在用电梯节能改造的研究

于建明 上海铁路局科研所

1 引言

国务院颁发的《特种设备安全监察条例》重点强调了特种设备节能降耗工作的重要性，明确了特种设备生产单位、使用单位和检验机构的各自职责。同时，国家质检总局116号令颁布的《高能耗特种设备节能监督管理办法》，对电梯节能降耗工作要求做了进一步细化。上世纪90年代中期以前投入使用的电梯，已经服役十多年，很多已经达不到现代电梯安全和节能环保要求，如何使这些老旧电梯达到节能要求，成为各级管理部门关注的重点之一，老旧电梯的节能改造工作迫在眉睫。

2 不同类型的电梯能耗分析

根据国家质检总局《电梯能效评价指标与检测方法研究》课题组对全国10个城市不同型号电梯进行了1 000 kg货物运送1 000 m的试验，并采用相同的测试方法测出能耗，统计结果如表1所示。

表1 不同类型电梯的能耗比较分析表

测试结果表明，完成相同的运送量，不同类型的电梯耗电量相差很大。

3 电梯节能改造途径

电梯节能改造主要从两个方面开展：第一，降低“拖动用电工况”的能耗，主要从驱动系统、控制系统、拖动系统三个方面提高电梯的运行效率；第二，对电梯“制动发电工况”运行过程中产生的再生能源储存和再利用。

3.1 降低“拖动用电工况”的能耗

3.1.1 驱动系统节能

电梯的驱动系统节能改造主要是对原有的曳引机蜗轮蜗杆变速箱的传动方式进行更新改造，采用行星齿轮、永磁同步无齿轮、同步行星齿轮等传动替代设备。这些先进的传动设备较原有的蜗轮蜗杆传动设备相比，具有体积小、性能高、控制稳定、可节能20%以上等特点。

3.1.2 控制系统节能

控制系统节能改造主要有群控系统优化、待机与自动停机节能。群控系统是电梯群的调度系统，群控系统优化主要任务是减少乘客的等待时间和提高电梯的利用率。优化的主要方法有鲁棒优化模型法、滚动优化算法等。待机与自动停机节能是指电梯不运行时的能耗控制技术。

3.1.3 拖动系统节能

拖动系统节能改造的主要方法是将原有的电梯交流双速及调压调速（ACVV）设备改造为调频调压调速（VVVF）设备。

交流电机的转速计算公式为：n=60f（1-s）/P，式中f为定子的供电频率，s为电机转差率，P为电机极对数。调频调压调速技术就是通过改变f来调节电机的转速，从而获得电梯承载的最佳舒适度。电梯采用的恒转矩拖动系统，电机的转矩计算公式为：M≈K（U/f）2，K为常数，从而为了获得电机恒定转矩，需保持U/f值不变，因此在改变f时，需同比例改变电机的定子电压。

调频调压调速（VVVF）设备与调压调速（ACVV）设备相比具有显著的节能效果，主要反映启动、均速、制动三个阶段。

电梯启动时，调压调速（ACVV）设备在50 Hz频率下起动，启动电流大，转矩特性差，乘坐舒适度差，能耗大；而变频变压调速（VVVF）设备在低频下起动，随着电梯速度上升，f不断升高，直到额定速度，大大降低了能耗。

电梯均速运行时，如果电梯处在重载向上运行或轻载向下运行“ 拖动用电工况”下，（VVVF）与（ACVV）耗能基本相同；如果电梯处在轻载向上运行或重载向下运行“制动发电工况”时，调压调速（ACVV）电机需要消耗电能产生制动能量，而变频变压调速（VVVF）电机则再生发电状态，不需消耗电能产生制动能量。

电梯制动过程中，调压调速（ACVV）一般采用能耗制动方式，即从电网中获得能量形成制动电流。对于有较大惯性轮的电机，制动电流高达60～80 A，对电网的冲击较大，制动能量变成热能，消耗在电动机的转子中，电动机发热现象比较严重。变频变压调速（VVVF）因调速性能好，在正常情况下基本做到“零速抱闸”。

因此在电梯节能改造过程中，通常采用调频调压调速技术改进老旧电梯的拖动系统，大大降低能耗，同时也提高了电梯乘坐舒适度。

3.2 制动工况耗能利用

电动机驱动曳引轮旋转，通过曳引轮绳槽与钢丝绳摩擦传动，实现钢丝绳两端轿厢与对重的上下相向运动。在轿厢的上下运行过程中，根据轿厢侧与对重两侧产生拉力差及运行方向的不同可分为4种情况（见表2）。驱动电动机经常在“拖动用电工况”与“制动发动工况”短时交替工作，在“拖动用电工况”电梯驱动电动机需消耗电能，在“制动发动工况”电梯驱动电动机要发出电能。

表2 电梯负荷情况、运行方向和电动机工况的关系表

3.2.1 采用逆变器将再生能量回馈电网

如图1所示，当电梯处在拖动用电工况下，与传统的变频器工作方式相同，即由电网向曳引机供电；当电梯处于制动发电工况下，通过左边的变流器将电梯的再生电能回馈到电网。由于我国电能反馈目前没有得到供电部门的普遍认可，回收电费在实际操作中很难兑现，影响了这项技术的推广。

图1 采用逆变器回将再生电能回馈电网示意图

3.2.2 采用蓄电池吸收再生电能

如图2所示，电池组通过双向DC-DC与电频器的直接母线相连，当电梯处在拖动用电工况下，电池处于恒流放电状态；当电梯处于制动发电工况下，并且直流母线电流达到某一特定值时，电池开始充电，充电电流可根据回馈的再生能量进行控制。目前电池的寿命有限，并且需定期更换，成本较大，推广应用有待新型电池的研制。

图2 电池吸收再生电能示意图

3.2.3 采用超级电容吸收再生电能

超级电容是20世纪60、70年代率先在美国出现，到了80年代作为储能器件走向市场，2010年上海世博会，超级电容公交汽车得到了成功的应用。超级电容作为储能器件与电池相比优点在于：

（1）充电时间短。最快可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，而蓄电池则需8-12 h；

（2）充放电具有很长的循环寿命（可循环充电10万次），而蓄电池只有数百次；

（3）贮存寿命长，因充放电过程中没有发生化学反应或电化学反应，没有生成新的物质；

（4）高可靠，低维护，因充放电过程中没有部件运动，维护工作少。超级电容与铅酸电池性能，如表3所示。

表3 超级电容器与铅酸电池性能的比较

采用超级电容吸收电梯再生电能原理与电池吸收再生电能相同（如图3）。由于超级电容器硬件成本较高，且应用在电梯上的实际经验少，有待进一步的推广。

图3 超级电容吸收再生电能示意图

4 电梯节能改造技术的应用情况

目前，采用变频调压调速技术对交流双速、调压调速老旧电梯的改造得到了广泛的应用。经变频调压调速技术（VVVF）改进后的电梯结构紧凑，噪音低，提高了传动效率。因调压调速技术（VVVF）为无级调速，从而大大提高了乘客的舒适度。某单位使用调频调压调速技术改造一台调压调速电梯，对改造前后的用电量进行了统计。改造前1年的总用电量为15 366.5 kwh，日平均用电量为42.1 kwh，改造后总用量8 979.0 kwh，日平均用电量为24.6 kwh，节能可达41.6%。

在已采用了先进的变频调压调速技术（VVVF）的电梯，节能的空间依然很大。据广州省特检院提供的23台普通变频变压调速（VVVF）电梯增加能量回馈装置，测试能效指标，与未增加能量回馈装置相比，平均节电率达23.38%。

5 我局电梯的节能前景

目前，上海铁路局垂直电梯在用319台，其中交流双速电梯75台，调压调速电梯66台，变频调压调速电梯178台，交流双速电梯占全局垂直电梯的23.5%，调压调速高能耗电梯占全局垂直梯的20.7%。

根据广州省特检院提供的数据：2007年全国在用电梯的日平均用电量为35.15 kwh，我们对全局电梯的能耗进行估算得出，交流双速电梯改造为变频调压调速电梯可节能60～70%；调压调速电梯改造为变频调压调速电梯可节能40～50%。假设我局电梯日平均用电为35.15 kwh；交流双速电梯、调压调速电梯、变频调压调速电梯占有比例与全国相等；交流双速电梯改造为变频调压调速电梯可节能60%；调压调速电梯改造为变频调压调速电梯可节能40%，则可估算交流双速电梯日平均用量为59.0 kwh，调压调速电梯日平均用量为39.3 kwh，变频调压调速电梯日平均用量为23.6 kwh。如果我们把全局75台交流双速电梯与66台调压调速电梯均改造成变频调压调速电梯，则改造前全局电梯日平均用电量为11 219.6 kwh，改造后日平均用电量为7 528.4 kwh，每天可节电3 691.2 kwh，节电率达到33%。

6 电梯节能工作推广

通过上述分析可知，目前我国电梯节能空间很大，对于如何进行推广和应用，我们认为应该从以下几个方面着手：

（1）在法律、法规上需明确电梯等特种设备节能监管部门的职责，对能耗大或超出规定能耗标准的电梯设备，有权提出停用或改造的行政指令，否则不得投入运行。

（2）检验检测机构在对电梯等特种设备进行年度检验时，应同时对能耗进行检测，出具设备安全和运行经济性的检验意见，并明确只有两项检验结果均合格时才能再投入使用。

（3）有关技术监督部门应制定电梯能耗等级标准，明确能耗等级，鼓励优先购买达标的电梯设备，对能耗超标电梯规定使用年限或淘汰时间。

（4）政府和主管部门应加大激励机制，对生产、使用节能电梯的单位在用电价格上给予特别优惠或补贴，鼓励使用先进的节电技术和储能设备；对电梯的节能改造费用，允许企业列入研发费用进行加计扣除；对节能效果特别优秀的单位，由政府给予特别奖励。