張 杰，趙 斌，2，郝云曉

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部/山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；2.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310027)

引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各大城市高樓林立，電梯已經(jīng)成為了人們出行必不可少的交通工具，但電梯的高能耗問題也成為了制約其發(fā)展的主要原因。電梯在重載下行和輕載上行的過程中由于曳引機(jī)負(fù)載的重力勢能減小，會(huì)有再生能量產(chǎn)生。如何合理的回收利用這部分能量成為了目前節(jié)能電梯研究的主要方向[1]。目前電梯節(jié)能的主要技術(shù)有：能量回饋電網(wǎng)技術(shù)、能量存儲(chǔ)和回收技術(shù)[2]以及針對電梯群控[3]和駐停的節(jié)能技術(shù)。能量回饋電網(wǎng)技術(shù)[4-5]是將AC/DC變頻器并聯(lián)在直流母線側(cè)，利用逆變技術(shù)將再生能量送回電網(wǎng)。2003年，日本富士公司成功研制了電源再生裝置[6]，把有源逆變單元從變頻器中分離出來并聯(lián)到直流整流側(cè)，從而將再生能量回饋到電網(wǎng)中。BOONYANG P等[7]建立了永磁電機(jī)電梯的能量再生系統(tǒng),用于將電梯曳引機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電反饋回電網(wǎng)。2006年奧的斯公司正式推出了能源再生電梯，將能量回饋電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到了節(jié)能電梯中。由于再生能量經(jīng)逆變器回饋電網(wǎng)時(shí)，無法將直流電變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的正弦波，從而對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，所以使得回饋電網(wǎng)型的設(shè)備無法得到大規(guī)模的應(yīng)用。能量存儲(chǔ)和回收技術(shù)[8]是一種利用儲(chǔ)能裝置使電梯在發(fā)電狀態(tài)下儲(chǔ)存能量，在電動(dòng)狀態(tài)下釋放能量的技術(shù)。目前能量存儲(chǔ)回收技術(shù)主要有蓄電池儲(chǔ)能節(jié)能技術(shù)和超級(jí)電容儲(chǔ)能節(jié)能技術(shù)[9]。2002年，三菱公司在專利中[10]提到蓄電池儲(chǔ)能節(jié)能技術(shù)主要是將變頻器直流母線與電池并聯(lián)。2014年Sebastiano等介紹了一種回收和儲(chǔ)能系統(tǒng)，將電梯產(chǎn)生的可再生能量存儲(chǔ)到蓄電池中，在該系統(tǒng)中電梯和蓄電池之間的能量交換通過合適的電子控制單元，并且要確保兩個(gè)設(shè)備的功能允許適當(dāng)?shù)哪芰拷粨Q。電梯產(chǎn)生的電能通過逆變器給電池供電，同時(shí)，蓄電池也通過逆變器饋電給曳引機(jī)提供能量。采用傳統(tǒng)的鉛蓄電池儲(chǔ)存電能，雖然成本低、儲(chǔ)存性能好，但是所儲(chǔ)電能較少，并且電池容易對環(huán)境造成污染、對電流和電壓的要求也比較嚴(yán)格，所以它的使用受到限制。超級(jí)電容器是德國人Helmholtz于1879年提出的。與電池儲(chǔ)能相比其充放電電流不受限制，響應(yīng)速度快，循環(huán)使用壽命長。PAY S L[11]對超級(jí)電容器儲(chǔ)能再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用了DC/DC變換裝置控制超級(jí)電容，并使用ADVISOR軟件對系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析。馬奎安等[12]提出在電梯電機(jī)變頻器的直流母線上通過雙向DC/DC變換器連接一個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的節(jié)能方案，該方案可以高效率的吸收再生能量，在需要時(shí)向電梯及其輔助裝置供電，實(shí)現(xiàn)回饋電能的實(shí)時(shí)利用，達(dá)到高效節(jié)能的目的。但是超級(jí)電容的系統(tǒng)較為復(fù)雜，并且制造成本較高。針對電梯電能存儲(chǔ)和回收的理念，趙斌[13]提出了一種新型的電-液混合驅(qū)動(dòng)曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)將電梯產(chǎn)生的再生能量以液壓能的形式儲(chǔ)存到蓄能器中，當(dāng)電梯處于電動(dòng)狀態(tài)，蓄能器內(nèi)的能量釋放，輔助曳引機(jī)做功。

由上述分析可知，再生能量回饋電網(wǎng)容易對電網(wǎng)造成諧波影響，影響電網(wǎng)質(zhì)量；蓄電池儲(chǔ)能效率較低，對環(huán)境污染嚴(yán)重；超級(jí)電容成本高，系統(tǒng)復(fù)雜；采用定排量液壓泵/馬達(dá)的電液混合驅(qū)動(dòng)曳引電梯，不能實(shí)時(shí)匹配能量，能效比較低[14]。為此，提出一種采用變排量液壓泵/馬達(dá)的電-液混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在SimulationX中對不同載重時(shí)曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)了泵/馬達(dá)變量控制系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的完善，并與定排量泵/馬達(dá)節(jié)能電梯和普通曳引電梯進(jìn)行能耗比對分析，驗(yàn)證分析了節(jié)能電梯的節(jié)能效率。

1 工作原理

1.1 曳引電梯工作特性

曳引電梯是由轎廂和配重組成的，電梯的運(yùn)行過程本質(zhì)上就是轎廂和配重在垂直方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在電梯的實(shí)際運(yùn)行過程中，為避免轎廂和配重發(fā)生碰撞，往往通過導(dǎo)向輪把轎廂和配重分開。曳引電梯在運(yùn)行過程中，當(dāng)電梯處于輕載上行和重載下行時(shí)，曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相同，曳引機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)；當(dāng)電梯處于重載上行和輕載下行時(shí)，曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相反，曳引機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。液-電混驅(qū)曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)的原理，是將曳引機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的能量儲(chǔ)存在蓄能器中，當(dāng)曳引機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將這部分能量釋放，輔助曳引機(jī)做功，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。節(jié)能系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.泵/馬達(dá) 2.增速器 3.曳引輪 4.永磁同步電機(jī)5.編碼器 6.配重 7.轎廂 8.溢流閥9.液壓蓄能器 10.電磁換向閥 11、12.壓力傳感器圖1 能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

當(dāng)電梯輕載上行和重載下行時(shí)，曳引機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)泵/馬達(dá)切換為泵工況，曳引機(jī)負(fù)載拖動(dòng)泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，將油液從油箱泵入蓄能器中，此過程將再生電能轉(zhuǎn)化為液壓能儲(chǔ)存在蓄能器中。當(dāng)蓄能器內(nèi)壓力達(dá)到溢流閥的設(shè)定壓力時(shí)，溢流閥打開，多余的油液從溢流閥流回油箱。當(dāng)電梯輕載下行或重載上行時(shí)，曳引機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)泵/馬達(dá)切換為馬達(dá)工況，蓄能器內(nèi)油液釋放，驅(qū)動(dòng)泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而輔助曳引機(jī)做功。

1.2 仿真模型及轉(zhuǎn)矩特性

當(dāng)電梯的載重質(zhì)量不同時(shí)，曳引機(jī)負(fù)載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也會(huì)不同，當(dāng)電梯處于勻速運(yùn)行階段時(shí)，曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定，此時(shí)的轉(zhuǎn)矩：

(1)

但當(dāng)電梯處于加速或減速階段時(shí)，電梯負(fù)載需要一個(gè)加速度，為了滿足電梯加速和減速運(yùn)行，相應(yīng)的曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩也會(huì)發(fā)生變化。

電梯上行時(shí)轉(zhuǎn)矩：

(2)

電梯下行時(shí)轉(zhuǎn)矩：

(3)

式中，Mj—— 轎廂的質(zhì)量

Mp—— 配重的質(zhì)量

aj—— 轎廂運(yùn)行時(shí)的加速度

g—— 重力加速度

R—— 曳引輪半徑

不同的電梯載重，產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)矩。在SimulationX中搭建電梯能耗仿真模型及三維模型如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)有的研究條件，模型中轎廂的質(zhì)量設(shè)置為950 kg，配重的質(zhì)量設(shè)置為1445 kg，曳引輪的半徑設(shè)置為0.25 m，電梯加速和減速運(yùn)行的時(shí)間為3 s，模型最大運(yùn)行距離為30 m(10層)。該模型的搭建主要分為3部分：曳引機(jī)仿真模型、鋼絲繩及提升負(fù)載仿真模型、節(jié)能系統(tǒng)仿真模型。

圖2 電梯能耗仿真模型

如圖3為電梯運(yùn)行時(shí)曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩仿真圖。當(dāng)曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，轉(zhuǎn)矩為正；當(dāng)曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，轉(zhuǎn)矩為負(fù)。

從圖3可以看出，電梯輕載上行與重載下行轉(zhuǎn)矩相同，電梯重載上行與輕載下行轉(zhuǎn)矩相同。當(dāng)電梯輕載上行和重載下行處于加速階段時(shí)，電梯的重力勢能減小，一部分重力勢能需要轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的動(dòng)能，所以曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，電梯在加速過程中加速度先增大后減小，所以此時(shí)曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩先減小后增大；當(dāng)電梯處于減速階段時(shí)，轎廂和配重的動(dòng)能減小，加速度方向與運(yùn)行的速度方向相反，所以曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)增大；勻速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩不發(fā)生變化。當(dāng)電梯輕載下行和重載上行處于加速階段時(shí)，電梯的重力勢能增大，同時(shí)還需要給電梯提供一個(gè)加速度，所以此時(shí)的曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)增大，當(dāng)電梯輕載下行和重載上行減速運(yùn)行時(shí)，由于加速度與運(yùn)行的方向相反，所以此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)減小。當(dāng)轎廂側(cè)的質(zhì)量與配重側(cè)質(zhì)量接近時(shí)，由于轎廂側(cè)和配重側(cè)的質(zhì)量差減小，所以勻速運(yùn)行時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小。在普通電梯中，當(dāng)曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，為了滿足電梯的正常運(yùn)行，曳引機(jī)需要提供一個(gè)相反的轉(zhuǎn)矩，此時(shí)負(fù)載會(huì)拖著曳引機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，曳引機(jī)產(chǎn)生再生電能，而這部分再生電能則通過制動(dòng)電阻來消耗掉。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，曳引機(jī)需要正向驅(qū)動(dòng)，此時(shí)則需要曳引機(jī)提供電能。

圖3 曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩圖

2 變量泵/馬達(dá)控制裝置工作原理

2.1 節(jié)能控制裝置工作原理

在液電混合驅(qū)動(dòng)電梯節(jié)能系統(tǒng)中，泵/馬達(dá)與曳引輪同軸連接,當(dāng)曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與曳引輪旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，此時(shí)泵/馬達(dá)切換為泵工況，曳引機(jī)負(fù)載拖動(dòng)泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，使曳引機(jī)處于空轉(zhuǎn)或發(fā)電較少的運(yùn)行狀態(tài)，將油液從油箱泵入蓄能器內(nèi)，使這部分能量以液壓能的形式儲(chǔ)存起來。當(dāng)曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與曳引輪旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，泵/馬達(dá)切換為馬達(dá)工況釋放蓄能器內(nèi)儲(chǔ)存的能量，輔助曳引機(jī)做功，從而使蓄能器內(nèi)的能量得到重新利用，降低曳引機(jī)的能耗，達(dá)到節(jié)約能源的目的。如果采用定量泵/馬達(dá)驅(qū)動(dòng)時(shí)，根據(jù)泵/馬達(dá)的運(yùn)行原理，泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩：

(4)

式中，T—— 泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)矩

V—— 泵/馬達(dá)的排量

p—— 蓄能器的壓力

雖然隨著蓄能器壓力的變化，泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩會(huì)有一定的變化，但蓄能器壓力對泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩影響較小，并且電梯運(yùn)行時(shí)載重量變化較頻繁，所以曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化也比較頻繁。由于定量泵/馬達(dá)排量不發(fā)生變化，此時(shí)泵/馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩只受到蓄能器壓力的變化，并且變化較小，無法與實(shí)際運(yùn)行時(shí)曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩相匹配，所以考慮采用變量泵/馬達(dá)來進(jìn)行能量的回收和重新利用。

2.2 泵/馬達(dá)控制方法

由式(4)可得到泵/馬達(dá)的排量：

(5)

在圖1中，壓力傳感器11和12分別獲取電梯轎廂的載重量和蓄能器的壓力，將信息傳遞給節(jié)能控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將信息分析處理后控制電磁換向閥的位置以及泵馬達(dá)的排量。同時(shí)，節(jié)能控制系統(tǒng)與變頻控制器形成雙向反饋來控制曳引機(jī)的輸出功率。電梯曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，可通過增大泵/馬達(dá)的排量來提高泵/馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而抵消掉曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，如果泵/馬達(dá)提供的轉(zhuǎn)矩與曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小相等，并且方向相反，則此時(shí)的曳引機(jī)就處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，不需要消耗任何的電能，從而降低了系統(tǒng)的能耗。由圖3中可知，當(dāng)電梯輕載下行和重載上行時(shí)，曳引機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，泵/馬達(dá)處于馬達(dá)工況，當(dāng)電梯輕載上行和重載下行時(shí)，曳引機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為正值，泵/馬達(dá)處于泵工況。但隨著載重質(zhì)量的變化電梯在輕載上行和重載下行加速階段負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)變?yōu)樨?fù)值，輕載下行和重載上行減速階段負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)變?yōu)檎?。理論上泵馬達(dá)應(yīng)該切換工況，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩正負(fù)值變化時(shí)間較短，換向閥來回切換時(shí)能量消耗比較大，所以負(fù)載轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)這種情況將泵/馬達(dá)的排量設(shè)置為0。

3 仿真分析

3.1 普通曳引電梯能耗

在普通曳引電梯中，當(dāng)電梯處于輕載下行和重載上行時(shí)，曳引機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，曳引機(jī)的正向驅(qū)動(dòng)促使電梯運(yùn)行。但當(dāng)電梯處于輕載上行和重載下行時(shí)，負(fù)載的重力勢能減小，曳引機(jī)反向制動(dòng)，曳引機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。普通電梯會(huì)將電梯發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的能量通過制動(dòng)電阻消耗掉，這不僅造成了能量的浪費(fèi)，還增加了機(jī)房的散熱負(fù)擔(dān)。在SimulationX中對電梯運(yùn)行30 m進(jìn)行仿真分析，圖4為普通曳引電梯運(yùn)行時(shí)曳引機(jī)的功率曲線。

圖4 傳統(tǒng)電梯曳引機(jī)功率曲線

從圖4可以看出，當(dāng)電梯處于輕載上行和重載下行，轎廂側(cè)質(zhì)量與配重側(cè)質(zhì)量相差較小時(shí)，曳引機(jī)發(fā)電量逐漸減少。但是由于電梯起步時(shí)需要加速運(yùn)行，此時(shí)需要曳引機(jī)提供能量，所以隨著兩側(cè)質(zhì)量差的減小，電梯運(yùn)行產(chǎn)生的再生能量減小，電梯起步時(shí)的能耗有所增加。電梯輕載下行和重載上行時(shí)曳引機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，隨著轎廂側(cè)與配重側(cè)質(zhì)量差的減小，曳引機(jī)的能耗也逐漸減小。

3.2 基于定排量泵/馬達(dá)的液電混合驅(qū)動(dòng)曳引電梯能耗

在定排量曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)中，對采用不同排量的泵馬達(dá)進(jìn)行了仿真分析。在電梯輕載上行過程中，采用液-電混合驅(qū)動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)收集電能時(shí)，為了最大程度的回收能量，電機(jī)應(yīng)該處于少發(fā)電或不發(fā)電狀態(tài)。在電梯空載上行時(shí)產(chǎn)生再生能量最多，所以考慮選用合適規(guī)格的蓄能器來最大程度的回收這部分能量。當(dāng)電梯空載上行30 m時(shí)產(chǎn)生的可再生能量為149 kJ,由于泵/馬達(dá)的最高工作壓力為30 MPa，所以蓄能器的最高壓力不能超過30 MPa，并且蓄能器工作時(shí)需滿足：p1≥0.3p2,p1為最低工作壓力，p2為最高工作壓力。為了提高蓄能器的工作效率，使泵/馬達(dá)工作更加穩(wěn)定，則設(shè)定p1=0.6p2。

所以蓄能器的壓力設(shè)定為18～30 MPa。根據(jù)蓄能器回收能量公式：

(6)

式中，E—— 蓄能器回收能量

V—— 蓄能器體積

n—— 氣體多變指數(shù)，絕熱情況下n=1.4

通過式(6)計(jì)算出蓄能器的體積為21.7 L。查取蓄能器的規(guī)格和尺寸，符合要求的蓄能器體積為24 L。圖5是采用定排量曳引電梯模型仿真時(shí)曳引機(jī)的能量輸出曲線。此模型中泵馬達(dá)排量為71 mL/r。

圖5 空載和載重100 kg時(shí)曳引機(jī)的功率曲線

從圖5可以看出，電梯在空載運(yùn)行時(shí)，曳引機(jī)的功率在0上下附近波動(dòng)，此時(shí)功率消耗較低，但是當(dāng)電梯載重100 kg運(yùn)行時(shí)，此時(shí)曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，由于泵馬達(dá)的輸出功率幾乎不會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也不會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與泵/馬達(dá)提供的轉(zhuǎn)矩不匹配，所以泵/馬達(dá)就會(huì)拖著曳引機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使曳引機(jī)處于耗電狀態(tài)，從而造成了能量的再次浪費(fèi)。改變泵/馬達(dá)的排量，采用40 mL/r的泵/馬達(dá)對再生能量進(jìn)行回收利用，并對不同載重工況進(jìn)行仿真分析。

從圖6可以看出，隨著載重量的增加，由于定量泵/馬達(dá)節(jié)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩恒定，電梯上行時(shí)，曳引機(jī)逐漸由發(fā)電狀態(tài)變?yōu)楹碾姞顟B(tài)，電梯下行時(shí)逐漸由耗電狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)。針對蓄能器吸收的能量仿真過程，無論轎廂的載重量如何變化，蓄能器回收和釋放的能量皆不發(fā)生變化。雖然已經(jīng)達(dá)到了一定的節(jié)能效果，但泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)矩與曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不匹配的現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

圖6 定/排量泵馬達(dá)節(jié)能系統(tǒng)曳引機(jī)功率曲線

3.3 基于變排量泵/馬達(dá)的液電混合驅(qū)動(dòng)曳引電梯能耗

針對定排量節(jié)能系統(tǒng)存在的缺陷和不足，考慮使用變排量泵/馬達(dá)回收利用損失的能量。泵/馬達(dá)的輸出功率雖然會(huì)受到蓄能器壓力的影響，隨著蓄能器壓力的逐漸升高，泵馬達(dá)的輸出功率及輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生一定的變化，但這個(gè)變化相對來說比較小。當(dāng)電梯轎廂的載重量發(fā)生變化時(shí)，泵/馬達(dá)回收及釋放能量時(shí)所提供的轉(zhuǎn)矩也需要發(fā)生變化，所以就采取改變泵/馬達(dá)排量的方式來進(jìn)行節(jié)能。在該電梯模型不變的條件下，對泵/馬達(dá)的排量進(jìn)行變量控制，然后進(jìn)行仿真分析。

電梯運(yùn)行時(shí)泵/馬達(dá)的排量如圖7所示，從圖7可以看出，在電梯運(yùn)行過程中，隨著電梯運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩的變化，泵/馬達(dá)的排量也隨之發(fā)生變化。在電梯輕載上行和重載下行加速階段時(shí)，由于曳引機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為先減小后增大，泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩為了與之相匹配，排量也隨之先減小后增大。在電梯勻速運(yùn)行階段，由于蓄能器的壓力在不斷增加，此時(shí)選擇適當(dāng)減小泵/馬達(dá)的排量，使泵馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩維持在恒定的數(shù)值，這樣就可以抵消掉曳引機(jī)負(fù)載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，從而減小了曳引機(jī)的輸出功率，達(dá)到節(jié)能的效果。

圖7 電梯不同載重下泵/馬達(dá)排量

對泵/馬達(dá)進(jìn)行變量控制后，在SimulationX中分別對不同載重下電梯上行和下行時(shí)曳引機(jī)的能耗及蓄能器能量回收及釋放狀況進(jìn)行了仿真分析。從圖8可以看出，無論上行還是下行，當(dāng)電梯載重量發(fā)生變化時(shí)，曳引機(jī)的功率幾乎不變，曳引機(jī)的輸出功率都在0附近波動(dòng)，此時(shí)電機(jī)的能耗最低。當(dāng)電梯處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，蓄能器幾乎回收了全部的重力勢能，并且在電梯處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)得到充分利用。比較圖6和圖8可知，在不同載重時(shí)，使用變量泵/馬達(dá)節(jié)能系統(tǒng)，不僅曳引機(jī)的功率輸出較為恒定，而且在電梯的加速和減速階段，輸出功率的峰值也明顯降低。

圖8 變排量泵馬達(dá)節(jié)能系統(tǒng)曳引機(jī)功率曲線

對蓄能器回收能量及釋放的仿真分析如圖9所示，當(dāng)電梯轎廂側(cè)與配重側(cè)質(zhì)量變化時(shí)，通過控制泵/馬達(dá)的排量，最大限度的回收可再生能量。當(dāng)電梯載重100 kg上行30 m時(shí)，理論上產(chǎn)生的再生能量為91 kJ，仿真分析中蓄能器回收的能量約為82 kJ；當(dāng)電梯載重300 kg時(shí)，理論上產(chǎn)生的再生能量為45 kJ，仿真分析中蓄能器回收的能量約為41 kJ。可以看出當(dāng)采用變量泵/馬達(dá)進(jìn)行能量回收利用時(shí)，蓄能器對再生能量的回收利用率較高，可達(dá)90%以上。

圖9 蓄能器回收及釋放能量曲線表

表1～表3分別為傳統(tǒng)電梯、定排量泵/馬達(dá)節(jié)能系統(tǒng)電梯和變排量泵/馬達(dá)節(jié)能系統(tǒng)電梯在運(yùn)行30 m時(shí)的曳引機(jī)能耗。

表1 傳統(tǒng)電梯能耗

表2 定排量泵/馬達(dá)節(jié)能系統(tǒng)電梯能耗

表3 變排量泵/馬達(dá)節(jié)能系統(tǒng)電梯能耗

4 結(jié)論

(1) 搭建了電液混合驅(qū)動(dòng)曳引電梯聯(lián)合仿真模型，并對傳統(tǒng)電梯、定量泵/馬達(dá)節(jié)能電梯能耗、變量泵/馬達(dá)節(jié)能電梯能耗進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)采用變量控制原理節(jié)能效果明顯；

(2) 分析了曳引電梯的運(yùn)行特性及電液混合驅(qū)動(dòng)曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用變量控制原理，使蓄能器回收更多的重力勢能，與定排量泵/馬達(dá)節(jié)能曳引電梯相比，載重100 kg運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果可達(dá)36.9%；載重300 kg運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果可達(dá)8.4%；載重700 kg運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果可達(dá)10.6%；載重900 kg運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果可達(dá)39.2%。