電梯節(jié)能技術(shù)發(fā)展

關(guān) 輝

東芝電梯(中國(guó))有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110168

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,人們生活水平的不斷提高,我國(guó)電梯的擁有量呈不斷上升的趨勢(shì),電梯的能耗也隨之不斷增加。至2019年底,全國(guó)電梯數(shù)量已達(dá)709.75萬(wàn)臺(tái)。面對(duì)如此龐大的電梯數(shù)量,提高電梯能源效率意義重大。下面就以近幾十年電梯技術(shù)的發(fā)展歷史為背景,介紹電梯節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。

電梯控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。自電梯誕生以來(lái),硬件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)都經(jīng)歷了不斷的改進(jìn)和完善,使電梯運(yùn)轉(zhuǎn)越來(lái)越節(jié)能。下面就按硬件系統(tǒng)改善和軟件系統(tǒng)改進(jìn)來(lái)分類,分別介紹電梯硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。

一、硬件系統(tǒng)

1.變頻器驅(qū)動(dòng)替代三相電直接驅(qū)動(dòng)。上世紀(jì)80年代之前,我國(guó)絕大多數(shù)電梯都使用交流雙速異步電機(jī)。三相動(dòng)力電經(jīng)過(guò)空氣開(kāi)關(guān)、熱繼、接觸器后直接連接到異步電機(jī)的定子繞組。這樣異步電機(jī)在啟動(dòng)階段的轉(zhuǎn)差率非常大,導(dǎo)致電梯在啟動(dòng)階段的定子電流很大,大電流并沒(méi)有轉(zhuǎn)化成電機(jī)動(dòng)能,而是產(chǎn)生了大量的熱,不僅浪費(fèi)了大量電能,而且危害電機(jī)線圈壽命。盡管采用了星角、串電阻、串電抗等啟動(dòng)技術(shù),啟動(dòng)階段對(duì)電機(jī)線圈的沖擊有所改善,但能源利用效率仍待提高。

上世紀(jì)80年代之后,隨著變壓、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,使用變頻器控制電機(jī)的電梯逐漸占領(lǐng)市場(chǎng)。變頻器可以在電機(jī)的輸入端將電壓從0逐漸升高到電機(jī)的額定電壓,將電源頻率由0逐漸地提高至額定頻率。這樣就可以精確控制電機(jī)的啟動(dòng)電流,既抑制了啟動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)線圈的沖擊,又提高了能源效率,是電梯發(fā)展史上的一次巨大進(jìn)步。

2.永磁同步曳引機(jī)替代異步電機(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)之后,永磁同步電機(jī)技術(shù)有了快速發(fā)展,在電梯系統(tǒng)中逐漸替代了異步電機(jī)。相比異步電機(jī),同步電機(jī)沒(méi)有蝸輪蝸桿減速機(jī),傳動(dòng)效率可提高20%～30%；且同步電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)子損耗,可以降低45%～60%損耗。

3.能量回饋系統(tǒng)替代制動(dòng)電阻。當(dāng)電梯處于空載上行、滿載下行,或者從高速運(yùn)行轉(zhuǎn)為停止運(yùn)行的過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)都處于發(fā)電狀態(tài),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。對(duì)于變頻電梯,此機(jī)械能轉(zhuǎn)化成的電能經(jīng)過(guò)變頻器的三相逆變橋反向回饋到變頻器的直流母線上,當(dāng)直流母線電壓達(dá)到閥值時(shí)接通制動(dòng)電阻將電能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中。這樣的處理方式是對(duì)能源的一種巨大浪費(fèi),采用能量回饋裝置替代制動(dòng)電阻,可以解決這一問(wèn)題。能量回饋裝置可以把電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)逆變,變成與電網(wǎng)同頻、同相的優(yōu)質(zhì)交流電返回到局域電網(wǎng),供電梯主板、照明、風(fēng)扇等裝置以及附近的負(fù)載使用。使用能量回饋裝置的電梯節(jié)電效果十分明顯,相比采用制動(dòng)電阻的電梯系統(tǒng),可節(jié)電15%～45%。

二、軟件系統(tǒng)

1.強(qiáng)制限制停止樓層。在電梯運(yùn)行過(guò)程中,電能的損失主要來(lái)自電梯的啟動(dòng)和停止階段。因此,減少電梯的啟動(dòng)和停止次數(shù),不僅可以提高電梯運(yùn)載效率,更可以有效提高電梯能源效率。

早期電梯采用繼電器進(jìn)行控制,控制單元不能進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。為了減少停梯次數(shù),將分布在樓宇內(nèi)同一區(qū)域的不同電梯設(shè)置成僅奇數(shù)或偶數(shù)樓層停梯,以減少電梯啟動(dòng)和停止次數(shù),盡管做法較為笨拙,但對(duì)提高電梯運(yùn)行效率和能效參數(shù)是有一定作用的。早期很多醫(yī)院內(nèi)的電梯都采用此種設(shè)置。

2.群組管理調(diào)配。盡管將電梯設(shè)置成僅奇數(shù)或偶數(shù)樓層停梯,可以減少將近一半的停梯次數(shù),但是電梯的整體運(yùn)行效率仍然是很低的。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在電梯系統(tǒng)中的應(yīng)用,電梯邏輯控制單元可以進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算。在商場(chǎng)及寫(xiě)字樓同一區(qū)域的多臺(tái)電梯,各自獨(dú)立運(yùn)行時(shí),只要有大廳召喚信號(hào),每臺(tái)電梯都要停梯去迎接乘客。現(xiàn)在可以將多臺(tái)電梯組成群組,經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算指定不同電梯到不同樓層去迎接乘客,避免多臺(tái)電梯去相同樓層迎接乘客情況的發(fā)生。這樣進(jìn)一步提高了電梯運(yùn)行效率,實(shí)現(xiàn)了電能的節(jié)約。

3.目的樓層呼叫系統(tǒng)。群控電梯雖然解決了多臺(tái)電梯獨(dú)立運(yùn)行時(shí)同時(shí)迎接相同樓層乘客的不足,但是由于進(jìn)入同一轎廂內(nèi)的乘客的目的樓層不同,還是會(huì)造成電梯停梯次數(shù)的增加。為了解決這一問(wèn)題,近年來(lái),目的樓層呼叫系統(tǒng)DCS(Destination control system)應(yīng)運(yùn)而生。DCS是一種全新的電梯群控系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電梯群控系統(tǒng)是靠外呼和內(nèi)選實(shí)現(xiàn)電梯的運(yùn)輸,運(yùn)力不能夠很好的發(fā)揮,在高峰時(shí)刻同樣會(huì)出現(xiàn)擁堵?tīng)顩r。而DCS系統(tǒng)電梯是在候梯廳選層,通過(guò)CPU精確計(jì)算并告知乘客哪一部電梯能最快將其送達(dá)指定樓層,將目的地相同的乘客引導(dǎo)到同一轎廂內(nèi),減少電梯中間停站,大大提高運(yùn)力和節(jié)約能源。實(shí)踐表明DCS控制系統(tǒng)可以將運(yùn)力提高20%～30%。以上內(nèi)容介紹了電梯軟、硬件系統(tǒng)近幾十年來(lái)的發(fā)展歷程,下面對(duì)近幾年電梯節(jié)能技術(shù)取得的成果做簡(jiǎn)要的介紹。

傳統(tǒng)曳引式電梯曳引媒介是鋼絲繩,由于鋼絲繩自重及摩擦力因素,需要消耗很多能量。聚氨酯復(fù)合鋼帶替代傳統(tǒng)鋼絲繩應(yīng)用于電梯完全顛覆了傳統(tǒng)電梯的設(shè)計(jì)理念,使電梯運(yùn)行更節(jié)能,更高效。厚度只有3毫米的聚氨酯鋼帶比傳統(tǒng)鋼絲繩更加柔韌耐用,重量輕了20%,壽命卻是傳統(tǒng)鋼絲繩的3倍。聚氨酯鋼帶的高韌性及高曳引力使主機(jī)的設(shè)計(jì)趨于小型化,主機(jī)曳引輪直徑可以減少到100～150毫米,結(jié)合永磁無(wú)齒輪技術(shù),可使曳引機(jī)的體積比傳統(tǒng)主機(jī)體積小70%,可輕松實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)房設(shè)計(jì),大大節(jié)省建筑空間,降低建造成本。目前已有電梯公司采用該技術(shù),實(shí)踐證明比傳統(tǒng)電梯最多可以節(jié)能50%。另外,迅達(dá)電梯公司的高強(qiáng)度無(wú)鋼芯合成纖維曳引繩已處于運(yùn)行驗(yàn)證階段,相信不久也將進(jìn)入市場(chǎng)。

另外,隨著照明燈具的技術(shù)發(fā)展,采用高能效的LED燈具替換節(jié)能燈管作為轎廂照明設(shè)備；借鑒電腦設(shè)備的能源管理方案,讓電梯待機(jī)時(shí)控制基板休眠,并降低無(wú)召喚信號(hào)樓層的外呼顯示器亮度；優(yōu)化轎頂、轎底結(jié)構(gòu)減小轎廂運(yùn)行風(fēng)阻系數(shù)等技術(shù),都已應(yīng)用在電梯系統(tǒng)中,進(jìn)一步提高了電梯能源效率。

近年來(lái),科技發(fā)展速度越來(lái)越快,相信隨著電池技術(shù)的逐漸成熟,通訊速度和穩(wěn)定性的全面提高,以及傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步等,這些都勢(shì)必會(huì)推動(dòng)電梯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化并促進(jìn)電梯能源效率的進(jìn)一步提高。