電梯驅(qū)動(dòng)方式及節(jié)能發(fā)展

夏維鋼

電梯的能耗隨著世界節(jié)能思潮的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步也在不斷降低。經(jīng)歷了由直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速、異步電機(jī)交流雙速、星三角轉(zhuǎn)換、晶體管變頻、能量反饋?zhàn)冾l等。一個(gè)半世紀(jì)的風(fēng)風(fēng)雨雨，翻天覆地的是歷史的變遷，永恒不變的是電梯提升現(xiàn)代人生活質(zhì)量的承諾。

2010年由于變頻器技術(shù)發(fā)展，通力等各大廠商開始在中國市場大量推出應(yīng)用型能量反饋系統(tǒng)的變頻電梯，綜合節(jié)約能耗30%左右，應(yīng)用于2M/S速度及以上的住宅電梯上。

電梯自從出現(xiàn)一拉改變著人類的生活，為人類住房向樓房發(fā)展提供方便，也為樓層刷新新高度提供保障，電梯的效率也不斷提高，能耗不斷降低。

（1）直流驅(qū)動(dòng)在人類剛剛掌握電力的時(shí)代就出現(xiàn)了電梯，當(dāng)時(shí)交流電因不便調(diào)速還沒有大規(guī)模應(yīng)用，直流電是當(dāng)時(shí)的主流，直流電機(jī)運(yùn)用電流產(chǎn)生磁場，與固定磁場產(chǎn)生作用力把電能換成機(jī)械能

通過手動(dòng)控制正反轉(zhuǎn)，線圈勵(lì)磁調(diào)壓調(diào)速，

但其缺點(diǎn)也很明顯，電動(dòng)機(jī)龐大重量大，調(diào)壓設(shè)施和勵(lì)磁線圈占據(jù)較大空間，機(jī)房面積大，電機(jī)有碳刷換向故障率高，換向產(chǎn)生電火花導(dǎo)致燒蝕效率下降等等。其銅耗鐵耗大略如下圖曲線，隨功率增加升高發(fā)熱量增大。

隨著樓層增加，居民用電梯的需求量加大，對(duì)可靠性和經(jīng)濟(jì)性提出更高要求，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)漸漸顯現(xiàn)其劣勢。這時(shí)隨著交流電的應(yīng)用，異步鼠龍電機(jī)普及，其低故障率、體積小重量輕，方便運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢被用于電梯驅(qū)動(dòng)，大大方便了運(yùn)輸和安裝。替代了笨重的直流電機(jī)成為電梯的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。

（2）交流單速驅(qū)動(dòng)方式：交流電機(jī)其結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，重量輕故障率低，啟動(dòng)力矩大。易變壓輸電等優(yōu)點(diǎn)但受技術(shù)限制，固定頻率下不易調(diào)速，首先出現(xiàn)的是單速驅(qū)動(dòng)。

（3）直流驅(qū)動(dòng)：受到其結(jié)構(gòu)限制，啟動(dòng)啟動(dòng)電流大、力矩大，轉(zhuǎn)速高有沖擊，對(duì)電網(wǎng)有影響，也有一定的無功功率， 且只能做成交流單速運(yùn)行，相比直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速對(duì)舒適感有一定差距，但早期電梯，且普遍采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)減速比大，電梯速度小則劣勢不明顯。去控制電路如圖

異步電機(jī)的效率隨著負(fù)荷增加而增加，電機(jī)效率在80%到95%之間。

（4）交流雙速在異步電機(jī)普及后，很快出現(xiàn)了三項(xiàng)之間不同接法引起的不同功率模式，即星三角模式，其相互轉(zhuǎn)換就促成了最早的交流雙速電梯，速度的變換讓舒適感更好，也在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)采用高低功率切換模式，雙速相對(duì)于單速是在電機(jī)上加了一個(gè)星三角轉(zhuǎn)換接口，增加了一路控制回路。

星三角轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)方式簡單可靠性好，故障率低，負(fù)荷大，適用于低速電梯，在很多要求不高的載貨電梯中目前任然有使用。在不同工況下用不同的功率，適當(dāng)降低了能耗

（5）交流永磁同步變頻調(diào)速：永磁同步電機(jī)天生有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，其簡單，銅耗鐵耗更低，永磁體替代了轉(zhuǎn)子的電磁鐵和異步電機(jī)的大感應(yīng)電流環(huán)，還可以在重載時(shí)延緩墜落速度，是電梯驅(qū)動(dòng)的最優(yōu)動(dòng)力。

大功率永磁同步電機(jī)的出現(xiàn)要在稀土的提煉運(yùn)用后，摻雜了稀土的永磁體磁強(qiáng)度大幅提高，耐熱耐沖擊，磁性穩(wěn)定持久，很適合作為轉(zhuǎn)子。同時(shí)永磁同步不存在轉(zhuǎn)差率，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子速度可以精確控制，變頻器的技術(shù)大量普及可以精確控制電機(jī)頻率，一切為無齒輪電梯曳引機(jī)提供了條件。

90年代芬蘭通力推出蝶式永磁同步馬達(dá)，將轉(zhuǎn)子做成曳引輪，省去了蝸輪蝸桿的傳動(dòng)磨損，將驅(qū)動(dòng)方式變得更加簡潔低碳，大的截面利于散熱，馬達(dá)的扁平化讓空間利用率大大提高，96 年推出了無機(jī)房和小機(jī)房電梯，馬達(dá)的重量減輕了50%，，節(jié)約了高層建筑的結(jié)構(gòu)和頂層設(shè)計(jì)。

在此之前出現(xiàn)的晶體管可控硅技術(shù)（變頻器）為交流變壓變頻提供足夠的技術(shù)支持。變頻器一出現(xiàn)就很快從輸變電普及到工控領(lǐng)域。使得普通的交流電機(jī)的工況范圍加大，不僅可以擁有直流電機(jī)一樣的調(diào)節(jié)啟動(dòng)停止速度和加速度，還可以超頻或者低頻工作，電動(dòng)機(jī)功率密度得到提高，電機(jī)小型化。對(duì)電網(wǎng)的污染也可以得到控制。

（6）交流永磁同步變頻調(diào)速為高層住宅提供了簡單可靠價(jià)格低廉的解決方案，異步電機(jī)逐步向高速電梯發(fā)展。有相關(guān)統(tǒng)計(jì)，相比傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，永磁同步變頻變壓電梯驅(qū)動(dòng)對(duì)整棟建筑節(jié)約了20～30%的總體能耗。

交流永磁同步變頻調(diào)速：隨著技術(shù)發(fā)展，低碳環(huán)保的意識(shí)在提高，用戶對(duì)節(jié)能環(huán)保提出更高的要求，進(jìn)一步降低電梯的能耗勢在必行。

在一棟寫字樓，中高速電梯每年消耗的能源占整棟建筑的30%左右，巨大的能源消耗也是巨大的運(yùn)營費(fèi)用，同時(shí)永磁同步電機(jī)在重載下行時(shí)的特性能夠產(chǎn)生電能，在以前這部分電能被白白消耗掉，增加了散熱成本。所以就催生了新一種變頻器的運(yùn)用，能量反饋?zhàn)冾l器。

其結(jié)構(gòu)就是在普通變頻器的基礎(chǔ)之上增加了一組工頻逆變器，把永磁同步電機(jī)產(chǎn)生的電能反饋到電網(wǎng)，以供給整棟建筑的使用，據(jù)統(tǒng)計(jì)能量反饋?zhàn)冾l驅(qū)動(dòng)最大可節(jié)約總耗電的30%。為客戶節(jié)約了大量電能回顧電梯的發(fā)展，經(jīng)歷了從高能耗到低碳環(huán)保的發(fā)展歷程。從第一代的直流電梯到現(xiàn)在的能量反饋電梯，技術(shù)的進(jìn)步、對(duì)低能耗的追求一直貫徹始終。

展望下一代電梯，出現(xiàn)了一些新理念，比如迪拜哈利法塔的直線垂直無鋼絲提升，省去了傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦損失，通力的碳纖維提升，大幅降低了傳統(tǒng)鋼絲重量降低能耗，德國的電梯無銜接到戶改變了未來大樓的設(shè)計(jì)，使得建筑變得如同巨型圖書館的三維交通運(yùn)輸系統(tǒng)，中國福建出現(xiàn)的電梯中高層之間的同井道內(nèi)轉(zhuǎn)乘，增加了電梯的利用率。等等。

從世界第一臺(tái)蒸汽動(dòng)力提升機(jī)（還不能叫做電梯）到現(xiàn)在變頻反饋驅(qū)動(dòng)經(jīng)過了一百多年，三次工業(yè)革命也不短應(yīng)用到電梯的技術(shù)，電梯也越來越輕便化小型化智能化，但是對(duì)能源的需求并未本質(zhì)變化，未來可預(yù)見的時(shí)間也不會(huì)有革命性變化。其發(fā)展方向也會(huì)跟隨時(shí)代向人工智能，物聯(lián)網(wǎng)，聲音人機(jī)交互，多元化的轎廂內(nèi)部環(huán)境。當(dāng)然其在節(jié)能化的方式也會(huì)繼續(xù)發(fā)展，符合時(shí)代潮流。