簡易升降機能效測試與對比分析*

龔徐科，曹光敏，張志堅，阮 航

(寧波市特種設備檢驗研究院，浙江寧波315048)

0 引言

簡易升降機是以曳引機、卷揚機、電動葫蘆、液壓泵站等作為驅(qū)動裝置，通過鋼絲繩、齒輪齒條、鏈條或者液壓油缸等部件帶動貨廂，在井道內(nèi)沿垂直或與垂直方向傾斜角小于15°的剛性導向裝置運行的僅用于運載貨物的起重機械［1］。該類產(chǎn)品結構簡單，技術要求不高，同時對建筑物要求低，價格相對低廉，因而在企業(yè)尤其是中小型企業(yè)中得到了廣泛的應用。

為順利完成研究，掌握強制式和曳引式驅(qū)動簡易升降機的能耗情況，本研究在前期制定測試方案，確定測試條件、測試儀器和測試程序，并于2014年3月13日對兩臺參數(shù)基本一致的簡易升降機進行現(xiàn)場測試。

1 設備情況

該兩臺簡易升降機分別于2013年5月和6月制造，一臺為強制式簡易升降機，另一臺為曳引式簡易升降機，兩臺簡易升降機各項參數(shù)基本一致。強制式簡易升降機采用額定起重量為5 t 的CD1型電動葫蘆作為驅(qū)動主機;曳引式簡易升降機采用曳引機作為驅(qū)動主機，調(diào)速方式為交流雙速，并在貨廂的另一側(cè)設有對重，平衡系數(shù)為45%。該兩臺簡易升降機驅(qū)動電機功率均為5.5 kW。兩臺簡易升降機的基本情況表如表1所示。

表1 簡易升降機基本情況表

2 測試方案的確定

本研究在確定能效測試方案時參考了國家標準GB/T 30222—2013《起重機械用電力驅(qū)動起升機構能效測試方法》［2］和特種設備安全技術規(guī)范《電梯能效測試與評價規(guī)則》(征求意見稿)，采用了“供給能”、“有效能標稱值”和“能效標稱值”3 條定義。其中，供給能是簡易升降機按試驗方法要求完成一個測試工作周期時實際消耗的能量，有效能標稱值是簡易升降機按試驗方法要求完成一個測試工作周期時提供的有效能量，而能效標稱值則是簡易升降機在一個測試工作周期內(nèi)的有效能標稱值與供給能之比。

2.1 測試條件和程序

為保證測試效果，實施現(xiàn)場測試時在相應產(chǎn)品標準規(guī)定的工作條件下進行測試，測試條件和程序符合《電梯能效測試與評價規(guī)則》(征求意見稿)和GB 28755—2012《簡易升降機安全規(guī)程》中的相關規(guī)定。

2.2 測試儀器

測試儀器主要采用法國Chauvin-Arnoux 公司的C.A-8335 便攜式三相電能質(zhì)量分析儀，配用型號為MN93A 的電流鉗。

2.3 供給能的測試

供給能的測試通過C.A-8335 電能質(zhì)量分析儀測量，并按下式進行計算:

式中:EG—供給能，J;n—一個測試周期內(nèi)包含的測試階段的個數(shù);Di—一個測試周期內(nèi)第i 個階段電能質(zhì)量分析儀測量值，kW·h，測量值為負值時，為測試對象向電網(wǎng)反饋能量［3］。

電能質(zhì)量分析儀輸入端的接線在簡易升降機起升機構饋線接入處，具體接線位置示意圖如圖1所示［4］。

圖1 電能質(zhì)量分析儀接線圖

2.4 有效能的測試

能效測試的核心部分是有效能的測試，有效能的測試包括現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和理論計算內(nèi)容。

2.4.1 有效能測試參數(shù)的選取

為了全面反映簡易升降機實際運行中的各種載荷工況，本研究對比了《電梯能效測試與評價規(guī)則》(征求意見稿)的測試狀況，分別按簡易升降機額定載重量的0%、50%、100%進行測量。簡易升降機按指定的參考循環(huán)運行，指定層站為最大運行行程最接近的層站;每個工況運行3 個循環(huán)后停止循環(huán)，測量并記錄總能量值W0，記錄實際測量過程的樓層高度H1，總能量除以3 得到平均值并記錄該值W［5］1。

2.4.2 有效能標稱值的理論計算

有效能的計算應符合其物理過程和運動規(guī)律，并能嚴格遵守能量轉(zhuǎn)換和守恒的基本定律。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和守恒的基本定律，有效能的計算按下式計算，計算過程中導軌與導靴的摩擦阻力忽略不計［6］。

式中:Eqs—起重機構有效能標稱值，J;m—測試載荷，t;m1—貨廂自重，t;h—帶載升降時的實際升降高度，m;h'—空載升降時的實際升降高度，m。

2.5 能效標稱值的計算

簡易升降機能效標稱值計算如下式所示:

3 測試結果

2014年3月13日，本研究按照預定的測試方案分別對強制和曳引式簡易升降機進行了測試，測試結果如下。

3.1 能耗情況

本研究對C.A 8335 電能質(zhì)量分析儀中的數(shù)據(jù)進行整理，得出各工況平均有功電能消耗情況如表2所示。

表2 各工況有功電能消耗平均值(單位:Wh)

根據(jù)公式(1)由計算可得，強制式簡易升降機完成一個完整測試工況所需的供給能為86.5 Wh，而曳引式簡易升降機完成一個完整測試工況所需的供給能為71.4 Wh，說明總體上曳引式簡易升降機比較節(jié)能，但節(jié)能效果不是很明顯。另外筆者也看到強制式簡易升降機在下降各工況的電能消耗平均值均為負值，且隨著載荷增加絕對值依次增加，說明強制式簡易升降機在下降過程中存在著能量反饋，反饋能量的大小和載荷的重量成正比。

3.2 能效標稱值

根據(jù)公式(2)可計算出完成不同測試工況所需有效能的標稱值，各分項分別表示一個周期內(nèi)的空載運行、半載運行和重載運行，然后根據(jù)公式(3)可計算出各工況以及完整測試工況的能效標稱值如表3所示。

表3 各工況及完整工況有效能標稱值和能效標稱值

從表3 可以看出強制式簡易升降機完成一個完整測試工況的能效標稱值為103.85%，而曳引式簡易升降完成一個完整測試工況的能效標稱值為127.56%，這說明曳引式簡易升降機的能源利用效率比強制式簡易升降機的高。

3.3 有功功率

對電能質(zhì)量分析儀中的數(shù)據(jù)進行整理，得出各工況有功功率的穩(wěn)定值如表4所示。

表4 各功況有功功率穩(wěn)定值(單位:W)

圖2 強制式簡易升降機有功功率變化趨勢圖

強制式簡易升降機有功率變化趨勢圖如圖2所示。曳引式簡易升降有動功率變化趨勢圖如圖3所示。

圖3 曳引式簡易升降機有功功率變化趨勢圖

從表4 和圖2、圖3 可以看出，強制式簡易升降機下降各功況的有功功率最小值均為負值，且絕對值在滿載時最大，這說明強制式簡易升降機各功況是有能量反饋的，能量反饋的大小和載荷的大小正相關。

4 測試結果分析

4.1 強制式簡易升降機的能耗分析

從表4 可以看出，強制式簡易升降機完成一個完整測試工況所需的供給能86.5 Wh，而曳引式簡易升降機完成一個完整測試工況所需的供給能為77.4 Wh，說明曳引式簡易升降機總體比強制式簡易升降機節(jié)能，特別是在空載上升和半載上升時節(jié)能更加明顯，這是因為曳引式簡易升降機在貨廂的一側(cè)設置了對重，平衡了一部分貨廂的重量，當貨廂重量加上貨物重量和對重相等時，理論上電動機不用做功就可以使貨廂作上、下運動。從表4 可以看出強制式簡易升降機在下降工況時電能消耗平均值均為負值，也就是說在下降工況時電動機是不耗能的，相反電動機處在發(fā)電狀態(tài)，即電動機在運轉(zhuǎn)過程中向電網(wǎng)回饋了一部分電能，因為下降過程中重物本身的重力加速度將使電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，從而使電動機處于再生發(fā)電制動狀態(tài)，當下降重量越大時，向電網(wǎng)回饋的能量越多。

關于下降工況電動機向電網(wǎng)回饋的電能能否利用，文獻［7］中已有詳細論述，即起重機的起升機構在下降再生制動時都有能量回饋且能被同一廠房的其他設備利用，而在GB/T 30222-2013《起重機械用電力驅(qū)動起升機構能效測試方法》中也規(guī)定測量時應把回饋能量從消耗能量中減掉。

4.2 曳引式簡易升降機的能耗分析

從表2 可知，曳引式簡易升降機無論在上升還是下降過程均未測得回饋能量，這是因為曳引式簡易升降機采用的是交流雙速電機，以空載上升為例，電機在高速運行時，接入的是高速繞組，這時電機實際轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速要小，因此電機始終工作在電動狀態(tài)，需要消耗大量能量;而電機在減速過程中采用低速繞組，在減速開始的瞬間，雖然快速繞組已從電網(wǎng)撤出，并立即把低速繞組接入電網(wǎng)，而電動機的實際轉(zhuǎn)速因曳引式簡易升降機機械傳動系統(tǒng)的慣性，仍維持在原快速狀態(tài)時的轉(zhuǎn)速。因此，相對低速繞組而言，此時電機的實際轉(zhuǎn)速已大大高于低速繞組的同步磁場轉(zhuǎn)速，從而使低速繞組工作在再生發(fā)電制動減速狀態(tài)。對低速繞組來說，這時電動機恰好處于發(fā)電機的工作狀態(tài)，即把在快速運行時所具有的動能反饋到電網(wǎng)中去。但是和電動狀態(tài)相比制動狀態(tài)反饋的電能相對較少，因此整體測得的電能消耗平均值還是為正值［8］。

5 結束語

綜合以上數(shù)據(jù)，本研究可以得出如下結論:由于強制式簡易升降機采用的是交流異步電動機，下降工況時將一部分貨廂和重物的勢能和下降時的動能通過再生發(fā)電制動轉(zhuǎn)化為電能，以“負能量”的形式反饋給了電網(wǎng)，抵消了上升工況時部分用于作功的“正能量”;而曳引式簡易升降機采用的是交流雙速異步電動機，下降工況時大部分時間都在作正功，再生發(fā)電制動的時間較短，向電網(wǎng)反饋的電能幾乎可以忽略不計，這也是在實際測試過程中強制式簡易升降機和引式簡易升降機電能消耗平均值對比不是很明顯的根本原因。

通過對簡易升降機的能效測試和對比分析，本研究進一步掌握了兩種升降機的能耗和能源利用效率情況，為簡易升降機能耗的評價提供了可靠的實測數(shù)據(jù)，有助于政府職能部門制定簡易升降機節(jié)能方面的法規(guī)、標準，從而為推進簡易升降機節(jié)能產(chǎn)品市場的發(fā)展、降低簡易升降機的綜合能耗奠定了很好的基礎。

［1］曹光敏.GB 28755—2012，簡易升降機安全規(guī)程［S］.北京:中國標準出版社，2013.

［2］劉元利.GB/T 30222-2013，起重機械用電動力驅(qū)動起升機構能效測試方法［S］.北京:中國標準出版社，2014.

［3］陳志溪，余志林，葉建鋼，等.電梯工作特性和與能耗形式分析［J］.中國電梯，2008，19(4):43-45.

［4］王士琴，朱昌明，張 鵬，等.電梯能耗測量新方法［J］.起重運輸機械，2009(9):35-39.

［5］COOPER D.Energy of various elevator drives［J］.Elevator wored，1997，35(3):20-23.

［6］SCHROEDER J.Engery consumption and power requirements of elevators［J］.Elevator wored，1996，34(3):28-29.

［7］曹光敏，張志堅，丁高耀，等.橋式起重機能效對比測試與分析［J］.起重運輸機械，2013(8):114-118.

［8］孫立新.關于電梯能效評價的探討［J］.中國電梯，2008，19(4):43-45.