電梯節(jié)能技術(shù)研究

魏彤，楊耀旺，王澤京

西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測院，陜西 西安，710065

0 引言

根據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，建筑物相關(guān)設(shè)備所消耗的能源占我國總能耗的四分之一左右，是能耗的第一梯隊(duì)[1]。同時(shí)電梯在建筑物中的能耗僅次于占比最多的空調(diào)及其附屬設(shè)備，其耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫恼彰髟O(shè)備等。電梯的能耗問題已經(jīng)在全國范圍內(nèi)引起業(yè)界的高度關(guān)注，與此同時(shí)，電機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的突破為降低電梯能耗提供了優(yōu)越的科技條件。在此基礎(chǔ)上研究切實(shí)可行的節(jié)能技術(shù)來降低電梯能耗，具有相當(dāng)重要的社會意義以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 國內(nèi)電梯節(jié)能應(yīng)用現(xiàn)狀

自改革開放以來，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，國民以及各類企業(yè)對高質(zhì)量商務(wù)寫字樓、商場以及高層住宅樓等有了更大的需求，而這些建筑功能的正常發(fā)揮在很大程度上均需要依靠電梯的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電梯耗能在建筑物總能源消耗量中占到20%～25%，但其節(jié)能問題卻長期難以引起足夠的重視。

截止2022年初，我國電梯保有量約為787萬部[2]，然而在當(dāng)前階段，我國建筑物中依舊存在相當(dāng)數(shù)量的交流雙速以及交流調(diào)壓等高耗能電梯，具備永磁同步拖動(dòng)技術(shù)的節(jié)能電梯數(shù)量不超過30萬部、具備能源再能再利用能力的電能制動(dòng)回饋型電梯數(shù)量更是不到總數(shù)的0.5%。盡管我國在電梯節(jié)能技術(shù)的某些領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水準(zhǔn)，但是由于電梯是一個(gè)整體性工程，整體節(jié)能才是最終目標(biāo)，因此需要繼續(xù)對電梯的其他節(jié)能技術(shù)進(jìn)行研究探討，切實(shí)推動(dòng)節(jié)能電梯的大范圍普及。

2 電梯各耗能模塊的耗能分析

電梯的整體結(jié)構(gòu)相對簡單，可以分為垂直升降機(jī)以及臺階式履帶電梯，升降機(jī)使用箱型吊艙來運(yùn)送人員以及貨物，二臺階式履帶電梯則通過傳送帶完成載荷的空間位移。兩種電梯的主要耗能模塊均可分為三大項(xiàng)，即傳動(dòng)模塊、拖動(dòng)模塊以及控制系統(tǒng)[3]，下文將對三種模塊展開詳細(xì)的耗能分析。

2.1 傳動(dòng)模塊耗能分析

電梯的傳動(dòng)系統(tǒng)一般是由設(shè)置在外部的微型計(jì)算機(jī)控制曳引設(shè)備，輸出并傳遞相關(guān)動(dòng)力來維持電梯運(yùn)行。曳引設(shè)備主要可以分為渦輪蝸桿傳動(dòng)行曳引機(jī)以及傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，曳引設(shè)備的能耗一般以能耗比效率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。例如一個(gè)一噸重，運(yùn)行速度在2m/s以下的電梯，在標(biāo)準(zhǔn)的額定條件下，其曳引設(shè)備的效率約為87%[4]，當(dāng)載荷較低或是處于低頻狀態(tài)下，其效率會進(jìn)一步降低。電源頻率的降低也會導(dǎo)致曳引設(shè)備的效率降低，在實(shí)際使用過程中，曳引設(shè)備的效率隨著載荷的從零增加，會先從低變高再變低，在一般條件下處于87%到90%之間。此外，曳引設(shè)備的能耗還和電梯的繞繩比、運(yùn)行速度以及相對空氣阻力等因素有關(guān)。

2.2 拖動(dòng)模塊能耗分析

拖動(dòng)模塊是電梯最重要的應(yīng)用模塊，對電梯的啟動(dòng)加速、平穩(wěn)運(yùn)行控制、制動(dòng)減速等起著控制作用，其性能優(yōu)劣直接影響電梯的使用觀感，包括平穩(wěn)舒適度、平層精度以及加速減速的慣性等，對于舒適度需求較高的高端酒店以及商務(wù)寫字樓用戶群體來說相對重要。目前主流的拖動(dòng)模塊主要可以分為交流電梯拖動(dòng)模塊和直流電梯拖動(dòng)模塊兩類，其中交流電梯拖動(dòng)模塊主要有三類：①變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)；②交流變極調(diào)速系統(tǒng)；③交流變壓調(diào)速系統(tǒng)[5]。直流電梯拖動(dòng)模塊主要分為兩類：①可控硅直接供電的電動(dòng)機(jī)-可控硅形式；②有發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式，直流電梯具有運(yùn)行速度快、舒適度高、停層精準(zhǔn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但對于區(qū)域電網(wǎng)的要求較高。

對拖動(dòng)模塊的能耗分析時(shí)，需要注意到該模塊的主要能耗來源是各類電機(jī)的能耗，電機(jī)在實(shí)際的工作環(huán)境當(dāng)中，并非所有的電能都能夠轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，有相當(dāng)?shù)哪芰恳詿崮艿刃问綋p耗。在直流電動(dòng)機(jī)的工作過程中，存在磁通量以及摩擦產(chǎn)生相應(yīng)多余損耗，但直流電梯由于對電網(wǎng)影響較大，使用量正在逐步減少。使用交流傳統(tǒng)模塊的電梯中，異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用相對較為廣泛，其能量損耗主要是在電梯啟動(dòng)以及制動(dòng)過程中產(chǎn)生的，大體可包括如下幾類：①異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子繞組產(chǎn)生的損耗；②電動(dòng)機(jī)磁場引起的損耗；③電梯運(yùn)行過程當(dāng)中的空氣阻力以及摩擦力導(dǎo)致的機(jī)械能的損耗。

2.3 控制模塊能耗分析

電梯的控制模塊主要承擔(dān)的功能是對電梯的運(yùn)行進(jìn)行具體操作以及相應(yīng)控制。該模塊的組成部分包括基礎(chǔ)操縱設(shè)備、選層按鈕、樓層顯示裝置以及變頻裝置等。其能耗分布較為復(fù)雜，各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)過程中，均會產(chǎn)生一定損耗。例如變頻設(shè)備的能耗主要有電容器、濾波器產(chǎn)生的電抗等損耗、功率模塊在啟動(dòng)關(guān)閉過程中產(chǎn)生的損耗等，該模塊損耗的大小和主電流的大小存在密切關(guān)聯(lián)。同樣以一噸重、運(yùn)行速度為2m/s的電梯為例，在空載狀態(tài)下，變頻設(shè)備的效率能夠達(dá)到98%左右[6]，而在其他載荷下，其效率變化將會相對復(fù)雜?？偪叵到y(tǒng)的能耗則主要與各項(xiàng)功能模塊以及電梯的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)。

3 電梯節(jié)能技術(shù)的主要原理

3.1 變頻再生能量回饋原理

當(dāng)前階段最為先進(jìn)的節(jié)能電梯基本都會采用變頻再生能量回饋原理，此類電梯在啟動(dòng)之后，能夠通過變頻形式逐漸達(dá)到最大速度，此時(shí)將電梯的機(jī)械能提升到最大值，在電梯到達(dá)使用者設(shè)定的樓層之前，傳統(tǒng)電梯會消耗巨額的能量降低電梯的機(jī)械能，使電梯慢慢制動(dòng)，以期平穩(wěn)?？吭谀繕?biāo)樓層。而通過對能量回饋原理進(jìn)行應(yīng)用，電梯能夠在運(yùn)行過程中將產(chǎn)生的機(jī)械能通過變頻器和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為直流電將其暫時(shí)儲存在變頻設(shè)備的電容器中，電容器中的電壓會隨著儲能的逐漸增加而逐漸增大，此時(shí)通過能量回饋器能夠?qū)㈦娙萜髦袃Υ娴碾娔苓M(jìn)行回收再利用，在電梯的制動(dòng)等使用過程中作為補(bǔ)充能源參與運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能目的，電梯的最大速度越快，能夠產(chǎn)生的最大機(jī)械能越高，可以進(jìn)行回饋再利用的能量也就越多，采用該技術(shù)的電梯能夠?qū)⒉徊捎迷摷夹g(shù)時(shí)電梯總耗能的約48%回收利用。

3.2 電梯群控技術(shù)原理

傳統(tǒng)的電梯群算法往往專注于縮小使用者的等待時(shí)間，采用此類算法在某些時(shí)刻，例如上下班高峰期，電梯很容易出現(xiàn)扎堆停靠，運(yùn)行效率低下，難以滿足全部使用者的需求。

而相對更為先進(jìn)的電梯群控技術(shù)，簡單來說就是將同一座建筑物當(dāng)中的多部電梯通過一部中央控制計(jì)算機(jī)連接起來，將所有電梯使用者所發(fā)出的信號匯總，通過一定的算法進(jìn)行計(jì)算，得到最優(yōu)的調(diào)度命令結(jié)果，并將這些指令反饋給各電梯進(jìn)行具體執(zhí)行，及時(shí)調(diào)配、動(dòng)態(tài)調(diào)整建筑物內(nèi)各部電梯的運(yùn)行狀態(tài)，使電梯在滿足使用者需求的同時(shí)，通過最短路徑運(yùn)行等方案實(shí)現(xiàn)最大的節(jié)能效果。在實(shí)際使用過程中，由于使用者的需求存在非線性以及隨機(jī)性特點(diǎn)，需要使用相對更加智能的計(jì)算機(jī)，植入模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，進(jìn)一步加強(qiáng)群控電梯的實(shí)際效能。

3.3 制動(dòng)能再利用技術(shù)原理

電梯的?？窟^程主要依靠制動(dòng)器來完成，制動(dòng)器的簡要工作原理是。在電梯啟動(dòng)運(yùn)行過程當(dāng)中，通過抱閘板發(fā)出信號到抱閘線圈，觸發(fā)抱閘打開動(dòng)作；在電梯靜止停靠時(shí)，使抱閘關(guān)閉，保證電梯不會發(fā)生移動(dòng)。電梯內(nèi)制動(dòng)的過程以及維持靜止的過程中，都會存在相當(dāng)數(shù)量的能量損耗。

為此可以采用制動(dòng)能再回收利用技術(shù)，就是對電梯運(yùn)行中損耗的制動(dòng)能進(jìn)行回收利用，以達(dá)到電梯節(jié)能效果。通常采用先進(jìn)的電子技術(shù)以及具備高性能開關(guān)的電子元件，例如使用IGBT開關(guān)的電子元件，其具有智能運(yùn)轉(zhuǎn)、操作簡單以及可靠性高等特點(diǎn)，能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行自適應(yīng)控制，在電壓波動(dòng)時(shí)將電梯的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能存入儲能器中，進(jìn)而將電能重新回饋到電網(wǎng)，達(dá)到制動(dòng)能再生利用的目的。

4 電梯主要節(jié)能技術(shù)的具體應(yīng)用研究

4.1 傳動(dòng)設(shè)備模塊節(jié)能應(yīng)用研究

傳動(dòng)設(shè)備作為電梯運(yùn)行的心臟，為電梯運(yùn)行提供動(dòng)力來源，直接影響著電梯的節(jié)能水準(zhǔn)。主流的傳動(dòng)設(shè)備包括渦輪蝸桿曳引機(jī)、行星齒輪斜齒輪傳動(dòng)機(jī)以及無齒輪曳引機(jī)等。其中傳統(tǒng)的渦輪蝸桿曳引機(jī)作為最早在電梯中應(yīng)用的傳動(dòng)設(shè)備，其設(shè)計(jì)理念早已落后，質(zhì)量和體積巨大，耗能高的同時(shí)傳動(dòng)效率僅有70%。行星齒輪斜齒輪傳動(dòng)機(jī)盡管傳動(dòng)效率能提高20%左右，但其部件加工精度要求較為極端，不利于總體使用成本的控制，而新興的無齒輪曳引機(jī)具備體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，最有代表性的應(yīng)為永磁同步電機(jī)（PMSM），但其仍舊存在節(jié)能空間。

永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，省掉了龐大的減速齒輪箱，其運(yùn)行效率更高。但根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，采用此種電機(jī)的電梯在低負(fù)載運(yùn)行以及高頻率變速運(yùn)行時(shí)，其損耗相對較高，由于機(jī)械損耗相對復(fù)雜不可控制，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)注重鐵損耗以及銅損耗的情況。根據(jù)等效電路原理，能夠各種勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)速之間存在線性關(guān)系，通過計(jì)算不同運(yùn)行條件下的勵(lì)磁電流最優(yōu)解來計(jì)算最優(yōu)定子磁鏈的指令值[7]。通過對運(yùn)行過程中的給定磁鏈進(jìn)行控制，就能使電機(jī)的損耗值最小，從而達(dá)到節(jié)能目的。

4.2 電梯群控技術(shù)應(yīng)用研究

無論采用何種傳動(dòng)設(shè)備以及拖動(dòng)設(shè)備，電梯在全速運(yùn)行時(shí)的能量損耗均遠(yuǎn)低于啟動(dòng)加速以及制動(dòng)減速時(shí)的耗能。電梯運(yùn)行過程中在不同樓層之間?？看螖?shù)越多，其耗能越高，通過優(yōu)化群控系統(tǒng)的算法，使電梯在滿足不同使用者需求的情況下盡可能多地處于高速運(yùn)行狀態(tài)，減少電梯的?？看螖?shù)，進(jìn)而減少啟動(dòng)加速以及制動(dòng)減速過程中的能量損耗，提高輸送效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

電梯群控系統(tǒng)的本質(zhì)是復(fù)雜的多要素決策系統(tǒng)，具備隨機(jī)性、非線性以及多目標(biāo)性等特點(diǎn)，目前階段缺乏精確的數(shù)學(xué)模型與算法對其進(jìn)行最優(yōu)解演算，傳統(tǒng)控制模式又難以滿足新階段的使用需求。而模糊控制技術(shù)對于解決此類問題具有較大優(yōu)勢，其通過深度學(xué)習(xí)來模擬人類思維，通過一定的自我邏輯推理，將復(fù)雜問題簡化并加以處理，并不追求建立精確的數(shù)學(xué)模型，制定完全的最優(yōu)解。但由于不同建筑物的使用者對于電梯的使用情況各不相同，該系統(tǒng)難以作為萬金油最優(yōu)解在不同建筑之間進(jìn)行直接套用，其需要結(jié)合具體實(shí)際對復(fù)雜情況進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，在使用過程中這一時(shí)間相對較長，在應(yīng)用前期會對使用者的體驗(yàn)有較大影響。為此可以引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與其進(jìn)行結(jié)合，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置減少乘客平均乘梯時(shí)間、等候電梯時(shí)間、降低長時(shí)間等候電梯概率以及減少電梯群控系統(tǒng)自身能耗四個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，并依照相關(guān)參數(shù)設(shè)置權(quán)重展開學(xué)習(xí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)機(jī)制能夠?yàn)槟：惴ㄟM(jìn)行智能提取、調(diào)整模糊規(guī)則參數(shù)，大大減少采用模糊算法的計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)時(shí)間，使電梯應(yīng)答更快遵循合理規(guī)律，為使用者提供更為完善的服務(wù)。

4.3 電梯拖動(dòng)模塊技術(shù)應(yīng)用研究

電梯的拖動(dòng)模塊簡單來說就是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，對電梯的啟動(dòng)、加速、減速以及穩(wěn)定運(yùn)行等多種運(yùn)作方式進(jìn)行調(diào)控。在傳統(tǒng)電梯中，其拖動(dòng)模塊主要采用交流雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或是無齒輪直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，損耗均相對較大，且對電梯的控制能力相對較弱。而變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)，有效提升了電梯的驅(qū)動(dòng)控制性能以及運(yùn)行質(zhì)量，但該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在相應(yīng)的改善空間，能夠進(jìn)一步節(jié)約電梯耗能。

上文中已經(jīng)對變頻能量再生原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，下面將主要圍繞變頻調(diào)速控制裝置在實(shí)際應(yīng)用中面臨的問題展開探討。能量回饋裝置主要采用有源逆變技術(shù)將機(jī)械能產(chǎn)生的再生能量以較高效率轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)頻率、相位相同且能夠直接運(yùn)用的電能，在實(shí)際使用過程中，由于電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，容易導(dǎo)致電壓高于觸發(fā)回饋器的閾值，產(chǎn)生誤回饋的情況。而電壓偏低時(shí)，回饋到母線的電能會被電阻提前消耗，使回饋的效率降低，節(jié)能效果減弱。因此應(yīng)當(dāng)對能量回饋器進(jìn)行更新設(shè)計(jì)，使其能夠適應(yīng)復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境，為此可以采用PWM控制模式，只有在電梯的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸入直流回路電容時(shí)，回饋器才將儲能器中的電能輸回電網(wǎng)，有效緩解原有能量回饋模式存在的弊端，提升拖動(dòng)模塊的效率以及精度，提升回饋裝置的功率因數(shù)，從而達(dá)到電梯節(jié)能的目的。

5 結(jié)語

隨著電梯的大規(guī)模普及應(yīng)用，國內(nèi)的節(jié)能減排研究人員得以通過大量樣本采集電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析電梯節(jié)能現(xiàn)狀并針對其做出大量的研究以及實(shí)踐，對傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代，對現(xiàn)有節(jié)能設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，提出了諸多具有建設(shè)性意義的新思路，例如將電梯群控系統(tǒng)中的模糊控制算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，有效減少電梯群控系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)時(shí)間，使其控制模式能夠更好地滿足使用者的需求。此外，對變頻能量回饋系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)等工具的使用結(jié)合具體實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化，都能有效降低電梯能耗，實(shí)現(xiàn)電梯節(jié)能研究目標(biāo)。