張 杰，趙 斌，2，郝云曉

(1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部/山西省重點實驗室，山西太原 030024；2.浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江杭州 310027)

引言

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(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負載的重力勢能減小，會有再生能量產(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]建立了永磁電機電梯的能量再生系統(tǒng),用于將電梯曳引機處于發(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，無法將直流電變?yōu)闃藴实恼也ǎ瑥亩鴮﹄娋W(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)模的應用。能量存儲和回收技術(shù)[8]是一種利用儲能裝置使電梯在發(fā)電狀態(tài)下儲存能量，在電動狀態(tài)下釋放能量的技術(shù)。目前能量存儲回收技術(shù)主要有蓄電池儲能節(jié)能技術(shù)和超級電容儲能節(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能系統(tǒng)，將電梯產(chǎn)生的可再生能量存儲到蓄電池中，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，并且要確保兩個設(shè)備的功能允許適當?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，蓄電池也通過逆變器饋電給曳引機提供能量。采用傳統(tǒng)的鉛蓄電池儲存電能，雖然成本低、儲存性能好，但是所儲電能較少，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格，所以它的使用受到限制。超級電容器是德國人Helmholtz于1879年提出的。與電池儲能相比其充放電電流不受限制，響應速度快，循環(huán)使用壽命長。PAY S L[11]對超級電容器儲能再生制動系統(tǒng)進行了研究，采用了DC/DC變換裝置控制超級電容，并使用ADVISOR軟件對系統(tǒng)進行深入的分析。馬奎安等[12]提出在電梯電機變頻器的直流母線上通過雙向DC/DC變換器連接一個超級電容儲能裝置的節(jié)能方案，該方案可以高效率的吸收再生能量，在需要時向電梯及其輔助裝置供電，實現(xiàn)回饋電能的實時利用，達到高效節(jié)能的目的。但是超級電容的系統(tǒng)較為復雜，并且制造成本較高。針對電梯電能存儲和回收的理念，趙斌[13]提出了一種新型的電-液混合驅(qū)動曳引電梯節(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存到蓄能器中，當電梯處于電動狀態(tài)，蓄能器內(nèi)的能量釋放，輔助曳引機做功。

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；蓄電池儲能效率較低，對環(huán)境污染嚴重；超級電容成本高，系統(tǒng)復雜；采用定排量液壓泵/馬達的電液混合驅(qū)動曳引電梯，不能實時匹配能量，能效比較低[14]。為此，提出一種采用變排量液壓泵/馬達的電-液混合驅(qū)動系統(tǒng)。在SimulationX中對不同載重時曳引機負載轉(zhuǎn)矩進行仿真分析，設(shè)計了泵/馬達變量控制系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進行了進一步的完善，并與定排量泵/馬達節(jié)能電梯和普通曳引電梯進行能耗比對分析，驗證分析了節(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，電梯的運行過程本質(zhì)上就是轎廂和配重在垂直方向上的往復運動。在電梯的實際運行過程中，為避免轎廂和配重發(fā)生碰撞，往往通過導向輪把轎廂和配重分開。曳引電梯在運行過程中，當電梯處于輕載上行和重載下行時，曳引機負載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相同，曳引機處于發(fā)電狀態(tài)；當電梯處于重載上行和輕載下行時，曳引機負載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相反，曳引機處于電動狀態(tài)。液-電混驅(qū)曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)的原理，是將曳引機處于發(fā)電狀態(tài)時產(chǎn)生的能量儲存在蓄能器中，當曳引機處于電動狀態(tài)時，將這部分能量釋放，輔助曳引機做功，從而達到節(jié)約能源的目的。節(jié)能系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.泵/馬達 2.增速器 3.曳引輪 4.永磁同步電機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

當電梯輕載上行和重載下行時，曳引機處于發(fā)電狀態(tài)，此時泵/馬達切換為泵工況，曳引機負載拖動泵/馬達轉(zhuǎn)動，將油液從油箱泵入蓄能器中，此過程將再生電能轉(zhuǎn)化為液壓能儲存在蓄能器中。當蓄能器內(nèi)壓力達到溢流閥的設(shè)定壓力時，溢流閥打開，多余的油液從溢流閥流回油箱。當電梯輕載下行或重載上行時，曳引機處于電動狀態(tài)，此時泵/馬達切換為馬達工況，蓄能器內(nèi)油液釋放，驅(qū)動泵/馬達轉(zhuǎn)動，從而輔助曳引機做功。

1.2 仿真模型及轉(zhuǎn)矩特性

當電梯的載重質(zhì)量不同時，曳引機負載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也會不同，當電梯處于勻速運行階段時，曳引機負載轉(zhuǎn)矩恒定，此時的轉(zhuǎn)矩：

(1)

但當電梯處于加速或減速階段時，電梯負載需要一個加速度，為了滿足電梯加速和減速運行，相應的曳引機負載轉(zhuǎn)矩也會發(fā)生變化。

電梯上行時轉(zhuǎn)矩：

(2)

電梯下行時轉(zhuǎn)矩：

(3)

式中，Mj—— 轎廂的質(zhì)量

Mp—— 配重的質(zhì)量

aj—— 轎廂運行時的加速度

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，電梯加速和減速運行的時間為3 s，模型最大運行距離為30 m(10層)。該模型的搭建主要分為3部分：曳引機仿真模型、鋼絲繩及提升負載仿真模型、節(jié)能系統(tǒng)仿真模型。

圖2 電梯能耗仿真模型

如圖3為電梯運行時曳引機負載轉(zhuǎn)矩仿真圖。當曳引機負載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相同時，轉(zhuǎn)矩為正；當曳引機負載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相反時，轉(zhuǎn)矩為負。

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。當電梯輕載上行和重載下行處于加速階段時，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)的動能，所以曳引機負載轉(zhuǎn)矩減小，電梯在加速過程中加速度先增大后減小，所以此時曳引機負載轉(zhuǎn)矩先減小后增大；當電梯處于減速階段時，轎廂和配重的動能減小，加速度方向與運行的速度方向相反，所以曳引機負載轉(zhuǎn)矩會增大；勻速運行時轉(zhuǎn)矩不發(fā)生變化。當電梯輕載下行和重載上行處于加速階段時，電梯的重力勢能增大，同時還需要給電梯提供一個加速度，所以此時的曳引機負載轉(zhuǎn)矩會增大，當電梯輕載下行和重載上行減速運行時，由于加速度與運行的方向相反，所以此時負載轉(zhuǎn)矩會減小。當轎廂側(cè)的質(zhì)量與配重側(cè)質(zhì)量接近時，由于轎廂側(cè)和配重側(cè)的質(zhì)量差減小，所以勻速運行時的負載轉(zhuǎn)矩減小。在普通電梯中，當曳引機負載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相同時，為了滿足電梯的正常運行，曳引機需要提供一個相反的轉(zhuǎn)矩，此時負載會拖著曳引機轉(zhuǎn)動，曳引機產(chǎn)生再生電能，而這部分再生電能則通過制動電阻來消耗掉。當負載轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相反時，曳引機需要正向驅(qū)動，此時則需要曳引機提供電能。

圖3 曳引機負載轉(zhuǎn)矩圖

2 變量泵/馬達控制裝置工作原理

2.1 節(jié)能控制裝置工作原理

在液電混合驅(qū)動電梯節(jié)能系統(tǒng)中，泵/馬達與曳引輪同軸連接,當曳引機負載轉(zhuǎn)矩與曳引輪旋轉(zhuǎn)方向相同時，此時泵/馬達切換為泵工況，曳引機負載拖動泵/馬達轉(zhuǎn)動，使曳引機處于空轉(zhuǎn)或發(fā)電較少的運行狀態(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存起來。當曳引機負載轉(zhuǎn)矩與曳引輪旋轉(zhuǎn)方向相反時，泵/馬達切換為馬達工況釋放蓄能器內(nèi)儲存的能量，輔助曳引機做功，從而使蓄能器內(nèi)的能量得到重新利用，降低曳引機的能耗，達到節(jié)約能源的目的。如果采用定量泵/馬達驅(qū)動時，根據(jù)泵/馬達的運行原理，泵/馬達的轉(zhuǎn)矩：

(4)

式中，T—— 泵/馬達轉(zhuǎn)矩

V—— 泵/馬達的排量

p—— 蓄能器的壓力

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

2.2 泵/馬達控制方法

由式(4)可得到泵/馬達的排量：

(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的排量。同時，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的輸出功率。電梯曳引機負載轉(zhuǎn)矩增大時，可通過增大泵/馬達的排量來提高泵/馬達的輸出轉(zhuǎn)矩，從而抵消掉曳引機負載轉(zhuǎn)矩，如果泵/馬達提供的轉(zhuǎn)矩與曳引機負載轉(zhuǎn)矩大小相等，并且方向相反，則此時的曳引機就處于空轉(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，當電梯輕載下行和重載上行時，曳引機的負載轉(zhuǎn)矩為負值，泵/馬達處于馬達工況，當電梯輕載上行和重載下行時，曳引機的負載轉(zhuǎn)矩為正值，泵/馬達處于泵工況。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載轉(zhuǎn)矩會變?yōu)樨撝担p載下行和重載上行減速階段負載轉(zhuǎn)矩會變?yōu)檎?。理論上泵馬達應該切換工況，由于負載轉(zhuǎn)矩正負值變化時間較短，換向閥來回切換時能量消耗比較大，所以負載轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)這種情況將泵/馬達的排量設(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，當電梯處于輕載下行和重載上行時，曳引機處于電動狀態(tài)，曳引機的正向驅(qū)動促使電梯運行。但當電梯處于輕載上行和重載下行時，負載的重力勢能減小，曳引機反向制動，曳引機處于發(fā)電狀態(tài)。普通電梯會將電梯發(fā)電時產(chǎn)生的能量通過制動電阻消耗掉，這不僅造成了能量的浪費，還增加了機房的散熱負擔。在SimulationX中對電梯運行30 m進行仿真分析，圖4為普通曳引電梯運行時曳引機的功率曲線。

圖4 傳統(tǒng)電梯曳引機功率曲線

從圖4可以看出，當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，曳引機發(fā)電量逐漸減少。但是由于電梯起步時需要加速運行，此時需要曳引機提供能量，所以隨著兩側(cè)質(zhì)量差的減小，電梯運行產(chǎn)生的再生能量減小，電梯起步時的能耗有所增加。電梯輕載下行和重載上行時曳引機處于電動狀態(tài)，隨著轎廂側(cè)與配重側(cè)質(zhì)量差的減小，曳引機的能耗也逐漸減小。

3.2 基于定排量泵/馬達的液電混合驅(qū)動曳引電梯能耗

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進行了仿真分析。在電梯輕載上行過程中，采用液-電混合驅(qū)動節(jié)能系統(tǒng)收集電能時，為了最大程度的回收能量，電機應該處于少發(fā)電或不發(fā)電狀態(tài)。在電梯空載上行時產(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。當電梯空載上行30 m時產(chǎn)生的可再生能量為149 kJ,由于泵/馬達的最高工作壓力為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曳引機的能量輸出曲線。此模型中泵馬達排量為71 mL/r。

圖5 空載和載重100 kg時曳引機的功率曲線

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

從圖6可以看出，隨著載重量的增加，由于定量泵/馬達節(jié)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩恒定，電梯上行時，曳引機逐漸由發(fā)電狀態(tài)變?yōu)楹碾姞顟B(tài)，電梯下行時逐漸由耗電狀態(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)達到了一定的節(jié)能效果，但泵/馬達轉(zhuǎn)矩與曳引機負載轉(zhuǎn)矩不匹配的現(xiàn)象較為嚴重。

圖6 定/排量泵馬達節(jié)能系統(tǒng)曳引機功率曲線

3.3 基于變排量泵/馬達的液電混合驅(qū)動曳引電梯能耗

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/馬達回收利用損失的能量。泵/馬達的輸出功率雖然會受到蓄能器壓力的影響，隨著蓄能器壓力的逐漸升高，泵馬達的輸出功率及輸出轉(zhuǎn)矩會發(fā)生一定的變化，但這個變化相對來說比較小。當電梯轎廂的載重量發(fā)生變化時，泵/馬達回收及釋放能量時所提供的轉(zhuǎn)矩也需要發(fā)生變化，所以就采取改變泵/馬達排量的方式來進行節(jié)能。在該電梯模型不變的條件下，對泵/馬達的排量進行變量控制，然后進行仿真分析。

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

圖7 電梯不同載重下泵/馬達排量

對泵/馬達進行變量控制后，在SimulationX中分別對不同載重下電梯上行和下行時曳引機的能耗及蓄能器能量回收及釋放狀況進行了仿真分析。從圖8可以看出，無論上行還是下行，當電梯載重量發(fā)生變化時，曳引機的功率幾乎不變，曳引機的輸出功率都在0附近波動，此時電機的能耗最低。當電梯處于發(fā)電狀態(tài)時，蓄能器幾乎回收了全部的重力勢能，并且在電梯處于電動狀態(tài)時得到充分利用。比較圖6和圖8可知，在不同載重時，使用變量泵/馬達節(jié)能系統(tǒng)，不僅曳引機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 變排量泵馬達節(jié)能系統(tǒng)曳引機功率曲線

對蓄能器回收能量及釋放的仿真分析如圖9所示，當電梯轎廂側(cè)與配重側(cè)質(zhì)量變化時，通過控制泵/馬達的排量，最大限度的回收可再生能量。當電梯載重100 kg上行30 m時，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；當電梯載重300 kg時，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?？梢钥闯霎敳捎米兞勘?馬達進行能量回收利用時，蓄能器對再生能量的回收利用率較高，可達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/馬達節(jié)能系統(tǒng)電梯和變排量泵/馬達節(jié)能系統(tǒng)電梯在運行30 m時的曳引機能耗。

表1 傳統(tǒng)電梯能耗

表2 定排量泵/馬達節(jié)能系統(tǒng)電梯能耗

表3 變排量泵/馬達節(jié)能系統(tǒng)電梯能耗

4 結(jié)論

(1) 搭建了電液混合驅(qū)動曳引電梯聯(lián)合仿真模型，并對傳統(tǒng)電梯、定量泵/馬達節(jié)能電梯能耗、變量泵/馬達節(jié)能電梯能耗進行仿真分析，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行特性及電液混合驅(qū)動曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進行改進，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/馬達節(jié)能曳引電梯相比，載重100 kg運行時節(jié)能效果可達36.9%；載重300 kg運行時節(jié)能效果可達8.4%；載重700 kg運行時節(jié)能效果可達10.6%；載重900 kg運行時節(jié)能效果可達39.2%。