能耗建模與環保節能技術在電梯中的應用與Matlab仿真

鄧文經

（廣東省特種設備檢測研究院湛江檢測院，廣東湛江 524022）

2021年5月23日晚上，本市赤坎區某小區發生安全事故，本人參與配合了省院專家對事故現場的事故調查，深度領悟到能量回收控制與能量回收控制功能失效監測對電梯沖頂事故保護的重要性。伴隨近年來的城市化發展，我國的高層建筑數量呈現不斷增加的趨勢，而電梯是高層建筑物中極為關鍵的一個組成部分，曳引式電梯在使用過程中，工作原理相對來說較為特殊，這種電梯在運行過程中，在平衡系數符合標準的情況下，如果出現輕載下行、重載下行和減速制動的運行狀況就會產生大量的能耗，在曳引式電梯使用過程中需要大量的能源支撐其運行，而這也會產生極大的資金消耗量。就目前來說，國家能源政策對于能耗產品方面有著極為嚴格且明確的要求，曳引式客梯與貨梯在進行類別的選擇以及配置優化時，都是相關研究人員所重視的一項內容。電梯是建筑物的基本耗能設備，而曳引式電梯在使用過程中本身能源消耗量較大，成為人員建模和環保節能技術合理應用的關鍵。

1.曳引式電梯能源消耗建模

特種設備安全工作應當堅持節能環保的原則是安全法的要求。在進行電梯的能耗模型建設時，相關工作人員需要進行完整的動態測量，而基于動態能耗數據，工作人員能夠獲得系統驅動的相關能耗信息，后將曳引式電梯系統與主驅動系統進行有效的融合，最終則能夠實現模型的建設，這一模型在使用過程中涉及的綜合參數數量不多，工作人員在進行處理時，可針對其中較少部分的內容進行分析，即可完成數據的調控，同時，工作人員還只需要明確電梯的常規配置，便可開展后續的綜合管理。除此之外，在曳引式電梯運行過程中，驅動變頻系統和門機等不同的部分在運行過程中的能耗測量也是整體能耗測量的重中之重，工作人員可針對這一問題進行分析，了解其建模數據，通過這種方式則能夠實現電梯的動態應用，保障數據的合理性[1]。

1.1 耗能模型的建設原理

首先單獨把電梯劃分為開關門、待機、休眠以及運動能耗等多個局部，先局部分析再整體分析，而在進行綜合分析時，可以通過以下的模型原理作出分析。

分析時，驅動系統應當建立對應的能耗模型通過這種方式進而簡化測量的部分動態數據的能耗變化狀況，通過這種方式來獲得最終的數據能夠有效改善能耗的綜合測量結果，而在能耗仿真過程中，系統可根據曳引式電梯的基本輸出參數進行評估落實驅動的等號系統。在進行電梯的管理時將待機、休眠和開關門等基本功能進行分析，并依照主電線路的接線狀態和工作環境，由動態評估的方式進行分析，根據電梯不同的運行狀況對不同數據進行獨立測量，落實不同部分和不同步驟的能耗變化，這一能耗與驅動系統的能耗可構成電梯系統的整體能耗數據。

電梯在運行過程中運行速度可根據需求做出調整。例如，電梯在運行過程中采用理想型的速度曲線進行分析，可以發現電梯在運行過程中，相關工作人員可根據需求測定電梯在不同環境和特點下的運行狀況，尤其是相關工作人員還能夠針對其中存在的問題加以分析，明確不同步驟的運行特點。除此之外，相關工作人員還可基于速度曲線實施能耗的仿真處理結果，工作人員可對數據進行綜合性的分析，并且將結果進行對比，借此確認能耗模型的可信度。而模型在正式運行過程中，工作人員需要對初始狀態進行合理的設計，并按照最終的速度曲線以及客流分布等數據解答出電梯在某一時間段的運行速度和加速度這類模型參數綜合性的應用，則能夠幫助工作人員判斷電梯的實際運行狀態，并且還可將其融入到曳引式電梯的模型中，進而獲得運行實際狀態，使數據的應用質量得到提升[2]。

1.2 模型實現

本人在自動化控制專業課程設計時，曾用Matlab與SIMULINK做過類似的模型建立，“SIMULINK是Matlab軟件的擴展,在電梯運行的過程中，我們基于Matlab環境模擬程序進行建設，在Matlab，Excel之間建立聯系，在運行過程中將程序輸入以及計算機輸出參數，并選擇用Excel的形式進行儲存，進行數據記錄。通過這種形式能夠使整個電梯的環境模型得到綜合性評估，有助于保障數據記錄準確性。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電梯進行相應的設計和調整。在運行過程中涉及的運行軟件和環境等內容直接形成了電梯設施的能源消耗系統。而在電梯整個運行過程中，為了確認不同設施具體能耗狀況，我們需要對其內容進行進一步的構建，了解整個建筑物的高度和客流狀況，這方面內容都會對曳引式電梯的運行產生直接影響，同時也會直接組成電梯運行的速度模塊，我們對這一速度模塊進行綜合分析，則能夠確認電梯能耗的相關數據。舉例說明：SIMULINK下的直流調速系統仿真模型實現，在Matlab下運行SIMULINK，我們創建的結構圖模型如圖1所示。

圖1 電機仿真模型

在對數據進行確認時，不可單純憑借某一時刻或某一時間點的運行數據對電梯的運行狀況進行評估。需要針對曳引式電梯的消耗模型進行綜合分析，而這一模型在建設時整個特征表現為建模簡單，如果能夠針對電梯的基礎配置進行綜合分析，則能夠掌握不同系統的能源消耗狀況，通過這一方式能夠更加合理地對數據進行構建。基于這一數據工作人員可針對電梯動態的運行狀況進行分析了解電梯在運行期間的能耗變化并對其進行解讀，基于此針對電梯設施的能源消耗狀況進行評估，則能夠為曳引式電梯環保節能降耗的發展方向提供新的構思，而曳引式電梯在運行過程中需要盡量滿足現代化的需求，確保實際運行中的可靠性和安全性。在電梯能耗模型的基礎上進行動態測量，則能夠了解能耗原理，對電梯能耗的數據進行綜合掌握，保障各項數據具有較高的可參考性。而在進行模型的實際設計時，需要對建筑物的信息和客流狀況進行設計，這一內容也是極為關鍵的。

2.曳引式電梯的環保節能降耗具體方法

2.1 空間設計

首先在進行曳引式電梯的環保節能降耗建設時，電梯的主要功能則是對人員或者貨物進行運輸，則就需要占用一定的空間，而針對曳引式電梯進行具體分析，可以發現曳引式客貨梯的整體效果與多方面因素密切相關，工作人員可根據建筑物的結構對井道進行相應的優化，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備的數量和大小（見圖2）。除此之外，在整個運行的過程中，還需要根據實際的人員以及運行狀況，針對曳引式電梯的行駛速度以及的調整，在電梯運行過程中，必要時還可增加智能化的管理體系，根據運輸的強度以及建筑的人員流量做出動態化的速度調整，借此保障升降速度和空間得到有效的應用，避免出現浪費的情況，進而達到環保節能的效果。

圖2 曳引式電梯整體效果圖

2.2 電路設計

由于曳引式電梯在運行過程中，其工作特點在于這一系統的運行在四象限內，為了保障整個設備的運行狀況，工作人員可對電路進行合理的設計，在電梯的軟件組合串聯電池能源得到最大化的利用，避免出現電路受損的情況。

2.3 能量回收

能量回收對于曳引式電梯的運行來說極為重要，根據TSG T7001-2009,含1號、2號修改單的要求，雖然對分體式能量回饋裝置的加裝沒有強制，但也可以看出電梯未來的發展方向，對于能量回收，檢規要求是加裝的分體式能量回饋節能裝置應有銘牌，標明制造單位名稱、產品型號編號、主要技術參數等。曳引式電梯在滿載以及空載的運行狀況下，工作人員可設置不同的回收系統，并且將其與智能電路模塊進行連接，通過有效的能源轉換和能源利用使電能的使用效率得到提升。在整個系統運行過程中，為了使電源和能量得到有效的應用，工作人員可以將源逆變器外接變頻器，通過這種方式進而起到能源合理管理的效果，避免出現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，設備在運行環境中具有較強的可靠性，尤其是在進行數據控制時，還可以采用PWM脈寬調制控制方式通過可關斷器件將直流電直接回饋至電網中，借此保障整個電路的穩定性降低諧波污染狀況的發生，而這一種處理方式相較于外接變頻器來說更為復雜，所以在運用過程中需要根據實際的需求作出相應的調整，根據設備的運行狀況選擇合理的方式進行有效的電路控制[3]。

將電機之間的三相繞組引出線與電梯變頻器用導線或者串聯電阻按照星形方式短接，使電機以及電機相連的三相繞組之間形成獨立的閉合電氣回路消耗電能，在電樞繞組回路中引起感應電流，且在電機永磁體磁場作用下產生制動電磁轉矩，使得曳引機的機械轉矩與電磁轉矩相平衡，從而防止曳引機的失電（電機在抱閘失效時）而發生的電梯溜車，稱為“封星”功能。“封星”功能是能量消耗的一種形式。

本人在配合省院專家參與對本市2021.05.23赤坎某小區電梯沖頂事故調查時，深刻體會到能量回饋，回收控制與能量回饋，回收控制功能失效監測對電梯安全的重要性！建議按舊標準生產的電梯有條件的話可以加裝上行超速保護封星功能。

2.4 曳引式電梯的優化調度

對于某一棟建筑運行過程中存在多個運行電梯的情況可以將多電梯協同調控系統應用于其中，通過這一方式合理對電梯的運行進行調控，一方面能夠減少升降次數；另一方面還能夠使電梯的運行狀況得到合理的管理，有效控制電梯的應用安全性。例如，辦公樓和住宅區的電梯在運行過程中的使用習慣存在一定的差異，所以在使用時工作人員需根據實際的電梯環境作出管理調整，寫字樓又可分為高層寫字樓和低層寫字樓，根據不同樓層的運行需求進行調整，則能夠優化電梯的控制方式。除此之外工作人員還可在電梯運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限，使電梯的運行效率得到提升，盡可能降低能源損耗。電力的智能控制也是其中一項十分重要的內容，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，并且具有較強的規律性，工作人員可以將大數據技術應用于其中，根據人流和物流的數據進行調控，對于電梯進行智能化的共點，必要時還可以關停某一區域的電梯，進而使整個電梯的運行環境得到有效的管理，最大限度地降低能耗[4]。

2.5 電梯設備與建筑的優化

在整個電梯運行過程中，工作人員可針對每一個部件和系統進行優化，例如，在曳引式電梯運行過程中所應用的驅動系統，可以選擇高效且穩定的電機，可以采用現代變頻調速等方式進行調控，而曳引式電梯系統在運行過程中則需要削弱導靴和導軌摩擦，降低風阻，使整個系統的環境得到優化。而門機系統也可采用軟啟動的門機，其余各種不同的能耗設備都可通過對應的優化調整，使整個電梯的運行環境得到優化。

3.總結

以上是本人檢驗多年經驗對于能耗建模與節能環保的分析，希望我們每個檢驗人員都能懷著嚴謹的工作態度，嚴格按照電梯檢驗規程和細則進行檢驗，為電梯安全運行奉獻綿薄之力!