混合驱动改善曳引电梯运行能效的理论与方法

（江苏安全技术职业学院，江苏 徐州 221011）

电梯是人类社会化进程中的重要工具之一，为人们的出行和货物的运输提供了极大的便利。据研究表明，电梯的能量消耗往往达到了整座建筑物所消耗能量的20%以上，随着世界范围内能源短缺问题逐渐彰显，电梯消耗能量过高的问题制约了其进一步发展和普及。据国家统计局调查结果显示，2014年我国电梯总数量约为360万，每年的平均增速达20%。同时，在工业生产规模不断扩大的背景下，能源的供应和需求逐渐失去平衡，减少电梯能量消耗的研究也逐渐得到重视，所以通过改进技术降低电梯能量消耗不仅有助于经济的发展，也能促进行业转型和结构调整，契合国家的可持续发展战略。

1 电梯能耗现状以及研究意义

1.1 我国电梯市场发展状况

近年来随着房地产行业的兴起与扩张，我国电梯行业也进入到了快速扩大规模的阶段，据统计，世界范围内一年的电梯总产量约为81万台，正在使用中的电梯数量达到1354万。其中仅中国的产销量就达到了65万，占全世界的80.24%，随着越来越多的楼房建成，未来电梯数量估计每年将增加20%。

1.2 我国电梯能耗情况

资源和能量是一切技术的基础，资源和能量的开采和利用始终推动着人类技术的进步。随着高楼层建筑物数量不断增加，其能源消耗也随之增高，其中比例最高的便是电梯与空调，两者所耗能量达到了整座建筑物的30%以上。据数据显示，高楼层客用梯每日使用的电量为40KWh，根据其计算全年所使用的电量达360亿KWh，由此可见电梯所需能量之多。

依靠改进电梯的结构和技术，如引入配重控制系统、数字化控制等，可以节约15%至20%左右的能量，但是由于技术的局限性，依然存在较为严重的电梯能量浪费。

1.3 混合动力研究意义

电梯在给人们提供了方便的同时也造成了巨大的资源和能量损耗，人们需要解决的课题是如何通过分析电梯的工作原理，改进其工作方式从而降低其运行能耗。通过调查发现，对于酒店、写字楼等商务用途建筑，客梯的用电量占总用电总量的17%至25%。当前的技术只要是将电动机所发的电能反馈到相关电阻上，通过发热的形式使该部分能量逸失，这种方式造成了很大一部分能量的浪费，且会使机房温度升高，提高电梯事故发生的风险。在电梯实际运行中，若能将这一部分多余的能量回收并加以使用，则能够有效节约能源。据研究表明，若在现有基础上增加节能系统，即降低15%左右的能量损失，则每年可以少使用78.8亿度电，这相当于省下315万吨燃煤、3150万吨水资源，同时避免排放214万吨粉尘和其他污染物。可见，节能技术不仅能利用好损失的能量，也可以实现较高的经济收益和环保效益。

2 曳引电梯工作特点分析

2.1 工作原理

常见的曳引电梯的主体为一个轿厢，两次固定有刚性导轨，电梯在其间运行。曳引电梯的核心构件由机动装置和电气控制器件组成。牵引机为电梯提供上下行的作用力，通过为电梯提供动力保证保证电梯平稳上下行。牵引机的核心构成器件为：电动装置、制动装置、联轴器、框架以及滑轮组。为避免电梯厢与电梯井的墙壁剐蹭，在电梯厢上端会固定滑轮组和钢丝绳，利用其摩擦力上下运动。电机系统具有四种运行机制，分别属于四大象限。当电机处于第一、二象限时，电机转速的方向与转矩旋转的方向相同，电梯向上行驶；处于第三、四象限时，电梯为下行模式。

2.2 运行特点

根据上述对常见电梯工作原理的介绍，可以得出其运行特性主要体现在这些方面：配重系统的使用，使得电梯厢在高载重上行以及低载重向下运动时，牵引机处于最大功率。当配重重量与载重的重量基本相同时，牵引机的功率最小，消耗的能量也最少。目前电梯使用高阻值电阻损耗电梯运行产生的电量，但这一技术直接导致机房的表面温度升高，从结果来看反而会增加能量的损耗。

3 电梯混合动力系统原理分析

作为改进的电梯混合驱动系统主要利用了液体压力做功和电能的转化，该过程应该具备以下性能。

功率低、效率高。考察实际运行过程中的能量使用情况，判断是否减少了能量的消耗，并评价该降损过程的效果。为了方便实验，可以监测电梯实时的电量使用情况，并与未使用该系统的电梯在其他条件相同的情况下比较各自的能量使用情况。

液压系统体积小。当前电梯的升级方向是实现电梯无控制室，因此混合驱动系统需要在降低能量损耗的基础上，使用较低容积的液压油箱。

控制简单、安全性好。新的混合驱动系统必须建立在不影响电梯正常工作的基础上，要保证在遇到技术性故障时不会坠落，提高安全性。

3.1 工作原理

为了实现上述要求，本文提出的混合驱动系统主要以液压泵来实现电能和液体势能之间的相互转化，同时储蓄器用于收集、储存转化之后的能量。

该系统的主要组成部分包括：作为电-势能变换器件的定量泵体或者变量泵体、作为储存能量、释放能量器件的液压储能器，用来改变电梯运行方向、速率的牵引机控制器及变频器，监测排量并评估系统压力的混合驱动系统。本文的探究重心在于混合驱动系统的电-势能变换装置。该装置可以把运动过程中产生的电能以液体势能的形式存储在载体中，为牵引机增加额外的动力。牵引机轴上分别有永磁同步电机提供的电机转矩、牵引轮的载重转矩以及储能器增加的附加辅助转矩，牵引机转矩与永磁同步电机的耗能效率呈正相关，牵引机转矩大、能量损耗高的工作流程是电梯发动、静止与非变速运动之间的变速运动过程。采用这种技术，能够在变速环节中为电动机增加额外的作用力，从而降低牵引机做功的效率，最终实现减少能量损耗。

电梯的配重技术是为了降低工作过程中能量的损失，但是需要注意，实际的载重数不是某个确定的值，当载重变动时，牵引机在工作过程中的变速阶段能量损失依然很高。在目前电梯运行系统的基础上加装储能器即泵体器件，其实际效果等同于在电梯上施加了一个作用力，协助电梯的运行。当牵引机发电时，混合驱动系统的目的是降低发电量甚至不产生额外电量，使更多的电量以液体势能的形式存储于液压储能器中，达到混合制动降低能量损耗的目的。

3.2 混合动力系统特点

本文提出的混合驱动系统的原理是通过液压泵体器件的转动方向以及斜盘倾角的角度，与储能器相互协调，从而有效降低牵引机的工作耗能和能量损失。所选泵体器件应该具有以下特点：器件在工作时一定要能够做到正向和反向转动；要达到较快的转速水平，有效配合变频调速系统的调控行为；器件自吸油性能好。混合驱动系统的关键点是将液压泵体与储能器构建为电-势能转化器件，将其直接使用到现有的、较发达的电梯动力系统上，通过将发电机产生的额外电量转变为势能存储起来，为牵引机增加额外的作用力，减少动力系统的能量损耗，以达到提高节能效果的目的。

3.3 运行10 层能耗情况测试

通过仿真测试对混合驱动系统各器件的性能进行分析。实验内容为安装了混合驱动系统的电梯正常运行10层楼（约30米），通过仪器记录系统存储能量与缓释能量的过程。根据仪器显示的结果，电梯的运动过程持续了20s，初始运行阶段储能器中液体的压力较低，运行到15s 时液压急速上升。反之，释能阶段前5s 液体压力减小速度较慢，随后由于电梯运行速度增加，释能过程速度加快。以上结果符合储能器的工作特性。

为了具体考虑安装混合驱动系统后降低能耗的效果，则要测试电梯在负载相同的情况下上行和下行的综合能量使用情况。设定负载100kg，常规电梯消耗能量133.44kJ，混合驱动电梯消耗能量115.40kJ；设定负载为300kg，能量消耗分别为101kJ 和86.8kJ；设定负载700kg，能量消耗分别为157.6kJ 和140.4kJ；设定负载为900kg，能量消耗分别为231.2kJ 和208.2kJ。据此计算，负载为100、300、700 和900kg 时，使用混合驱动系统分别可减少能量消耗达13.52%、14.06%、10.91%和9.95%，综合而言，混合驱动系统相比于传动动力可以降低12%左右的能量消耗。

4 结束语

要注意到，采用液-电混合的驱动方式虽然在理论上已经较为完善，但要运用到实际使用中依然是复杂和困难的，还需要进一步的实验和研究，以完善理论的可靠性。在本文的基础上，还可以进一步研究，在增加了液-电混合驱动系统之后，当电梯突然断电或故障时，换向阀将处于停止位，泵体将闭锁无法转动，由于电梯牵引机通过联轴器与泵体刚性连接，电梯同时会及时停止运行，因此需要开展对电梯安全性的试验研究。