液-電混驅改善曳引電梯運行特性及能效的理論與方法.pdf

1、電梯作為在高層建筑中運送人及貨物的垂直設備，在社會現代化進程中起到越來越不可替代的作用。電梯自被發(fā)明至今，產品歷經多次更新換代和技術升級，一直為人們的出行提供便捷。諸多研究表明，電梯能耗占高層建筑總能耗的20％左右，隨著全球能源日趨緊張，高能耗電梯的發(fā)展前景不容樂觀，能耗問題嚴重制約其發(fā)展。
　　國內電梯保有量隨著社會經濟快速發(fā)展及國民生活水平的提高而急劇上升，有關數據顯示，2014年國內電梯總保有量已達360萬臺，并以每年大約2

2、0％的速度增長。在工業(yè)生產規(guī)模不斷擴大的時代，我國發(fā)電能力較弱，能源供應疲軟，能源供需矛盾日益突出，節(jié)能電梯的研究也越來越受到政府、生產廠商和客戶的關注。因此實現電梯的節(jié)能降耗不僅具有十分重要的經濟價值，能夠推動電梯行業(yè)的快速發(fā)展，而且符合我國現階段綠色和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。
　　為降低電梯能耗，達到電梯節(jié)能運行的目的，本文結合曳引電梯的結構特點、運行特性及能耗特性，提出一種新型液-電混合驅動曳引電梯節(jié)能新原理。該原理將液壓泵/馬達

3、、蓄能器等元件與曳引機驅動系統(tǒng)相結合，組成可實現能量回收利用的液-電混合驅動曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)。上述系統(tǒng)與曳引電梯自身驅動系統(tǒng)聯接耦合，在電梯運行過程中，當曳引機處于發(fā)電狀態(tài)時，大部分重力勢能將以液壓能的形式儲存在蓄能器中;當曳引機處于電動狀態(tài)時，蓄能器存儲的液壓能得以釋放，從而輔助曳引機工作，最終達到降低能耗、節(jié)約電能的目的。仿真及實驗結果表明新型節(jié)能電梯能夠平穩(wěn)啟動，速度控制平穩(wěn)，具有良好的速度控制性能;該新型節(jié)能電梯的節(jié)能效率約為1

4、5％，可顯著降低電梯控制系統(tǒng)和機房溫度;新型節(jié)能電梯采用現有曳引電梯的控制方法，簡化了其控制策略。通過以上研究可知在蓄能器充液過程中隨著蓄能器壓力的增大，節(jié)能電梯曳引機將由發(fā)電狀態(tài)轉為電動狀態(tài)造成二次能耗;在蓄能器放液過程中，由于初始壓力較大，蓄能器提供的功率比電梯運行所需功率大而造成能量的二次浪費，因此本文進一步提出一種基于變量泵/馬達的轉矩補償方法，仿真分析的結果表明該方法能夠大幅降低曳引電梯的能耗，電梯運行基本不消耗電能。

5、　　電梯能耗作為電梯發(fā)展的一個重要問題，是電梯研究的熱點問題，但電梯安全事故時有發(fā)生，因此曳引電梯的安全性能問題不可小覷。電梯現有的保護裝置安全鉗—限速系統(tǒng)，可解決電梯由于控制失靈、制動器失靈及突然斷電等原因造成轎廂的墜落或超速，但由于機械結構不能完全保證萬無一失，因此電梯墜落事故還是不可避免。本課題中曳引電梯新型節(jié)能系統(tǒng)采用換向閥控制蓄能器的工作狀態(tài)，當電梯突然斷電時，對于不同類型的換向閥，其斷電時的機能是不同的。換向閥處于工作位，當

6、蓄能器充液或者放液狀態(tài)時，此時泵/馬達向電梯提供使電梯停止的反轉矩，聯合抱閘和安全鉗使電梯停止運行;當換向閥處于停止位時，由于四個油口均關閉，此時液壓泵/馬達不能正反向轉動，從而可以阻止電梯的墜落，使電梯處于安全駐停狀態(tài)。液—電混驅曳引電梯節(jié)能原理在降低能耗的同時，還能夠兼顧安全性，對于電梯運行來說安全性更加重要，新的原理可保證電梯在所有電氣控制失靈的情況下，轎廂平穩(wěn)運行至停止狀態(tài)。
　　論文的主要研究內容如下:
　　第一章

7、首先介紹了目前我國電梯市場的發(fā)展狀況、發(fā)展趨勢及現有電梯的能耗情況。進而對電梯的發(fā)展歷史及分類進行綜述，重點介紹了曳引電梯節(jié)能技術的發(fā)展概況和能量回收節(jié)能技術的發(fā)展及應用。最后基于上述綜合分析，提出了本課題的研究意義和主要研究內容。
　　第二章介紹了普通電梯的工作特性作，分析了曳引電梯的基本結構以及電梯處于典型四象限時的工作特性。對不同配重的電梯在不同運行工況時所受的力矩進行了詳細分析，并建立了電梯的動力學模型;對電梯的動力學模型

8、進行仿真分析，得到了當電梯配重不同時，電梯在不同載重、不同工況時所受到力矩。進而提出了一種新型的液—電混合驅動曳引電梯節(jié)能新原理及方法，分析了節(jié)能電梯的工作原理及工作特性。最后對系統(tǒng)中曳引機、各液壓元件進行選型，并設計了高能效曳引電梯的控制系統(tǒng)。
　　第三章對提出的高能效電梯節(jié)能系統(tǒng)進行了數學建模，主要針對同步曳引機、液壓泵/馬達、蓄能器等的特點及運行特征進行分析并建立其數學模型。分析計算電梯運行過程中的速度曲線，并對速度、加速度

9、曲線進行仿真。本課題的目標是降低電梯系統(tǒng)的能耗，因此需要對普通曳引電梯能耗進行分析，了解電梯運行過程中電梯能耗的變化規(guī)律。本章通過SimulationX仿真軟件建立了普通曳引電梯模型，對電梯在不同工況運行時的能耗進行了仿真分析。
　　第四章建立了課題所提出的高能效曳引電梯的仿真模型，并對采用不同配重下的電梯運行情況進行仿真分析。在配重為1000 kg和1500 kg這兩種情況下，對普通電梯和節(jié)能電梯分別在輕載上行、輕載下行、重載上

10、行、重載下行四種工況運行中的能耗變化情況進行了仿真分析，通過比較計算得到節(jié)能電梯的節(jié)能效率。進一步對采用變量泵/馬達的節(jié)能系統(tǒng)，在使用轉矩匹配控制后，電梯的節(jié)能效果進行了仿真分析。
　　第五章基于上述理論研究及仿真分析，通過對節(jié)能電梯系統(tǒng)及結構的詳細分析及參數優(yōu)化，確定了節(jié)能電梯的試驗元件及試驗方案，搭建了高能效曳引電梯能耗試驗臺。首先對普通電梯在載重不同、運行距離不同工況下能耗進行了試驗分析，并與仿真結果進行對比分析。然后將節(jié)能

11、系統(tǒng)與曳引機驅動軸聯接進行綜合試驗，通過地面空載試驗與樓層空載試驗的對比分析，得出節(jié)能系統(tǒng)的機械運行效率。進而對節(jié)能電梯在不同運行工況時的能耗進行了試驗和分析，并與普通電梯的能耗進行對比，得到高能效電梯的節(jié)能效率。
　　第六章主要對所作的研究工作進行分析總結，得出了主要的研究性結論，并針對本課題研究問題的不足提出今后的研究方向。
　　課題所做的研究工作均表明，本文首次提出的液—電混合驅動曳引電梯節(jié)能新原理及方法是正確的、成功