基于曳引式电梯的节能改造分析

电梯技术

　　1.前言

　　电梯是现代高层建筑中每天高频使用的设备之一，在国际倡导的“低碳经济”目标之下，如何降低电梯能耗已成为行业积极应对的问题。国内市场上的主流电梯品牌越来越致力于电梯节能技术的研发与推广。截至2009年底，我国在用电梯数量超100万台。“绿色也是生产力”，电梯行业对大量传统电梯进行节能改造，降低其使用环节的能耗将使建筑节能大有可为。

　　2.电梯曳引系统的节能改造

　　曳引机作为电梯的核心部件，直接影响着电梯的节能效率。曳引机技术经过了蜗轮蜗杆传动曳引机、行星齿轮和斜齿轮传动曳引机、无齿轮传动曳引机三个发展阶段。蜗轮蜗杆传动曳引机是一种老式曳引机，其体积大、质量重、耗能高、传动效率低（只有70%左右）;行星齿轮和斜齿轮传动曳引机，传动效率能达到90%，但齿轮加工精度要求高，成本也比较高;永磁同步电机以其体积小、结构简单、可靠性高及高效节能等优点成为当前电梯曳引机的首选。通过采用无齿轮曳引技术，由永磁同步电机直接驱动，省却了传统的蜗轮蜗杆减速齿轮箱，大大提高了系统的传动效率。

　　几种曳引机的性能对比如下表：   

　　以OTIS早期的TOEC40乘客电梯为例，载重1000Kg、速度1.75m/s，采用17CT有齿轮曳引机（配置交流异步电机），曳引比为1:1，电动机功率为15kW。

　　对这类曳引机进行节能改造，可选用柳州凯迪生产的型号为KD·Y395-1000-1.75的永磁同步行星齿轮曳引机。该款曳引机电动机功率为12.1kW，适合1:1曳引方式。

　　也可选用富沃德生产的型号为GETM3.0-175D3的永磁同步无齿轮曳引机，电动机功率为11.7kW。但此类型曳引机需采用2:1的绕绳方式，又因原电梯对重在轿厢后侧，与常规的采用永磁同步无齿轮曳引机的对重侧置方式所不同，需对曳引机在机房的布置方式进行非标设计。除了在原轿架上横梁中间位置和对重框架顶部增加返绳轮、改变原有的钢丝绳绕绳方式以外，在进行有效的理论计算以后，给出的土建布置方案如下图所示。   

　　3.电梯控制系统的节能改造

　　3.1 直流驱动系统的节能改造

　　直流电动机具有调速性能好、调速范围大的特点，很早便在电梯中应用。但因需要采用发电机—电动机组形式驱动，机组结构体积大、耗电大、维护工作量大。

　　建设部1992年3月18日颁布的《关于提高电梯质量的若干规定》（第144号文）中要求“各电梯制造厂要按照新标准的要求，淘汰物耗和能耗高、技术落后、结构陈旧、故障多的老电梯，代之以技术先进、设计合理的新型电梯。”

　　对直流驱动电梯的节能改造，采用现行的永磁同步无齿轮曳引机直接替代直流电动机，辅以一体化变频驱动控制系统。   

　　3.2 交流双速驱动系统的节能改造

　　交流双速电机被广泛应用于早期的客货电梯，至今在一些中小型的电梯厂家中仍作为货梯的标准配置。交流双速电梯所采用的三相交流异步电动机定子内具有两个不同极对数的绕组（分别为6极和24极）。快速绕组（6极，同步转速为1000r/min）作为起动和稳速之用，而慢速绕组（24极，同步转速为 250r /min）作为制动减速和慢速平层停车用。起动过程中，为了限制起动电流，以减小对电网电压波动的影响，起动时，一般按时间原则，串电阻、电抗一级加速或二级加速;减速制动是在慢速绕组中按时间原则进行二级或三级再生发电制动减速，以慢速绕组进行低速运行直至平层停车。   

　　对交流双速（AC2）货梯进行变频节能改造，可选用远志科技WISH8000（经济型）一体化控制柜，该控制柜针对电梯改造现场的特殊情况，对9层站以下电梯采用并行信号传输方式设计。与传统的电梯控制的并行传输的概念有很大不同，每个楼层的指令和指示灯信号仅占用逻辑控制的一个端口，接线比原来减少了一半。虽然采用这样的并行传输方式，WISH8000（经济型）一体化控制柜仍采用N条曲线自动生成的距离控制，保证了卓越的运行舒适感。将变频驱动三相输出端连接至高速绕组三个接线桩头，变频驱动部分的电机参数按照电动机铭牌设定。尤其值得注意的是，AC2电机铭牌参数中的“电机转速”往往标称的是同步转速（如1000r/min），实际设定额定转速时一般设定为960 r/min。   

　　3.3 交流调压调速驱动系统的节能改造

　　对于采用通用变频器驱动控制的电梯，在电动机发电运行（电梯轻载上行或重载下行）的时候，母线电压由于势能的回馈而快速升高，需要及时释放掉，一般采用制动单元及制动电阻的方式来实现（如图7所示）。该方法优点是简单、成本低，缺点是不节能，电阻发热严重，造成机房的温度上升。   

　　如果把直流制动单元替换为PWM能量反馈单元（如图8所示），则既可以节能，又可以降低机房的温升。远志科技的WISH-MDFB电梯专用能量反馈单元与目前其它能量反馈单元相比的一个最主要的特点是具有电压自适应控制回馈功能。一般能量反馈单元都是根据变频器直流回路电压的大小来决定是否回馈电能，回馈电压采用固定值。受电网电压的波动影响，回馈效果明显下降，（电容中储能被电阻提前消耗了）。电梯专用能量反馈单元采用电压自适应控制，即无论电网电压如何波动，只有当电梯机械能转换成电能送入直流回路电容中时，电梯专用能量反馈单元才及时将电容中的储能回送电网，有效解决了原有能量反馈单元的缺陷。

　　采用能量反馈单元的50次运行耗电对比如图9所示。   

　　需要注意的是，对于早期三菱、日立等日系品牌的电梯，多采用额定电压为170V的200V级三相电动机，由于此时直流母线电压的不同，在能量反馈单元选型时需留意。

　　3.4 四象限一体化控制系统的节能改造

　　近年来，有机集成电梯逻辑控制与驱动控制的一体化控制系统已成为电梯控制的主流配置。若在现有基础上，进一步集成能量反馈技术，无疑可以为客户创造更多价值。此类控制系统由PWM 整流器和PWM 逆变器构成的双PWM 可逆整流控制系统，无需增加任何附加电路，通过对变换器的开关器件按照一定的控制规律进行通断控制就可消除网侧谐波污染，实现高功率因数及能量双向流动，方便电机四象限运行。并且电机动态响应时间短，是高质量能量回馈技术的最新技术之一。

　　远志科技所设计的四象限电梯一体化控制系统驱动主回路为电压型交—直—交变频，其基本结构包括网侧变流器、负载侧变流器、中间直流环节、控制电路等，系统框图如图10所示。   

　　电梯一体化控制系统变频驱动回路要实现四象限运行，必须满足以下条件：

　　1） 网侧端需要采用可控变流器。当电机工作于能量回馈状态时，为了实现电能回馈电网，网侧变流器必须工作于逆变状态，不可控变流器不能实现逆变。

　　2） 直流母线电压要高于回馈阀值。变频器要向电网回馈能量，直流母线电压值一定要高于回馈阀值，只有这样才能够向电网输出电流。电网电压和变频器耐压性能决定阀值大小。

　　3） 回馈电压频率与相位必须和电网电压相同。回馈过程中必须严格控制其输出电压频率和电网电压频率相同，避免浪涌冲击。

　　3.5 待机方式及照明

　　减少待机能耗，控制系统可设定电梯在一定时间无召唤、内选后进入休眠待机状态，此时轿厢照明和风扇也自动关闭，直到有乘客再次呼梯或选层。轿厢照明可采用LED等高效照明光源，在延长使用寿命的同时还可节约能源。

　　3.6 其它

　　3.6.1 可变速电梯技术

　　就传统电梯而言，电梯空载和满载时，电机按照额定的转速输出额定的功率;而在电梯接近半载时，电机依旧按照额定的速度输出小于额定的功率，这就导致部分功率被闲置。而可变速电梯正是利用了电梯非空载和满载时，在额定的输出功率不变的前提下，利用原传统电梯部分闲置的功率，将电梯的速度提高。该项技术根据乘坐电梯的人数、电梯载重量，通过负载检测装置，检测出轿内的载重量，根据轿内的载重量，选择对应的运行速度，可超过额定速度进行运行。

　　可变速技术根据轿厢载重量的速度决定方法，在确保电梯的安全性基础上，为电梯赋予了更多的附加价值。其具体的领先性和意义在于，通过可变速技术，根据乘梯人数的情况，可以实现最大为额定速度1.5倍的运行速度，相对以额定速度运行的电梯，减少最大至15%的平均等候时间和乘梯时间，大大提高了电梯的运行效率。运行效率的根本性提高可大大缩减电梯计划配置的数量，因此可在一定程度上减少了采购成本。

　　3.6.2 电梯群控技术的节能

　　电梯全速运行时所消耗的电能远远低于减速和加速时的电能消耗。电梯停靠的次数越多，所消耗的电能就越多。通过智能派梯系统的最佳（高效）派梯，有效减少电梯系统的停靠次数，提高输送效率，从而达到节能的目的。

　　目前，不同品牌的电梯因其采用的电梯控制系统不尽相同，通讯协议相互独立，要实现群控调度非常困难。客户可有选择、有针对性地将建筑内的电梯选择相同型号的电梯控制系统。

　　3.6.3 超级电容技术

　　近年来，各种储能技术发展迅速，传统的电容储能技术也得到高速的发展，出现了容量大、寿命长、效率高的超级电容器储能装置。将电梯曳引电动机工作在回馈制动运行状态放出能量存储起来，当电动机工作在电动状态时，存储的能量又释放出来，显然也是电梯节能的有效手段。由于超级电容的容量很大，变频器直流系统电压不容易升高，没有必要采用能量消耗的措施。选用超级电容作为电梯节能方案的原理如图11所示。   

　　对比有源逆变回馈电网线路的电能损耗，超级电容储能方案的损耗更小，节能效率应更高一些。对比有源逆变方案，超级电容储能方案的优点在于它不会对电网造成污染、效率高;缺点在于该方案目前价格较高，技术相对不成熟。

　　3.6.4 共直流母线技术

　　采用独立的能量回馈单元将电梯制动时的能量反馈回电网，需要在同一供电区间内有其它用电器及时消耗掉反馈回的能量。在具有多台电梯的群控组中，极端的情况是所有的电梯均处于制动状态，这种状态下若每台电梯均配置能量反馈单元，则反馈回电网的能量会产生过剩。这对电梯的节能提供了一种新思路——共直流母线的节能方式，即将梯群的各驱动变频器中直流部分并联。共直流母线传动控制系统如图12 所示，它主要包括变频器、直流接触器、直流熔断器、能量回馈装置等。   

　　共直流母线系统比较鲜明的特点是电动机的电动状态和发电状态可以能量互享，即连接在直流母线上的任何一台电梯重载下降和轻载上升时产生的能量，都通过各自的逆变器反馈到直流母线上，连接在直流母线上的其他电梯就可以充分利用这部分能量， 减少了从电力系统中消耗的能量，达到节约能源的目的。另外直流母线中各电容组并联后使整个系统中间直流环节的储能容量成倍加大，构成强大的直流电压源以钳制中间环节直流电压的瞬时脉动，提高了整个系统的稳定性与可靠性。

　　4.应用问题分析

　　电梯的节能改造，在以下几个方面更需严格遵守GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》（以下简称《规范》）、GB 24803.1-2009《电梯安全要求 第1部分：电梯基本安全要求》、GB 24804-2009《提高在用电梯安全性的规范》的相关要求，以确保乘客安全。

　　4.1关于上行超速保护装置

　　《规范》第9.10条规定“轿厢上行超速保护装置：曳引驱动电梯上应装设符合下列条件的轿厢上行超速保护装置。”对于传统的有齿轮曳引机，可通过将限速器更换为双向限速器、选择符合技术要求的夹绳器来实现;对于永磁同步无齿轮曳引机，因一般生产厂家均有上行超速保护装置的型式试验报告，因此可直接选用。   

　　4.2关于抱闸控制

　　《规范》第12.4.2.1条规定“所有参与向制动轮或盘施加制动力的制动器机械部件应分两组装设。如果一组部件不起作用，应仍有足够的制动力使载有额定载荷以额定速度下行的轿厢减速下行。”第12.4.2.3.1条规定“切断制动器电流，至少应用两个独立的电气装置来实现，不论这些装置与用来切断电梯驱动主机电流的电气装置是否为一体。”

　　对于早期的一些采用单线圈、单电磁铁铁芯的抱闸装置，需按标准要求进行改造。

　　4.3关于改造验收资料

　　于2010年4月1日开始正式实施的TSG T7001-2009《电梯监督检验和定期检验规则-曳引与强制驱动电梯》第1.3条要求“改造或者重大维修单位提供了以下改造或者重大维修资料”：

　　（1）改造或者维修许可证和改造或者重大维修告知书，许可证范围能够覆盖所施工电梯的规格型号;

　　（2）改造或者重大维修的清单以及施工方案，施工方案的审批手续齐全;

　　（3）所更换的安全保护装置或者主要部件产品合格证、型式试验合格证书以及限速器和渐进式安全钳的调试证书（如发生更换）;

　　（4）施工现场作业人员持有的特种设备作业人员证;

　　（5）施工过程记录和自检报告，检查和试验项目齐全、内容完整，施工和验收手续齐全;

　　（6）改造后的整梯合格证或者重大维修质量证明文件，合格证或者证明文件中包括电梯的改造或者重大维修合同编号、改造或者重大维修单位的资格证编号、电梯使用登记代码、主要技术参数等内容，并且有改造或者重大维修单位的公章或者检验合格章以及竣工日期。

　　上述文件如为复印件则必须经改造或者重大维修单位加盖公章或者检验合格章。

　　5.结束语

　　曳引式电梯的节能改造，不单单需实现“节能”的目的，更应注重符合《规范》中相关的安全要求。综合以上分析，在节能改造的过程中应遵循以下原则：安全第一，设备的安全性不能降低;不能降低设备的性能和乘客舒适度;必须采用成熟可靠的技术和产品;要考虑整个产品/技术寿命周期的总能耗;要包括制造、产品回收和材料提取等方便;要从最简单、不需要大量投入的方面做起（如：调整平衡系数、更换LED节能灯），更要符合经济原则，不要本末倒置。