能耗建模與環(huán)保節(jié)能技術(shù)在電梯中的應(yīng)用與Matlab仿真

鄧文經(jīng)

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院湛江檢測(cè)院，廣東湛江 524022）

2021年5月23日晚上，本市赤坎區(qū)某小區(qū)發(fā)生安全事故，本人參與配合了省院專家對(duì)事故現(xiàn)場的事故調(diào)查，深度領(lǐng)悟到能量回收控制與能量回收控制功能失效監(jiān)測(cè)對(duì)電梯沖頂事故保護(hù)的重要性。伴隨近年來的城市化發(fā)展，我國的高層建筑數(shù)量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，而電梯是高層建筑物中極為關(guān)鍵的一個(gè)組成部分，曳引式電梯在使用過程中，工作原理相對(duì)來說較為特殊，這種電梯在運(yùn)行過程中，在平衡系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，如果出現(xiàn)輕載下行、重載下行和減速制動(dòng)的運(yùn)行狀況就會(huì)產(chǎn)生大量的能耗，在曳引式電梯使用過程中需要大量的能源支撐其運(yùn)行，而這也會(huì)產(chǎn)生極大的資金消耗量。就目前來說，國家能源政策對(duì)于能耗產(chǎn)品方面有著極為嚴(yán)格且明確的要求，曳引式客梯與貨梯在進(jìn)行類別的選擇以及配置優(yōu)化時(shí)，都是相關(guān)研究人員所重視的一項(xiàng)內(nèi)容。電梯是建筑物的基本耗能設(shè)備，而曳引式電梯在使用過程中本身能源消耗量較大，成為人員建模和環(huán)保節(jié)能技術(shù)合理應(yīng)用的關(guān)鍵。

1.曳引式電梯能源消耗建模

特種設(shè)備安全工作應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持節(jié)能環(huán)保的原則是安全法的要求。在進(jìn)行電梯的能耗模型建設(shè)時(shí)，相關(guān)工作人員需要進(jìn)行完整的動(dòng)態(tài)測(cè)量，而基于動(dòng)態(tài)能耗數(shù)據(jù)，工作人員能夠獲得系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的相關(guān)能耗信息，后將曳引式電梯系統(tǒng)與主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行有效的融合，最終則能夠?qū)崿F(xiàn)模型的建設(shè)，這一模型在使用過程中涉及的綜合參數(shù)數(shù)量不多，工作人員在進(jìn)行處理時(shí)，可針對(duì)其中較少部分的內(nèi)容進(jìn)行分析，即可完成數(shù)據(jù)的調(diào)控，同時(shí)，工作人員還只需要明確電梯的常規(guī)配置，便可開展后續(xù)的綜合管理。除此之外，在曳引式電梯運(yùn)行過程中，驅(qū)動(dòng)變頻系統(tǒng)和門機(jī)等不同的部分在運(yùn)行過程中的能耗測(cè)量也是整體能耗測(cè)量的重中之重，工作人員可針對(duì)這一問題進(jìn)行分析，了解其建模數(shù)據(jù)，通過這種方式則能夠?qū)崿F(xiàn)電梯的動(dòng)態(tài)應(yīng)用，保障數(shù)據(jù)的合理性[1]。

1.1 耗能模型的建設(shè)原理

首先單獨(dú)把電梯劃分為開關(guān)門、待機(jī)、休眠以及運(yùn)動(dòng)能耗等多個(gè)局部，先局部分析再整體分析，而在進(jìn)行綜合分析時(shí)，可以通過以下的模型原理作出分析。

分析時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)建立對(duì)應(yīng)的能耗模型通過這種方式進(jìn)而簡化測(cè)量的部分動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的能耗變化狀況，通過這種方式來獲得最終的數(shù)據(jù)能夠有效改善能耗的綜合測(cè)量結(jié)果，而在能耗仿真過程中，系統(tǒng)可根據(jù)曳引式電梯的基本輸出參數(shù)進(jìn)行評(píng)估落實(shí)驅(qū)動(dòng)的等號(hào)系統(tǒng)。在進(jìn)行電梯的管理時(shí)將待機(jī)、休眠和開關(guān)門等基本功能進(jìn)行分析，并依照主電線路的接線狀態(tài)和工作環(huán)境，由動(dòng)態(tài)評(píng)估的方式進(jìn)行分析，根據(jù)電梯不同的運(yùn)行狀況對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量，落實(shí)不同部分和不同步驟的能耗變化，這一能耗與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗可構(gòu)成電梯系統(tǒng)的整體能耗數(shù)據(jù)。

電梯在運(yùn)行過程中運(yùn)行速度可根據(jù)需求做出調(diào)整。例如，電梯在運(yùn)行過程中采用理想型的速度曲線進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)電梯在運(yùn)行過程中，相關(guān)工作人員可根據(jù)需求測(cè)定電梯在不同環(huán)境和特點(diǎn)下的運(yùn)行狀況，尤其是相關(guān)工作人員還能夠針對(duì)其中存在的問題加以分析，明確不同步驟的運(yùn)行特點(diǎn)。除此之外，相關(guān)工作人員還可基于速度曲線實(shí)施能耗的仿真處理結(jié)果，工作人員可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性的分析，并且將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，借此確認(rèn)能耗模型的可信度。而模型在正式運(yùn)行過程中，工作人員需要對(duì)初始狀態(tài)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，并按照最終的速度曲線以及客流分布等數(shù)據(jù)解答出電梯在某一時(shí)間段的運(yùn)行速度和加速度這類模型參數(shù)綜合性的應(yīng)用，則能夠幫助工作人員判斷電梯的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并且還可將其融入到曳引式電梯的模型中，進(jìn)而獲得運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)，使數(shù)據(jù)的應(yīng)用質(zhì)量得到提升[2]。

1.2 模型實(shí)現(xiàn)

本人在自動(dòng)化控制專業(yè)課程設(shè)計(jì)時(shí)，曾用Matlab與SIMULINK做過類似的模型建立，“SIMULINK是Matlab軟件的擴(kuò)展,在電梯運(yùn)行的過程中，我們基于Matlab環(huán)境模擬程序進(jìn)行建設(shè)，在Matlab，Excel之間建立聯(lián)系，在運(yùn)行過程中將程序輸入以及計(jì)算機(jī)輸出參數(shù)，并選擇用Excel的形式進(jìn)行儲(chǔ)存，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。通過這種形式能夠使整個(gè)電梯的環(huán)境模型得到綜合性評(píng)估，有助于保障數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確性。在某些建筑物中的客流分布情況存在一定特殊性，所以在使用的過程中工作人員需要對(duì)電梯進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整。在運(yùn)行過程中涉及的運(yùn)行軟件和環(huán)境等內(nèi)容直接形成了電梯設(shè)施的能源消耗系統(tǒng)。而在電梯整個(gè)運(yùn)行過程中，為了確認(rèn)不同設(shè)施具體能耗狀況，我們需要對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的構(gòu)建，了解整個(gè)建筑物的高度和客流狀況，這方面內(nèi)容都會(huì)對(duì)曳引式電梯的運(yùn)行產(chǎn)生直接影響，同時(shí)也會(huì)直接組成電梯運(yùn)行的速度模塊，我們對(duì)這一速度模塊進(jìn)行綜合分析，則能夠確認(rèn)電梯能耗的相關(guān)數(shù)據(jù)。舉例說明：SIMULINK下的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型實(shí)現(xiàn)，在Matlab下運(yùn)行SIMULINK，我們創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)圖模型如圖1所示。

圖1 電機(jī)仿真模型

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)時(shí)，不可單純憑借某一時(shí)刻或某一時(shí)間點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)電梯的運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)估。需要針對(duì)曳引式電梯的消耗模型進(jìn)行綜合分析，而這一模型在建設(shè)時(shí)整個(gè)特征表現(xiàn)為建模簡單，如果能夠針對(duì)電梯的基礎(chǔ)配置進(jìn)行綜合分析，則能夠掌握不同系統(tǒng)的能源消耗狀況，通過這一方式能夠更加合理地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建?；谶@一數(shù)據(jù)工作人員可針對(duì)電梯動(dòng)態(tài)的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析了解電梯在運(yùn)行期間的能耗變化并對(duì)其進(jìn)行解讀，基于此針對(duì)電梯設(shè)施的能源消耗狀況進(jìn)行評(píng)估，則能夠?yàn)橐芬诫娞莪h(huán)保節(jié)能降耗的發(fā)展方向提供新的構(gòu)思，而曳引式電梯在運(yùn)行過程中需要盡量滿足現(xiàn)代化的需求，確保實(shí)際運(yùn)行中的可靠性和安全性。在電梯能耗模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，則能夠了解能耗原理，對(duì)電梯能耗的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合掌握，保障各項(xiàng)數(shù)據(jù)具有較高的可參考性。而在進(jìn)行模型的實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)建筑物的信息和客流狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)，這一內(nèi)容也是極為關(guān)鍵的。

2.曳引式電梯的環(huán)保節(jié)能降耗具體方法

2.1 空間設(shè)計(jì)

首先在進(jìn)行曳引式電梯的環(huán)保節(jié)能降耗建設(shè)時(shí)，電梯的主要功能則是對(duì)人員或者貨物進(jìn)行運(yùn)輸，則就需要占用一定的空間，而針對(duì)曳引式電梯進(jìn)行具體分析，可以發(fā)現(xiàn)曳引式客貨梯的整體效果與多方面因素密切相關(guān)，工作人員可根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)對(duì)井道進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，一方面在保障井道的空間前提下，盡量減少曳引式客貨梯中各種設(shè)備的數(shù)量和大?。ㄒ妶D2）。除此之外，在整個(gè)運(yùn)行的過程中，還需要根據(jù)實(shí)際的人員以及運(yùn)行狀況，針對(duì)曳引式電梯的行駛速度以及的調(diào)整，在電梯運(yùn)行過程中，必要時(shí)還可增加智能化的管理體系，根據(jù)運(yùn)輸?shù)膹?qiáng)度以及建筑的人員流量做出動(dòng)態(tài)化的速度調(diào)整，借此保障升降速度和空間得到有效的應(yīng)用，避免出現(xiàn)浪費(fèi)的情況，進(jìn)而達(dá)到環(huán)保節(jié)能的效果。

圖2 曳引式電梯整體效果圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

由于曳引式電梯在運(yùn)行過程中，其工作特點(diǎn)在于這一系統(tǒng)的運(yùn)行在四象限內(nèi)，為了保障整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，工作人員可對(duì)電路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，在電梯的軟件組合串聯(lián)電池能源得到最大化的利用，避免出現(xiàn)電路受損的情況。

2.3 能量回收

能量回收對(duì)于曳引式電梯的運(yùn)行來說極為重要，根據(jù)TSG T7001-2009,含1號(hào)、2號(hào)修改單的要求，雖然對(duì)分體式能量回饋裝置的加裝沒有強(qiáng)制，但也可以看出電梯未來的發(fā)展方向，對(duì)于能量回收，檢規(guī)要求是加裝的分體式能量回饋節(jié)能裝置應(yīng)有銘牌，標(biāo)明制造單位名稱、產(chǎn)品型號(hào)編號(hào)、主要技術(shù)參數(shù)等。曳引式電梯在滿載以及空載的運(yùn)行狀況下，工作人員可設(shè)置不同的回收系統(tǒng)，并且將其與智能電路模塊進(jìn)行連接，通過有效的能源轉(zhuǎn)換和能源利用使電能的使用效率得到提升。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了使電源和能量得到有效的應(yīng)用，工作人員可以將源逆變器外接變頻器，通過這種方式進(jìn)而起到能源合理管理的效果，避免出現(xiàn)能源的利用效率受到影響的情況。這一處理方式的整體成本較低，并且安裝較為簡單，設(shè)備在運(yùn)行環(huán)境中具有較強(qiáng)的可靠性，尤其是在進(jìn)行數(shù)據(jù)控制時(shí)，還可以采用PWM脈寬調(diào)制控制方式通過可關(guān)斷器件將直流電直接回饋至電網(wǎng)中，借此保障整個(gè)電路的穩(wěn)定性降低諧波污染狀況的發(fā)生，而這一種處理方式相較于外接變頻器來說更為復(fù)雜，所以在運(yùn)用過程中需要根據(jù)實(shí)際的需求作出相應(yīng)的調(diào)整，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況選擇合理的方式進(jìn)行有效的電路控制[3]。

將電機(jī)之間的三相繞組引出線與電梯變頻器用導(dǎo)線或者串聯(lián)電阻按照星形方式短接，使電機(jī)以及電機(jī)相連的三相繞組之間形成獨(dú)立的閉合電氣回路消耗電能，在電樞繞組回路中引起感應(yīng)電流，且在電機(jī)永磁體磁場作用下產(chǎn)生制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩，使得曳引機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩相平衡，從而防止曳引機(jī)的失電（電機(jī)在抱閘失效時(shí)）而發(fā)生的電梯溜車，稱為“封星”功能?！胺庑恰惫δ苁悄芰肯牡囊环N形式。

本人在配合省院專家參與對(duì)本市2021.05.23赤坎某小區(qū)電梯沖頂事故調(diào)查時(shí)，深刻體會(huì)到能量回饋，回收控制與能量回饋，回收控制功能失效監(jiān)測(cè)對(duì)電梯安全的重要性！建議按舊標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的電梯有條件的話可以加裝上行超速保護(hù)封星功能。

2.4 曳引式電梯的優(yōu)化調(diào)度

對(duì)于某一棟建筑運(yùn)行過程中存在多個(gè)運(yùn)行電梯的情況可以將多電梯協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)用于其中，通過這一方式合理對(duì)電梯的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)控，一方面能夠減少升降次數(shù)；另一方面還能夠使電梯的運(yùn)行狀況得到合理的管理，有效控制電梯的應(yīng)用安全性。例如，辦公樓和住宅區(qū)的電梯在運(yùn)行過程中的使用習(xí)慣存在一定的差異，所以在使用時(shí)工作人員需根據(jù)實(shí)際的電梯環(huán)境作出管理調(diào)整，寫字樓又可分為高層寫字樓和低層寫字樓，根據(jù)不同樓層的運(yùn)行需求進(jìn)行調(diào)整，則能夠優(yōu)化電梯的控制方式。除此之外工作人員還可在電梯運(yùn)行過程中采用全線控制的形式，例如，采用智能卡形式為不同的樓層的人群提供不同的電梯權(quán)限，使電梯的運(yùn)行效率得到提升，盡可能降低能源損耗。電力的智能控制也是其中一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容，如商場或者大樓等建筑物，這類建筑物中的人員流量較為集中，并且具有較強(qiáng)的規(guī)律性，工作人員可以將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于其中，根據(jù)人流和物流的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)控，對(duì)于電梯進(jìn)行智能化的共點(diǎn)，必要時(shí)還可以關(guān)停某一區(qū)域的電梯，進(jìn)而使整個(gè)電梯的運(yùn)行環(huán)境得到有效的管理，最大限度地降低能耗[4]。

2.5 電梯設(shè)備與建筑的優(yōu)化

在整個(gè)電梯運(yùn)行過程中，工作人員可針對(duì)每一個(gè)部件和系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，例如，在曳引式電梯運(yùn)行過程中所應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以選擇高效且穩(wěn)定的電機(jī)，可以采用現(xiàn)代變頻調(diào)速等方式進(jìn)行調(diào)控，而曳引式電梯系統(tǒng)在運(yùn)行過程中則需要削弱導(dǎo)靴和導(dǎo)軌摩擦，降低風(fēng)阻，使整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)境得到優(yōu)化。而門機(jī)系統(tǒng)也可采用軟啟動(dòng)的門機(jī)，其余各種不同的能耗設(shè)備都可通過對(duì)應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，使整個(gè)電梯的運(yùn)行環(huán)境得到優(yōu)化。

3.總結(jié)

以上是本人檢驗(yàn)多年經(jīng)驗(yàn)對(duì)于能耗建模與節(jié)能環(huán)保的分析，希望我們每個(gè)檢驗(yàn)人員都能懷著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，嚴(yán)格按照電梯檢驗(yàn)規(guī)程和細(xì)則進(jìn)行檢驗(yàn)，為電梯安全運(yùn)行奉獻(xiàn)綿薄之力!