电梯能量回馈装置的节能应用研究
2022-10-15常晓清冯双昌
常晓清 冯双昌
上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062
0 引言
随着城市化建设，作为建筑物垂直运输工具的电梯，已经成为了人们日常中不可或缺的一个重要组成部分。根据《市场监管总局关于2021年全国特种设备安全状况的通告》，截至2021年末，全国共有电梯879.98万台，且每年的增长速度都在10%以上。据国外相关权威机构的统计，瑞士每台在用电梯的每天耗电量为5.2 kW·h，美国每台在用电梯平均日耗电量为11.1 kW·h[1]而根据上海、北京、广东、浙江等地的大量统计数据，我国平均每台电梯日耗电量30～40 kW·h。耗电量与电梯的规格（如提升高度）、使用工况（如使用频率等）密切相关。尽管单台设备耗电量不多，但由于在用电梯数量巨大，其节能降耗的研究一直在行业内高度关注，开展电梯的节能降耗是一件利国利民的工作。
1 能量回馈装置的基本技术原理
曳引驱动电梯是一种轿厢与对重的不平衡系统，属于位势能负载，负载力矩的方向随着轿厢载荷的不同而变化[2]。当电梯满（重）载下行、空(轻)载上行以及电梯平层前的减速停靠3种工况下，驱动电动机处于发电状态，变频器中的续流二极管将这部分再生能量回馈到变频器直流侧电容中，使直流侧电压升高，产生泵升电压，并通过大功率电阻（见图1）将该能量转化为热能，该方法成本低、控制简单，在中低速曳引驱动电梯中广泛使用，但不能有效利用再生电能，同时还会增加机房温升，恶化机房环境。
图1 无能量回馈变频调速电梯工作示意图
通用变频器+独立能量回馈装置技术（见图2）有效地解决了中低速变频调速电梯（约占电梯总量的70%左右）电动机再生发电时的能量再次利用问题[3]，将再生电能变换成同频同相的交流电返回到电网中，供其他设备使用，主要工作原理如图3所示。该装置的主要核心部分在DSP处理器中，通过检测直流母线电压的大小决定是否开启回馈动作及回馈能量的大小。而能量回馈的方法则是通过检测交流侧电网的相位及大小以及交流电流的相位和大小进行控制，在软件中通过各种矢量的变换操作，使得交流输出回馈电流同交流侧的电网电压一致，从而使回馈交流功率因子为1.00，达到最大的回馈效率。
图2 采用独立能量回馈装置技术电梯工作示意图
图3 电梯能量回馈装置的主要工作原理图
2 电梯能量回馈装置的节电率测试
2.1 测试方法
对电梯能量回馈装置的节能情况测试主要有2种方法：模拟工况法和实际工况法。2种测试方法的测试点设置应能保证记录电梯正常使用时的控制柜能耗、变频器能耗、回馈装置自身能耗，不应包含机房、井道、轿厢照明、通风、报警装置等照明电路的能耗[4，5]。因此，测试点应设置在电梯主开关下端口处，如图4所示。
图4 测试点示意图
2.1.1 模拟工况法
采用模拟工况法测试时，在测试时电梯载荷分别为空载、25%、50%、75%、100%的额定载荷，电梯在每种工况下，均按照图5模式运行：电梯从底顶层关门直驶至顶层端站，停层、开门、关门，然后从顶层端站直驶到底层端站，停层开门为一个循环[6]。每种工况测量3个循环，取平均累计功耗值。
图5 运行模式
单一载荷的节电率计算为
式中：E为有能量回馈装置一个运行周期的累计功耗，W为无能量回馈装置一个运行周期的累计功耗。
由于电梯区别于空调、冰箱等常用家用设备相对固定的工作环境和条件，因此，通过测量单一载荷下的电梯运行能耗并不能完全反映电梯的具体能耗状况，需要考虑电梯的复杂工作状况，则必须模拟在一定负载情况下（包括0%负载）进行测量，载荷谱如表1所示。
表1 载荷谱 %
综上所述，可得模拟综合工况节电率为
2.1.2 实际工况法
通过使用电能表等计量工具分别测试加装电梯能量回馈装置的曳引式电梯在主开关处的能量消耗与电梯能量回馈装置回馈端的回馈电能，测试周期t的设定应能反映电梯的实际使用情况，在正常运行工况下，一般至少连续7 d，故有
按照图4在电梯机房安装2个电能表，电能表1位于变频器前端，用于记录输入变频器的电量，电能表2位于能量回馈装置输出端，用于记录能量回馈装置回馈给电网的电量。在电梯日常运行过程中，分别选取2个时间点分别记录2个电能表的读数，计算实际节电率
式中：W1为电能表1第1次读数，W2为电能表1第2次读数，W1＇为电能表2第1次读数，W2＇为电能表2第2次读数。
2.2 测试结果
本文对一台加装了能量回馈装置的电梯进行节电率测试，测试方法分别采取了模拟工况法和实际工况法。该电梯采用的是变频调压调速控制，传动方式为涡轮蜗杆，电动机功率为27 kW，额定速度为2.5 m/s，额定载重量为1 000 kg，层站数分别为24层24站，属于较为常规的中速电梯，现场测试该电梯的平衡系数为0.47，符合测量要求。
2.2.1 模拟工况节电率
根据上述测试方法，按照图4所示将功率分析仪接入测试点（见图6），测量该电梯未接入能量回馈装置时分别在0%、25%、50%、75%额定载荷下的能量消耗，以及接入能量回馈装置后分别在0%、25%、50%、75%额定载荷下的能量消耗，具体测试数据如表2所示。
图6 现场测试图
表2 不同载荷下电梯耗电量
因此，在一个运行周期，0%额定负载时的节电率为43.73%，25%额定负载时的节电率为25.75%，40%额定负载时的节电率为14.37%（注：该数据仅作为对50%时的比对），50%额定负载时的节电率为13.92%，75%额定负载时的节电率为38.19%。
根据式（2）可得
2.2.2 实际工况节电率
根据上述测试方法，按照图4所示安装2个电能表（见图6），将电能表1安装在电梯变频器前端，可测得该电梯实际消耗的电量，将电能表2安装在能量回馈装置输出端，可测得该电梯能量回馈装置实际反馈的电量，并分别于安装之日、安装后10 d和安装后15个月读数。电能表1初始读数6 522，第2次读数6 692，第3次读数14 347；电能表2初始读数2 447，第2次读数2 498，第3次读数4 868，数据汇总如表3所示。
表3 2个电能表不同时间的读数
根据式（4）可得
综上所述，经过对这台电梯1 a多的跟踪，该台电梯采用能量回馈装置后，其实际节电率达到了30%。
3 结语
本文选取了一台额定速度为2.5 m/s的24层电梯进行了现场测试，对安装了能量回馈装置的电梯在模拟工况和实际工况2种环境下测得的节电率都超过了30%，节电效果非常显著。
保护资源、降低能耗关系到整个社会的可持续发展。虽然单台电梯的用电量较少，但其巨大的在用数量及每年的增量，电梯节能大有可为。对于变频调速的在用电梯，采用加装能量回馈技术是一种经济、方便，节能效果又比较明显的方法，符合我国经济的发展需要，有助于加速电梯产业节能减排，走向绿色节能的路线。
