电梯节能技术发展

关 辉

东芝电梯(中国)有限公司 辽宁 沈阳 110168

随着我国经济的不断发展,人们生活水平的不断提高,我国电梯的拥有量呈不断上升的趋势,电梯的能耗也随之不断增加。至2019年底,全国电梯数量已达709.75万台。面对如此庞大的电梯数量,提高电梯能源效率意义重大。下面就以近几十年电梯技术的发展历史为背景,介绍电梯节能技术的发展。

电梯控制系统由硬件系统和软件系统构成。自电梯诞生以来,硬件系统还是软件系统都经历了不断的改进和完善,使电梯运转越来越节能。下面就按硬件系统改善和软件系统改进来分类,分别介绍电梯硬件系统和软件系统中节能技术的发展。

一、硬件系统

1.变频器驱动替代三相电直接驱动。上世纪80年代之前,我国绝大多数电梯都使用交流双速异步电机。三相动力电经过空气开关、热继、接触器后直接连接到异步电机的定子绕组。这样异步电机在启动阶段的转差率非常大,导致电梯在启动阶段的定子电流很大,大电流并没有转化成电机动能,而是产生了大量的热,不仅浪费了大量电能,而且危害电机线圈寿命。尽管采用了星角、串电阻、串电抗等启动技术,启动阶段对电机线圈的冲击有所改善,但能源利用效率仍待提高。

上世纪80年代之后,随着变压、变频调速技术的发展,使用变频器控制电机的电梯逐渐占领市场。变频器可以在电机的输入端将电压从0逐渐升高到电机的额定电压,将电源频率由0逐渐地提高至额定频率。这样就可以精确控制电机的启动电流,既抑制了启动时对电机线圈的冲击,又提高了能源效率,是电梯发展史上的一次巨大进步。

2.永磁同步曳引机替代异步电机。进入21世纪之后,永磁同步电机技术有了快速发展,在电梯系统中逐渐替代了异步电机。相比异步电机,同步电机没有蜗轮蜗杆减速机,传动效率可提高20%～30%；且同步电机没有转子损耗,可以降低45%～60%损耗。

3.能量回馈系统替代制动电阻。当电梯处于空载上行、满载下行,或者从高速运行转为停止运行的过程中,驱动电机都处于发电状态,将机械能转化成电能。对于变频电梯,此机械能转化成的电能经过变频器的三相逆变桥反向回馈到变频器的直流母线上,当直流母线电压达到阀值时接通制动电阻将电能转化为热能散发到空气中。这样的处理方式是对能源的一种巨大浪费,采用能量回馈装置替代制动电阻,可以解决这一问题。能量回馈装置可以把电机处于发电状态时产生的电能经过逆变,变成与电网同频、同相的优质交流电返回到局域电网,供电梯主板、照明、风扇等装置以及附近的负载使用。使用能量回馈装置的电梯节电效果十分明显,相比采用制动电阻的电梯系统,可节电15%～45%。

二、软件系统

1.强制限制停止楼层。在电梯运行过程中,电能的损失主要来自电梯的启动和停止阶段。因此,减少电梯的启动和停止次数,不仅可以提高电梯运载效率,更可以有效提高电梯能源效率。

早期电梯采用继电器进行控制,控制单元不能进行复杂的逻辑运算。为了减少停梯次数,将分布在楼宇内同一区域的不同电梯设置成仅奇数或偶数楼层停梯,以减少电梯启动和停止次数,尽管做法较为笨拙,但对提高电梯运行效率和能效参数是有一定作用的。早期很多医院内的电梯都采用此种设置。

2.群组管理调配。尽管将电梯设置成仅奇数或偶数楼层停梯,可以减少将近一半的停梯次数,但是电梯的整体运行效率仍然是很低的。随着单片机技术的发展及其在电梯系统中的应用,电梯逻辑控制单元可以进行复杂的运算。在商场及写字楼同一区域的多台电梯,各自独立运行时,只要有大厅召唤信号,每台电梯都要停梯去迎接乘客。现在可以将多台电梯组成群组,经过逻辑运算指定不同电梯到不同楼层去迎接乘客,避免多台电梯去相同楼层迎接乘客情况的发生。这样进一步提高了电梯运行效率,实现了电能的节约。

3.目的楼层呼叫系统。群控电梯虽然解决了多台电梯独立运行时同时迎接相同楼层乘客的不足,但是由于进入同一轿厢内的乘客的目的楼层不同,还是会造成电梯停梯次数的增加。为了解决这一问题,近年来,目的楼层呼叫系统DCS(Destination control system)应运而生。DCS是一种全新的电梯群控系统。传统的电梯群控系统是靠外呼和内选实现电梯的运输,运力不能够很好的发挥,在高峰时刻同样会出现拥堵状况。而DCS系统电梯是在候梯厅选层,通过CPU精确计算并告知乘客哪一部电梯能最快将其送达指定楼层,将目的地相同的乘客引导到同一轿厢内,减少电梯中间停站,大大提高运力和节约能源。实践表明DCS控制系统可以将运力提高20%～30%。以上内容介绍了电梯软、硬件系统近几十年来的发展历程,下面对近几年电梯节能技术取得的成果做简要的介绍。

传统曳引式电梯曳引媒介是钢丝绳,由于钢丝绳自重及摩擦力因素,需要消耗很多能量。聚氨酯复合钢带替代传统钢丝绳应用于电梯完全颠覆了传统电梯的设计理念,使电梯运行更节能,更高效。厚度只有3毫米的聚氨酯钢带比传统钢丝绳更加柔韧耐用,重量轻了20%,寿命却是传统钢丝绳的3倍。聚氨酯钢带的高韧性及高曳引力使主机的设计趋于小型化,主机曳引轮直径可以减少到100～150毫米,结合永磁无齿轮技术,可使曳引机的体积比传统主机体积小70%,可轻松实现无机房设计,大大节省建筑空间,降低建造成本。目前已有电梯公司采用该技术,实践证明比传统电梯最多可以节能50%。另外,迅达电梯公司的高强度无钢芯合成纤维曳引绳已处于运行验证阶段,相信不久也将进入市场。

另外,随着照明灯具的技术发展,采用高能效的LED灯具替换节能灯管作为轿厢照明设备；借鉴电脑设备的能源管理方案,让电梯待机时控制基板休眠,并降低无召唤信号楼层的外呼显示器亮度；优化轿顶、轿底结构减小轿厢运行风阻系数等技术,都已应用在电梯系统中,进一步提高了电梯能源效率。

近年来,科技发展速度越来越快,相信随着电池技术的逐渐成熟,通讯速度和稳定性的全面提高,以及传感器技术的不断进步等,这些都势必会推动电梯系统结构的进一步优化并促进电梯能源效率的进一步提高。