電梯能量回饋裝置的節(jié)能應(yīng)用研究

常曉清 馮雙昌

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200062

0 引言

隨著城市化建設(shè)，作為建筑物垂直運(yùn)輸工具的電梯，已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｖ胁豢苫蛉钡囊粋€(gè)重要組成部分。根據(jù)《市場(chǎng)監(jiān)管總局關(guān)于2021年全國(guó)特種設(shè)備安全狀況的通告》，截至2021年末，全國(guó)共有電梯879.98萬臺(tái)，且每年的增長(zhǎng)速度都在10%以上。據(jù)國(guó)外相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，瑞士每臺(tái)在用電梯的每天耗電量為5.2 kW·h，美國(guó)每臺(tái)在用電梯平均日耗電量為11.1 kW·h[1]而根據(jù)上海、北京、廣東、浙江等地的大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)平均每臺(tái)電梯日耗電量30～40 kW·h。耗電量與電梯的規(guī)格（如提升高度）、使用工況（如使用頻率等）密切相關(guān)。盡管單臺(tái)設(shè)備耗電量不多，但由于在用電梯數(shù)量巨大，其節(jié)能降耗的研究一直在行業(yè)內(nèi)高度關(guān)注，開展電梯的節(jié)能降耗是一件利國(guó)利民的工作。

1 能量回饋裝置的基本技術(shù)原理

曳引驅(qū)動(dòng)電梯是一種轎廂與對(duì)重的不平衡系統(tǒng)，屬于位勢(shì)能負(fù)載，負(fù)載力矩的方向隨著轎廂載荷的不同而變化[2]。當(dāng)電梯滿（重）載下行、空(輕)載上行以及電梯平層前的減速?？?種工況下，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，變頻器中的續(xù)流二極管將這部分再生能量回饋到變頻器直流側(cè)電容中，使直流側(cè)電壓升高，產(chǎn)生泵升電壓，并通過大功率電阻（見圖1）將該能量轉(zhuǎn)化為熱能，該方法成本低、控制簡(jiǎn)單，在中低速曳引驅(qū)動(dòng)電梯中廣泛使用，但不能有效利用再生電能，同時(shí)還會(huì)增加機(jī)房溫升，惡化機(jī)房環(huán)境。

圖1 無能量回饋?zhàn)冾l調(diào)速電梯工作示意圖

通用變頻器+獨(dú)立能量回饋裝置技術(shù)（見圖2）有效地解決了中低速變頻調(diào)速電梯（約占電梯總量的70%左右）電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電時(shí)的能量再次利用問題[3]，將再生電能變換成同頻同相的交流電返回到電網(wǎng)中，供其他設(shè)備使用，主要工作原理如圖3所示。該裝置的主要核心部分在DSP處理器中，通過檢測(cè)直流母線電壓的大小決定是否開啟回饋動(dòng)作及回饋能量的大小。而能量回饋的方法則是通過檢測(cè)交流側(cè)電網(wǎng)的相位及大小以及交流電流的相位和大小進(jìn)行控制，在軟件中通過各種矢量的變換操作，使得交流輸出回饋電流同交流側(cè)的電網(wǎng)電壓一致，從而使回饋交流功率因子為1.00，達(dá)到最大的回饋效率。

圖2 采用獨(dú)立能量回饋裝置技術(shù)電梯工作示意圖

圖3 電梯能量回饋裝置的主要工作原理圖

2 電梯能量回饋裝置的節(jié)電率測(cè)試

2.1 測(cè)試方法

對(duì)電梯能量回饋裝置的節(jié)能情況測(cè)試主要有2種方法：模擬工況法和實(shí)際工況法。2種測(cè)試方法的測(cè)試點(diǎn)設(shè)置應(yīng)能保證記錄電梯正常使用時(shí)的控制柜能耗、變頻器能耗、回饋裝置自身能耗，不應(yīng)包含機(jī)房、井道、轎廂照明、通風(fēng)、報(bào)警裝置等照明電路的能耗[4，5]。因此，測(cè)試點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在電梯主開關(guān)下端口處，如圖4所示。

圖4 測(cè)試點(diǎn)示意圖

2.1.1 模擬工況法

采用模擬工況法測(cè)試時(shí)，在測(cè)試時(shí)電梯載荷分別為空載、25%、50%、75%、100%的額定載荷，電梯在每種工況下，均按照?qǐng)D5模式運(yùn)行：電梯從底頂層關(guān)門直駛至頂層端站，停層、開門、關(guān)門，然后從頂層端站直駛到底層端站，停層開門為一個(gè)循環(huán)[6]。每種工況測(cè)量3個(gè)循環(huán)，取平均累計(jì)功耗值。

圖5 運(yùn)行模式

單一載荷的節(jié)電率計(jì)算為

式中：E為有能量回饋裝置一個(gè)運(yùn)行周期的累計(jì)功耗，W為無能量回饋裝置一個(gè)運(yùn)行周期的累計(jì)功耗。

由于電梯區(qū)別于空調(diào)、冰箱等常用家用設(shè)備相對(duì)固定的工作環(huán)境和條件，因此，通過測(cè)量單一載荷下的電梯運(yùn)行能耗并不能完全反映電梯的具體能耗狀況，需要考慮電梯的復(fù)雜工作狀況，則必須模擬在一定負(fù)載情況下（包括0%負(fù)載）進(jìn)行測(cè)量，載荷譜如表1所示。

表1 載荷譜 %

綜上所述，可得模擬綜合工況節(jié)電率為

2.1.2 實(shí)際工況法

通過使用電能表等計(jì)量工具分別測(cè)試加裝電梯能量回饋裝置的曳引式電梯在主開關(guān)處的能量消耗與電梯能量回饋裝置回饋端的回饋電能，測(cè)試周期t的設(shè)定應(yīng)能反映電梯的實(shí)際使用情況，在正常運(yùn)行工況下，一般至少連續(xù)7 d，故有

按照?qǐng)D4在電梯機(jī)房安裝2個(gè)電能表，電能表1位于變頻器前端，用于記錄輸入變頻器的電量，電能表2位于能量回饋裝置輸出端，用于記錄能量回饋裝置回饋給電網(wǎng)的電量。在電梯日常運(yùn)行過程中，分別選取2個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別記錄2個(gè)電能表的讀數(shù)，計(jì)算實(shí)際節(jié)電率

式中：W1為電能表1第1次讀數(shù)，W2為電能表1第2次讀數(shù)，W1＇為電能表2第1次讀數(shù)，W2＇為電能表2第2次讀數(shù)。

2.2 測(cè)試結(jié)果

本文對(duì)一臺(tái)加裝了能量回饋裝置的電梯進(jìn)行節(jié)電率測(cè)試，測(cè)試方法分別采取了模擬工況法和實(shí)際工況法。該電梯采用的是變頻調(diào)壓調(diào)速控制，傳動(dòng)方式為渦輪蝸桿，電動(dòng)機(jī)功率為27 kW，額定速度為2.5 m/s，額定載重量為1 000 kg，層站數(shù)分別為24層24站，屬于較為常規(guī)的中速電梯，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試該電梯的平衡系數(shù)為0.47，符合測(cè)量要求。

2.2.1 模擬工況節(jié)電率

根據(jù)上述測(cè)試方法，按照?qǐng)D4所示將功率分析儀接入測(cè)試點(diǎn)（見圖6），測(cè)量該電梯未接入能量回饋裝置時(shí)分別在0%、25%、50%、75%額定載荷下的能量消耗，以及接入能量回饋裝置后分別在0%、25%、50%、75%額定載荷下的能量消耗，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

表2 不同載荷下電梯耗電量

因此，在一個(gè)運(yùn)行周期，0%額定負(fù)載時(shí)的節(jié)電率為43.73%，25%額定負(fù)載時(shí)的節(jié)電率為25.75%，40%額定負(fù)載時(shí)的節(jié)電率為14.37%（注：該數(shù)據(jù)僅作為對(duì)50%時(shí)的比對(duì)），50%額定負(fù)載時(shí)的節(jié)電率為13.92%，75%額定負(fù)載時(shí)的節(jié)電率為38.19%。

根據(jù)式（2）可得

2.2.2 實(shí)際工況節(jié)電率

根據(jù)上述測(cè)試方法，按照?qǐng)D4所示安裝2個(gè)電能表（見圖6），將電能表1安裝在電梯變頻器前端，可測(cè)得該電梯實(shí)際消耗的電量，將電能表2安裝在能量回饋裝置輸出端，可測(cè)得該電梯能量回饋裝置實(shí)際反饋的電量，并分別于安裝之日、安裝后10 d和安裝后15個(gè)月讀數(shù)。電能表1初始讀數(shù)6 522，第2次讀數(shù)6 692，第3次讀數(shù)14 347；電能表2初始讀數(shù)2 447，第2次讀數(shù)2 498，第3次讀數(shù)4 868，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表3 2個(gè)電能表不同時(shí)間的讀數(shù)

根據(jù)式（4）可得

綜上所述，經(jīng)過對(duì)這臺(tái)電梯1 a多的跟蹤，該臺(tái)電梯采用能量回饋裝置后，其實(shí)際節(jié)電率達(dá)到了30%。

3 結(jié)語

本文選取了一臺(tái)額定速度為2.5 m/s的24層電梯進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)安裝了能量回饋裝置的電梯在模擬工況和實(shí)際工況2種環(huán)境下測(cè)得的節(jié)電率都超過了30%，節(jié)電效果非常顯著。

保護(hù)資源、降低能耗關(guān)系到整個(gè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。雖然單臺(tái)電梯的用電量較少，但其巨大的在用數(shù)量及每年的增量，電梯節(jié)能大有可為。對(duì)于變頻調(diào)速的在用電梯，采用加裝能量回饋技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)、方便，節(jié)能效果又比較明顯的方法，符合我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，有助于加速電梯產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排，走向綠色節(jié)能的路線。