電梯節能技術發展

關 輝

東芝電梯(中國)有限公司 遼寧 沈陽 110168

隨著我國經濟的不斷發展,人們生活水平的不斷提高,我國電梯的擁有量呈不斷上升的趨勢,電梯的能耗也隨之不斷增加。至2019年底,全國電梯數量已達709.75萬臺。面對如此龐大的電梯數量,提高電梯能源效率意義重大。下面就以近幾十年電梯技術的發展歷史為背景,介紹電梯節能技術的發展。

電梯控制系統由硬件系統和軟件系統構成。自電梯誕生以來,硬件系統還是軟件系統都經歷了不斷的改進和完善,使電梯運轉越來越節能。下面就按硬件系統改善和軟件系統改進來分類,分別介紹電梯硬件系統和軟件系統中節能技術的發展。

一、硬件系統

1.變頻器驅動替代三相電直接驅動。上世紀80年代之前,我國絕大多數電梯都使用交流雙速異步電機。三相動力電經過空氣開關、熱繼、接觸器后直接連接到異步電機的定子繞組。這樣異步電機在啟動階段的轉差率非常大,導致電梯在啟動階段的定子電流很大,大電流并沒有轉化成電機動能,而是產生了大量的熱,不僅浪費了大量電能,而且危害電機線圈壽命。盡管采用了星角、串電阻、串電抗等啟動技術,啟動階段對電機線圈的沖擊有所改善,但能源利用效率仍待提高。

上世紀80年代之后,隨著變壓、變頻調速技術的發展,使用變頻器控制電機的電梯逐漸占領市場。變頻器可以在電機的輸入端將電壓從0逐漸升高到電機的額定電壓,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的啟動電流,既抑制了啟動時對電機線圈的沖擊,又提高了能源效率,是電梯發展史上的一次巨大進步。

2.永磁同步曳引機替代異步電機。進入21世紀之后,永磁同步電機技術有了快速發展,在電梯系統中逐漸替代了異步電機。相比異步電機,同步電機沒有蝸輪蝸桿減速機,傳動效率可提高20%～30%；且同步電機沒有轉子損耗,可以降低45%～60%損耗。

3.能量回饋系統替代制動電阻。當電梯處于空載上行、滿載下行,或者從高速運行轉為停止運行的過程中,驅動電機都處于發電狀態,將機械能轉化成電能。對于變頻電梯,此機械能轉化成的電能經過變頻器的三相逆變橋反向回饋到變頻器的直流母線上,當直流母線電壓達到閥值時接通制動電阻將電能轉化為熱能散發到空氣中。這樣的處理方式是對能源的一種巨大浪費,采用能量回饋裝置替代制動電阻,可以解決這一問題。能量回饋裝置可以把電機處于發電狀態時產生的電能經過逆變,變成與電網同頻、同相的優質交流電返回到局域電網,供電梯主板、照明、風扇等裝置以及附近的負載使用。使用能量回饋裝置的電梯節電效果十分明顯,相比采用制動電阻的電梯系統,可節電15%～45%。

二、軟件系統

1.強制限制停止樓層。在電梯運行過程中,電能的損失主要來自電梯的啟動和停止階段。因此,減少電梯的啟動和停止次數,不僅可以提高電梯運載效率,更可以有效提高電梯能源效率。

早期電梯采用繼電器進行控制,控制單元不能進行復雜的邏輯運算。為了減少停梯次數,將分布在樓宇內同一區域的不同電梯設置成僅奇數或偶數樓層停梯,以減少電梯啟動和停止次數,盡管做法較為笨拙,但對提高電梯運行效率和能效參數是有一定作用的。早期很多醫院內的電梯都采用此種設置。

2.群組管理調配。盡管將電梯設置成僅奇數或偶數樓層停梯,可以減少將近一半的停梯次數,但是電梯的整體運行效率仍然是很低的。隨著單片機技術的發展及其在電梯系統中的應用,電梯邏輯控制單元可以進行復雜的運算。在商場及寫字樓同一區域的多臺電梯,各自獨立運行時,只要有大廳召喚信號,每臺電梯都要停梯去迎接乘客。現在可以將多臺電梯組成群組,經過邏輯運算指定不同電梯到不同樓層去迎接乘客,避免多臺電梯去相同樓層迎接乘客情況的發生。這樣進一步提高了電梯運行效率,實現了電能的節約。

3.目的樓層呼叫系統。群控電梯雖然解決了多臺電梯獨立運行時同時迎接相同樓層乘客的不足,但是由于進入同一轎廂內的乘客的目的樓層不同,還是會造成電梯停梯次數的增加。為了解決這一問題,近年來,目的樓層呼叫系統DCS(Destination control system)應運而生。DCS是一種全新的電梯群控系統。傳統的電梯群控系統是靠外呼和內選實現電梯的運輸,運力不能夠很好的發揮,在高峰時刻同樣會出現擁堵狀況。而DCS系統電梯是在候梯廳選層,通過CPU精確計算并告知乘客哪一部電梯能最快將其送達指定樓層,將目的地相同的乘客引導到同一轎廂內,減少電梯中間停站,大大提高運力和節約能源。實踐表明DCS控制系統可以將運力提高20%～30%。以上內容介紹了電梯軟、硬件系統近幾十年來的發展歷程,下面對近幾年電梯節能技術取得的成果做簡要的介紹。

傳統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。聚氨酯復合鋼帶替代傳統鋼絲繩應用于電梯完全顛覆了傳統電梯的設計理念,使電梯運行更節能,更高效。厚度只有3毫米的聚氨酯鋼帶比傳統鋼絲繩更加柔韌耐用,重量輕了20%,壽命卻是傳統鋼絲繩的3倍。聚氨酯鋼帶的高韌性及高曳引力使主機的設計趨于小型化,主機曳引輪直徑可以減少到100～150毫米,結合永磁無齒輪技術,可使曳引機的體積比傳統主機體積小70%,可輕松實現無機房設計,大大節省建筑空間,降低建造成本。目前已有電梯公司采用該技術,實踐證明比傳統電梯最多可以節能50%。另外,迅達電梯公司的高強度無鋼芯合成纖維曳引繩已處于運行驗證階段,相信不久也將進入市場。

另外,隨著照明燈具的技術發展,采用高能效的LED燈具替換節能燈管作為轎廂照明設備；借鑒電腦設備的能源管理方案,讓電梯待機時控制基板休眠,并降低無召喚信號樓層的外呼顯示器亮度；優化轎頂、轎底結構減小轎廂運行風阻系數等技術,都已應用在電梯系統中,進一步提高了電梯能源效率。

近年來,科技發展速度越來越快,相信隨著電池技術的逐漸成熟,通訊速度和穩定性的全面提高,以及傳感器技術的不斷進步等,這些都勢必會推動電梯系統結構的進一步優化并促進電梯能源效率的進一步提高。