簡(jiǎn)易升降機(jī)能效測(cè)試與對(duì)比分析*

龔徐科，曹光敏，張志堅(jiān)，阮 航

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江寧波315048)

0 引言

簡(jiǎn)易升降機(jī)是以曳引機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、電動(dòng)葫蘆、液壓泵站等作為驅(qū)動(dòng)裝置，通過鋼絲繩、齒輪齒條、鏈條或者液壓油缸等部件帶動(dòng)貨廂，在井道內(nèi)沿垂直或與垂直方向傾斜角小于15°的剛性導(dǎo)向裝置運(yùn)行的僅用于運(yùn)載貨物的起重機(jī)械［1］。該類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)要求不高，同時(shí)對(duì)建筑物要求低，價(jià)格相對(duì)低廉，因而在企業(yè)尤其是中小型企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

為順利完成研究，掌握強(qiáng)制式和曳引式驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)易升降機(jī)的能耗情況，本研究在前期制定測(cè)試方案，確定測(cè)試條件、測(cè)試儀器和測(cè)試程序，并于2014年3月13日對(duì)兩臺(tái)參數(shù)基本一致的簡(jiǎn)易升降機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

1 設(shè)備情況

該兩臺(tái)簡(jiǎn)易升降機(jī)分別于2013年5月和6月制造，一臺(tái)為強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)，另一臺(tái)為曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)，兩臺(tái)簡(jiǎn)易升降機(jī)各項(xiàng)參數(shù)基本一致。強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)采用額定起重量為5 t 的CD1型電動(dòng)葫蘆作為驅(qū)動(dòng)主機(jī);曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)采用曳引機(jī)作為驅(qū)動(dòng)主機(jī)，調(diào)速方式為交流雙速，并在貨廂的另一側(cè)設(shè)有對(duì)重，平衡系數(shù)為45%。該兩臺(tái)簡(jiǎn)易升降機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率均為5.5 kW。兩臺(tái)簡(jiǎn)易升降機(jī)的基本情況表如表1所示。

表1 簡(jiǎn)易升降機(jī)基本情況表

2 測(cè)試方案的確定

本研究在確定能效測(cè)試方案時(shí)參考了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30222—2013《起重機(jī)械用電力驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)能效測(cè)試方法》［2］和特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范《電梯能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》(征求意見稿)，采用了“供給能”、“有效能標(biāo)稱值”和“能效標(biāo)稱值”3 條定義。其中，供給能是簡(jiǎn)易升降機(jī)按試驗(yàn)方法要求完成一個(gè)測(cè)試工作周期時(shí)實(shí)際消耗的能量，有效能標(biāo)稱值是簡(jiǎn)易升降機(jī)按試驗(yàn)方法要求完成一個(gè)測(cè)試工作周期時(shí)提供的有效能量，而能效標(biāo)稱值則是簡(jiǎn)易升降機(jī)在一個(gè)測(cè)試工作周期內(nèi)的有效能標(biāo)稱值與供給能之比。

2.1 測(cè)試條件和程序

為保證測(cè)試效果，實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)在相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工作條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件和程序符合《電梯能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》(征求意見稿)和GB 28755—2012《簡(jiǎn)易升降機(jī)安全規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定。

2.2 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器主要采用法國(guó)Chauvin-Arnoux 公司的C.A-8335 便攜式三相電能質(zhì)量分析儀，配用型號(hào)為MN93A 的電流鉗。

2.3 供給能的測(cè)試

供給能的測(cè)試通過C.A-8335 電能質(zhì)量分析儀測(cè)量，并按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:EG—供給能，J;n—一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)包含的測(cè)試階段的個(gè)數(shù);Di—一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)第i 個(gè)階段電能質(zhì)量分析儀測(cè)量值，kW·h，測(cè)量值為負(fù)值時(shí)，為測(cè)試對(duì)象向電網(wǎng)反饋能量［3］。

電能質(zhì)量分析儀輸入端的接線在簡(jiǎn)易升降機(jī)起升機(jī)構(gòu)饋線接入處，具體接線位置示意圖如圖1所示［4］。

圖1 電能質(zhì)量分析儀接線圖

2.4 有效能的測(cè)試

能效測(cè)試的核心部分是有效能的測(cè)試，有效能的測(cè)試包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和理論計(jì)算內(nèi)容。

2.4.1 有效能測(cè)試參數(shù)的選取

為了全面反映簡(jiǎn)易升降機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的各種載荷工況，本研究對(duì)比了《電梯能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》(征求意見稿)的測(cè)試狀況，分別按簡(jiǎn)易升降機(jī)額定載重量的0%、50%、100%進(jìn)行測(cè)量。簡(jiǎn)易升降機(jī)按指定的參考循環(huán)運(yùn)行，指定層站為最大運(yùn)行行程最接近的層站;每個(gè)工況運(yùn)行3 個(gè)循環(huán)后停止循環(huán)，測(cè)量并記錄總能量值W0，記錄實(shí)際測(cè)量過程的樓層高度H1，總能量除以3 得到平均值并記錄該值W［5］1。

2.4.2 有效能標(biāo)稱值的理論計(jì)算

有效能的計(jì)算應(yīng)符合其物理過程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并能嚴(yán)格遵守能量轉(zhuǎn)換和守恒的基本定律。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和守恒的基本定律，有效能的計(jì)算按下式計(jì)算，計(jì)算過程中導(dǎo)軌與導(dǎo)靴的摩擦阻力忽略不計(jì)［6］。

式中:Eqs—起重機(jī)構(gòu)有效能標(biāo)稱值，J;m—測(cè)試載荷，t;m1—貨廂自重，t;h—帶載升降時(shí)的實(shí)際升降高度，m;h'—空載升降時(shí)的實(shí)際升降高度，m。

2.5 能效標(biāo)稱值的計(jì)算

簡(jiǎn)易升降機(jī)能效標(biāo)稱值計(jì)算如下式所示:

3 測(cè)試結(jié)果

2014年3月13日，本研究按照預(yù)定的測(cè)試方案分別對(duì)強(qiáng)制和曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下。

3.1 能耗情況

本研究對(duì)C.A 8335 電能質(zhì)量分析儀中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出各工況平均有功電能消耗情況如表2所示。

表2 各工況有功電能消耗平均值(單位:Wh)

根據(jù)公式(1)由計(jì)算可得，強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)完成一個(gè)完整測(cè)試工況所需的供給能為86.5 Wh，而曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)完成一個(gè)完整測(cè)試工況所需的供給能為71.4 Wh，說明總體上曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)比較節(jié)能，但節(jié)能效果不是很明顯。另外筆者也看到強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)在下降各工況的電能消耗平均值均為負(fù)值，且隨著載荷增加絕對(duì)值依次增加，說明強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)在下降過程中存在著能量反饋，反饋能量的大小和載荷的重量成正比。

3.2 能效標(biāo)稱值

根據(jù)公式(2)可計(jì)算出完成不同測(cè)試工況所需有效能的標(biāo)稱值，各分項(xiàng)分別表示一個(gè)周期內(nèi)的空載運(yùn)行、半載運(yùn)行和重載運(yùn)行，然后根據(jù)公式(3)可計(jì)算出各工況以及完整測(cè)試工況的能效標(biāo)稱值如表3所示。

表3 各工況及完整工況有效能標(biāo)稱值和能效標(biāo)稱值

從表3 可以看出強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)完成一個(gè)完整測(cè)試工況的能效標(biāo)稱值為103.85%，而曳引式簡(jiǎn)易升降完成一個(gè)完整測(cè)試工況的能效標(biāo)稱值為127.56%，這說明曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)的能源利用效率比強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)的高。

3.3 有功功率

對(duì)電能質(zhì)量分析儀中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出各工況有功功率的穩(wěn)定值如表4所示。

表4 各功況有功功率穩(wěn)定值(單位:W)

圖2 強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)有功功率變化趨勢(shì)圖

強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)有功率變化趨勢(shì)圖如圖2所示。曳引式簡(jiǎn)易升降有動(dòng)功率變化趨勢(shì)圖如圖3所示。

圖3 曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)有功功率變化趨勢(shì)圖

從表4 和圖2、圖3 可以看出，強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)下降各功況的有功功率最小值均為負(fù)值，且絕對(duì)值在滿載時(shí)最大，這說明強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)各功況是有能量反饋的，能量反饋的大小和載荷的大小正相關(guān)。

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)的能耗分析

從表4 可以看出，強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)完成一個(gè)完整測(cè)試工況所需的供給能86.5 Wh，而曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)完成一個(gè)完整測(cè)試工況所需的供給能為77.4 Wh，說明曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)總體比強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)節(jié)能，特別是在空載上升和半載上升時(shí)節(jié)能更加明顯，這是因?yàn)橐芬胶?jiǎn)易升降機(jī)在貨廂的一側(cè)設(shè)置了對(duì)重，平衡了一部分貨廂的重量，當(dāng)貨廂重量加上貨物重量和對(duì)重相等時(shí)，理論上電動(dòng)機(jī)不用做功就可以使貨廂作上、下運(yùn)動(dòng)。從表4 可以看出強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)在下降工況時(shí)電能消耗平均值均為負(fù)值，也就是說在下降工況時(shí)電動(dòng)機(jī)是不耗能的，相反電動(dòng)機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)，即電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中向電網(wǎng)回饋了一部分電能，因?yàn)橄陆颠^程中重物本身的重力加速度將使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，從而使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)下降重量越大時(shí)，向電網(wǎng)回饋的能量越多。

關(guān)于下降工況電動(dòng)機(jī)向電網(wǎng)回饋的電能能否利用，文獻(xiàn)［7］中已有詳細(xì)論述，即起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)在下降再生制動(dòng)時(shí)都有能量回饋且能被同一廠房的其他設(shè)備利用，而在GB/T 30222-2013《起重機(jī)械用電力驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)能效測(cè)試方法》中也規(guī)定測(cè)量時(shí)應(yīng)把回饋能量從消耗能量中減掉。

4.2 曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)的能耗分析

從表2 可知，曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)無論在上升還是下降過程均未測(cè)得回饋能量，這是因?yàn)橐芬胶?jiǎn)易升降機(jī)采用的是交流雙速電機(jī)，以空載上升為例，電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，接入的是高速繞組，這時(shí)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速要小，因此電機(jī)始終工作在電動(dòng)狀態(tài)，需要消耗大量能量;而電機(jī)在減速過程中采用低速繞組，在減速開始的瞬間，雖然快速繞組已從電網(wǎng)撤出，并立即把低速繞組接入電網(wǎng)，而電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速因曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性，仍維持在原快速狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速。因此，相對(duì)低速繞組而言，此時(shí)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速已大大高于低速繞組的同步磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，從而使低速繞組工作在再生發(fā)電制動(dòng)減速狀態(tài)。對(duì)低速繞組來說，這時(shí)電動(dòng)機(jī)恰好處于發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，即把在快速運(yùn)行時(shí)所具有的動(dòng)能反饋到電網(wǎng)中去。但是和電動(dòng)狀態(tài)相比制動(dòng)狀態(tài)反饋的電能相對(duì)較少，因此整體測(cè)得的電能消耗平均值還是為正值［8］。

5 結(jié)束語

綜合以上數(shù)據(jù)，本研究可以得出如下結(jié)論:由于強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)采用的是交流異步電動(dòng)機(jī)，下降工況時(shí)將一部分貨廂和重物的勢(shì)能和下降時(shí)的動(dòng)能通過再生發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，以“負(fù)能量”的形式反饋給了電網(wǎng)，抵消了上升工況時(shí)部分用于作功的“正能量”;而曳引式簡(jiǎn)易升降機(jī)采用的是交流雙速異步電動(dòng)機(jī)，下降工況時(shí)大部分時(shí)間都在作正功，再生發(fā)電制動(dòng)的時(shí)間較短，向電網(wǎng)反饋的電能幾乎可以忽略不計(jì)，這也是在實(shí)際測(cè)試過程中強(qiáng)制式簡(jiǎn)易升降機(jī)和引式簡(jiǎn)易升降機(jī)電能消耗平均值對(duì)比不是很明顯的根本原因。

通過對(duì)簡(jiǎn)易升降機(jī)的能效測(cè)試和對(duì)比分析，本研究進(jìn)一步掌握了兩種升降機(jī)的能耗和能源利用效率情況，為簡(jiǎn)易升降機(jī)能耗的評(píng)價(jià)提供了可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，有助于政府職能部門制定簡(jiǎn)易升降機(jī)節(jié)能方面的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，從而為推進(jìn)簡(jiǎn)易升降機(jī)節(jié)能產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展、降低簡(jiǎn)易升降機(jī)的綜合能耗奠定了很好的基礎(chǔ)。

［1］曹光敏.GB 28755—2012，簡(jiǎn)易升降機(jī)安全規(guī)程［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［2］劉元利.GB/T 30222-2013，起重機(jī)械用電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)能效測(cè)試方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［3］陳志溪，余志林，葉建鋼，等.電梯工作特性和與能耗形式分析［J］.中國(guó)電梯，2008，19(4):43-45.

［4］王士琴，朱昌明，張 鵬，等.電梯能耗測(cè)量新方法［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2009(9):35-39.

［5］COOPER D.Energy of various elevator drives［J］.Elevator wored，1997，35(3):20-23.

［6］SCHROEDER J.Engery consumption and power requirements of elevators［J］.Elevator wored，1996，34(3):28-29.

［7］曹光敏，張志堅(jiān)，丁高耀，等.橋式起重機(jī)能效對(duì)比測(cè)試與分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2013(8):114-118.

［8］孫立新.關(guān)于電梯能效評(píng)價(jià)的探討［J］.中國(guó)電梯，2008，19(4):43-45.