曳引電梯蓄能器儲(chǔ)能液壓節(jié)能系統(tǒng)及電容能耗研究

齊冠然，楊淑貞，李民，盧金生，李洪濤

(1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)備工程系，河南鄭州 450064；2.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州 450064；3.鄭州機(jī)械研究所有限公司，河南鄭州 450001；4.河南省特種設(shè)備安全檢測研究院，河南鄭州 450004)

0 前言

隨著高層建筑的不斷增加，電梯也獲得了更廣泛的使用[1-3]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，電梯運(yùn)行期間會(huì)消耗大量電能，其耗能占比達(dá)到了建筑總能耗的近20%。對(duì)電梯運(yùn)行控制過程進(jìn)行分析可知，進(jìn)行電梯曳引時(shí)，如果發(fā)生輕載上行和重載下行，此時(shí)系統(tǒng)的總體勢能降低，曳引機(jī)保持發(fā)電狀態(tài)[4-6]。在常規(guī)控制方式的曳引電梯中，這些減少的勢能都是以電阻的方式轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，引起能量的大量浪費(fèi)，并且會(huì)產(chǎn)生大量熱量而引起電梯機(jī)房溫度的上升，需要進(jìn)一步增加制冷設(shè)備，這又會(huì)引起能量的二次損耗[7-8]。

有學(xué)者將蓄電池應(yīng)用于曳引機(jī)的節(jié)能技術(shù)中，可以通過蓄電池把減少的勢能儲(chǔ)存起來，之后在電動(dòng)階段蓄電池又可以對(duì)曳引機(jī)進(jìn)行放電提供動(dòng)力[9-11]。曳引機(jī)進(jìn)入制動(dòng)階段時(shí)可以起到發(fā)電的作用，此時(shí)可以將曳引機(jī)看成是一個(gè)發(fā)電機(jī)，同時(shí)利用能量轉(zhuǎn)換部件把再生電能存儲(chǔ)到蓄電池中，完成電池的充電過程[12]。之后，電梯進(jìn)入電動(dòng)階段時(shí)，需從系統(tǒng)中獲取能量，蓄電池可以與電網(wǎng)一起為電梯供電，將之前存儲(chǔ)的電能重新用于電梯的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)前期電梯勢能的重新利用[13]。此外遇到電梯斷電問題時(shí)，蓄電池也可以為電梯運(yùn)行過程繼續(xù)提供電能，增強(qiáng)了電梯運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性，確保電梯能夠正常到達(dá)設(shè)定平層。在電梯運(yùn)行控制過程中，蓄電池處于一個(gè)持續(xù)充放電的過程，并且在電梯進(jìn)入加速、減速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)還會(huì)對(duì)蓄電池充放電過程造成明顯的沖擊作用[14]。

對(duì)曳引機(jī)控制過程進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其輸出功率從電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換至發(fā)電狀態(tài)的過程中，蓄能器會(huì)輸出大量能量，導(dǎo)致耗能增加的現(xiàn)象[15]。針對(duì)以上情況，本文作者根據(jù)曳引電梯運(yùn)行特征與蓄能電池儲(chǔ)能特點(diǎn)，引入電容補(bǔ)償?shù)姆椒▉韺?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能力回收，達(dá)到儲(chǔ)能過程與曳引機(jī)負(fù)載間良好匹配。如果在運(yùn)行階段出現(xiàn)蓄能器產(chǎn)生比曳引機(jī)所需能量更高的輸出能量時(shí)，則可以通過電容吸收這些多余能量，有效降低了能量損耗。

1 節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 液壓驅(qū)動(dòng)曳引電梯系統(tǒng)

曳引電梯包括轎廂以及配重二個(gè)部分，可以將電梯運(yùn)行控制過程看成是轎廂與配重進(jìn)行垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程。根據(jù)載荷大小以及運(yùn)行方向特點(diǎn)，可以將曳引電梯分成兩種運(yùn)行狀態(tài)。其中，電梯進(jìn)入重載下行與輕載上行階段時(shí)，曳引機(jī)屬于發(fā)電狀態(tài)，而在重載上行與輕載下行的階段曳引機(jī)屬于電動(dòng)狀態(tài)。采用電-液混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行曳引電梯驅(qū)動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果，具體工作原理為曳引機(jī)在發(fā)電階段將能量儲(chǔ)存到蓄能器內(nèi)，進(jìn)入電動(dòng)階段時(shí)，蓄能器則可以重新釋放之前存儲(chǔ)的能量，為曳引機(jī)提供做功所需的驅(qū)動(dòng)力。圖1為曳引電梯原理。

圖1 曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)原理

曳引機(jī)在重載下行與輕載上行時(shí)，信號(hào)被壓力傳感器探測到之后，節(jié)能控制系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，此時(shí)泵/馬達(dá)被切換到泵工況，負(fù)載作用于曳引機(jī)并帶動(dòng)泵和馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，油液被泵入蓄能器內(nèi)。在上述過程中再生電能被轉(zhuǎn)化成液壓能。隨著蓄能器壓力升高至溢流閥設(shè)定壓力時(shí)，溢流閥開啟，油液開始從溢流閥重新流回到油箱中。電梯進(jìn)入重載上行與輕載下行階段時(shí)，曳引機(jī)保持電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)馬達(dá)開始工作，蓄能器釋放油液，通過馬達(dá)提供驅(qū)動(dòng)力并帶動(dòng)曳引機(jī)做功，實(shí)現(xiàn)了液壓儲(chǔ)能的回收利用。

1.2 基于蓄能器儲(chǔ)能的曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行階段形成的再生能量進(jìn)行更高效回收，達(dá)到降低曳引機(jī)能耗的作用，針對(duì)能量存儲(chǔ)回收過程設(shè)計(jì)了節(jié)能方案，通過蓄能器對(duì)電梯再生能量進(jìn)行了高效回收。電梯在發(fā)電過程中形成的能量被儲(chǔ)存到蓄能器內(nèi)形成液壓能，之后此部分能量在電梯重載上行與輕載下行時(shí)被釋放，為曳引機(jī)做功提供動(dòng)力，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)再生能量回收利用的過程，有效降低了曳引機(jī)運(yùn)行消耗的能量，顯著提升了節(jié)能效果。

隨著曳引機(jī)的發(fā)電量逐漸增加，新產(chǎn)生的能量可以被繼續(xù)存儲(chǔ)到電容中；電梯進(jìn)入電動(dòng)階段時(shí)，泵/馬達(dá)為曳引機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力并做功，而曳引機(jī)依然會(huì)消耗一部分能量，之前被存儲(chǔ)到電容中的能量重新釋放，跟液壓節(jié)能系統(tǒng)一起為曳引機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)過程提供驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了能量回收利用，充分克服了定排量節(jié)能系統(tǒng)的缺陷。圖2顯示了以蓄能器作為儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。

圖2 蓄能器儲(chǔ)能節(jié)能系統(tǒng)Fig.2 Accumulator energy storage and energy saving system

轎廂在電梯運(yùn)行期間沿豎直方向保持上下運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)不同載質(zhì)量可將其分成輕載與重載兩種運(yùn)行模式。其中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向一致的條件下，曳引機(jī)進(jìn)入發(fā)電階段；負(fù)載轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向反向的狀態(tài)下，曳引機(jī)進(jìn)入電動(dòng)階段。電梯位置信號(hào)被傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中并經(jīng)過處理后，再反饋到各執(zhí)行元件，達(dá)到調(diào)節(jié)曳引機(jī)轉(zhuǎn)向、換向閥與泵/馬達(dá)運(yùn)行工況的功能。

電梯未得到運(yùn)行指令的情況下保持靜止?fàn)顟B(tài)，為確保電梯的安全性，此時(shí)曳引機(jī)也保持靜止，曳引輪被完全鎖死，從而確保電梯不會(huì)產(chǎn)生滑梯的情況。采用液壓驅(qū)動(dòng)曳引方式進(jìn)行節(jié)能控制時(shí)，當(dāng)電梯接收到運(yùn)行指令時(shí)，換向閥位置在右端，此時(shí)泵與馬達(dá)被鎖死，無法旋轉(zhuǎn)，由此避免曳引輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，確保電梯運(yùn)行安全性。

2 仿真分析

2.1 液壓驅(qū)動(dòng)曳引電梯工作原理及模型

能量轉(zhuǎn)換通過泵/馬達(dá)完成。以同軸方式連接泵/馬達(dá)和曳引輪，同時(shí)利用泵/馬達(dá)工況切換的方式達(dá)到對(duì)蓄能器能量存儲(chǔ)和釋放的效果。圖3給出了以SimulationX構(gòu)建的電梯控制系統(tǒng)。

圖3 液壓驅(qū)動(dòng)曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)模型

只對(duì)某些重要參數(shù)進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況為系統(tǒng)其他部件設(shè)置合適的運(yùn)行參數(shù)，見表1。設(shè)定蓄能器初始?jí)毫?2 MPa，初始體積16 L。

表1 主要仿真參數(shù)Tab.1 Main simulation parameters

2.2 仿真結(jié)果分析

圖4為電機(jī)功率和電容能量變化。其中，在輕載上行與重載上行工況下，電容在起步階段輸出部分能量，但從總體上看表現(xiàn)為正的能量變化趨勢，能量被存儲(chǔ)到電容中。在重載上行與輕載下行的過程中，電梯表現(xiàn)為負(fù)的能量變化特性，此時(shí)電容能量被釋放出來為電梯提供驅(qū)動(dòng)力。

圖4 電機(jī)功率和電容能量變化

表2顯示了電容在電梯工作階段發(fā)生的能量存儲(chǔ)和釋放曲線?？芍阂芬龣C(jī)在發(fā)電過程中，同樣的能量被儲(chǔ)存至電容內(nèi)；曳引機(jī)進(jìn)入電動(dòng)階段時(shí)，電容能量被釋放出來并驅(qū)動(dòng)曳引機(jī)負(fù)載運(yùn)行。根據(jù)電容中的電荷狀態(tài)(SOC)對(duì)剩余電量進(jìn)行分析，電容可以達(dá)到的最低電壓是250 V，因此隨著電容的能量不斷釋放后電壓降低至250 V時(shí)便不再進(jìn)一步釋放能量，此時(shí)SOC也保持穩(wěn)定狀態(tài)。在電容電壓下降到250 V的時(shí)候，SOC最低達(dá)到0.52。以下對(duì)電梯在各個(gè)載質(zhì)量條件下引起的電容荷電變化開展仿真測試。

表2 電容內(nèi)能量變化Tab.2 Energy changes in the capacitor

圖5為電容SOC曲線。對(duì)比圖5與圖4可知：曳引機(jī)在發(fā)電階段形成了更高的電荷狀態(tài)，此時(shí)電容開始存儲(chǔ)超出蓄能器能夠存儲(chǔ)的能量，形成了更高的電容電壓；在曳引機(jī)進(jìn)入電動(dòng)階段的情況下，形成了更小的電荷狀態(tài)，電容發(fā)生能量釋放，為系統(tǒng)運(yùn)行提供驅(qū)動(dòng)力。

圖5 電容電荷狀態(tài)

通過SimulationX構(gòu)建了電容模型，并以DC/DC的方式實(shí)現(xiàn)能量交換，在回收電梯載荷勢能的過程中，能量先流經(jīng)曳引機(jī)與DC/DC再進(jìn)入電容內(nèi)。各部件都在電能傳遞期間發(fā)生了一定程度的損耗，因此對(duì)電容能量損耗情況進(jìn)行了分析。各結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換效率依次為電機(jī)為85%，電容為95%，DC/DC為90%。其中一部分能量被儲(chǔ)存至電容中并獲得重新利用時(shí)，只能達(dá)到0.52%的較低利用率。

表3給出了電梯在各載質(zhì)量條件下發(fā)生的電容能量損耗?？芍涸谀芰苛鲃?dòng)階段各元件都存在能量損耗情況，在下行階段損耗隨著負(fù)載的增加表現(xiàn)為較低的變化，可見設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)負(fù)載適應(yīng)度很高，具有很好的安全效果。

表3 電容能量損耗Tab.3 Capacitor energy loss

3 結(jié)論

(1)在輕載上行與重載上行下，表現(xiàn)為正能量，能量被存儲(chǔ)到電容中。在重載上行與輕載下行中，電梯表現(xiàn)為負(fù)能量，電容能量被釋放出來為電梯提供驅(qū)動(dòng)作用。

(2)曳引機(jī)在發(fā)電階段形成更高電荷，電容開始存儲(chǔ)超出蓄能器能夠存儲(chǔ)的能量，形成了更高電容電壓；曳引機(jī)電動(dòng)階段形成了更小電荷，電容發(fā)生能量釋放，為系統(tǒng)運(yùn)行提供驅(qū)動(dòng)力。

(3)在下行階段損耗隨著負(fù)載的增加表現(xiàn)為較低的變化，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)負(fù)載適應(yīng)度很高，具有很好的安全效果。