曳引电梯蓄能器储能液压节能系统及电容能耗研究

齐冠然，杨淑贞，李民，卢金生，李洪涛

(1.河南建筑职业技术学院设备工程系，河南郑州 450064；2.郑州大学机械工程学院，河南郑州 450064；3.郑州机械研究所有限公司，河南郑州 450001；4.河南省特种设备安全检测研究院，河南郑州 450004)

0 前言

随着高层建筑的不断增加，电梯也获得了更广泛的使用[1-3]。根据相关文献报道，电梯运行期间会消耗大量电能，其耗能占比达到了建筑总能耗的近20%。对电梯运行控制过程进行分析可知，进行电梯曳引时，如果发生轻载上行和重载下行，此时系统的总体势能降低，曳引机保持发电状态[4-6]。在常规控制方式的曳引电梯中，这些减少的势能都是以电阻的方式转化为热能消耗掉，引起能量的大量浪费，并且会产生大量热量而引起电梯机房温度的上升，需要进一步增加制冷设备，这又会引起能量的二次损耗[7-8]。

有学者将蓄电池应用于曳引机的节能技术中，可以通过蓄电池把减少的势能储存起来，之后在电动阶段蓄电池又可以对曳引机进行放电提供动力[9-11]。曳引机进入制动阶段时可以起到发电的作用，此时可以将曳引机看成是一个发电机，同时利用能量转换部件把再生电能存储到蓄电池中，完成电池的充电过程[12]。之后，电梯进入电动阶段时，需从系统中获取能量，蓄电池可以与电网一起为电梯供电，将之前存储的电能重新用于电梯的运动，实现对前期电梯势能的重新利用[13]。此外遇到电梯断电问题时，蓄电池也可以为电梯运行过程继续提供电能，增强了电梯运行稳定性与安全性，确保电梯能够正常到达设定平层。在电梯运行控制过程中，蓄电池处于一个持续充放电的过程，并且在电梯进入加速、减速运行状态时还会对蓄电池充放电过程造成明显的冲击作用[14]。

对曳引机控制过程进行分析可以发现，当其输出功率从电动状态转换至发电状态的过程中，蓄能器会输出大量能量，导致耗能增加的现象[15]。针对以上情况，本文作者根据曳引电梯运行特征与蓄能电池储能特点，引入电容补偿的方法来实现系统的能力回收，达到储能过程与曳引机负载间良好匹配。如果在运行阶段出现蓄能器产生比曳引机所需能量更高的输出能量时，则可以通过电容吸收这些多余能量，有效降低了能量损耗。

1 节能系统设计

1.1 液压驱动曳引电梯系统

曳引电梯包括轿厢以及配重二个部分，可以将电梯运行控制过程看成是轿厢与配重进行垂直往复运动的过程。根据载荷大小以及运行方向特点，可以将曳引电梯分成两种运行状态。其中，电梯进入重载下行与轻载上行阶段时，曳引机属于发电状态，而在重载上行与轻载下行的阶段曳引机属于电动状态。采用电-液混合结构进行曳引电梯驱动时可以实现节能的效果，具体工作原理为曳引机在发电阶段将能量储存到蓄能器内，进入电动阶段时，蓄能器则可以重新释放之前存储的能量，为曳引机提供做功所需的驱动力。图1为曳引电梯原理。

图1 曳引电梯节能系统原理

曳引机在重载下行与轻载上行时，信号被压力传感器探测到之后，节能控制系统开始发挥作用，此时泵/马达被切换到泵工况，负载作用于曳引机并带动泵和马达转动，油液被泵入蓄能器内。在上述过程中再生电能被转化成液压能。随着蓄能器压力升高至溢流阀设定压力时，溢流阀开启，油液开始从溢流阀重新流回到油箱中。电梯进入重载上行与轻载下行阶段时，曳引机保持电动状态，此时马达开始工作，蓄能器释放油液，通过马达提供驱动力并带动曳引机做功，实现了液压储能的回收利用。

1.2 基于蓄能器储能的曳引电梯节能系统

为实现对电梯运行阶段形成的再生能量进行更高效回收，达到降低曳引机能耗的作用，针对能量存储回收过程设计了节能方案，通过蓄能器对电梯再生能量进行了高效回收。电梯在发电过程中形成的能量被储存到蓄能器内形成液压能，之后此部分能量在电梯重载上行与轻载下行时被释放，为曳引机做功提供动力，由此实现对再生能量回收利用的过程，有效降低了曳引机运行消耗的能量，显著提升了节能效果。

随着曳引机的发电量逐渐增加，新产生的能量可以被继续存储到电容中；电梯进入电动阶段时，泵/马达为曳引机提供驱动力并做功，而曳引机依然会消耗一部分能量，之前被存储到电容中的能量重新释放，跟液压节能系统一起为曳引机负载的转动过程提供驱动力，实现了能量回收利用，充分克服了定排量节能系统的缺陷。图2显示了以蓄能器作为储能结构的曳引电梯节能系统组成结构。

图2 蓄能器储能节能系统Fig.2 Accumulator energy storage and energy saving system

轿厢在电梯运行期间沿竖直方向保持上下运行状态，根据不同载质量可将其分成轻载与重载两种运行模式。其中，负载转矩和旋转方向一致的条件下，曳引机进入发电阶段；负载转矩和旋转方向反向的状态下，曳引机进入电动阶段。电梯位置信号被传输到控制系统中并经过处理后，再反馈到各执行元件，达到调节曳引机转向、换向阀与泵/马达运行工况的功能。

电梯未得到运行指令的情况下保持静止状态，为确保电梯的安全性，此时曳引机也保持静止，曳引轮被完全锁死，从而确保电梯不会产生滑梯的情况。采用液压驱动曳引方式进行节能控制时，当电梯接收到运行指令时，换向阀位置在右端，此时泵与马达被锁死，无法旋转，由此避免曳引轮发生转动的问题，确保电梯运行安全性。

2 仿真分析

2.1 液压驱动曳引电梯工作原理及模型

能量转换通过泵/马达完成。以同轴方式连接泵/马达和曳引轮，同时利用泵/马达工况切换的方式达到对蓄能器能量存储和释放的效果。图3给出了以SimulationX构建的电梯控制系统。

图3 液压驱动曳引电梯节能系统模型

只对某些重要参数进行分析，并根据实际运行工况为系统其他部件设置合适的运行参数，见表1。设定蓄能器初始压力22 MPa，初始体积16 L。

表1 主要仿真参数Tab.1 Main simulation parameters

2.2 仿真结果分析

图4为电机功率和电容能量变化。其中，在轻载上行与重载上行工况下，电容在起步阶段输出部分能量，但从总体上看表现为正的能量变化趋势，能量被存储到电容中。在重载上行与轻载下行的过程中，电梯表现为负的能量变化特性，此时电容能量被释放出来为电梯提供驱动力。

图4 电机功率和电容能量变化

表2显示了电容在电梯工作阶段发生的能量存储和释放曲线。可知：曳引机在发电过程中，同样的能量被储存至电容内；曳引机进入电动阶段时，电容能量被释放出来并驱动曳引机负载运行。根据电容中的电荷状态(SOC)对剩余电量进行分析，电容可以达到的最低电压是250 V，因此随着电容的能量不断释放后电压降低至250 V时便不再进一步释放能量，此时SOC也保持稳定状态。在电容电压下降到250 V的时候，SOC最低达到0.52。以下对电梯在各个载质量条件下引起的电容荷电变化开展仿真测试。

表2 电容内能量变化Tab.2 Energy changes in the capacitor

图5为电容SOC曲线。对比图5与图4可知：曳引机在发电阶段形成了更高的电荷状态，此时电容开始存储超出蓄能器能够存储的能量，形成了更高的电容电压；在曳引机进入电动阶段的情况下，形成了更小的电荷状态，电容发生能量释放，为系统运行提供驱动力。

图5 电容电荷状态

通过SimulationX构建了电容模型，并以DC/DC的方式实现能量交换，在回收电梯载荷势能的过程中，能量先流经曳引机与DC/DC再进入电容内。各部件都在电能传递期间发生了一定程度的损耗，因此对电容能量损耗情况进行了分析。各结构的能量转换效率依次为电机为85%，电容为95%，DC/DC为90%。其中一部分能量被储存至电容中并获得重新利用时，只能达到0.52%的较低利用率。

表3给出了电梯在各载质量条件下发生的电容能量损耗。可知：在能量流动阶段各元件都存在能量损耗情况，在下行阶段损耗随着负载的增加表现为较低的变化，可见设计的系统对负载适应度很高，具有很好的安全效果。

表3 电容能量损耗Tab.3 Capacitor energy loss

3 结论

(1)在轻载上行与重载上行下，表现为正能量，能量被存储到电容中。在重载上行与轻载下行中，电梯表现为负能量，电容能量被释放出来为电梯提供驱动作用。

(2)曳引机在发电阶段形成更高电荷，电容开始存储超出蓄能器能够存储的能量，形成了更高电容电压；曳引机电动阶段形成了更小电荷，电容发生能量释放，为系统运行提供驱动力。

(3)在下行阶段损耗随着负载的增加表现为较低的变化，设计的系统对负载适应度很高，具有很好的安全效果。