曳引式電梯能耗的分析與研究

黃龍濤，王海平，劉繼征，賀虎林

(陜西省特種設備檢驗檢測研究院，陜西 西安 710048)

0 引言

隨著我國科學技術的迅猛發展，電梯成為人們不可或缺的交通工具，據統計我國建筑物能耗量逐年遞增，尤其機電設備能耗所占比例由20世紀末的10%增長到近幾年的27.8%，同時空調與電梯能耗被公認為是建筑物中最主要的兩種耗能設備，電梯的能耗占建筑物總能耗的5%～15%[1]，從而電梯在機電設備的能耗中占有相當大的比例。因此，社會各界開始廣泛關注電梯的能耗問題。

1 曳引電梯的能耗組成

曳引式電梯能耗主要包括曳引系統、門機系統以及電氣控制系統和轎廂的耗能。曳引系統耗能設備主要有引機、轎廂對重裝置、制動器、平衡裝置以及隨行電纜等裝置；門機系統耗能設備主要有驅動電動機和門機系統的控制等裝置；電氣控制系統耗能設備主要有控制柜、選層器、平層裝置以及顯示裝置和緩沖器等裝置；轎廂耗能裝置主要有通風系統、轎廂照明、空調系統等裝置。

運行狀態時，電梯內部各個裝置耗能比重差異很大。據相關數據統計，電梯的曳引系統耗能占總能耗的75%～80%，門機系統耗能占總能耗的10%，其他設備耗能占總能耗的10%左右[2]。

2 曳引電梯設備主要參數

2.1 曳引電梯動力學模型建立

曳引式電梯是一種復雜的機電設備系統，在曳引系統中，曳引機輸出轉矩所需能量由驅動系統的輸出功率Pout提供，如式(1)所示:

Pout=Tωm·ηmηs.

(1)

其中：T為曳引機輸出轉矩；ωm為曳引輪角速度；ηm為曳引輪效率；ηs為從動輪效率。

從能量守恒的角度建立曳引系統的動力學方程，如式(2)所示[3]：

(2)

其中：v為電梯的運行速度；a為電梯的最大加速度；Jm、Rm分別為曳引輪的轉動慣量與半徑；Jd、Rd分別為導向輪的轉動慣量與半徑；Jp、Rp分別為反繩輪的轉動慣量與半徑；mP為轎廂質量；mG為電梯負載質量；mQ為對重質量；mb1為隨行電纜質量；mb2為轎廂側運動鋼絲繩的質量；md為對重側運動鋼絲繩質量；my1為轎廂側補償裝置質量；my2為對重側補償裝置質量；fP為轎廂側導軌阻力；fG為對重側導軌阻力；fair為轎廂空氣阻力。

曳引驅動系統的功率因數η如式(3)所示：

(3)

根據式(1)、式(2)、式(3)可得曳引驅動系統輸入功率Pin(Pin值越小，耗能越小)如式(4)所示：

vg(mP-mG+mQ+mb1-mb2+md+my1-my2)+

(4)

式(2)、式(4)方程右側第一項為系統轉動部件動能變化，第二項為直線運動部件動能變化，第三項為系統勢能變化，第四項為阻力對系統做功。從式(2)～式(4)可以得到功率因數η越大，其耗能就越小。

2.2 曳引電梯主要設備參數的確定

對于曳引系統來說，引機形式不同會導致功率因數的不同，一般情況下，永磁同步和交流變壓變頻調速異步電機作為引機的功率因數較大，其耗能就較小。從式(2)～式(4)可以看出曳引輪和從動輪的曳引效率、電梯運行速度和最大加速度、電梯內系統相關部件質量(平衡系數由轎廂和對重的重量決定)和阻力、曳引機輸出轉矩和曳引輪角速度都影響著電梯系統的輸入功率。本文在對電梯耗能分析中忽略系統相關部件存在的阻力，同時一般電梯出廠時引機的輸出轉矩、曳引輪角速度、電梯運行速度已經確定。在電梯使用過程中，能量回饋裝置可以大大降低能量的消耗，因此能量回饋裝置也是影響電梯設備耗能的主要參數之一。

通過上述分析，得到對曳引電梯耗能影響較大的設備參數主要有：引機形式、曳引效率、最大加速度、平衡系數以及能量回饋裝置等。

2.3 曳引電梯主要設備參數的分析

通過式(2)～式(4)并結合電梯運行曲線，設置載荷、行程以及曳引系統的參數，可計算出電梯在具體工況下的耗能。

2.3.1 曳引機驅動形式

曳引式電梯引機的形式主要包括直流、交流和永磁同步等3種形式：①直流電機作為引機具有運行平穩、控制方便、傳動效率高等特點，在超高速電梯中應用較多，其驅動主要有G-M與SCR-M這兩種方式，G-M型式在空載、運行、重啟時電機都會耗費大量電能，SCR-M型式則使用固體電路為電機供電，在其電路中只牽涉大功率半導體，因此在空載、運行、重啟時能耗較??；②交流電機作為引機，其形式主要有交流雙速、交流調壓調速、交流變壓變頻調速，以交流雙速耗能最大，交流變壓變頻調速耗能最?。虎塾来磐诫姍C為引機，其使用永磁材料提供勵磁磁場，該材料會提升功率因數，降低電機中定子的耗能，在平穩運行狀態下，轉子電阻耗能較小，同時其作為引機不需要齒輪箱等部件，這樣進一步會降低能耗。據相關統計，永磁同步電機為引機比同規格其他電機耗能降低了2%～10%[4]。

2.3.2 能量回饋裝置

能量回饋裝置在曳引式電梯中的作用是將機械能轉化成電能反饋到電網當中，其在電梯中的應用可大大降低電梯的耗能。據相關數據統計，電梯耗能降低10%～25%，不同工況下具有能量回饋裝置的電梯節能狀況[5]如圖1所示。

由圖1可以得出，電梯具有能量回饋裝置節能效果較為明顯，電梯在50%載荷情況下，節能5%左右；載荷在50%～75%之間節能比呈快速遞增狀態；載荷在75%～100%之間節能比呈緩慢遞增狀態；在滿載和空載情況下節能效果更為突出，節能20%以上。統計電梯總節能狀況，電梯具有能量回饋裝置比一般電梯節能17.60%以上。

圖1 不同工況下電梯節能狀況

2.3.3 曳引效率

影響曳引效率的參數主要有曳引機、曳引輪、導向輪、從動輪的效率以及曳引比，不同功能的電梯設備如果影響曳引效率的參數選擇不合適，則將會影響該臺電梯的曳引效率，從而對電梯耗能量也會有重大影響。

與此同時，在額定載重量與速度相同條件下，引機的型號與功率應盡量減小，因為這樣可以減少引機的耗能量，從而起到節能效果。

2.3.4 電梯最大加速度

電梯最大加速度在曳引式電梯的性能參數中尤為重要，它對電梯的耗能影響非常大。最大加速度用來測試乘坐電梯時的舒適程度，在相關數據標準中對它作了嚴格規定，如表1所示[6]。

表1 最大加速度取值范圍

在電梯速度確定情況下，電梯額定速度并不變，加速度越大，其制動距離越小，電梯耗能量主要由曳引系統動力勢能影響[7]。圖2和圖3分別為不同加速度情況下電梯上行時啟動與制動耗能量隨載荷變化的情況。啟動狀態：電梯輕載上行階段，引機處于發電狀態，最大加速度發生變化時，電梯耗能變化幅度不大；電梯重載上行階段，引機處于電動狀態，最大加速度較大的，其運行距離短，耗能較小。制動狀態：電梯輕載上行階段，引機處于發電狀態，最大加速度較大時，其制動時間短，耗能較小，但變化幅度不大；電梯重載上行階段，引機處于電動狀體，最大加速度較大時，其制動距離短，勢能小，耗能較小。

圖2 不同加速度下電梯啟動能耗 圖3 不同加速度下電梯制動能耗

2.3.5 平衡系數

平衡系數在曳引式電梯中也是非常重要的性能參數之一，在GB7588—2003中對平衡系數進行了規定，其取值范圍在40%～50%之間，通常采取將對重塊增減的方法來調整平衡系數。圖4和圖5分別為不帶以及帶有能量回饋裝置的電梯設備在不同平衡系數條件下上行能耗隨載荷變化的情況。

圖4 不同平衡系數下不帶能量回饋裝置的電梯能耗 圖5 不同平衡系數下帶能量回饋裝置的電梯能耗

從圖4可以看到：不帶能量回饋裝置的電梯輕載上行時，引機處于發電狀態，平衡系數發生變化時，電梯耗能變化幅度不大；伴隨載荷不斷增加，平衡系數值在0.4～0.5之間，平衡系數越大，電梯耗能越小。從圖5可以看出：帶能量回饋裝置的電梯輕載上行時，電梯處于儲能狀態；伴隨載荷不斷增加，電梯才處于耗能狀態，平衡系數值在0.4～0.5之間，平衡系數越大，電梯耗能越小。

3 結論

(1) 在引機形式不同情況下，電梯耗能量各不相同；永磁同步和交流變壓變頻調速異步電機作為引機的電梯耗能較小。

(2) 具有能量回饋裝置的電梯，載荷超過50%節能比呈遞增狀態，在滿載和空載情況下，節能20%以上；電梯具有能量回饋裝置比一般電梯節能17.60%以上。

(3) 最大加速度會影響電梯啟動以及制動的耗能變化；輕載上行時，最大加速度對啟動以及制動耗能影響不明顯；重載上行時，最大加速度較大的，啟動以及制動耗能較小。

(4) 平衡系數的改變會影響電梯耗能的大小，其數值在0.4～0.5之間，平衡系數越大，電梯耗能越小。