曳引式电梯能耗的分析与研究

黄龙涛，王海平，刘继征，贺虎林

(陕西省特种设备检验检测研究院，陕西 西安 710048)

0 引言

随着我国科学技术的迅猛发展，电梯成为人们不可或缺的交通工具，据统计我国建筑物能耗量逐年递增，尤其机电设备能耗所占比例由20世纪末的10%增长到近几年的27.8%，同时空调与电梯能耗被公认为是建筑物中最主要的两种耗能设备，电梯的能耗占建筑物总能耗的5%～15%[1]，从而电梯在机电设备的能耗中占有相当大的比例。因此，社会各界开始广泛关注电梯的能耗问题。

1 曳引电梯的能耗组成

曳引式电梯能耗主要包括曳引系统、门机系统以及电气控制系统和轿厢的耗能。曳引系统耗能设备主要有引机、轿厢对重装置、制动器、平衡装置以及随行电缆等装置；门机系统耗能设备主要有驱动电动机和门机系统的控制等装置；电气控制系统耗能设备主要有控制柜、选层器、平层装置以及显示装置和缓冲器等装置；轿厢耗能装置主要有通风系统、轿厢照明、空调系统等装置。

运行状态时，电梯内部各个装置耗能比重差异很大。据相关数据统计，电梯的曳引系统耗能占总能耗的75%～80%，门机系统耗能占总能耗的10%，其他设备耗能占总能耗的10%左右[2]。

2 曳引电梯设备主要参数

2.1 曳引电梯动力学模型建立

曳引式电梯是一种复杂的机电设备系统，在曳引系统中，曳引机输出转矩所需能量由驱动系统的输出功率Pout提供，如式(1)所示:

Pout=Tωm·ηmηs.

(1)

其中：T为曳引机输出转矩；ωm为曳引轮角速度；ηm为曳引轮效率；ηs为从动轮效率。

从能量守恒的角度建立曳引系统的动力学方程，如式(2)所示[3]：

(2)

其中：v为电梯的运行速度；a为电梯的最大加速度；Jm、Rm分别为曳引轮的转动惯量与半径；Jd、Rd分别为导向轮的转动惯量与半径；Jp、Rp分别为反绳轮的转动惯量与半径；mP为轿厢质量；mG为电梯负载质量；mQ为对重质量；mb1为随行电缆质量；mb2为轿厢侧运动钢丝绳的质量；md为对重侧运动钢丝绳质量；my1为轿厢侧补偿装置质量；my2为对重侧补偿装置质量；fP为轿厢侧导轨阻力；fG为对重侧导轨阻力；fair为轿厢空气阻力。

曳引驱动系统的功率因数η如式(3)所示：

(3)

根据式(1)、式(2)、式(3)可得曳引驱动系统输入功率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)方程右侧第一项为系统转动部件动能变化，第二项为直线运动部件动能变化，第三项为系统势能变化，第四项为阻力对系统做功。从式(2)～式(4)可以得到功率因数η越大，其耗能就越小。

2.2 曳引电梯主要设备参数的确定

对于曳引系统来说，引机形式不同会导致功率因数的不同，一般情况下，永磁同步和交流变压变频调速异步电机作为引机的功率因数较大，其耗能就较小。从式(2)～式(4)可以看出曳引轮和从动轮的曳引效率、电梯运行速度和最大加速度、电梯内系统相关部件质量(平衡系数由轿厢和对重的重量决定)和阻力、曳引机输出转矩和曳引轮角速度都影响着电梯系统的输入功率。本文在对电梯耗能分析中忽略系统相关部件存在的阻力，同时一般电梯出厂时引机的输出转矩、曳引轮角速度、电梯运行速度已经确定。在电梯使用过程中，能量回馈装置可以大大降低能量的消耗，因此能量回馈装置也是影响电梯设备耗能的主要参数之一。

通过上述分析，得到对曳引电梯耗能影响较大的设备参数主要有：引机形式、曳引效率、最大加速度、平衡系数以及能量回馈装置等。

2.3 曳引电梯主要设备参数的分析

通过式(2)～式(4)并结合电梯运行曲线，设置载荷、行程以及曳引系统的参数，可计算出电梯在具体工况下的耗能。

2.3.1 曳引机驱动形式

曳引式电梯引机的形式主要包括直流、交流和永磁同步等3种形式：①直流电机作为引机具有运行平稳、控制方便、传动效率高等特点，在超高速电梯中应用较多，其驱动主要有G-M与SCR-M这两种方式，G-M型式在空载、运行、重启时电机都会耗费大量电能，SCR-M型式则使用固体电路为电机供电，在其电路中只牵涉大功率半导体，因此在空载、运行、重启时能耗较小；②交流电机作为引机，其形式主要有交流双速、交流调压调速、交流变压变频调速，以交流双速耗能最大，交流变压变频调速耗能最小；③永磁同步电机为引机，其使用永磁材料提供励磁磁场，该材料会提升功率因数，降低电机中定子的耗能，在平稳运行状态下，转子电阻耗能较小，同时其作为引机不需要齿轮箱等部件，这样进一步会降低能耗。据相关统计，永磁同步电机为引机比同规格其他电机耗能降低了2%～10%[4]。

2.3.2 能量回馈装置

能量回馈装置在曳引式电梯中的作用是将机械能转化成电能反馈到电网当中，其在电梯中的应用可大大降低电梯的耗能。据相关数据统计，电梯耗能降低10%～25%，不同工况下具有能量回馈装置的电梯节能状况[5]如图1所示。

由图1可以得出，电梯具有能量回馈装置节能效果较为明显，电梯在50%载荷情况下，节能5%左右；载荷在50%～75%之间节能比呈快速递增状态；载荷在75%～100%之间节能比呈缓慢递增状态；在满载和空载情况下节能效果更为突出，节能20%以上。统计电梯总节能状况，电梯具有能量回馈装置比一般电梯节能17.60%以上。

图1 不同工况下电梯节能状况

2.3.3 曳引效率

影响曳引效率的参数主要有曳引机、曳引轮、导向轮、从动轮的效率以及曳引比，不同功能的电梯设备如果影响曳引效率的参数选择不合适，则将会影响该台电梯的曳引效率，从而对电梯耗能量也会有重大影响。

与此同时，在额定载重量与速度相同条件下，引机的型号与功率应尽量减小，因为这样可以减少引机的耗能量，从而起到节能效果。

2.3.4 电梯最大加速度

电梯最大加速度在曳引式电梯的性能参数中尤为重要，它对电梯的耗能影响非常大。最大加速度用来测试乘坐电梯时的舒适程度，在相关数据标准中对它作了严格规定，如表1所示[6]。

表1 最大加速度取值范围

在电梯速度确定情况下，电梯额定速度并不变，加速度越大，其制动距离越小，电梯耗能量主要由曳引系统动力势能影响[7]。图2和图3分别为不同加速度情况下电梯上行时启动与制动耗能量随载荷变化的情况。启动状态：电梯轻载上行阶段，引机处于发电状态，最大加速度发生变化时，电梯耗能变化幅度不大；电梯重载上行阶段，引机处于电动状态，最大加速度较大的，其运行距离短，耗能较小。制动状态：电梯轻载上行阶段，引机处于发电状态，最大加速度较大时，其制动时间短，耗能较小，但变化幅度不大；电梯重载上行阶段，引机处于电动状体，最大加速度较大时，其制动距离短，势能小，耗能较小。

图2 不同加速度下电梯启动能耗 图3 不同加速度下电梯制动能耗

2.3.5 平衡系数

平衡系数在曳引式电梯中也是非常重要的性能参数之一，在GB7588—2003中对平衡系数进行了规定，其取值范围在40%～50%之间，通常采取将对重块增减的方法来调整平衡系数。图4和图5分别为不带以及带有能量回馈装置的电梯设备在不同平衡系数条件下上行能耗随载荷变化的情况。

图4 不同平衡系数下不带能量回馈装置的电梯能耗 图5 不同平衡系数下带能量回馈装置的电梯能耗

从图4可以看到：不带能量回馈装置的电梯轻载上行时，引机处于发电状态，平衡系数发生变化时，电梯耗能变化幅度不大；伴随载荷不断增加，平衡系数值在0.4～0.5之间，平衡系数越大，电梯耗能越小。从图5可以看出：带能量回馈装置的电梯轻载上行时，电梯处于储能状态；伴随载荷不断增加，电梯才处于耗能状态，平衡系数值在0.4～0.5之间，平衡系数越大，电梯耗能越小。

3 结论

(1) 在引机形式不同情况下，电梯耗能量各不相同；永磁同步和交流变压变频调速异步电机作为引机的电梯耗能较小。

(2) 具有能量回馈装置的电梯，载荷超过50%节能比呈递增状态，在满载和空载情况下，节能20%以上；电梯具有能量回馈装置比一般电梯节能17.60%以上。

(3) 最大加速度会影响电梯启动以及制动的耗能变化；轻载上行时，最大加速度对启动以及制动耗能影响不明显；重载上行时，最大加速度较大的，启动以及制动耗能较小。

(4) 平衡系数的改变会影响电梯耗能的大小，其数值在0.4～0.5之间，平衡系数越大，电梯耗能越小。