基于变排量液压泵/马达的电液混合驱动曳引电梯节能系统研究

张 杰，赵 斌，2，郝云晓

(1.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室，山西太原 030024；2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江杭州 310027)

引言

随着全球经济的飞速发展，各大城市高楼林立，电梯已经成为了人们出行必不可少的交通工具，但电梯的高能耗问题也成为了制约其发展的主要原因。电梯在重载下行和轻载上行的过程中由于曳引机负载的重力势能减小，会有再生能量产生。如何合理的回收利用这部分能量成为了目前节能电梯研究的主要方向[1]。目前电梯节能的主要技术有：能量回馈电网技术、能量存储和回收技术[2]以及针对电梯群控[3]和驻停的节能技术。能量回馈电网技术[4-5]是将AC/DC变频器并联在直流母线侧，利用逆变技术将再生能量送回电网。2003年，日本富士公司成功研制了电源再生装置[6]，把有源逆变单元从变频器中分离出来并联到直流整流侧，从而将再生能量回馈到电网中。BOONYANG P等[7]建立了永磁电机电梯的能量再生系统,用于将电梯曳引机处于发电状态产生的直流电转换为交流电反馈回电网。2006年奥的斯公司正式推出了能源再生电梯，将能量回馈电网技术应用到了节能电梯中。由于再生能量经逆变器回馈电网时，无法将直流电变为标准的正弦波，从而对电网产生谐波污染，所以使得回馈电网型的设备无法得到大规模的应用。能量存储和回收技术[8]是一种利用储能装置使电梯在发电状态下储存能量，在电动状态下释放能量的技术。目前能量存储回收技术主要有蓄电池储能节能技术和超级电容储能节能技术[9]。2002年，三菱公司在专利中[10]提到蓄电池储能节能技术主要是将变频器直流母线与电池并联。2014年Sebastiano等介绍了一种回收和储能系统，将电梯产生的可再生能量存储到蓄电池中，在该系统中电梯和蓄电池之间的能量交换通过合适的电子控制单元，并且要确保两个设备的功能允许适当的能量交换。电梯产生的电能通过逆变器给电池供电，同时，蓄电池也通过逆变器馈电给曳引机提供能量。采用传统的铅蓄电池储存电能，虽然成本低、储存性能好，但是所储电能较少，并且电池容易对环境造成污染、对电流和电压的要求也比较严格，所以它的使用受到限制。超级电容器是德国人Helmholtz于1879年提出的。与电池储能相比其充放电电流不受限制，响应速度快，循环使用寿命长。PAY S L[11]对超级电容器储能再生制动系统进行了研究，采用了DC/DC变换装置控制超级电容，并使用ADVISOR软件对系统进行深入的分析。马奎安等[12]提出在电梯电机变频器的直流母线上通过双向DC/DC变换器连接一个超级电容储能装置的节能方案，该方案可以高效率的吸收再生能量，在需要时向电梯及其辅助装置供电，实现回馈电能的实时利用，达到高效节能的目的。但是超级电容的系统较为复杂，并且制造成本较高。针对电梯电能存储和回收的理念，赵斌[13]提出了一种新型的电-液混合驱动曳引电梯节能系统，该系统将电梯产生的再生能量以液压能的形式储存到蓄能器中，当电梯处于电动状态，蓄能器内的能量释放，辅助曳引机做功。

由上述分析可知，再生能量回馈电网容易对电网造成谐波影响，影响电网质量；蓄电池储能效率较低，对环境污染严重；超级电容成本高，系统复杂；采用定排量液压泵/马达的电液混合驱动曳引电梯，不能实时匹配能量，能效比较低[14]。为此，提出一种采用变排量液压泵/马达的电-液混合驱动系统。在SimulationX中对不同载重时曳引机负载转矩进行仿真分析，设计了泵/马达变量控制系统，对该系统进行了进一步的完善，并与定排量泵/马达节能电梯和普通曳引电梯进行能耗比对分析，验证分析了节能电梯的节能效率。

1 工作原理

1.1 曳引电梯工作特性

曳引电梯是由轿厢和配重组成的，电梯的运行过程本质上就是轿厢和配重在垂直方向上的往复运动。在电梯的实际运行过程中，为避免轿厢和配重发生碰撞，往往通过导向轮把轿厢和配重分开。曳引电梯在运行过程中，当电梯处于轻载上行和重载下行时，曳引机负载转矩与旋转方向相同，曳引机处于发电状态；当电梯处于重载上行和轻载下行时，曳引机负载转矩与旋转方向相反，曳引机处于电动状态。液-电混驱曳引电梯节能系统的原理，是将曳引机处于发电状态时产生的能量储存在蓄能器中，当曳引机处于电动状态时，将这部分能量释放，辅助曳引机做功，从而达到节约能源的目的。节能系统原理如图1所示。

1.泵/马达 2.增速器 3.曳引轮 4.永磁同步电机5.编码器 6.配重 7.轿厢 8.溢流阀9.液压蓄能器 10.电磁换向阀 11、12.压力传感器图1 能量回收系统结构原理图

当电梯轻载上行和重载下行时，曳引机处于发电状态，此时泵/马达切换为泵工况，曳引机负载拖动泵/马达转动，将油液从油箱泵入蓄能器中，此过程将再生电能转化为液压能储存在蓄能器中。当蓄能器内压力达到溢流阀的设定压力时，溢流阀打开，多余的油液从溢流阀流回油箱。当电梯轻载下行或重载上行时，曳引机处于电动状态，此时泵/马达切换为马达工况，蓄能器内油液释放，驱动泵/马达转动，从而辅助曳引机做功。

1.2 仿真模型及转矩特性

当电梯的载重质量不同时，曳引机负载产生的转矩也会不同，当电梯处于匀速运行阶段时，曳引机负载转矩恒定，此时的转矩：

(1)

但当电梯处于加速或减速阶段时，电梯负载需要一个加速度，为了满足电梯加速和减速运行，相应的曳引机负载转矩也会发生变化。

电梯上行时转矩：

(2)

电梯下行时转矩：

(3)

式中，Mj—— 轿厢的质量

Mp—— 配重的质量

aj—— 轿厢运行时的加速度

g—— 重力加速度

R—— 曳引轮半径

不同的电梯载重，产生不同的转矩。在SimulationX中搭建电梯能耗仿真模型及三维模型如图2所示，根据现有的研究条件，模型中轿厢的质量设置为950 kg，配重的质量设置为1445 kg，曳引轮的半径设置为0.25 m，电梯加速和减速运行的时间为3 s，模型最大运行距离为30 m(10层)。该模型的搭建主要分为3部分：曳引机仿真模型、钢丝绳及提升负载仿真模型、节能系统仿真模型。

图2 电梯能耗仿真模型

如图3为电梯运行时曳引机负载转矩仿真图。当曳引机负载转矩与旋转方向相同时，转矩为正；当曳引机负载转矩与旋转方向相反时，转矩为负。

从图3可以看出，电梯轻载上行与重载下行转矩相同，电梯重载上行与轻载下行转矩相同。当电梯轻载上行和重载下行处于加速阶段时，电梯的重力势能减小，一部分重力势能需要转化为系统的动能，所以曳引机负载转矩减小，电梯在加速过程中加速度先增大后减小，所以此时曳引机负载转矩先减小后增大；当电梯处于减速阶段时，轿厢和配重的动能减小，加速度方向与运行的速度方向相反，所以曳引机负载转矩会增大；匀速运行时转矩不发生变化。当电梯轻载下行和重载上行处于加速阶段时，电梯的重力势能增大，同时还需要给电梯提供一个加速度，所以此时的曳引机负载转矩会增大，当电梯轻载下行和重载上行减速运行时，由于加速度与运行的方向相反，所以此时负载转矩会减小。当轿厢侧的质量与配重侧质量接近时，由于轿厢侧和配重侧的质量差减小，所以匀速运行时的负载转矩减小。在普通电梯中，当曳引机负载转矩与旋转方向相同时，为了满足电梯的正常运行，曳引机需要提供一个相反的转矩，此时负载会拖着曳引机转动，曳引机产生再生电能，而这部分再生电能则通过制动电阻来消耗掉。当负载转矩与旋转方向相反时，曳引机需要正向驱动，此时则需要曳引机提供电能。

图3 曳引机负载转矩图

2 变量泵/马达控制装置工作原理

2.1 节能控制装置工作原理

在液电混合驱动电梯节能系统中，泵/马达与曳引轮同轴连接,当曳引机负载转矩与曳引轮旋转方向相同时，此时泵/马达切换为泵工况，曳引机负载拖动泵/马达转动，使曳引机处于空转或发电较少的运行状态，将油液从油箱泵入蓄能器内，使这部分能量以液压能的形式储存起来。当曳引机负载转矩与曳引轮旋转方向相反时，泵/马达切换为马达工况释放蓄能器内储存的能量，辅助曳引机做功，从而使蓄能器内的能量得到重新利用，降低曳引机的能耗，达到节约能源的目的。如果采用定量泵/马达驱动时，根据泵/马达的运行原理，泵/马达的转矩：

(4)

式中，T—— 泵/马达转矩

V—— 泵/马达的排量

p—— 蓄能器的压力

虽然随着蓄能器压力的变化，泵/马达的转矩会有一定的变化，但蓄能器压力对泵/马达的转矩影响较小，并且电梯运行时载重量变化较频繁，所以曳引机负载转矩变化也比较频繁。由于定量泵/马达排量不发生变化，此时泵/马达的输出转矩只受到蓄能器压力的变化，并且变化较小，无法与实际运行时曳引机负载转矩相匹配，所以考虑采用变量泵/马达来进行能量的回收和重新利用。

2.2 泵/马达控制方法

由式(4)可得到泵/马达的排量：

(5)

在图1中，压力传感器11和12分别获取电梯轿厢的载重量和蓄能器的压力，将信息传递给节能控制系统，控制系统将信息分析处理后控制电磁换向阀的位置以及泵马达的排量。同时，节能控制系统与变频控制器形成双向反馈来控制曳引机的输出功率。电梯曳引机负载转矩增大时，可通过增大泵/马达的排量来提高泵/马达的输出转矩，从而抵消掉曳引机负载转矩，如果泵/马达提供的转矩与曳引机负载转矩大小相等，并且方向相反，则此时的曳引机就处于空转状态，不需要消耗任何的电能，从而降低了系统的能耗。由图3中可知，当电梯轻载下行和重载上行时，曳引机的负载转矩为负值，泵/马达处于马达工况，当电梯轻载上行和重载下行时，曳引机的负载转矩为正值，泵/马达处于泵工况。但随着载重质量的变化电梯在轻载上行和重载下行加速阶段负载转矩会变为负值，轻载下行和重载上行减速阶段负载转矩会变为正值。理论上泵马达应该切换工况，由于负载转矩正负值变化时间较短，换向阀来回切换时能量消耗比较大，所以负载转矩出现这种情况将泵/马达的排量设置为0。

3 仿真分析

3.1 普通曳引电梯能耗

在普通曳引电梯中，当电梯处于轻载下行和重载上行时，曳引机处于电动状态，曳引机的正向驱动促使电梯运行。但当电梯处于轻载上行和重载下行时，负载的重力势能减小，曳引机反向制动，曳引机处于发电状态。普通电梯会将电梯发电时产生的能量通过制动电阻消耗掉，这不仅造成了能量的浪费，还增加了机房的散热负担。在SimulationX中对电梯运行30 m进行仿真分析，图4为普通曳引电梯运行时曳引机的功率曲线。

图4 传统电梯曳引机功率曲线

从图4可以看出，当电梯处于轻载上行和重载下行，轿厢侧质量与配重侧质量相差较小时，曳引机发电量逐渐减少。但是由于电梯起步时需要加速运行，此时需要曳引机提供能量，所以随着两侧质量差的减小，电梯运行产生的再生能量减小，电梯起步时的能耗有所增加。电梯轻载下行和重载上行时曳引机处于电动状态，随着轿厢侧与配重侧质量差的减小，曳引机的能耗也逐渐减小。

3.2 基于定排量泵/马达的液电混合驱动曳引电梯能耗

在定排量曳引电梯节能系统中，对采用不同排量的泵马达进行了仿真分析。在电梯轻载上行过程中，采用液-电混合驱动节能系统收集电能时，为了最大程度的回收能量，电机应该处于少发电或不发电状态。在电梯空载上行时产生再生能量最多，所以考虑选用合适规格的蓄能器来最大程度的回收这部分能量。当电梯空载上行30 m时产生的可再生能量为149 kJ,由于泵/马达的最高工作压力为30 MPa，所以蓄能器的最高压力不能超过30 MPa，并且蓄能器工作时需满足：p1≥0.3p2,p1为最低工作压力，p2为最高工作压力。为了提高蓄能器的工作效率，使泵/马达工作更加稳定，则设定p1=0.6p2。

所以蓄能器的压力设定为18～30 MPa。根据蓄能器回收能量公式：

(6)

式中，E—— 蓄能器回收能量

V—— 蓄能器体积

n—— 气体多变指数，绝热情况下n=1.4

通过式(6)计算出蓄能器的体积为21.7 L。查取蓄能器的规格和尺寸，符合要求的蓄能器体积为24 L。图5是采用定排量曳引电梯模型仿真时曳引机的能量输出曲线。此模型中泵马达排量为71 mL/r。

图5 空载和载重100 kg时曳引机的功率曲线

从图5可以看出，电梯在空载运行时，曳引机的功率在0上下附近波动，此时功率消耗较低，但是当电梯载重100 kg运行时，此时曳引机负载转矩减小，由于泵马达的输出功率几乎不会发生变化，产生的转矩也不会发生变化，此时曳引机负载转矩与泵/马达提供的转矩不匹配，所以泵/马达就会拖着曳引机转动，使曳引机处于耗电状态，从而造成了能量的再次浪费。改变泵/马达的排量，采用40 mL/r的泵/马达对再生能量进行回收利用，并对不同载重工况进行仿真分析。

从图6可以看出，随着载重量的增加，由于定量泵/马达节能系统的转矩恒定，电梯上行时，曳引机逐渐由发电状态变为耗电状态，电梯下行时逐渐由耗电状态变为发电状态。针对蓄能器吸收的能量仿真过程，无论轿厢的载重量如何变化，蓄能器回收和释放的能量皆不发生变化。虽然已经达到了一定的节能效果，但泵/马达转矩与曳引机负载转矩不匹配的现象较为严重。

图6 定/排量泵马达节能系统曳引机功率曲线

3.3 基于变排量泵/马达的液电混合驱动曳引电梯能耗

针对定排量节能系统存在的缺陷和不足，考虑使用变排量泵/马达回收利用损失的能量。泵/马达的输出功率虽然会受到蓄能器压力的影响，随着蓄能器压力的逐渐升高，泵马达的输出功率及输出转矩会发生一定的变化，但这个变化相对来说比较小。当电梯轿厢的载重量发生变化时，泵/马达回收及释放能量时所提供的转矩也需要发生变化，所以就采取改变泵/马达排量的方式来进行节能。在该电梯模型不变的条件下，对泵/马达的排量进行变量控制，然后进行仿真分析。

电梯运行时泵/马达的排量如图7所示，从图7可以看出，在电梯运行过程中，随着电梯运行时转矩的变化，泵/马达的排量也随之发生变化。在电梯轻载上行和重载下行加速阶段时，由于曳引机负载转矩为先减小后增大，泵/马达的转矩为了与之相匹配，排量也随之先减小后增大。在电梯匀速运行阶段，由于蓄能器的压力在不断增加，此时选择适当减小泵/马达的排量，使泵马达输出的转矩维持在恒定的数值，这样就可以抵消掉曳引机负载产生的转矩，从而减小了曳引机的输出功率，达到节能的效果。

图7 电梯不同载重下泵/马达排量

对泵/马达进行变量控制后，在SimulationX中分别对不同载重下电梯上行和下行时曳引机的能耗及蓄能器能量回收及释放状况进行了仿真分析。从图8可以看出，无论上行还是下行，当电梯载重量发生变化时，曳引机的功率几乎不变，曳引机的输出功率都在0附近波动，此时电机的能耗最低。当电梯处于发电状态时，蓄能器几乎回收了全部的重力势能，并且在电梯处于电动状态时得到充分利用。比较图6和图8可知，在不同载重时，使用变量泵/马达节能系统，不仅曳引机的功率输出较为恒定，而且在电梯的加速和减速阶段，输出功率的峰值也明显降低。

图8 变排量泵马达节能系统曳引机功率曲线

对蓄能器回收能量及释放的仿真分析如图9所示，当电梯轿厢侧与配重侧质量变化时，通过控制泵/马达的排量，最大限度的回收可再生能量。当电梯载重100 kg上行30 m时，理论上产生的再生能量为91 kJ，仿真分析中蓄能器回收的能量约为82 kJ；当电梯载重300 kg时，理论上产生的再生能量为45 kJ，仿真分析中蓄能器回收的能量约为41 kJ。可以看出当采用变量泵/马达进行能量回收利用时，蓄能器对再生能量的回收利用率较高，可达90%以上。

图9 蓄能器回收及释放能量曲线表

表1～表3分别为传统电梯、定排量泵/马达节能系统电梯和变排量泵/马达节能系统电梯在运行30 m时的曳引机能耗。

表1 传统电梯能耗

表2 定排量泵/马达节能系统电梯能耗

表3 变排量泵/马达节能系统电梯能耗

4 结论

(1) 搭建了电液混合驱动曳引电梯联合仿真模型，并对传统电梯、定量泵/马达节能电梯能耗、变量泵/马达节能电梯能耗进行仿真分析，发现采用变量控制原理节能效果明显；

(2) 分析了曳引电梯的运行特性及电液混合驱动曳引电梯节能系统，并在此基础上进行改进，采用变量控制原理，使蓄能器回收更多的重力势能，与定排量泵/马达节能曳引电梯相比，载重100 kg运行时节能效果可达36.9%；载重300 kg运行时节能效果可达8.4%；载重700 kg运行时节能效果可达10.6%；载重900 kg运行时节能效果可达39.2%。