通過多種方式改進電梯和自動扶梯設計

新技術在各種場景中廣泛應用，包括我們所有人用來到達商業大樓、購物中心、公寓大樓和公寓樓層的電梯和自動扶梯。據估計，全球有近 2000 萬臺電梯和自動扶梯在運行，安裝數量還在大幅增加。2021 年，新安裝數量超過 100 萬臺。市場驅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新。經過改進的新型電機驅動器和電子設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閉電源。尤為重要的是，再生式電機驅動可減少高達 35% 的能耗。這是通過在電梯下行時采集能量，并將能量轉移到其他建筑系統來實現的。

除了要確保全天候運行的產品具有高可靠性外，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。

本文關注安全高效的電梯設計，為設計工程師提供針對過流、瞬態過壓、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發出堅固、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電梯部件在面對電氣危險和能源效率方面保持穩定。

1 關于堅固耐用、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始。圖 1 中為電梯電源控制面板示例。控制面板周圍的產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重要，因此最初的討論將側重于保護控制面板，使其不會因電氣危險而發生故障。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路上傳播的瞬態電壓。研究一種至少能承受 6000 A 瞬態脈沖和至少 400 J 瞬態能量的 MOV。設計人員可以通過選擇帶有內部熱敏元件的 MOV 來確保 MOV 正常工作，該元件在瞬態持續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 200 W 的瞬態功率。

逆變器模塊

逆變器提供驅動交流起升電機的電源。考慮使用高速保險絲和 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據線。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。

在傳輸電梯狀態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，應根據二極管電容進行選擇，以盡量減少傳輸信號的失真。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 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的輕觸開關。開關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，也可選擇額定壽命高達 1000 萬次操作的開關。研究具有氣密密封和耐腐蝕特性的開關，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 最大限度地節約能源

電梯消耗大量能源，而高能效電梯可以為樓宇業主節省大量電費。電梯的能效越高，在市場上的競爭優勢就越大。設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。

輔助電源是另一個可以提高能效的電路。設計人員可利用采用 SiC MOSFET 的開關模式拓撲結構實現高效 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，并實現高頻開關。

使用柵極驅動芯片優化 MOSFET 的效率，該芯片可提供以下功能：

· 快速導通和關斷信號可控制 MOSFET，

· 負柵極偏置電路可實現 MOSFET 的快速關斷，以及

· 采用單一封裝，可節省更多能源并簡化電路復雜性。

柵極驅動器電路模塊控制功率逆變器半導體。使用大功率柵極驅動器，特別是，雙柵極驅動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。考慮使用低 VCE（SAT）和低柵極電荷的 IGBT，以確保最大的驅動效率。

5 可靠節能電梯轎廂系統的建議

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

考慮在門開關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相同的長壽命開關。 長壽命輕觸開關的額定操作次數可高達 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。

8 節能設計

提高電梯轎廂系統的能效是有機會的。使用功率 MOSFET，使開關模式電源具有較高的開關速度，從而最大限度地提高輔助電源電路的效率。高速開關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探測器來簡化移動檢測和數據處理。電路中的數據可通知轎廂系統微控制器何時關閉電源電路。

9 實現堅固可靠的節能電梯

設計一個可靠、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現這些目標的部件提出了建議。

對于設計人員來說，采用元件制造商應用工程師的專業知識是非常有益的，可以節省開發時間和成本。提供的技術服務及專業知識，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行正式符合性測試之前發現問題。

使用推薦的保護、控制和傳感組件可確保電梯可靠、安全和節能。

關于作者

Barry Brents 是 Littelfuse 現場應用工程師。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業專業電氣工程師。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支持、設計協助和培訓。Barry Brents擁有德克薩斯理工大學電子工程學士學位。