淺析電梯節(jié)能技術(shù)

方芳　孫明輝

【摘 要】能源供需矛盾日益緊張，電梯業(yè)的能源消耗在日常生活中占很大比重。本文從電梯拖動(dòng)和控制系統(tǒng)方面討論了電梯中可采用的節(jié)能措施和發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】電梯；永磁同步曳引機(jī)；能量回生

城市建設(shè)的需要，市場(chǎng)上電梯的需求量越來越大，然而在對(duì)賓館、寫字樓等的用電情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)中，電梯用電量約占總用電量的20%，僅次于空調(diào)用電量，高于照明、供水等的用電量。為創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)，發(fā)展節(jié)能型電梯是電梯行業(yè)發(fā)展的重要方向。

節(jié)能效果與電梯拖動(dòng)系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)等方面密切相關(guān)。

有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載消耗的電能占總耗電量的70%以上。因此，電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)節(jié)約電能具有特別重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)節(jié)約電能的途徑主要有兩大類：

（1）提高電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，電梯曳引機(jī)采用變頻器調(diào)速取代異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速是以提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率為目標(biāo)的節(jié)能措施；

（2）將運(yùn)動(dòng)中負(fù)載上的機(jī)械能通過能量回饋裝置變換成電能（再生電能）并回送給交流電網(wǎng)，供附近其它用電設(shè)備使用，使電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在單位時(shí)間消耗電網(wǎng)電能下降，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。

有齒輪曳引機(jī)：拖動(dòng)裝置的動(dòng)力，通過中間減速器傳遞到曳引輪上的曳引機(jī)，其中的減速箱通常采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，這種曳引機(jī)用的電動(dòng)機(jī)有交流的，也有直流的，一般用于低速電梯上。即曳引機(jī)的電動(dòng)機(jī)動(dòng)力是通過減速箱傳到曳引輪上的，稱為有齒輪曳引機(jī)，一般用于2.5m/s以下的低中速電梯。

無齒輪曳引機(jī)：拖動(dòng)裝置的動(dòng)力，不用中間的減速器而是直接傳遞到曳引輪上的曳引機(jī)。即電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力不通過減速箱而直接傳動(dòng)到曳引輪上則稱為無齒輪曳引機(jī)，一般用于2.5m/s以上的高速電梯和超高速電梯。

永磁同步曳引機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： 1、高效節(jié)能、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好：采用多極低速直接驅(qū)動(dòng)的永磁同步曳引機(jī)，無需龐大的機(jī)械傳動(dòng)效率僅為70%左右的蝸輪、蝸桿減速齒輪箱；與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，無需從電網(wǎng)汲取無功電流，因而功率因數(shù)高；因沒有激磁繞組沒有激磁損耗，故發(fā)熱小，因而無需風(fēng)扇、無風(fēng)摩耗，效率高；采用磁場(chǎng)定向矢量變換控制，具有和直流電動(dòng)機(jī)一樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，起、制動(dòng)電流明顯低于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，所需電動(dòng)機(jī)功率和變頻器容量都得到減小。

2、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低：低速直接驅(qū)動(dòng)，故軸承噪聲低，無風(fēng)扇、無蝸輪蝸桿噪聲。噪聲一般可低5～10分貝，減小對(duì)環(huán)境噪聲污染。

3、節(jié)省建筑空間：無龐大減速齒輪箱、無激磁繞組、采用高性能釹鐵硼永磁材料，故電機(jī)體積小，重量輕，可縮小機(jī)房或無需機(jī)房。

4、使用壽命長、安全可靠：電機(jī)無需電刷和集電環(huán)，故使用壽命長，且無齒輪箱的油氣，對(duì)環(huán)境污染少。

5、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用少 ：無刷、無減速箱，維護(hù)簡(jiǎn)單。

相對(duì)于有齒輪式曳引機(jī)，永磁同步曳引機(jī)具節(jié)能環(huán)保之絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，無需齒輪油，實(shí)現(xiàn)低振動(dòng)低噪音，更為綠色環(huán)保。永磁同步曳引機(jī)小型化及薄型化特點(diǎn)，節(jié)省空間。對(duì)電梯配置安排及與建筑物間整合空間的搭配性，大大提升。

基于以上原因，目前很多電梯廠家采用的是永磁同步無齒曳引機(jī)，對(duì)電梯專用變頻裝置有十分完善的軟件支持，可接受任意位置傳感器的反饋信號(hào)，具有自學(xué)習(xí)功能，自動(dòng)識(shí)別電動(dòng)機(jī)參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向伺服時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行初始定位，具有和直流電動(dòng)機(jī)一樣優(yōu)良的線性轉(zhuǎn)矩控制特性。其體積小、效率高、功率因數(shù)高、振動(dòng)小、噪聲低，平層精度好，在高層建筑、無機(jī)房電梯和家庭小梯中都有很大的市場(chǎng)。

目前電梯大部分是使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式，電梯在運(yùn)行過程中，有電動(dòng)運(yùn)行與發(fā)電運(yùn)行（也叫制動(dòng)運(yùn)行）兩種狀態(tài)。當(dāng)轎廂重量小于配重（即輕載上行）和轎廂重量大于配重（即重載下行）以及電梯停站前的制動(dòng)時(shí)候，處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)（制動(dòng)運(yùn)行）。早期的電梯在制動(dòng)狀態(tài)下采用的是制動(dòng)電阻用來消耗這部分熱能，制動(dòng)電阻單元安裝在控制柜上。當(dāng)電梯啟動(dòng)達(dá)到最高運(yùn)行速度時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)能也是最大的，而當(dāng)電梯到達(dá)目的層前要逐步減速，而這個(gè)減速的過程就是電梯釋放機(jī)械動(dòng)能的一個(gè)過程。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)是通過電動(dòng)機(jī)可以將這一運(yùn)動(dòng)過程的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能存儲(chǔ)在變頻器內(nèi)部的大電容中（發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一部分能量，我們稱之為再生能源）。實(shí)際上，輸送回這個(gè)大電容中的電能越多，電容電壓就會(huì)越高，如果不能及時(shí)把電容器儲(chǔ)存的這些電能釋放掉，電梯就可能產(chǎn)生過壓故障，會(huì)直接導(dǎo)致電梯無法正常工作運(yùn)行。

傳統(tǒng)的變頻器通常采用串聯(lián)外置制動(dòng)電阻將這些能量以熱能的方式消耗掉，制動(dòng)電阻使整個(gè)控制柜溫度上升，也是對(duì)能源的一種浪費(fèi)。

隨著電梯系統(tǒng)的不斷完善，基于節(jié)能的理念，逐步采用能量反饋系統(tǒng)代替了電阻消耗的方式，已經(jīng)成為了市場(chǎng)的主流。能量反饋系統(tǒng)是將運(yùn)動(dòng)中的負(fù)載上的機(jī)械能通過能量回饋裝置變換成電能并回送給交流電網(wǎng)，供附近其他用電設(shè)備使用，使電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在單位時(shí)間消耗電能下降。如合理使用電梯回饋節(jié)能裝置的話，就可以有效地將電容C中儲(chǔ)存的直流電能輕易地轉(zhuǎn)換成交流電能并且及時(shí)輸送電網(wǎng)。這樣不但實(shí)現(xiàn)了節(jié)電的目的，還可以避免大功率電阻的工作，會(huì)極大地改善電梯系統(tǒng)的運(yùn)行，并且避免了因使用能耗電阻而造成的系統(tǒng)效率低、電梯控制柜的發(fā)熱，環(huán)境溫度過高等缺點(diǎn)。采用能量回生裝置，在控制柜上方用LCL-BOX濾波器取代了回生電阻。采用了PWM雙變頻器，所謂雙變頻器，是指通過馬達(dá)發(fā)電狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電能反饋到客戶電源，以減少大樓里的電力消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)CON與逆變器串聯(lián)并排安裝， LCL-BOX的發(fā)熱由風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。經(jīng)測(cè)試，該回路系統(tǒng)溫升和風(fēng)扇噪音均可達(dá)標(biāo)，機(jī)房溫度下降5～10攝氏度。兩種運(yùn)行狀態(tài)采用能量反饋的設(shè)計(jì)思路如下：

使用了該能量回饋裝置，需要具備完整的保護(hù)功能（如：過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)，采用自診斷技術(shù)確保輸出電壓精確，防止電流回送等），而且這些保護(hù)的設(shè)置參數(shù)都低于電梯控制柜和變頻器的保護(hù)參數(shù)的水平，一旦回饋裝置噶張，其本身的保護(hù)就會(huì)先于電梯控制回路的保護(hù)起作用，使回饋裝置停止工作。此時(shí)電梯仍可以正常工作，只是少了電能回饋的功能，因此對(duì)電梯的安全運(yùn)行沒有任何影響。

前面提到，重載下降、輕載上升以及電梯停站前的制動(dòng)期間才會(huì)發(fā)電，所以發(fā)電量的大小取決于出現(xiàn)上面三種運(yùn)行狀況的幾率。出現(xiàn)上述狀況的幾率越高，回饋的電量就越多，節(jié)能率越高。

經(jīng)測(cè)試，使用了能量回生裝置后，以1050kg，1.75m/s為例，每天運(yùn)行12個(gè)小時(shí)，每月25天計(jì)算，節(jié)能效果達(dá)到38%以上。

結(jié)語

以上從曳引機(jī)方面和PWM雙變頻器的回饋系統(tǒng)方面，對(duì)電梯節(jié)能方法做了介紹，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛，節(jié)能效果明顯。

除了以上的節(jié)能方法以外，還有其他可以節(jié)能的一些措施。如多臺(tái)電梯時(shí)采用群管理控制，還有轎廂內(nèi)部照明采用LED方式。隨著電梯技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，越來越多的注重節(jié)能環(huán)保，相信節(jié)能技術(shù)的開發(fā)會(huì)越來越多。

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