符雁斌， 荀 倩， 荀博洋， 薄利龍， 龔文佳

(1.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院， 浙江 湖州 313000; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 3.安川雙菱電梯有限公司， 浙江 湖州 313000)

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基于動態(tài)測量的曳引電梯能耗仿真模型

符雁斌1， 荀 倩1， 荀博洋2， 薄利龍3， 龔文佳1

(1.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院， 浙江 湖州 313000; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 3.安川雙菱電梯有限公司， 浙江 湖州 313000)

通過對不同載荷時的電梯能耗進(jìn)行動態(tài)測量，結(jié)合曳引系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的能耗模型，建立電梯輸出功率和驅(qū)動系統(tǒng)輸入功率的動態(tài)模型，進(jìn)而建立永磁同步電機(jī)(PMSM)驅(qū)動的曳引電梯運行能耗仿真模型，最后利用Matlab/Simulink軟件搭建能耗模型.仿真結(jié)果表明，不同負(fù)載工況下，該能耗模型可以反映實測能耗，驗證了能耗模型的有效性.

不同載荷； 曳引系統(tǒng)； 驅(qū)動系統(tǒng)； 動態(tài)模型； 運行能耗

隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的快速增長，城市化、鄉(xiāng)鎮(zhèn)化建設(shè)步伐持續(xù)加快，電力資源供需矛盾日益突出，而短缺的能源供應(yīng)制約著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能減排已成為國家戰(zhàn)略的重要組成部分[1].在我國每年的能源消耗中，建筑能耗約占我國社會總能耗的30%，已成為我國社會的第一能耗.因此，降低建筑能耗對實現(xiàn)節(jié)能降耗、打造低碳經(jīng)濟(jì)社會有重要貢獻(xiàn).空調(diào)、照明、辦公設(shè)備、電梯等設(shè)備能耗是整個建筑能耗的主要組成部分[2-3].就電梯而言，其在使用過程中所消耗的能量占整個建筑能耗的5%～ 15%，在整個社會能耗中占有相當(dāng)大的比例，因此其能耗狀況已成為社會各界關(guān)注的主要問題之一.

目前，國內(nèi)外對電梯能耗的評估方法主要有測量法[4]、計算法[5]和模型法[6].測量法可以比較不同類型的驅(qū)動電梯運行一定距離的能耗，但被測電梯的載荷固定，額定速度范圍有限；計算法[7]是根據(jù)電梯的驅(qū)動形式、額定參數(shù)和使用情況大致估算其能耗，但不能動態(tài)計算電梯各種狀態(tài)下的功耗變化；模型法主要采用Elevate商業(yè)軟件中的能耗模型[8]，但該模型在不同載荷下的電梯效率有較大誤差，難以推廣應(yīng)用.

本文從曳引電梯的工作特性出發(fā)，采用理論分析和現(xiàn)場動態(tài)測量相結(jié)合的方法，建立曳引電梯的動態(tài)能耗模型，對電梯在各狀態(tài)下的能耗進(jìn)行仿真分析，基于動態(tài)測量的仿真模型可準(zhǔn)確地反映電梯的能耗，驗證動態(tài)模型的有效性.

1 電梯的工作特性及能耗分析

1.1 電梯的工作特性

超級電容儲能的節(jié)能型曳引電梯結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電網(wǎng)電源、整流橋、逆變器、曳引機(jī)、轎廂、對重及超級電容儲能系統(tǒng)組成.當(dāng)電梯處于重載下行、輕載上行或減速、制動停車等情況時，曳引機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，能量經(jīng)逆變器變換為直流形式的電能，再經(jīng)過DC/DC雙向直流變換器存儲在超級電容器組內(nèi)，超級電容器中儲存的電能一方面能夠在電梯運行于耗電狀態(tài)下再經(jīng)DC/DC雙向變換器轉(zhuǎn)換給曳引機(jī)供電，另一方面通過應(yīng)急電源(emergency power supply，EPS)轉(zhuǎn)換給電梯輔助系統(tǒng)提供電能.DC/DC雙向變換器、超級電容器組SC與應(yīng)急電源EPS共同構(gòu)成超級電容儲能系統(tǒng)，其與逆變器配合使用，實現(xiàn)電梯再生能量的回收與再利用.

1.2 電梯能耗分析

電梯曳引系統(tǒng)是一個集動力學(xué)和電磁學(xué)于一身的強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，對電梯能耗測量建模時，不僅要考慮曳引系統(tǒng)中各運動部件的動力學(xué)特性，還要考慮驅(qū)動電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)換原理.因此，電梯在運行過程中的能耗由其自身的能耗特性、調(diào)度策略和客流狀況等決定.本文研究的曳引電梯能耗模型主要針對其自身的能耗特性.如圖1所示，電梯的能耗部件有變頻驅(qū)動系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、控制顯示部分、通風(fēng)照明系統(tǒng)、門機(jī)系統(tǒng)等，而變頻驅(qū)動系統(tǒng)和曳引系統(tǒng)的能耗是電梯能耗的主要組成部分.

電梯的能耗特性受驅(qū)動形式、運動控制參數(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)配置、安裝、維保等因素的影響，同時與其工作狀態(tài)密切相關(guān).一般情況下，電梯處于休眠、待機(jī)和運行狀態(tài)中的任何一個，而電梯在休眠、待機(jī)和開關(guān)門狀態(tài)時，能耗相對穩(wěn)定.因此，本文主要討論電梯在運動階段的能耗模型.

2 曳引電梯系統(tǒng)能耗建模及分析

整個曳引電梯能耗計算模型的基本建模思路如圖2所示.

電梯曳引系統(tǒng)的動力學(xué)(機(jī)械)模型與驅(qū)動電機(jī)的電磁學(xué)模型相互耦合、相互聯(lián)系.電梯正常運行時的總功率P為電機(jī)輸入功率Pin、開關(guān)門功率Pd(僅在開關(guān)門動作時)以及電梯空載功率Pk之和，即

(1)

2.1 曳引系統(tǒng)能耗建模

由曳引系統(tǒng)的機(jī)械配置可以得到轎廂負(fù)載與其運動狀態(tài)和驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率之間的方程，即

(2)

式中：Pout為驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率；mQ為轎廂負(fù)載；v為轎廂速度；∑fi為外界阻力.

根據(jù)圖1可得曳引系統(tǒng)的能耗方程：

(3)

式中：T為曳引機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；ωm、ηm分別為曳引輪的角速度和效率；ηs為從動輪的效率；Jm為曳引輪的轉(zhuǎn)動慣量；Jd、ωd分別為導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)動慣量和角速度；Jp、ωp分別為轎廂反繩輪轉(zhuǎn)動慣量和角速度；JG、ωG分別為對重反繩輪轉(zhuǎn)動慣量和角速度；a、Rm分別為轎廂加速度和曳引輪半徑；mp、mQ分別為轎廂和負(fù)載的質(zhì)量；mG、mb1、mb2、md分別為對重、對重側(cè)補(bǔ)償裝置、轎廂側(cè)補(bǔ)償裝置和隨行電纜的質(zhì)量；my1、my2分別為轎廂側(cè)運動鋼絲繩、對重側(cè)運動鋼絲繩的質(zhì)量；g為重力加速度；fp、fG、fair分別為轎廂、對重側(cè)導(dǎo)軌和轎廂空氣的阻力.

當(dāng)曳引系統(tǒng)的曳引比、動輪數(shù)目等結(jié)構(gòu)形式變化時，由(3)式可推導(dǎo)出更一般的能耗方程：

(4)

驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率可表示為：

(5)

式中：Pout為驅(qū)動系統(tǒng)輸出的電功率.

根據(jù)(1)式、(4)式、(5)式可得電梯輸出功率的動態(tài)模型.

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)能耗建模

根據(jù)具體驅(qū)動系統(tǒng)的類型，建立驅(qū)動系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速和驅(qū)動系統(tǒng)輸入電功率之間的函數(shù)關(guān)系，即

(6)

式中：Pin為驅(qū)動系統(tǒng)輸入的電功率.

(7)

式中：當(dāng)T·ωi≥0時，曳引機(jī)為電動狀態(tài)，αij為最小二乘法擬合時代數(shù)多項式的系數(shù)；當(dāng)T·ωi<0時，曳引機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，βij為最小二乘法擬合時代數(shù)多項式的系數(shù).

(8)

(9)

由動態(tài)測量的能耗數(shù)據(jù)可得曳引系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)T、Pout與驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)Pin、T.將上述數(shù)據(jù)帶入(8)式、(9)式可以求得(7)式中的多項式系數(shù)αij和βij，因此可得(3)式的近似擬合表達(dá)式，從而可得主驅(qū)動系統(tǒng)的效率函數(shù).

當(dāng)曳引機(jī)處于電動狀態(tài)時，效率函數(shù)為：

(10)

當(dāng)曳引機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，效率函數(shù)為：

(11)

2.3 曳引電梯能耗模型

永磁同步電機(jī)驅(qū)動的曳引電梯的運行能耗計算模型如圖3所示.根據(jù)電梯的起始樓層和目的樓層確定電梯被提升的高度進(jìn)而確定電梯的運行時間及其他參數(shù)；根據(jù)電梯結(jié)構(gòu)參數(shù)、配置參數(shù)和載荷參數(shù)確定曳引電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，建立電梯的曳引系統(tǒng)模型；根據(jù)(1)式確定電梯運行的總功率可得電梯的運行總能耗.

3 性能測試

為驗證曳引電梯系統(tǒng)能耗模型的有效性，搭建Matlab/Simulink仿真模型.節(jié)能型曳引電梯的參數(shù)配置如表1所示.

表1 節(jié)能型曳引電梯參數(shù)配置

圖4、圖5、圖6分別為電梯在20%、60%、80%額定載荷下，從17樓運行至1樓的能耗曲線；圖7為電梯分別在0%、20%、40%、50%、80%、100%額定載荷下，實測能耗與仿真能耗曲線及誤差曲線.

由此可見，當(dāng)電梯載荷接近測量載荷或重載時，實際測量的能耗曲線與仿真能耗曲線較為接近，仿真值與測量值之間誤差較小；當(dāng)電梯運行于平衡載荷附近時，由于曳引系統(tǒng)參數(shù)值的微小變化帶來的誤差較大，仿真能耗曲線誤差也較大.整體而言，仿真結(jié)果誤差均控制在5%以內(nèi)，表明建立的基于動態(tài)測量的曳引電梯能耗模型準(zhǔn)確，建模方法可行.

4 結(jié) 論

本文建立了基于動態(tài)測量的超級電容儲能的節(jié)能型曳引電梯的能耗模型.仿真結(jié)果表明，在不同負(fù)載工況下，仿真能耗與實測能耗具有較小誤差，說明該能耗模型可以反映電梯在實際運行中的能耗，對電梯能效評價研究具有重要的指導(dǎo)意義.

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[責(zé)任編輯 高俊娥]

The Energy Simulation Model of Traction Elevator Based on Dynamic Measurement

FU Yanbin1, XUN Qian1, XUN Boyang2, BO Lilong3, GONG Wenjia1

(1.School of Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000, China； 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China； 3.Yaskawa Shuangling Elevator Co. Ltd, Huzhou 313000, China)

Measuring the elevator energy consumption under different loads, the dynamic model between the output power of elevator and input power of drive system is set up with traction system and drive system, and then the traction elevator operation energy consumption model driven by permanent magnet synchronous motor is established. Finally, the energy consumption model is built based on Matlab/Simulink, and the simulation results indicate that the model can reflect the test energy consumption, which verifies the effectiveness of the energy consumption model.

different loads; traction system; drive system; dynamic model; operation energy consumption

2017-03-24

湖州市公益性技術(shù)應(yīng)用研究計劃項目(2015GZ05);湖州師范學(xué)院“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”項目(2016-137).

荀倩，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動.E-mail：xunq520@hotmail.com.

TM464

A

1009-1734(2017)04-0032-06