曳引電梯蓄能器儲能液壓節能系統及電容能耗研究

齊冠然，楊淑貞，李民，盧金生，李洪濤

(1.河南建筑職業技術學院設備工程系，河南鄭州 450064；2.鄭州大學機械工程學院，河南鄭州 450064；3.鄭州機械研究所有限公司，河南鄭州 450001；4.河南省特種設備安全檢測研究院，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]。根據相關文獻報道，電梯運行期間會消耗大量電能，其耗能占比達到了建筑總能耗的近20%。對電梯運行控制過程進行分析可知，進行電梯曳引時，如果發生輕載上行和重載下行，此時系統的總體勢能降低，曳引機保持發電狀態[4-6]。在常規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化為熱能消耗掉，引起能量的大量浪費，并且會產生大量熱量而引起電梯機房溫度的上升，需要進一步增加制冷設備，這又會引起能量的二次損耗[7-8]。

有學者將蓄電池應用于曳引機的節能技術中，可以通過蓄電池把減少的勢能儲存起來，之后在電動階段蓄電池又可以對曳引機進行放電提供動力[9-11]。曳引機進入制動階段時可以起到發電的作用，此時可以將曳引機看成是一個發電機，同時利用能量轉換部件把再生電能存儲到蓄電池中，完成電池的充電過程[12]。之后，電梯進入電動階段時，需從系統中獲取能量，蓄電池可以與電網一起為電梯供電，將之前存儲的電能重新用于電梯的運動，實現對前期電梯勢能的重新利用[13]。此外遇到電梯斷電問題時，蓄電池也可以為電梯運行過程繼續提供電能，增強了電梯運行穩定性與安全性，確保電梯能夠正常到達設定平層。在電梯運行控制過程中，蓄電池處于一個持續充放電的過程，并且在電梯進入加速、減速運行狀態時還會對蓄電池充放電過程造成明顯的沖擊作用[14]。

對曳引機控制過程進行分析可以發現，當其輸出功率從電動狀態轉換至發電狀態的過程中，蓄能器會輸出大量能量，導致耗能增加的現象[15]。針對以上情況，本文作者根據曳引電梯運行特征與蓄能電池儲能特點，引入電容補償的方法來實現系統的能力回收，達到儲能過程與曳引機負載間良好匹配。如果在運行階段出現蓄能器產生比曳引機所需能量更高的輸出能量時，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 節能系統設計

1.1 液壓驅動曳引電梯系統

曳引電梯包括轎廂以及配重二個部分，可以將電梯運行控制過程看成是轎廂與配重進行垂直往復運動的過程。根據載荷大小以及運行方向特點，可以將曳引電梯分成兩種運行狀態。其中，電梯進入重載下行與輕載上行階段時，曳引機屬于發電狀態，而在重載上行與輕載下行的階段曳引機屬于電動狀態。采用電-液混合結構進行曳引電梯驅動時可以實現節能的效果，具體工作原理為曳引機在發電階段將能量儲存到蓄能器內，進入電動階段時，蓄能器則可以重新釋放之前存儲的能量，為曳引機提供做功所需的驅動力。圖1為曳引電梯原理。

圖1 曳引電梯節能系統原理

曳引機在重載下行與輕載上行時，信號被壓力傳感器探測到之后，節能控制系統開始發揮作用，此時泵/馬達被切換到泵工況，負載作用于曳引機并帶動泵和馬達轉動，油液被泵入蓄能器內。在上述過程中再生電能被轉化成液壓能。隨著蓄能器壓力升高至溢流閥設定壓力時，溢流閥開啟，油液開始從溢流閥重新流回到油箱中。電梯進入重載上行與輕載下行階段時，曳引機保持電動狀態，此時馬達開始工作，蓄能器釋放油液，通過馬達提供驅動力并帶動曳引機做功，實現了液壓儲能的回收利用。

1.2 基于蓄能器儲能的曳引電梯節能系統

為實現對電梯運行階段形成的再生能量進行更高效回收，達到降低曳引機能耗的作用，針對能量存儲回收過程設計了節能方案，通過蓄能器對電梯再生能量進行了高效回收。電梯在發電過程中形成的能量被儲存到蓄能器內形成液壓能，之后此部分能量在電梯重載上行與輕載下行時被釋放，為曳引機做功提供動力，由此實現對再生能量回收利用的過程，有效降低了曳引機運行消耗的能量，顯著提升了節能效果。

隨著曳引機的發電量逐漸增加，新產生的能量可以被繼續存儲到電容中；電梯進入電動階段時，泵/馬達為曳引機提供驅動力并做功，而曳引機依然會消耗一部分能量，之前被存儲到電容中的能量重新釋放，跟液壓節能系統一起為曳引機負載的轉動過程提供驅動力，實現了能量回收利用，充分克服了定排量節能系統的缺陷。圖2顯示了以蓄能器作為儲能結構的曳引電梯節能系統組成結構。

圖2 蓄能器儲能節能系統Fig.2 Accumulator energy storage and energy saving system

轎廂在電梯運行期間沿豎直方向保持上下運行狀態，根據不同載質量可將其分成輕載與重載兩種運行模式。其中，負載轉矩和旋轉方向一致的條件下，曳引機進入發電階段；負載轉矩和旋轉方向反向的狀態下，曳引機進入電動階段。電梯位置信號被傳輸到控制系統中并經過處理后，再反饋到各執行元件，達到調節曳引機轉向、換向閥與泵/馬達運行工況的功能。

電梯未得到運行指令的情況下保持靜止狀態，為確保電梯的安全性，此時曳引機也保持靜止，曳引輪被完全鎖死，從而確保電梯不會產生滑梯的情況。采用液壓驅動曳引方式進行節能控制時，當電梯接收到運行指令時，換向閥位置在右端，此時泵與馬達被鎖死，無法旋轉，由此避免曳引輪發生轉動的問題，確保電梯運行安全性。

2 仿真分析

2.1 液壓驅動曳引電梯工作原理及模型

能量轉換通過泵/馬達完成。以同軸方式連接泵/馬達和曳引輪，同時利用泵/馬達工況切換的方式達到對蓄能器能量存儲和釋放的效果。圖3給出了以SimulationX構建的電梯控制系統。

圖3 液壓驅動曳引電梯節能系統模型

只對某些重要參數進行分析，并根據實際運行工況為系統其他部件設置合適的運行參數，見表1。設定蓄能器初始壓力22 MPa，初始體積16 L。

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

2.2 仿真結果分析

圖4為電機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，但從總體上看表現為正的能量變化趨勢，能量被存儲到電容中。在重載上行與輕載下行的過程中，電梯表現為負的能量變化特性，此時電容能量被釋放出來為電梯提供驅動力。

圖4 電機功率和電容能量變化

表2顯示了電容在電梯工作階段發生的能量存儲和釋放曲線。可知：曳引機在發電過程中，同樣的能量被儲存至電容內；曳引機進入電動階段時，電容能量被釋放出來并驅動曳引機負載運行。根據電容中的電荷狀態(SOC)對剩余電量進行分析，電容可以達到的最低電壓是250 V，因此隨著電容的能量不斷釋放后電壓降低至250 V時便不再進一步釋放能量，此時SOC也保持穩定狀態。在電容電壓下降到250 V的時候，SOC最低達到0.52。以下對電梯在各個載質量條件下引起的電容荷電變化開展仿真測試。

表2 電容內能量變化Tab.2 Energy changes in the capacitor

圖5為電容SOC曲線。對比圖5與圖4可知：曳引機在發電階段形成了更高的電荷狀態，此時電容開始存儲超出蓄能器能夠存儲的能量，形成了更高的電容電壓；在曳引機進入電動階段的情況下，形成了更小的電荷狀態，電容發生能量釋放，為系統運行提供驅動力。

圖5 電容電荷狀態

通過SimulationX構建了電容模型，并以DC/DC的方式實現能量交換，在回收電梯載荷勢能的過程中，能量先流經曳引機與DC/DC再進入電容內。各部件都在電能傳遞期間發生了一定程度的損耗，因此對電容能量損耗情況進行了分析。各結構的能量轉換效率依次為電機為85%，電容為95%，DC/DC為90%。其中一部分能量被儲存至電容中并獲得重新利用時，只能達到0.52%的較低利用率。

表3給出了電梯在各載質量條件下發生的電容能量損耗。可知：在能量流動階段各元件都存在能量損耗情況，在下行階段損耗隨著負載的增加表現為較低的變化，可見設計的系統對負載適應度很高，具有很好的安全效果。

表3 電容能量損耗Tab.3 Capacitor energy loss

3 結論

(1)在輕載上行與重載上行下，表現為正能量，能量被存儲到電容中。在重載上行與輕載下行中，電梯表現為負能量，電容能量被釋放出來為電梯提供驅動作用。

(2)曳引機在發電階段形成更高電荷，電容開始存儲超出蓄能器能夠存儲的能量，形成了更高電容電壓；曳引機電動階段形成了更小電荷，電容發生能量釋放，為系統運行提供驅動力。

(3)在下行階段損耗隨著負載的增加表現為較低的變化，設計的系統對負載適應度很高，具有很好的安全效果。