能量反馈型电梯在津塔项目中的应用.doc

能量反馈型电梯在津塔项目中的应用 及监理应注意的特殊问题 张春民电梯问世100多年来，一直持续不断的在改进，更新，变型。然而，特别是近10年来随着大量高新技术的应用，升级换代愈来愈快，变化之多、之大，真可用电梯技术革命一词来形容。 感应电机的可逆特性和电梯的运行特性使其电梯具有节能和再生能量回收的可能，但早期的开发都由于成本的高额和效率的底下，不适应市场运作机制而做罢。电力电子技术及计算机技术的发展、新材料的不断出现，使节能和利用再生能量回收的附加成本大大降低，长期算起来，比非能量反馈性电梯更有市场前景，而且机房还不易发热，有时为了抵消机房所产生的热量所耗用的空调电量比电梯本身的能量还要高；能量反馈回收后，机房就基本就不用空调散热。维护运行成本大大降低，双重节能优势市场前景看好，是今后电梯的发展方向。电梯的驱动、控制、监控等也都同步有了很大变化和进步。 津塔项目中直梯就全部选用了新型的能量反馈型电梯。 电梯的节能原理从电梯的动力源来看：所用感应电机本身就有可逆性，就是说电机也可做为发电机用，如果不接电源，电机转动时，接电源的端子就会有电压产生，不过由于转速等问题，电压不高不稳，还不实用。但正是这种效应，导致采用这类电机的电梯，才有再生发电的可能。 从电梯的运行特性看：电梯（垂直梯）的运行特性，电梯启动达到最高运行速度后具有最大的机械动能，电梯到达目标层前要逐步减速直到电梯停止运动为止，这一过程是电梯负载释放机械动能的时段。变频调速器通过电动机可以将这一时段的机械能转变成电能存储在变频器直流环节的大电容中，此时大电容好比一座储量有限的小水库，由机械动能转变的电能好比储存在小水库重的水量。如不及时排放小水库中注入的水量，则水库会发生溢出事故。同理，如不及时泄放大电容中的电量，也会发生过压故障，导致停机事故。非能量反馈型变频器泄放大电容中电量的方法是，采用制动单元和外加大功率电阻，将大电容中电量消耗到外加大功率电阻上通过外接发热电阻使电能转化成热能散发出来。这种方法效率很低，而且对周围环境的影响很大，为了给机房散热，必需加装空调和风机设备。有些情况下，给机房降温的空调耗电量甚至超过了电梯本身。能量反馈型的回馈单元则可以将大电容中储存的电量无消耗地回收再利用。从而既达到节电目的，又无耗电发热大功率电阻。大大改善了系统的运行环境。电梯同时还是一个位能性负载，为了均匀拖动负荷，电梯负载由载客轿厢和对重平衡块组成。只有当轿厢载重量约为50（如1吨载客电梯乘客为7人左右）时，轿厢和对重平衡块才处于双方质量基本平衡状态，否则，轿厢和对重平衡块就会有质量差，使电梯运行时产生机械位能。当电梯轿厢重量小于对重块重量时，电梯上行时曳引机发电，下行耗电；反之，则上行耗电下行发电。当电梯重载下行和轻载上行时，所产生的机械能也会通过曳引机和变频器转化成直流电能。能量反馈单元再将这部分电能回馈到局域电网络，供给其它正在用电设备使用，起到节约电能的目的。也可以把电梯简单理解成一个两端分别悬挂轿厢和对重块的定滑轮组，起滑轮作用的曳引机实际上就是一部电动机。电梯在工作状态下，由曳引机拖动负载做功，完成机械能和电能相互转化的过程。 当电梯轿厢重量小于对重块重量时，电梯上行时曳引机发电，下行耗电；反之，则上行耗电下行发电。当电梯重载下行和轻载上行时，所产生的机械能也会通过曳引机和四象限变频器转化成交流电能反馈到电网（本变压器内的电网）。还有永磁电机、四象限变频调速器、无齿轮曳引等新产品、新技术、新材料的应用，使得机电能量转换效率大大提高，为节能提供了良好的平台。交流永磁同步无齿轮曳引机永磁电机取代了原先的三相异步电机，稀土永磁材料的发展使制造交流永磁同步无齿轮曳引机成为现实.交流永磁同步电机突出特点是功率因数几乎等于1,在同等参数下,永磁同步电机功率增大,输出转矩也就提高了.通过与电机同轴的驱动曳引轮实现直接驱动,勿需减速机.具有传动效率高,振动与噪音小,结构简单,易维护之特点.电机运行所需要的磁场不再耗电，永磁电机无需耗费电能来产生励磁，因而进一步节省了电能。也减小了体积；四象限变频调速器结束了早先的二象限变频调速器只能节能但不能把再生能量反馈到电源的历史。普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流，然后采用IGBT逆变技术将直流转化成电压频率皆可调整的交流电控制交流电动机。这种变频器只能工作在电动状态，所以称之为两象限变频器。由于两象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回馈能量的应用中，比如电梯，提升，离心机系统，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元。将电动机回馈的能量消耗掉。另外，在一些大功率的应用中，二极管整流桥还对电网产生严重的谐波污染。四象限变频调速器采用双IGBT技术，PWM脉宽调制技术，输出相位准确、有效抑制高次谐波。 IGBT功率模块可以实现能量的双向流动，采用IGBT做整流桥，用高速度、高运算能力的DSP产生PWM控制脉冲。一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的谐波污染，让变频器真正成为“绿色产品”。另一方面可以将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到彻底的节能效果。无齿轮曳引机替代有齿轮曳引机机的区别在于：有齿轮曳引机的传动方式是电动机将动力通过齿轮变速箱传动到曳引轮；而无齿轮曳引机则在设计上省略了齿轮变速箱，其传动方式是由电动机直接带动曳引轮，避免了传动过程的机械磨损和能耗。而这一切的综合应用，也导致了小机房、无机房电梯的出现。 永磁无齿轮曳引式小机房电梯结构 无齿轮曳引式电梯是目前垂直交通运输工具中使用最有发展前途的一种电梯，现将其基本结构介绍如下。1曳引系统：曳引系统作用是提供电梯运行动力的设备，把曳引机的旋转运动，转换为电梯的垂直运动； 轿厢在曳引钢丝绳的牵引下沿电梯井道内的导轨作快速平稳的运行。曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。曳引机由电动机、联轴器、制动器、减速箱、机座、曳引轮等组成，它是电梯的动力源。曳引钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重（或者两端固定在机房上），依靠钢丝绳与曳引轮绳槽之间的摩擦力来驱动轿厢升降。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型时还可增加曳引能力。导向轮安装在曳引机架上或承重梁上。当钢丝绳的绕绳比大于1时，在轿厢顶和对重架上应增设反绳轮。反绳轮的个数可以是1个、2个甚至3个，这与曳引比有关。2导向系统导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁联接。导靴装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。3门系统门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。层门设在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴、门锁装置及应急开锁装置组成。开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。4轿厢轿厢用以运送乘客或货物的电梯组件。它是由轿厢架和轿厢体组成。轿厢架是轿厢体的承重构架，由横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成。轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量或额定载客人数决定。5重量平衡系统重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。6电力拖动系统电力拖动系统由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，对电梯实行速度控制。曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电机相联。调速装置对曳引电机实行调速控制。7电气控制系统电气控制系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成,它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件组成，是电梯实行电气控制的集中组件。位置显示是指轿内和层站的指层灯。层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站。选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。8安全保护系统安全保护系统包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯安全使用。机械方面的有：限速器和安全钳起超速保护作用；缓冲器起冲顶和撞底保护作用；还有切断总电源的极限保护等。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节都有。 图1 电梯的基本结构剖视图1-减速箱；2-曳引轮；3-曳引机底座；4-导向轮；5-限速器；6-机座； 7-导轨支架；8-曳引钢丝绳；9-开关碰铁；10-紧急终端开关；11-导靴；12-轿架；13-轿门；14-安全钳；15-导轨；16-绳头组合；17-对重；18-补偿链；19-补偿链导轮； 20-张紧装置；21-缓冲器；22-底坑；23-层门； 24-呼梯盒；25-层楼指示灯； 26-随行电缆；27-轿壁；28-轿内操纵箱；29-开门机；30-井道传感器； 31-电源开关；32-控制柜；33-曳引电机； 34-制动器。无机房电梯结构无机房电梯结构与小机房电梯结构大同小异，主要不同点是曳引机超扁形、控制柜超扁形、放在井道顶部。其它部件也都小型化。没有机房。就好比笔记本电脑和台式机电脑的区别。功能一样，体积不同。 节能效果能量反馈型电梯电能回馈装置能量转化率超过了97%，节电率可达1545%，而且楼层越高，功率越大，使用越频繁，节能的效果越好。非常适合高层、高速电梯使用。能量反馈型电梯电能回馈装置能够自动检测变频器和供电网的电压及频率，并将直流电路中存储的电能逆变成与电网电压同频同相的交流电。使原本消耗在制动电阻上的电能回馈到局域电网中，供局域网内设备用电，而且不会污染电网。再生发电状态所产生的电能自动回馈给电网，而无须识别相序以普通住宅电梯为例：一部变频电梯，如果处于发电状态运行，在空载运行的时候，每次发出来的电能约为0.2度左右。送回电网重的电能可以用在大楼的照明、空调等地方。据有关数据统计，每年每台电梯平均运行次数大概在2030万次，这样就有约10万次左右处于发电状态。如果楼层不高，按每次发电0.1度来计算，每年每台电梯能节电1万度左右。 能量的收集、电费的节省程度还与大楼的高度和电梯的使用频率相关，也就是说电梯运行楼层越高、使用越频繁，则“造”能越多。以一栋商务写字楼为例，安装两部电梯，如一天24小时连续运转，耗电300度。按商用电每度0.918元计算，这栋商务写字楼的年用电费用就达10万元左右。而如果采用了“电梯再生能源反馈”，同样两部电梯一年可节约电费最多可达约7万元。监理应注意的特殊问题除了常规电梯必须注意的事项外，这里主要说只有能量反馈型电梯才可能有的问题。1. 能量反馈型电梯的能量反馈到所在的变压器电网的同时必须要有足够的用电负荷把反馈的电量消耗掉，否则就会导致电梯发生过压故障自我保护停机。a、 如果出现此类问题时的电梯状态，是停机、还是减速？b、 如停机何时恢复运行，有否指示？是手动恢复还是自动恢复？c、 如手动恢复是否要安排专业人员值班？是否要跑到顶层控制柜去恢复？这些问题应该要求供货厂家书面确认并符合安全要求。2防止出现非能量反馈型电梯仿冒能量反馈型电梯供货，二者的差异非常小，只有看变频调速器：能量反馈型的变频调速器是属于四象限工作的变频器，是用IGBT模块整流，又用IGBT模块逆变，即双IGBT工作，这样才能提供通道将再生能量反馈到电网。非能量反馈性是用三相整流模块整流，再生能量反馈不到电网，只有靠制动电阻把能量消耗掉。大功率变频调速器还要通过制动单元接到制动电阻。 这样就提供一个辨别的依据：如运行时，变频调速器有外接制动电阻或制动单元，就一定不是能量反馈型电梯。除非双备份，但目前市场上标准配置为双配置还没有见到。但小功率的只有打开变频调速器才能看清，因为小功率变频调速器的制动电阻是内置的，藏在变频调速器背面与散热器相贴，也无需制动单元。 之所以提出这样的问题是笔者在实践中遇到过，要求供货商打开控制柜时，要么一拖再拖，要么说发货错了，希望同行能引起注意。 电梯技术的国内外发展趋势1.节能。随着我国城市率的增长，对电梯需求量也迅猛增长，与1992年相比,当时城市率为27.8，新电梯量为1.6万台，2005年,城市率为43，新电梯量已猛增长为12.5万台，而根据最新统计，2006年我国电梯产量已突破15万台，占世界年产量的三分之一。2007年底，中国在用电梯数量达96.9万台。2008年突破100万台。上海市2009年2月份报道，目前上海的电梯总量已超过万台，数量超过纽约，跃居世界城市首位。上海各类电梯的增加速度较快，每年新增电梯数量都在万台以上。到目前为止，全市的垂直升降电梯达到万台，自动扶梯和自动人行道有近万台，电梯总量为世界各城市之最。而电梯和空调又是耗能最大的“电老虎”，据调查，全国三星级以上酒店，空调和电梯两项耗电量就占城市耗电量的三分之一，因此节能在电梯领域有着特别重要的意义。2环保。当今世界非常清晰地认识到生存与发展的关系：不环保就无法生存，没有生存根本谈不上发展。绿色理念在全球已经深入人心，绿色理念是电梯发展总趋势。有专家预言谁最先推出绿色产品并抢占市场，谁就掌握市场竞争主动权。发展趋势主要有如下：不断改进产品的设计，生产环保型低能耗、低噪声、无漏油、无漏水、无电磁干扰、无井道导轨油渍污染的电梯。电梯曳引采用尼龙合成纤维曳引绳，钢皮带等无润滑油污染曳引方式。电梯装璜将采用无（少）环境污染材料。电梯空载上升和满载下行电机再生发电回收技术。安装电梯将无需安装手脚架。电梯零件在生产和使用过程中对环境没有影响（如刹车皮一定不能使用石棉）并且材料是可以回收的。 3驱动系统使用永磁同步无齿曳引机；超导电力拖动技术和磁悬浮驱动技术也会在电梯上应用。由于永磁同步无齿曳引机与传统的蜗轮、蜗杆传动的曳引机相比具有如下优点：a)永磁同步无齿曳引机是直接驱动，没有蜗轮、蜗杆传动副，永磁同步电机没有作异步电机所需非常占地方的定子线圈，而制作永磁同步电机的主要材料是高能量密度的高剩磁感应和高矫顽力的钕铁硼,其气隙磁密一般达到0.75T以上，所以可以做到体积小和重量轻。b)传动效率高。由于采用了永磁同步电机直接驱动（没有蜗轮蜗杆传动副）其传动效率可以提高2030。c)永磁同步无齿曳引机由于不存在一个异步电机在高速运行时轴承所发生的噪声和不存在蜗轮蜗杆副接触传动时所发生噪声，所以整机噪声可降低510db(A)。d)能耗低。从永磁同步电机工作原理可知其励磁是由永磁铁来实现的，不需要定子额外提供励磁电流，因而电机的功率因数可以达到很高（理论上可以达到1）。同时永磁同步电机的转子无电流通过，不存在转子耗损问题。一般比异步电机降低4560耗损。由于没有效率低、高能耗蜗轮蜗杆传动副，能耗进一步降低。e)永磁同步无齿曳引机由于不存在齿廓磨损问题和不需要定期更换润滑油，因此其使用寿命长，且基本不用维修。在近期如果能尽快解决生产永磁同步电机成本问题，永磁同步无齿曳引机将代替由蜗轮蜗杆传动副异步电机组成的曳引机。当然将来超导电力拖动技术和磁悬浮驱动技术也会在电梯上应用。4电梯产业将信息化、网络化。电梯控制系统如何与网络技术相结合将是未来电梯设计的主流趋势。在21世纪的今天如何提供用户满意产品和服务已成为关系到各企业生死存亡问题。电梯上网能确保为客户提供更优质全程的服务。在将来各大品牌厂家为了生存和发展都会在公共网络系统中建立自己电梯网站（电梯专用平台），这也是一条必由之路，电梯上网主要是实现以下功能：a)用网络把所有电梯监管起来，保证电梯安全运行，确保乘客安全。当电梯出现故障时，电梯通过网络向客户服务中心发出信号使维保人员能及时准确了解电梯出现故障的原因及相关信息，客户的人身安全是否受到威胁，并在第一时间内赶赴事故现场进行抢修，同时通过网络对在电梯内乘客安慰，把电梯出现故障的负面影响降到最低。也可以通过电梯网络在规定时间内自动扫描每台电梯各部件以发现事故隐患做到事先维修，减少停梯时间，提高企业的服务质量。b)电梯网上交易（电梯商务网站）。现在传统营销体系是人对人的销售（或面对面销售），由于需要大量销售人员，其销售成本高昂。如果通过电梯商务网站这个网络传播媒体，就可以大大降低销售成本。5蓝牙技术在电梯上应用。安装过电梯的人都知道放线、对线是费时、费力、极容易错的工作。如果控制屏与