電梯節能技術研究

魏彤，楊耀旺，王澤京

西安特種設備檢驗檢測院，陜西 西安，710065

0 引言

根據相關調查統計，建筑物相關設備所消耗的能源占我國總能耗的四分之一左右，是能耗的第一梯隊[1]。同時電梯在建筑物中的能耗僅次于占比最多的空調及其附屬設備，其耗電量遠遠高于人們日常生活中常用的照明設備等。電梯的能耗問題已經在全國范圍內引起業界的高度關注，與此同時，電機技術、變頻技術等相關技術的突破為降低電梯能耗提供了優越的科技條件。在此基礎上研究切實可行的節能技術來降低電梯能耗，具有相當重要的社會意義以及經濟價值。

1 國內電梯節能應用現狀

自改革開放以來，國內經濟高速發展，國民以及各類企業對高質量商務寫字樓、商場以及高層住宅樓等有了更大的需求，而這些建筑功能的正常發揮在很大程度上均需要依靠電梯的正常運轉，電梯耗能在建筑物總能源消耗量中占到20%～25%，但其節能問題卻長期難以引起足夠的重視。

截止2022年初，我國電梯保有量約為787萬部[2]，然而在當前階段，我國建筑物中依舊存在相當數量的交流雙速以及交流調壓等高耗能電梯，具備永磁同步拖動技術的節能電梯數量不超過30萬部、具備能源再能再利用能力的電能制動回饋型電梯數量更是不到總數的0.5%。盡管我國在電梯節能技術的某些領域已經達到了國際先進水準，但是由于電梯是一個整體性工程，整體節能才是最終目標，因此需要繼續對電梯的其他節能技術進行研究探討，切實推動節能電梯的大范圍普及。

2 電梯各耗能模塊的耗能分析

電梯的整體結構相對簡單，可以分為垂直升降機以及臺階式履帶電梯，升降機使用箱型吊艙來運送人員以及貨物，二臺階式履帶電梯則通過傳送帶完成載荷的空間位移。兩種電梯的主要耗能模塊均可分為三大項，即傳動模塊、拖動模塊以及控制系統[3]，下文將對三種模塊展開詳細的耗能分析。

2.1 傳動模塊耗能分析

電梯的傳動系統一般是由設置在外部的微型計算機控制曳引設備，輸出并傳遞相關動力來維持電梯運行。曳引設備主要可以分為渦輪蝸桿傳動行曳引機以及傳統異步電動機傳動，曳引設備的能耗一般以能耗比效率作為衡量標準。例如一個一噸重，運行速度在2m/s以下的電梯，在標準的額定條件下，其曳引設備的效率約為87%[4]，當載荷較低或是處于低頻狀態下，其效率會進一步降低。電源頻率的降低也會導致曳引設備的效率降低，在實際使用過程中，曳引設備的效率隨著載荷的從零增加，會先從低變高再變低，在一般條件下處于87%到90%之間。此外，曳引設備的能耗還和電梯的繞繩比、運行速度以及相對空氣阻力等因素有關。

2.2 拖動模塊能耗分析

拖動模塊是電梯最重要的應用模塊，對電梯的啟動加速、平穩運行控制、制動減速等起著控制作用，其性能優劣直接影響電梯的使用觀感，包括平穩舒適度、平層精度以及加速減速的慣性等，對于舒適度需求較高的高端酒店以及商務寫字樓用戶群體來說相對重要。目前主流的拖動模塊主要可以分為交流電梯拖動模塊和直流電梯拖動模塊兩類，其中交流電梯拖動模塊主要有三類：①變頻變壓調速系統；②交流變極調速系統；③交流變壓調速系統[5]。直流電梯拖動模塊主要分為兩類：①可控硅直接供電的電動機-可控硅形式；②有發電機組構成的電動機-發動機傳統驅動形式，直流電梯具有運行速度快、舒適度高、停層精準等諸多優點，但對于區域電網的要求較高。

對拖動模塊的能耗分析時，需要注意到該模塊的主要能耗來源是各類電機的能耗，電機在實際的工作環境當中，并非所有的電能都能夠轉換為機械能，有相當的能量以熱能等形式損耗。在直流電動機的工作過程中，存在磁通量以及摩擦產生相應多余損耗，但直流電梯由于對電網影響較大，使用量正在逐步減少。使用交流傳統模塊的電梯中，異步電動機的應用相對較為廣泛，其能量損耗主要是在電梯啟動以及制動過程中產生的，大體可包括如下幾類：①異步電動機的轉子、定子繞組產生的損耗；②電動機磁場引起的損耗；③電梯運行過程當中的空氣阻力以及摩擦力導致的機械能的損耗。

2.3 控制模塊能耗分析

電梯的控制模塊主要承擔的功能是對電梯的運行進行具體操作以及相應控制。該模塊的組成部分包括基礎操縱設備、選層按鈕、樓層顯示裝置以及變頻裝置等。其能耗分布較為復雜，各項功能的實現過程中，均會產生一定損耗。例如變頻設備的能耗主要有電容器、濾波器產生的電抗等損耗、功率模塊在啟動關閉過程中產生的損耗等，該模塊損耗的大小和主電流的大小存在密切關聯。同樣以一噸重、運行速度為2m/s的電梯為例，在空載狀態下，變頻設備的效率能夠達到98%左右[6]，而在其他載荷下，其效率變化將會相對復雜。總控系統的能耗則主要與各項功能模塊以及電梯的控制系統設計相關。

3 電梯節能技術的主要原理

3.1 變頻再生能量回饋原理

當前階段最為先進的節能電梯基本都會采用變頻再生能量回饋原理，此類電梯在啟動之后，能夠通過變頻形式逐漸達到最大速度，此時將電梯的機械能提升到最大值，在電梯到達使用者設定的樓層之前，傳統電梯會消耗巨額的能量降低電梯的機械能，使電梯慢慢制動，以期平穩停靠在目標樓層。而通過對能量回饋原理進行應用，電梯能夠在運行過程中將產生的機械能通過變頻器和電動機轉換為直流電將其暫時儲存在變頻設備的電容器中，電容器中的電壓會隨著儲能的逐漸增加而逐漸增大，此時通過能量回饋器能夠將電容器中儲存的電能進行回收再利用，在電梯的制動等使用過程中作為補充能源參與運行，從而達到節能目的，電梯的最大速度越快，能夠產生的最大機械能越高，可以進行回饋再利用的能量也就越多，采用該技術的電梯能夠將不采用該技術時電梯總耗能的約48%回收利用。

3.2 電梯群控技術原理

傳統的電梯群算法往往專注于縮小使用者的等待時間，采用此類算法在某些時刻，例如上下班高峰期，電梯很容易出現扎堆停靠，運行效率低下，難以滿足全部使用者的需求。

而相對更為先進的電梯群控技術，簡單來說就是將同一座建筑物當中的多部電梯通過一部中央控制計算機連接起來，將所有電梯使用者所發出的信號匯總，通過一定的算法進行計算，得到最優的調度命令結果，并將這些指令反饋給各電梯進行具體執行，及時調配、動態調整建筑物內各部電梯的運行狀態，使電梯在滿足使用者需求的同時，通過最短路徑運行等方案實現最大的節能效果。在實際使用過程中，由于使用者的需求存在非線性以及隨機性特點，需要使用相對更加智能的計算機，植入模糊控制、神經網絡等算法，進一步加強群控電梯的實際效能。

3.3 制動能再利用技術原理

電梯的停靠過程主要依靠制動器來完成，制動器的簡要工作原理是。在電梯啟動運行過程當中，通過抱閘板發出信號到抱閘線圈，觸發抱閘打開動作；在電梯靜止停靠時，使抱閘關閉，保證電梯不會發生移動。電梯內制動的過程以及維持靜止的過程中，都會存在相當數量的能量損耗。

為此可以采用制動能再回收利用技術，就是對電梯運行中損耗的制動能進行回收利用，以達到電梯節能效果。通常采用先進的電子技術以及具備高性能開關的電子元件，例如使用IGBT開關的電子元件，其具有智能運轉、操作簡單以及可靠性高等特點，能夠對電壓進行自適應控制，在電壓波動時將電梯的機械能轉化為電能存入儲能器中，進而將電能重新回饋到電網，達到制動能再生利用的目的。

4 電梯主要節能技術的具體應用研究

4.1 傳動設備模塊節能應用研究

傳動設備作為電梯運行的心臟，為電梯運行提供動力來源，直接影響著電梯的節能水準。主流的傳動設備包括渦輪蝸桿曳引機、行星齒輪斜齒輪傳動機以及無齒輪曳引機等。其中傳統的渦輪蝸桿曳引機作為最早在電梯中應用的傳動設備，其設計理念早已落后，質量和體積巨大，耗能高的同時傳動效率僅有70%。行星齒輪斜齒輪傳動機盡管傳動效率能提高20%左右，但其部件加工精度要求較為極端，不利于總體使用成本的控制，而新興的無齒輪曳引機具備體積較小、結構簡單、傳動效率高等特點，最有代表性的應為永磁同步電機（PMSM），但其仍舊存在節能空間。

永磁同步電機直接驅動傳動系統，省掉了龐大的減速齒輪箱，其運行效率更高。但根據實際統計，采用此種電機的電梯在低負載運行以及高頻率變速運行時，其損耗相對較高，由于機械損耗相對復雜不可控制，因此在實際應用中應當注重鐵損耗以及銅損耗的情況。根據等效電路原理，能夠各種勵磁電流與轉速之間存在線性關系，通過計算不同運行條件下的勵磁電流最優解來計算最優定子磁鏈的指令值[7]。通過對運行過程中的給定磁鏈進行控制，就能使電機的損耗值最小，從而達到節能目的。

4.2 電梯群控技術應用研究

無論采用何種傳動設備以及拖動設備，電梯在全速運行時的能量損耗均遠低于啟動加速以及制動減速時的耗能。電梯運行過程中在不同樓層之間停靠次數越多，其耗能越高，通過優化群控系統的算法，使電梯在滿足不同使用者需求的情況下盡可能多地處于高速運行狀態，減少電梯的停靠次數，進而減少啟動加速以及制動減速過程中的能量損耗，提高輸送效率，從而實現節能目標。

電梯群控系統的本質是復雜的多要素決策系統，具備隨機性、非線性以及多目標性等特點，目前階段缺乏精確的數學模型與算法對其進行最優解演算，傳統控制模式又難以滿足新階段的使用需求。而模糊控制技術對于解決此類問題具有較大優勢，其通過深度學習來模擬人類思維，通過一定的自我邏輯推理，將復雜問題簡化并加以處理，并不追求建立精確的數學模型，制定完全的最優解。但由于不同建筑物的使用者對于電梯的使用情況各不相同，該系統難以作為萬金油最優解在不同建筑之間進行直接套用，其需要結合具體實際對復雜情況進行自主學習，在使用過程中這一時間相對較長，在應用前期會對使用者的體驗有較大影響。為此可以引入神經網絡算法與其進行結合，對神經網絡設置減少乘客平均乘梯時間、等候電梯時間、降低長時間等候電梯概率以及減少電梯群控系統自身能耗四個優化目標，并依照相關參數設置權重展開學習。神經網絡的深度學習機制能夠為模糊算法進行智能提取、調整模糊規則參數，大大減少采用模糊算法的計算機學習時間，使電梯應答更快遵循合理規律，為使用者提供更為完善的服務。

4.3 電梯拖動模塊技術應用研究

電梯的拖動模塊簡單來說就是運動控制系統，對電梯的啟動、加速、減速以及穩定運行等多種運作方式進行調控。在傳統電梯中，其拖動模塊主要采用交流雙驅動系統或是無齒輪直流驅動系統，損耗均相對較大，且對電梯的控制能力相對較弱。而變頻調速技術的出現，有效提升了電梯的驅動控制性能以及運行質量，但該技術在實際應用中仍存在相應的改善空間，能夠進一步節約電梯耗能。

上文中已經對變頻能量再生原理進行了詳細介紹，下面將主要圍繞變頻調速控制裝置在實際應用中面臨的問題展開探討。能量回饋裝置主要采用有源逆變技術將機械能產生的再生能量以較高效率轉化為與電網頻率、相位相同且能夠直接運用的電能，在實際使用過程中，由于電網的電壓波動，容易導致電壓高于觸發回饋器的閾值，產生誤回饋的情況。而電壓偏低時，回饋到母線的電能會被電阻提前消耗，使回饋的效率降低，節能效果減弱。因此應當對能量回饋器進行更新設計，使其能夠適應復雜的電網環境，為此可以采用PWM控制模式，只有在電梯的機械能轉化為電能輸入直流回路電容時，回饋器才將儲能器中的電能輸回電網，有效緩解原有能量回饋模式存在的弊端，提升拖動模塊的效率以及精度，提升回饋裝置的功率因數，從而達到電梯節能的目的。

5 結語

隨著電梯的大規模普及應用，國內的節能減排研究人員得以通過大量樣本采集電梯運行數據，分析電梯節能現狀并針對其做出大量的研究以及實踐，對傳統設備進行更新換代，對現有節能設備進行優化，提出了諸多具有建設性意義的新思路，例如將電梯群控系統中的模糊控制算法與神經網絡算法相結合，有效減少電梯群控系統的自學習時間，使其控制模式能夠更好地滿足使用者的需求。此外，對變頻能量回饋系統、永磁同步電機等工具的使用結合具體實際進行優化，都能有效降低電梯能耗，實現電梯節能研究目標。