混合驅(qū)動(dòng)改善曳引電梯運(yùn)行能效的理論與方法

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州 221011）

電梯是人類社會(huì)化進(jìn)程中的重要工具之一，為人們的出行和貨物的運(yùn)輸提供了極大的便利。據(jù)研究表明，電梯的能量消耗往往達(dá)到了整座建筑物所消耗能量的20%以上，隨著世界范圍內(nèi)能源短缺問題逐漸彰顯，電梯消耗能量過高的問題制約了其進(jìn)一步發(fā)展和普及。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局調(diào)查結(jié)果顯示，2014年我國電梯總數(shù)量約為360萬，每年的平均增速達(dá)20%。同時(shí)，在工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大的背景下，能源的供應(yīng)和需求逐漸失去平衡，減少電梯能量消耗的研究也逐漸得到重視，所以通過改進(jìn)技術(shù)降低電梯能量消耗不僅有助于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也能促進(jìn)行業(yè)轉(zhuǎn)型和結(jié)構(gòu)調(diào)整，契合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

1 電梯能耗現(xiàn)狀以及研究意義

1.1 我國電梯市場發(fā)展?fàn)顩r

近年來隨著房地產(chǎn)行業(yè)的興起與擴(kuò)張，我國電梯行業(yè)也進(jìn)入到了快速擴(kuò)大規(guī)模的階段，據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)一年的電梯總產(chǎn)量約為81萬臺，正在使用中的電梯數(shù)量達(dá)到1354萬。其中僅中國的產(chǎn)銷量就達(dá)到了65萬，占全世界的80.24%，隨著越來越多的樓房建成，未來電梯數(shù)量估計(jì)每年將增加20%。

1.2 我國電梯能耗情況

資源和能量是一切技術(shù)的基礎(chǔ)，資源和能量的開采和利用始終推動(dòng)著人類技術(shù)的進(jìn)步。隨著高樓層建筑物數(shù)量不斷增加，其能源消耗也隨之增高，其中比例最高的便是電梯與空調(diào)，兩者所耗能量達(dá)到了整座建筑物的30%以上。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，高樓層客用梯每日使用的電量為40KWh，根據(jù)其計(jì)算全年所使用的電量達(dá)360億KWh，由此可見電梯所需能量之多。

依靠改進(jìn)電梯的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，如引入配重控制系統(tǒng)、數(shù)字化控制等，可以節(jié)約15%至20%左右的能量，但是由于技術(shù)的局限性，依然存在較為嚴(yán)重的電梯能量浪費(fèi)。

1.3 混合動(dòng)力研究意義

電梯在給人們提供了方便的同時(shí)也造成了巨大的資源和能量損耗，人們需要解決的課題是如何通過分析電梯的工作原理，改進(jìn)其工作方式從而降低其運(yùn)行能耗。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對于酒店、寫字樓等商務(wù)用途建筑，客梯的用電量占總用電總量的17%至25%。當(dāng)前的技術(shù)只要是將電動(dòng)機(jī)所發(fā)的電能反饋到相關(guān)電阻上，通過發(fā)熱的形式使該部分能量逸失，這種方式造成了很大一部分能量的浪費(fèi)，且會(huì)使機(jī)房溫度升高，提高電梯事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。在電梯實(shí)際運(yùn)行中，若能將這一部分多余的能量回收并加以使用，則能夠有效節(jié)約能源。據(jù)研究表明，若在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加節(jié)能系統(tǒng)，即降低15%左右的能量損失，則每年可以少使用78.8億度電，這相當(dāng)于省下315萬噸燃煤、3150萬噸水資源，同時(shí)避免排放214萬噸粉塵和其他污染物?？梢姡?jié)能技術(shù)不僅能利用好損失的能量，也可以實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)收益和環(huán)保效益。

2 曳引電梯工作特點(diǎn)分析

2.1 工作原理

常見的曳引電梯的主體為一個(gè)轎廂，兩次固定有剛性導(dǎo)軌，電梯在其間運(yùn)行。曳引電梯的核心構(gòu)件由機(jī)動(dòng)裝置和電氣控制器件組成。牽引機(jī)為電梯提供上下行的作用力，通過為電梯提供動(dòng)力保證保證電梯平穩(wěn)上下行。牽引機(jī)的核心構(gòu)成器件為：電動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置、聯(lián)軸器、框架以及滑輪組。為避免電梯廂與電梯井的墻壁剮蹭，在電梯廂上端會(huì)固定滑輪組和鋼絲繩，利用其摩擦力上下運(yùn)動(dòng)。電機(jī)系統(tǒng)具有四種運(yùn)行機(jī)制，分別屬于四大象限。當(dāng)電機(jī)處于第一、二象限時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的方向與轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)的方向相同，電梯向上行駛；處于第三、四象限時(shí)，電梯為下行模式。

2.2 運(yùn)行特點(diǎn)

根據(jù)上述對常見電梯工作原理的介紹，可以得出其運(yùn)行特性主要體現(xiàn)在這些方面：配重系統(tǒng)的使用，使得電梯廂在高載重上行以及低載重向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，牽引機(jī)處于最大功率。當(dāng)配重重量與載重的重量基本相同時(shí)，牽引機(jī)的功率最小，消耗的能量也最少。目前電梯使用高阻值電阻損耗電梯運(yùn)行產(chǎn)生的電量，但這一技術(shù)直接導(dǎo)致機(jī)房的表面溫度升高，從結(jié)果來看反而會(huì)增加能量的損耗。

3 電梯混合動(dòng)力系統(tǒng)原理分析

作為改進(jìn)的電梯混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要利用了液體壓力做功和電能的轉(zhuǎn)化，該過程應(yīng)該具備以下性能。

功率低、效率高?？疾鞂?shí)際運(yùn)行過程中的能量使用情況，判斷是否減少了能量的消耗，并評價(jià)該降損過程的效果。為了方便實(shí)驗(yàn)，可以監(jiān)測電梯實(shí)時(shí)的電量使用情況，并與未使用該系統(tǒng)的電梯在其他條件相同的情況下比較各自的能量使用情況。

液壓系統(tǒng)體積小。當(dāng)前電梯的升級方向是實(shí)現(xiàn)電梯無控制室，因此混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要在降低能量損耗的基礎(chǔ)上，使用較低容積的液壓油箱。

控制簡單、安全性好。新的混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須建立在不影響電梯正常工作的基礎(chǔ)上，要保證在遇到技術(shù)性故障時(shí)不會(huì)墜落，提高安全性。

3.1 工作原理

為了實(shí)現(xiàn)上述要求，本文提出的混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要以液壓泵來實(shí)現(xiàn)電能和液體勢能之間的相互轉(zhuǎn)化，同時(shí)儲(chǔ)蓄器用于收集、儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化之后的能量。

該系統(tǒng)的主要組成部分包括：作為電-勢能變換器件的定量泵體或者變量泵體、作為儲(chǔ)存能量、釋放能量器件的液壓儲(chǔ)能器，用來改變電梯運(yùn)行方向、速率的牽引機(jī)控制器及變頻器，監(jiān)測排量并評估系統(tǒng)壓力的混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文的探究重心在于混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電-勢能變換裝置。該裝置可以把運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的電能以液體勢能的形式存儲(chǔ)在載體中，為牽引機(jī)增加額外的動(dòng)力。牽引機(jī)軸上分別有永磁同步電機(jī)提供的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、牽引輪的載重轉(zhuǎn)矩以及儲(chǔ)能器增加的附加輔助轉(zhuǎn)矩，牽引機(jī)轉(zhuǎn)矩與永磁同步電機(jī)的耗能效率呈正相關(guān)，牽引機(jī)轉(zhuǎn)矩大、能量損耗高的工作流程是電梯發(fā)動(dòng)、靜止與非變速運(yùn)動(dòng)之間的變速運(yùn)動(dòng)過程。采用這種技術(shù)，能夠在變速環(huán)節(jié)中為電動(dòng)機(jī)增加額外的作用力，從而降低牽引機(jī)做功的效率，最終實(shí)現(xiàn)減少能量損耗。

電梯的配重技術(shù)是為了降低工作過程中能量的損失，但是需要注意，實(shí)際的載重?cái)?shù)不是某個(gè)確定的值，當(dāng)載重變動(dòng)時(shí)，牽引機(jī)在工作過程中的變速階段能量損失依然很高。在目前電梯運(yùn)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝儲(chǔ)能器即泵體器件，其實(shí)際效果等同于在電梯上施加了一個(gè)作用力，協(xié)助電梯的運(yùn)行。當(dāng)牽引機(jī)發(fā)電時(shí)，混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的目的是降低發(fā)電量甚至不產(chǎn)生額外電量，使更多的電量以液體勢能的形式存儲(chǔ)于液壓儲(chǔ)能器中，達(dá)到混合制動(dòng)降低能量損耗的目的。

3.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)

本文提出的混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理是通過液壓泵體器件的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及斜盤傾角的角度，與儲(chǔ)能器相互協(xié)調(diào)，從而有效降低牽引機(jī)的工作耗能和能量損失。所選泵體器件應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：器件在工作時(shí)一定要能夠做到正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)；要達(dá)到較快的轉(zhuǎn)速水平，有效配合變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)控行為；器件自吸油性能好?；旌向?qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)是將液壓泵體與儲(chǔ)能器構(gòu)建為電-勢能轉(zhuǎn)化器件，將其直接使用到現(xiàn)有的、較發(fā)達(dá)的電梯動(dòng)力系統(tǒng)上，通過將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的額外電量轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽艽鎯?chǔ)起來，為牽引機(jī)增加額外的作用力，減少動(dòng)力系統(tǒng)的能量損耗，以達(dá)到提高節(jié)能效果的目的。

3.3 運(yùn)行10 層能耗情況測試

通過仿真測試對混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各器件的性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為安裝了混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電梯正常運(yùn)行10層樓（約30米），通過儀器記錄系統(tǒng)存儲(chǔ)能量與緩釋能量的過程。根據(jù)儀器顯示的結(jié)果，電梯的運(yùn)動(dòng)過程持續(xù)了20s，初始運(yùn)行階段儲(chǔ)能器中液體的壓力較低，運(yùn)行到15s 時(shí)液壓急速上升。反之，釋能階段前5s 液體壓力減小速度較慢，隨后由于電梯運(yùn)行速度增加，釋能過程速度加快。以上結(jié)果符合儲(chǔ)能器的工作特性。

為了具體考慮安裝混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后降低能耗的效果，則要測試電梯在負(fù)載相同的情況下上行和下行的綜合能量使用情況。設(shè)定負(fù)載100kg，常規(guī)電梯消耗能量133.44kJ，混合驅(qū)動(dòng)電梯消耗能量115.40kJ；設(shè)定負(fù)載為300kg，能量消耗分別為101kJ 和86.8kJ；設(shè)定負(fù)載700kg，能量消耗分別為157.6kJ 和140.4kJ；設(shè)定負(fù)載為900kg，能量消耗分別為231.2kJ 和208.2kJ。據(jù)此計(jì)算，負(fù)載為100、300、700 和900kg 時(shí)，使用混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別可減少能量消耗達(dá)13.52%、14.06%、10.91%和9.95%，綜合而言，混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比于傳動(dòng)動(dòng)力可以降低12%左右的能量消耗。

4 結(jié)束語

要注意到，采用液-電混合的驅(qū)動(dòng)方式雖然在理論上已經(jīng)較為完善，但要運(yùn)用到實(shí)際使用中依然是復(fù)雜和困難的，還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和研究，以完善理論的可靠性。在本文的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步研究，在增加了液-電混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之后，當(dāng)電梯突然斷電或故障時(shí)，換向閥將處于停止位，泵體將閉鎖無法轉(zhuǎn)動(dòng)，由于電梯牽引機(jī)通過聯(lián)軸器與泵體剛性連接，電梯同時(shí)會(huì)及時(shí)停止運(yùn)行，因此需要開展對電梯安全性的試驗(yàn)研究。