简易升降机能效测试与对比分析*

龚徐科，曹光敏，张志坚，阮 航

(宁波市特种设备检验研究院，浙江宁波315048)

0 引言

简易升降机是以曳引机、卷扬机、电动葫芦、液压泵站等作为驱动装置，通过钢丝绳、齿轮齿条、链条或者液压油缸等部件带动货厢，在井道内沿垂直或与垂直方向倾斜角小于15°的刚性导向装置运行的仅用于运载货物的起重机械［1］。该类产品结构简单，技术要求不高，同时对建筑物要求低，价格相对低廉，因而在企业尤其是中小型企业中得到了广泛的应用。

为顺利完成研究，掌握强制式和曳引式驱动简易升降机的能耗情况，本研究在前期制定测试方案，确定测试条件、测试仪器和测试程序，并于2014年3月13日对两台参数基本一致的简易升降机进行现场测试。

1 设备情况

该两台简易升降机分别于2013年5月和6月制造，一台为强制式简易升降机，另一台为曳引式简易升降机，两台简易升降机各项参数基本一致。强制式简易升降机采用额定起重量为5 t 的CD1型电动葫芦作为驱动主机;曳引式简易升降机采用曳引机作为驱动主机，调速方式为交流双速，并在货厢的另一侧设有对重，平衡系数为45%。该两台简易升降机驱动电机功率均为5.5 kW。两台简易升降机的基本情况表如表1所示。

表1 简易升降机基本情况表

2 测试方案的确定

本研究在确定能效测试方案时参考了国家标准GB/T 30222—2013《起重机械用电力驱动起升机构能效测试方法》［2］和特种设备安全技术规范《电梯能效测试与评价规则》(征求意见稿)，采用了“供给能”、“有效能标称值”和“能效标称值”3 条定义。其中，供给能是简易升降机按试验方法要求完成一个测试工作周期时实际消耗的能量，有效能标称值是简易升降机按试验方法要求完成一个测试工作周期时提供的有效能量，而能效标称值则是简易升降机在一个测试工作周期内的有效能标称值与供给能之比。

2.1 测试条件和程序

为保证测试效果，实施现场测试时在相应产品标准规定的工作条件下进行测试，测试条件和程序符合《电梯能效测试与评价规则》(征求意见稿)和GB 28755—2012《简易升降机安全规程》中的相关规定。

2.2 测试仪器

测试仪器主要采用法国Chauvin-Arnoux 公司的C.A-8335 便携式三相电能质量分析仪，配用型号为MN93A 的电流钳。

2.3 供给能的测试

供给能的测试通过C.A-8335 电能质量分析仪测量，并按下式进行计算:

式中:EG—供给能，J;n—一个测试周期内包含的测试阶段的个数;Di—一个测试周期内第i 个阶段电能质量分析仪测量值，kW·h，测量值为负值时，为测试对象向电网反馈能量［3］。

电能质量分析仪输入端的接线在简易升降机起升机构馈线接入处，具体接线位置示意图如图1所示［4］。

图1 电能质量分析仪接线图

2.4 有效能的测试

能效测试的核心部分是有效能的测试，有效能的测试包括现场测试数据和理论计算内容。

2.4.1 有效能测试参数的选取

为了全面反映简易升降机实际运行中的各种载荷工况，本研究对比了《电梯能效测试与评价规则》(征求意见稿)的测试状况，分别按简易升降机额定载重量的0%、50%、100%进行测量。简易升降机按指定的参考循环运行，指定层站为最大运行行程最接近的层站;每个工况运行3 个循环后停止循环，测量并记录总能量值W0，记录实际测量过程的楼层高度H1，总能量除以3 得到平均值并记录该值W［5］1。

2.4.2 有效能标称值的理论计算

有效能的计算应符合其物理过程和运动规律，并能严格遵守能量转换和守恒的基本定律。根据能量转换和守恒的基本定律，有效能的计算按下式计算，计算过程中导轨与导靴的摩擦阻力忽略不计［6］。

式中:Eqs—起重机构有效能标称值，J;m—测试载荷，t;m1—货厢自重，t;h—带载升降时的实际升降高度，m;h'—空载升降时的实际升降高度，m。

2.5 能效标称值的计算

简易升降机能效标称值计算如下式所示:

3 测试结果

2014年3月13日，本研究按照预定的测试方案分别对强制和曳引式简易升降机进行了测试，测试结果如下。

3.1 能耗情况

本研究对C.A 8335 电能质量分析仪中的数据进行整理，得出各工况平均有功电能消耗情况如表2所示。

表2 各工况有功电能消耗平均值(单位:Wh)

根据公式(1)由计算可得，强制式简易升降机完成一个完整测试工况所需的供给能为86.5 Wh，而曳引式简易升降机完成一个完整测试工况所需的供给能为71.4 Wh，说明总体上曳引式简易升降机比较节能，但节能效果不是很明显。另外笔者也看到强制式简易升降机在下降各工况的电能消耗平均值均为负值，且随着载荷增加绝对值依次增加，说明强制式简易升降机在下降过程中存在着能量反馈，反馈能量的大小和载荷的重量成正比。

3.2 能效标称值

根据公式(2)可计算出完成不同测试工况所需有效能的标称值，各分项分别表示一个周期内的空载运行、半载运行和重载运行，然后根据公式(3)可计算出各工况以及完整测试工况的能效标称值如表3所示。

表3 各工况及完整工况有效能标称值和能效标称值

从表3 可以看出强制式简易升降机完成一个完整测试工况的能效标称值为103.85%，而曳引式简易升降完成一个完整测试工况的能效标称值为127.56%，这说明曳引式简易升降机的能源利用效率比强制式简易升降机的高。

3.3 有功功率

对电能质量分析仪中的数据进行整理，得出各工况有功功率的稳定值如表4所示。

表4 各功况有功功率稳定值(单位:W)

图2 强制式简易升降机有功功率变化趋势图

强制式简易升降机有功率变化趋势图如图2所示。曳引式简易升降有动功率变化趋势图如图3所示。

图3 曳引式简易升降机有功功率变化趋势图

从表4 和图2、图3 可以看出，强制式简易升降机下降各功况的有功功率最小值均为负值，且绝对值在满载时最大，这说明强制式简易升降机各功况是有能量反馈的，能量反馈的大小和载荷的大小正相关。

4 测试结果分析

4.1 强制式简易升降机的能耗分析

从表4 可以看出，强制式简易升降机完成一个完整测试工况所需的供给能86.5 Wh，而曳引式简易升降机完成一个完整测试工况所需的供给能为77.4 Wh，说明曳引式简易升降机总体比强制式简易升降机节能，特别是在空载上升和半载上升时节能更加明显，这是因为曳引式简易升降机在货厢的一侧设置了对重，平衡了一部分货厢的重量，当货厢重量加上货物重量和对重相等时，理论上电动机不用做功就可以使货厢作上、下运动。从表4 可以看出强制式简易升降机在下降工况时电能消耗平均值均为负值，也就是说在下降工况时电动机是不耗能的，相反电动机处在发电状态，即电动机在运转过程中向电网回馈了一部分电能，因为下降过程中重物本身的重力加速度将使电动机转子的转速超过旋转磁场的同步转速，从而使电动机处于再生发电制动状态，当下降重量越大时，向电网回馈的能量越多。

关于下降工况电动机向电网回馈的电能能否利用，文献［7］中已有详细论述，即起重机的起升机构在下降再生制动时都有能量回馈且能被同一厂房的其他设备利用，而在GB/T 30222-2013《起重机械用电力驱动起升机构能效测试方法》中也规定测量时应把回馈能量从消耗能量中减掉。

4.2 曳引式简易升降机的能耗分析

从表2 可知，曳引式简易升降机无论在上升还是下降过程均未测得回馈能量，这是因为曳引式简易升降机采用的是交流双速电机，以空载上升为例，电机在高速运行时，接入的是高速绕组，这时电机实际转速比同步转速要小，因此电机始终工作在电动状态，需要消耗大量能量;而电机在减速过程中采用低速绕组，在减速开始的瞬间，虽然快速绕组已从电网撤出，并立即把低速绕组接入电网，而电动机的实际转速因曳引式简易升降机机械传动系统的惯性，仍维持在原快速状态时的转速。因此，相对低速绕组而言，此时电机的实际转速已大大高于低速绕组的同步磁场转速，从而使低速绕组工作在再生发电制动减速状态。对低速绕组来说，这时电动机恰好处于发电机的工作状态，即把在快速运行时所具有的动能反馈到电网中去。但是和电动状态相比制动状态反馈的电能相对较少，因此整体测得的电能消耗平均值还是为正值［8］。

5 结束语

综合以上数据，本研究可以得出如下结论:由于强制式简易升降机采用的是交流异步电动机，下降工况时将一部分货厢和重物的势能和下降时的动能通过再生发电制动转化为电能，以“负能量”的形式反馈给了电网，抵消了上升工况时部分用于作功的“正能量”;而曳引式简易升降机采用的是交流双速异步电动机，下降工况时大部分时间都在作正功，再生发电制动的时间较短，向电网反馈的电能几乎可以忽略不计，这也是在实际测试过程中强制式简易升降机和引式简易升降机电能消耗平均值对比不是很明显的根本原因。

通过对简易升降机的能效测试和对比分析，本研究进一步掌握了两种升降机的能耗和能源利用效率情况，为简易升降机能耗的评价提供了可靠的实测数据，有助于政府职能部门制定简易升降机节能方面的法规、标准，从而为推进简易升降机节能产品市场的发展、降低简易升降机的综合能耗奠定了很好的基础。

［1］曹光敏.GB 28755—2012，简易升降机安全规程［S］.北京:中国标准出版社，2013.

［2］刘元利.GB/T 30222-2013，起重机械用电动力驱动起升机构能效测试方法［S］.北京:中国标准出版社，2014.

［3］陈志溪，余志林，叶建钢，等.电梯工作特性和与能耗形式分析［J］.中国电梯，2008，19(4):43-45.

［4］王士琴，朱昌明，张 鹏，等.电梯能耗测量新方法［J］.起重运输机械，2009(9):35-39.

［5］COOPER D.Energy of various elevator drives［J］.Elevator wored，1997，35(3):20-23.

［6］SCHROEDER J.Engery consumption and power requirements of elevators［J］.Elevator wored，1996，34(3):28-29.

［7］曹光敏，张志坚，丁高耀，等.桥式起重机能效对比测试与分析［J］.起重运输机械，2013(8):114-118.

［8］孙立新.关于电梯能效评价的探讨［J］.中国电梯，2008，19(4):43-45.