电梯节能技术综述

电梯节能技术综述

黄娟丽万杰李少纲（福州大学

摘要

福建福州

３５０１０８）

伴随着经济持续快速增长。我国的能源与环境问题也日渐突出，电梯系统节能已是当前国际社会共同关注的话题。

针对电梯的耗能情况，从电梯的曳引系统、驱动系统和派梯管理３个方面综述了电梯系统的节能分析方法和主要的节能技术，并在此基础上对电梯节能进行了展望。

关键词

节能技术

曳引系统驱动控制

文献标识码：Ａ

派梯管理

文章编号：１６７２—９０６４（２０１０）０１－００３０－０３

中图分类号：ＴＵ８５７

节能是摆在人类面前的共同任务．能源问题已经被提到前所未有的高度。我国是一个耗能大国．更把节能作为头等大事来抓。据有关调查显示．我国建筑物的能源约占全国总能耗的２８％左右…．是能耗的主力军。电梯的用电量仅次于空调，远高于照明、供水等的用电量。电梯的能耗已经引起业界高度霞视．社会对于电梯能耗的关注程度也在与日俱增．降低电梯的能耗、节约能源对于国民经济具有非常霞要的现实意义。电机技术、功率电子技术、微计算机技术及变频调速技术的发展，为电梯的节能控制提供了条件。

ｌ

圈ｉ永磁同步电机ｄ轴等效电路

豳２永磁同步电机ｑ轴等效电路

图中：砌，‰－ｄ。ｑ轴上的定子电压分量；如。‘以，ｑ轴上的定子电流分

量；匕，‰－ｄ，ｇ轴上的电流有功分量；妒永磁体产生的磁场；尺，一定

子绕阻电阻；ＪＲ。一等效铁耗电阻；，矿电机极对数；∞，一转子机械角速

度；∞一电气转速，∞爿岍ｐ

链。以使电机损耗最小，从而达到节能的目的。

２

电梯曳引机的节能

如果说控制柜是电梯的大脑．那么曳引机就是电梯的心

脏．直接影响着电梯的节能效率。作为电梯的核心部件。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３个发展阶段。蜗轮蜗杆传动曳引机这种老式曳引机体积大、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（约２０％～３０％）。

虽然永磁同步电机（ＰＭＳＭ）较一般异步电机有较高的运行效率．但仍存在节能空间，特别是在低负载率和宽范围变速运行时。从ＰＭＳＭ损耗模型…出发，忽略阻尼绕组时，永磁同步电机的损耗包含铁损耗、铜损耗和机械损耗。因为机械损耗是随转速的变化而变化的，无法控制。因此．只考虑铁损耗和铜损耗。图１，图２示分别示出考虑ｄ，ｑ轴上铁损和铜损时永磁同步电机的等效电路。

根据等效电路．找出各种损耗与励磁电流及转速的关系．导出不同条件下的最优励磁电流，进而算出最优定子磁链的指令值（不同于传统的恒磁链指令）。该控制方法与直接转矩控制方法相结合．控制过程中动态的改变电机的给定磁

电梯驱动控制系统的节能

电梯技术中．驱动系统是典型的运动控制系统．它控制

电梯的起动、加速、稳速运行以及减速等运动方式。电梯驱动系统采用成熟的变频调速技术早已成为当今改善电梯驱动控制性能、提高电梯运行质量的主要途径。变频调速技术淘汰了各类交流双速驱动系统、取代了直流无齿轮驱动，不仅使电梯的运行性能优越．同时也有效节约了能源、降低了损耗．如何来进一步挖掘电梯变频调速系统节能潜力以及进一步提高驱动系统的应用效率问题已成为电梯驱动特性应用研究的一个重要课题。

２．１

变频器再生能量回馈方式

电梯属于位能负载，要求频繁的起停．随着载客量多少

的变化、上下行的变换，要求电动机四象限运行。在电梯运行过程中．空载（轻载）上行或者满载下行时电动机由需要消耗电能转为发电状态．电机将处于再生发电制动状态。为解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量．现有的方法是在变频器的直流母线两端并接上能量回馈装置。采用有源逆变技术将再生能鼍及时高效地逆变为与电网同频率、同相位的交流电反送电网。

一般能莓回馈器都是根据变频器母线两端的电压Ｕ刑的大小来决定是否回馈电能，回馈电压采用固定值Ｕ峨。在

作者简介：黄娟丽（１９８３一）。女，硕士研究生．研究方向为电工理论与新技术。

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制动状态时．电动机再生能量向中间直流环节电容进行充电，当电容的电压超过设定值Ｕ暖时，逆变器开启馈电功能，将再生能量逆变后反送电网。由于电网电压波动，当电压偏高引起Ｕ刑大于Ｕ嗽，逆变器会产生误回馈。当电压偏低时，回馈到直流母线的电压储于电容中．该储能会被电阻提前消耗，使回馈效果明显下降。新型能量回馈器，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．新型能苣回馈器才及时将电容中的储能回送电网。有效解决原有能萤回馈的缺陷跏。能量回馈装置通常采用ＰＷＭ控制模式．使回馈至电源电网的电能谐波污染少、功率因数高．节约了大量的能源，满足了电梯驱动系统对速度跟随的快速性和精确性要求．使曳引驱动电动机在四象限内运行时的工作效率更高。

电梯能量回馈技术的利用场合．一般来说，电梯额定速度越快、额定载重量越大、提升高度越高，节能效果越显著。收回成本也越早。相反，梯速越慢、额载越轻、提升高度越低。节能效果则不明显．收回成本的时间相对较长。因此，目前在中低速电梯中的应用较少．２．２共直流母线的电梯控制系统

即使能量回馈装置有电抗器、电容器、去噪等滤波环节。使用ＳＰＷＭ脉宽调制．其波形也不免有些畸变．用傅立叶级数分解，其得到的波形虽然是以基波（正弦波）为主。其中参杂着高次谐波（幅值很低）。但仍与市电的正弦波、频率（５０ＨＺ）有微小差别的。目前回馈的能量中。其电流谐波畸变约在５％～７％之间。这些高次谐波对市电、对电网及其用电设备都有不可忽视的影响，从而产生对电源、环境的污染。电磁干扰。因此。希望尽量减少能量回馈次数，减少对电网的影响。

在电梯使用频率较大的地方．一般都是使用２台或者多

３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。

电梯群控系统是～个复杂的决策系统。具有多目标性、随机性和非线性等特点．难以采用精确的数学模型加以描述，因而传统的控制方法很难提高系统性能。模糊控制技术在解决非线性、不确定性问题上具有很大的优势。它不需要建立所求解问题的精确数学模型．而是模仿人脑的推理能力，可以使许多复杂问题简化。但由于隶属函数加权系数不会根据不同交通模式而改变。无法自学习。运行时无法修正规则，冈而使系统性能受专家知识影响很大。而神经网络的学习机制为模糊控制器自动提取模糊规则、调整模糊规则提供智能化基础，提高了电梯群控的智能性．使电梯应答更趋合理，将神经网络与模糊逻辑２者有机结合。吸取各自的优点。使整个系统成为自适应模糊神经网络系统。

对于多台电梯群控．其主要优化目标有：减少乘客平均候梯时间（ＡＷＴ）、减少乘客平均乘梯时间（ＡＴＰ）、降低长候梯率（ＬＷＰ）以及减少电梯群控系统运行能源损耗（ＲＮＣ）等。综合了以上４种评价标准后，对这多个目标进行优化，实现电梯的多目标优化调度。模糊神经网络结构图如图４所示。

将变量模糊化．把ＡＷＴ．ＡＴＰ，ＲＮＣ和ＬＷＰ的规则映射到神经网络中．利用神经网络学习功能来调整改善规则。为了解决电梯在控制中出现的

图４模糊神经网络结构

习露一

台电梯．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【４】，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３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

圈３共直流母线传动系统

随机性、非线性等问题．在设计最佳派梯时必须要依次解决

的２个问题：①确定当前处于何种交通模式；如在上行、下行

客流高峰．选择候梯时间、乘梯时间优先，将评价函数中候梯时间、乘梯时间的权系数变大。而在能源消耗越少优先的条

件下．将评价函数中能源消耗的权系数变大。②计算出派梯

目标函数．首先确定系统输入和输出，由此确定模糊神经网络模型的结构．然后确定网络的学习箅法并计算出派梯目标函数。根据调度策略，调度的评价函数与４个评价标准之间的函数关系通过改变权重系数可适应不同的电梯交通客流模式。

能量互享．即连接在直流母线上的任何

４展望

纵观电梯节能技术的研究现状．国内外众多电梯行业在寻求更加节能的电梯系统方面进行了大量的研究和实践．提出了许多具有建设性的新思路．并取得了一些具有实用性意义的成果。但由于电梯控制系统的复杂性及控制要求的不断提高．关于电梯的节能研究尚有许多问题待深入研究．主要有以下几个方面：

（１）永磁同步无齿轮曳引机技术的开发和应用，使电梯电机拖动系统的运行效率更高，节能效果更加显著．但由于

（下转第４２页）

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。

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２０１０．Ｎ０．１．ｏ

Ｔ＝Ｒ２Ｃ－扣半＋Ｉｎ铭磬）

式中

Ｄ４或Ｄ，，但由于Ｄ６送出０信号ＣＰＵ或ＣＰＤ信号无法进入深度计数器Ｄ。，Ｄ９。当４０４０的Ｑ。脚送出ｌ信号时，经电容Ｃ７微分，在１信号的上升沿，不能使Ｖ３导通，使其下降沿，即ｌ信号跳变为０的一瞬间，电容Ｃ７送出负尖脉冲，使Ｖ３导通，Ｄ２送出ｌ，与Ｑ．：送出的１信号在Ｄ３相与成１，控制４０４０清零．使Ｄ。重新送出ｌ，开启Ｄ４、Ｄ５正常送出深度光脉冲，４０４０也重新从０开始计数进入其下一个工作循环．即每计满２０４８个脉冲减去一个深度光脉冲。工作波形如图２所示。

参考最近几１２１井的资料．计算测并深度与实际孔深相差多少．如本次实验井曲线的标志层深度与实际孔深相差接近２５６分之一。闭合ＫＩ，Ｋ２的ｌ脚，６脚（２５６的信号送ｍ脚）。Ｋ２实际为一个笔芯开关，把开关拨到ＯＮ一侧即可。如果误差符合规程规定。不需要减去脉冲，则Ｋ。无需闭合，此时ＣＰＵ

ＶＩ护电源电压；Ｖｒ反相器转折电压。

将Ｖｈ＝ｌ／２Ｖｌ】Ｄ＝２．５Ｖ，Ｒ２＝３００ｋ１＇１，Ｃ，，＝２２００ｐＦ代入上式，得振荡周期Ｔ＝１．７ｍ９，振荡频率ｆ＝５８０Ｈｚ。再经过三极管Ｖ．和Ｖ２及阻容元件构成。它的作用是对光Ａ和光Ｂ。或者时间脉冲信号进行放大．分别从各自的集电极得到光Ａ’和光Ｂ’信号。它们被送到电缆运行方向判别电路．对电缆的运行方向进行判别。

电缆运行方向判别由与非门Ｄ，和Ｄ。和Ｄ，，Ｃ，、Ｒ叭Ｃ。、Ｒ．，组成的微分电路构成。用它对电缆运行方向进行判别。当电缆上提时，光Ｂ超前光Ａ９００，经判别电路后，得到ＣＰｎ脉冲，使计数器进行减计数；当电缆下放时．光Ａ超前光Ｂ９００，经判别电路后，得到ＣＰ，脉冲。使计数器进行加计数。

在此脉冲进入深度计数器４０１９２之前，经衰减开关Ｋ。

进入关口电路．形成

ＣＰＤｌＣＰｑ

或ＣＰＤ信号直接进入深度计数器４０１９２。Ｋ：的ｌ脚与

２，３，３，４，５，６，７，８脚配合，可以衰减１／３２，１１６４，１／１２８，１／２５６。１／５１２，１１１０４２。！／２０４８个深度脉冲，完全可以达到规程规定的误差要求。如果因错误同时拨动了２，３，４，５，６，７，８脚中的几个．衰减比例按低位计算。如同时拨动了５，６脚，则有效的实际为５脚．即衰减１／１２８个深度脉冲。

ｒ］ｎｒ］ｒ］ｎ

控制信号，控制ｃＰＩ，或ＣＰＤ信号的传输与否。４０４０集成电路是一块１２位二进制计数器，其Ｑｌ至Ｑ１２脚的ｌ信号，分别代表十进制数的ｌ、２、

４、８、１６、３２、６４．、１２８、２５６、５１２、１０２４、２０４８，

口ｌ广］广］广一

ｎ

一一一ｑ—————一Ｌ～

’Ⅷ

３结语

通过以上常遇的影响测井深度误差的问题讨论分析．提出可行的解决方案．将提高数字测井的精确度。降低我队测井仪器的维修成本。参考文献

１许兴培．等．ＴＹＳＣ系列数字洲井仅．西安：西北工业大学出版社，

１９９１

ＴＰ—ｋ一，．ｆ

ｋ

。，

．人

，

ＣＰ．Ｄ＇ＪＣＰ叫ＵＬ一—ＪＵＬ

图２工作波形

在使用电路时，Ｋ２的

ｌ脚必须合上．再在２到８脚中，选择任一脚如８脚合上，当计数器计满２０４８的一瞬问，ｌ脚送出０，Ｑｌ：脚送出１，ｌ信号经非后门变成０．０信号与ＣＰＵ或ＣＰＤ相与。送出０。即开始封锁ＣＰＵ或ＣＰＤ信号．在ＣＰＵ或ＣＰＤ继续送人下一个光脉冲到４０４０时，Ｑｌ变成ｌ，此时，虽然ＣＰＵ或ＣＰＤ继续送人（上接第３ｌ页）

永磁同步电机大母投入工业领域的时间尚短。许多现场试用参数尤其是电机的使用寿命尚无定论，因此如何将被控电机作为整个系统的一个研究对象来考虑，使电机的结构更加合理．选用更高性能材料．提高制造工艺水平，减少谐波产生以及如何采用更新进的控制策略进一步提高曳引机及其驱动系统的可靠性和经济性等等值得我们进一步探讨。

（２）能量回馈型节能电梯已有较为成熟的技术，但因其价格因素以及对电网的影响．推广尚有一定的难度。结合共直流母线方案．减少了整个驱动系统中的能量回馈装置的重复配置．使系统的结构更为简单合理、经济可靠，同时抑制了变频器输入端整流部分的工作周期，提高了系统的功率因素，降低了电网侧输入电流的谐波污染，大大地提高了整个梯群系统的节能效应。若能同时加入电梯群控，合理的电梯管理方式尽最减少多台电梯同时处于发电状态．可在减少能量回馈的情况下进一步达到电梯节能的目的，前景十分广阔。

３

２许兴培．等．ＴＹＳＣ系列教字测井仅电路图．西安：西北工业大学出版

社．１９９１

振忠．ＴＹＳＣ－３Ｑ数字测井仅使用维修手册．渭南煤矿设备厂。

２０（）５

４泰曾煌．电工学下册电子技术（第五版）．北京：高等教育出版社，１９９９

对实现电梯运行更加节能环保．更加降低成本提供可能；如何针对电梯控制系统．寻求更加完善的智能型电梯群控调度系统．精确调控减少等候时间、电梯就近停靠、控制减少电梯的运行台数，从而大大提高运输效率。

保护有限资源、降低能源损耗、减少环境污染关系整个社会的可持续发展。针对电梯能源的消耗特点。对其节能方法的深入探索和优化将对能源损耗的降低和自然环境的保护等方面都有贡献。节能电梯将成为主导产品，通过电梯节能技术的采用，不仅可以缓解国内日益增长的电力紧张局势，而且也是提高经济增长质量和效益的重要途径。随着每年的电梯数量、用电量逐年增长，电梯的节能降耗大有可为。参考文献

１宋渡．中国建筑能耗现状及节能策略．建设科技．２００８（２０）

２许峻峰，冯江华，许建平．考虑损耗模型永磁同步电机直接转矩控

制・电力电子技术，２００５（４）

望竺苎行竺！耋竺棼皇：竺！苎曼翌冀望！懋．：璺孵５４：耋奎淼：笔三姜徽霎篡＝淼≥．刁

（３）随着科学技术的发展，优于当前节能技术的电梯成

３胡祥兰，祁春郎・浅谈电梯节能・甘肃科技・２００８（９）

动电梯．为电梯产业大幅度提高能源利用效率开辟新途径．

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……一７

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电梯节能技术综述

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

黄娟丽， 万杰， 李少纲福州大学,福建福州,350108能源与环境

ENERGY AND ENVIRONMENT2010，""(1)0次

参考文献(5条)

1. 宋渡.中国建筑能耗现状及节能策略.建设科技.2008(20)

2. 许峻峰,冯江华,许建平.考虑损耗模型永磁同步电机直接转矩控制,电力电子技术,2005(4)3. 胡祥兰,祁春郎.浅谈电梯节能.甘肃科技.2008(9)

4. 黄柏成.共用直流母线的电梯节能控制系统.建筑电气,2007(7)5. 杨祯山,邵诚.电梯群控技术的现状与发展方向.控制与决策,2005(12)

相似文献(2条)

1.期刊论文 诸小鹏. ZHU Xiao-peng 电梯曳引系统控制及节能技术的研究 -中国制造业信息化2006,35(23)

针对电梯曳引系统时变性、不确定性、高度非线性等特征,指出电梯常用的普通PID控制存在的不足,提出了单神经元自适应PID控制的方法.通过计算机仿真及其在实用电梯上的试验,结果表明基于单神经元自适应PID控制的方法,对提高电梯速度的跟踪性能有较好的作用.模型电梯试验表明这种控制方法结合电路硬件结构的改变,能使电梯的能量损耗减少5%左右.

2.学位论文 金建峰 曳引式电梯的能耗建模及节能研究 2009

由于社会经济的快速发展，电梯的保有量急剧增长，电梯的耗电量巨大。随着国家能源政策对耗能产品提出新的要求，属于建筑中高耗能特种设备的曳引电梯，其能耗的研究成为电梯能效评价、节能监管、电梯设计、选配电梯的基础。因此，曳引式电梯的能耗建模及节能研究具有一定理论价值和社会效益。

根据曳引式电梯的驱动电机四象限工作和带有对重的主要特点，在分析无能量回馈电梯与有能量回馈电梯能耗特性的基础上，确定曳引电梯能耗模型的各个组成部分及其影响因素。其中，电梯曳引系统与驱动系统的能耗建模是整个电梯能耗模型的关键：通过曳引系统的功、能关系，建立轿厢负载、外阻力及其运动状态与驱动系统输出功率之间的函数关系；通过动态测量的电梯能耗数据，将电梯的曳引系统与驱动系统相结合，建立驱动系统输出力矩及输出转速与驱动系统输入电功率之间的函数关系，并探讨在少量的动态测量数据的基础上建立驱动系统能耗模型的可行性及方法。在此基础上，将少量的动态能耗数据建立的主驱动系统模型与曳引系统模型相结合，建立曳引式电梯的能耗模型。

随着电梯技术的发展，尤其是电梯驱动技术的发展，永磁同步曳引机驱动的曳引电梯逐渐成为新装电梯的主流。从永磁同步电机驱动系统的变频电源质量、电机控制策略、永磁同步曳引机的设计等三方面，分析提高永磁同步驱动系统效率的措施，并提出了一种应用有限元法计算驱动系统能耗的方法。

曳引电梯能耗仿真模型可用于动态计算电梯能耗；研究电梯配置参数和运行曲线等对电梯能耗的影响；研究电梯能效的评价方法；设计开发节能电梯。

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