电梯节能技术研究

魏彤，杨耀旺，王泽京

西安特种设备检验检测院，陕西 西安，710065

0 引言

根据相关调查统计，建筑物相关设备所消耗的能源占我国总能耗的四分之一左右，是能耗的第一梯队[1]。同时电梯在建筑物中的能耗仅次于占比最多的空调及其附属设备，其耗电量远远高于人们日常生活中常用的照明设备等。电梯的能耗问题已经在全国范围内引起业界的高度关注，与此同时，电机技术、变频技术等相关技术的突破为降低电梯能耗提供了优越的科技条件。在此基础上研究切实可行的节能技术来降低电梯能耗，具有相当重要的社会意义以及经济价值。

1 国内电梯节能应用现状

自改革开放以来，国内经济高速发展，国民以及各类企业对高质量商务写字楼、商场以及高层住宅楼等有了更大的需求，而这些建筑功能的正常发挥在很大程度上均需要依靠电梯的正常运转，电梯耗能在建筑物总能源消耗量中占到20%～25%，但其节能问题却长期难以引起足够的重视。

截止2022年初，我国电梯保有量约为787万部[2]，然而在当前阶段，我国建筑物中依旧存在相当数量的交流双速以及交流调压等高耗能电梯，具备永磁同步拖动技术的节能电梯数量不超过30万部、具备能源再能再利用能力的电能制动回馈型电梯数量更是不到总数的0.5%。尽管我国在电梯节能技术的某些领域已经达到了国际先进水准，但是由于电梯是一个整体性工程，整体节能才是最终目标，因此需要继续对电梯的其他节能技术进行研究探讨，切实推动节能电梯的大范围普及。

2 电梯各耗能模块的耗能分析

电梯的整体结构相对简单，可以分为垂直升降机以及台阶式履带电梯，升降机使用箱型吊舱来运送人员以及货物，二台阶式履带电梯则通过传送带完成载荷的空间位移。两种电梯的主要耗能模块均可分为三大项，即传动模块、拖动模块以及控制系统[3]，下文将对三种模块展开详细的耗能分析。

2.1 传动模块耗能分析

电梯的传动系统一般是由设置在外部的微型计算机控制曳引设备，输出并传递相关动力来维持电梯运行。曳引设备主要可以分为涡轮蜗杆传动行曳引机以及传统异步电动机传动，曳引设备的能耗一般以能耗比效率作为衡量标准。例如一个一吨重，运行速度在2m/s以下的电梯，在标准的额定条件下，其曳引设备的效率约为87%[4]，当载荷较低或是处于低频状态下，其效率会进一步降低。电源频率的降低也会导致曳引设备的效率降低，在实际使用过程中，曳引设备的效率随着载荷的从零增加，会先从低变高再变低，在一般条件下处于87%到90%之间。此外，曳引设备的能耗还和电梯的绕绳比、运行速度以及相对空气阻力等因素有关。

2.2 拖动模块能耗分析

拖动模块是电梯最重要的应用模块，对电梯的启动加速、平稳运行控制、制动减速等起着控制作用，其性能优劣直接影响电梯的使用观感，包括平稳舒适度、平层精度以及加速减速的惯性等，对于舒适度需求较高的高端酒店以及商务写字楼用户群体来说相对重要。目前主流的拖动模块主要可以分为交流电梯拖动模块和直流电梯拖动模块两类，其中交流电梯拖动模块主要有三类：①变频变压调速系统；②交流变极调速系统；③交流变压调速系统[5]。直流电梯拖动模块主要分为两类：①可控硅直接供电的电动机-可控硅形式；②有发电机组构成的电动机-发动机传统驱动形式，直流电梯具有运行速度快、舒适度高、停层精准等诸多优点，但对于区域电网的要求较高。

对拖动模块的能耗分析时，需要注意到该模块的主要能耗来源是各类电机的能耗，电机在实际的工作环境当中，并非所有的电能都能够转换为机械能，有相当的能量以热能等形式损耗。在直流电动机的工作过程中，存在磁通量以及摩擦产生相应多余损耗，但直流电梯由于对电网影响较大，使用量正在逐步减少。使用交流传统模块的电梯中，异步电动机的应用相对较为广泛，其能量损耗主要是在电梯启动以及制动过程中产生的，大体可包括如下几类：①异步电动机的转子、定子绕组产生的损耗；②电动机磁场引起的损耗；③电梯运行过程当中的空气阻力以及摩擦力导致的机械能的损耗。

2.3 控制模块能耗分析

电梯的控制模块主要承担的功能是对电梯的运行进行具体操作以及相应控制。该模块的组成部分包括基础操纵设备、选层按钮、楼层显示装置以及变频装置等。其能耗分布较为复杂，各项功能的实现过程中，均会产生一定损耗。例如变频设备的能耗主要有电容器、滤波器产生的电抗等损耗、功率模块在启动关闭过程中产生的损耗等，该模块损耗的大小和主电流的大小存在密切关联。同样以一吨重、运行速度为2m/s的电梯为例，在空载状态下，变频设备的效率能够达到98%左右[6]，而在其他载荷下，其效率变化将会相对复杂。总控系统的能耗则主要与各项功能模块以及电梯的控制系统设计相关。

3 电梯节能技术的主要原理

3.1 变频再生能量回馈原理

当前阶段最为先进的节能电梯基本都会采用变频再生能量回馈原理，此类电梯在启动之后，能够通过变频形式逐渐达到最大速度，此时将电梯的机械能提升到最大值，在电梯到达使用者设定的楼层之前，传统电梯会消耗巨额的能量降低电梯的机械能，使电梯慢慢制动，以期平稳停靠在目标楼层。而通过对能量回馈原理进行应用，电梯能够在运行过程中将产生的机械能通过变频器和电动机转换为直流电将其暂时储存在变频设备的电容器中，电容器中的电压会随着储能的逐渐增加而逐渐增大，此时通过能量回馈器能够将电容器中储存的电能进行回收再利用，在电梯的制动等使用过程中作为补充能源参与运行，从而达到节能目的，电梯的最大速度越快，能够产生的最大机械能越高，可以进行回馈再利用的能量也就越多，采用该技术的电梯能够将不采用该技术时电梯总耗能的约48%回收利用。

3.2 电梯群控技术原理

传统的电梯群算法往往专注于缩小使用者的等待时间，采用此类算法在某些时刻，例如上下班高峰期，电梯很容易出现扎堆停靠，运行效率低下，难以满足全部使用者的需求。

而相对更为先进的电梯群控技术，简单来说就是将同一座建筑物当中的多部电梯通过一部中央控制计算机连接起来，将所有电梯使用者所发出的信号汇总，通过一定的算法进行计算，得到最优的调度命令结果，并将这些指令反馈给各电梯进行具体执行，及时调配、动态调整建筑物内各部电梯的运行状态，使电梯在满足使用者需求的同时，通过最短路径运行等方案实现最大的节能效果。在实际使用过程中，由于使用者的需求存在非线性以及随机性特点，需要使用相对更加智能的计算机，植入模糊控制、神经网络等算法，进一步加强群控电梯的实际效能。

3.3 制动能再利用技术原理

电梯的停靠过程主要依靠制动器来完成，制动器的简要工作原理是。在电梯启动运行过程当中，通过抱闸板发出信号到抱闸线圈，触发抱闸打开动作；在电梯静止停靠时，使抱闸关闭，保证电梯不会发生移动。电梯内制动的过程以及维持静止的过程中，都会存在相当数量的能量损耗。

为此可以采用制动能再回收利用技术，就是对电梯运行中损耗的制动能进行回收利用，以达到电梯节能效果。通常采用先进的电子技术以及具备高性能开关的电子元件，例如使用IGBT开关的电子元件，其具有智能运转、操作简单以及可靠性高等特点，能够对电压进行自适应控制，在电压波动时将电梯的机械能转化为电能存入储能器中，进而将电能重新回馈到电网，达到制动能再生利用的目的。

4 电梯主要节能技术的具体应用研究

4.1 传动设备模块节能应用研究

传动设备作为电梯运行的心脏，为电梯运行提供动力来源，直接影响着电梯的节能水准。主流的传动设备包括涡轮蜗杆曳引机、行星齿轮斜齿轮传动机以及无齿轮曳引机等。其中传统的涡轮蜗杆曳引机作为最早在电梯中应用的传动设备，其设计理念早已落后，质量和体积巨大，耗能高的同时传动效率仅有70%。行星齿轮斜齿轮传动机尽管传动效率能提高20%左右，但其部件加工精度要求较为极端，不利于总体使用成本的控制，而新兴的无齿轮曳引机具备体积较小、结构简单、传动效率高等特点，最有代表性的应为永磁同步电机（PMSM），但其仍旧存在节能空间。

永磁同步电机直接驱动传动系统，省掉了庞大的减速齿轮箱，其运行效率更高。但根据实际统计，采用此种电机的电梯在低负载运行以及高频率变速运行时，其损耗相对较高，由于机械损耗相对复杂不可控制，因此在实际应用中应当注重铁损耗以及铜损耗的情况。根据等效电路原理，能够各种励磁电流与转速之间存在线性关系，通过计算不同运行条件下的励磁电流最优解来计算最优定子磁链的指令值[7]。通过对运行过程中的给定磁链进行控制，就能使电机的损耗值最小，从而达到节能目的。

4.2 电梯群控技术应用研究

无论采用何种传动设备以及拖动设备，电梯在全速运行时的能量损耗均远低于启动加速以及制动减速时的耗能。电梯运行过程中在不同楼层之间停靠次数越多，其耗能越高，通过优化群控系统的算法，使电梯在满足不同使用者需求的情况下尽可能多地处于高速运行状态，减少电梯的停靠次数，进而减少启动加速以及制动减速过程中的能量损耗，提高输送效率，从而实现节能目标。

电梯群控系统的本质是复杂的多要素决策系统，具备随机性、非线性以及多目标性等特点，目前阶段缺乏精确的数学模型与算法对其进行最优解演算，传统控制模式又难以满足新阶段的使用需求。而模糊控制技术对于解决此类问题具有较大优势，其通过深度学习来模拟人类思维，通过一定的自我逻辑推理，将复杂问题简化并加以处理，并不追求建立精确的数学模型，制定完全的最优解。但由于不同建筑物的使用者对于电梯的使用情况各不相同，该系统难以作为万金油最优解在不同建筑之间进行直接套用，其需要结合具体实际对复杂情况进行自主学习，在使用过程中这一时间相对较长，在应用前期会对使用者的体验有较大影响。为此可以引入神经网络算法与其进行结合，对神经网络设置减少乘客平均乘梯时间、等候电梯时间、降低长时间等候电梯概率以及减少电梯群控系统自身能耗四个优化目标，并依照相关参数设置权重展开学习。神经网络的深度学习机制能够为模糊算法进行智能提取、调整模糊规则参数，大大减少采用模糊算法的计算机学习时间，使电梯应答更快遵循合理规律，为使用者提供更为完善的服务。

4.3 电梯拖动模块技术应用研究

电梯的拖动模块简单来说就是运动控制系统，对电梯的启动、加速、减速以及稳定运行等多种运作方式进行调控。在传统电梯中，其拖动模块主要采用交流双驱动系统或是无齿轮直流驱动系统，损耗均相对较大，且对电梯的控制能力相对较弱。而变频调速技术的出现，有效提升了电梯的驱动控制性能以及运行质量，但该技术在实际应用中仍存在相应的改善空间，能够进一步节约电梯耗能。

上文中已经对变频能量再生原理进行了详细介绍，下面将主要围绕变频调速控制装置在实际应用中面临的问题展开探讨。能量回馈装置主要采用有源逆变技术将机械能产生的再生能量以较高效率转化为与电网频率、相位相同且能够直接运用的电能，在实际使用过程中，由于电网的电压波动，容易导致电压高于触发回馈器的阈值，产生误回馈的情况。而电压偏低时，回馈到母线的电能会被电阻提前消耗，使回馈的效率降低，节能效果减弱。因此应当对能量回馈器进行更新设计，使其能够适应复杂的电网环境，为此可以采用PWM控制模式，只有在电梯的机械能转化为电能输入直流回路电容时，回馈器才将储能器中的电能输回电网，有效缓解原有能量回馈模式存在的弊端，提升拖动模块的效率以及精度，提升回馈装置的功率因数，从而达到电梯节能的目的。

5 结语

随着电梯的大规模普及应用，国内的节能减排研究人员得以通过大量样本采集电梯运行数据，分析电梯节能现状并针对其做出大量的研究以及实践，对传统设备进行更新换代，对现有节能设备进行优化，提出了诸多具有建设性意义的新思路，例如将电梯群控系统中的模糊控制算法与神经网络算法相结合，有效减少电梯群控系统的自学习时间，使其控制模式能够更好地满足使用者的需求。此外，对变频能量回馈系统、永磁同步电机等工具的使用结合具体实际进行优化，都能有效降低电梯能耗，实现电梯节能研究目标。