件制造商提供)，以帮助在提交设计进行正式符合性测试之前发现问题。

使用推荐的保护、控制和传感组件可确保电梯可靠、安全和节能。

关于作者

Barry Brents是Littelfuse现场应用工程师。他曾是美国海军核潜艇军官，是科罗拉多州和加利福尼亚州的执业专业电气工程师。他在Littelfuse工作了35年(包括收购)，目前的职责包括为客户和销售人员提供技术支持、设计协助和培训。Barry Brents拥有德克萨斯理工大学电子工程学士学位。