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电梯装饰新闻  
中国电梯与第三代节能电梯的中国创造
一、概述:
    中国电梯网的统计数字,我国到2012年底全国电梯保有量已达到245万台,成为世界电梯产销第一大国;而2013年预计电梯销售将继续在48万台到50万台的增长,安装电梯也将达到四十万台以上,预计到2013年底,中国电梯运行数量达到300万台。中国电梯企业取得电梯制造许可证的大概有580家左右,全国安装与维保人员大概20万人,电梯相关从业总人数大概80万人左右。2013年预计年电梯销售产值超过1000亿元,安装市场预计超过200亿元,维保市场预计250亿元。
    中国电梯行业从无到有,从第一批14张许可证开始到现在接近600家制造企业,成为全球电梯第一产销大国,发展迅猛,并且市场发展还将持续。
    在中国电梯行业的发展过程中,国外品牌电梯是有不可替代的作用,特别是上世纪八十年代末到九十年代,合资品牌给中国带来了先进VVVF技术,使电梯行业发展插上翅膀,成为电梯发展的最重要技术支持。
    但是进入二十一世纪后,中国电梯行业自身发展飞速发展,而合资品牌除了通力引进的第三代无机房电梯及永磁同步盘式马达外,没有更新的技术引进到中国。而中国电梯行业自身发展却在过去十年中飞速发展,无论是电梯的制造质量还是技术方面都有了很大突破,而超过世界先进水平的技术也在中国不断发展。控制系统的一体机、节能电梯的永磁同步主机、第四代无机房电梯都超越了国外先进水平,并市场占有率已经超过国外技术。
    现在中国电梯已经从中国制造走向中国创造,中国电梯行业已经有四个制造企业上市,而且电梯的技术上,第三代节能电梯技术、高层建筑火灾电梯运行技术等都突破了国外研究几十年而没解决的瓶颈,也使电梯中国制造走向中国电梯创造。
二、电梯节能技术
    对于节能电梯来说,第一代的节能技术就是国外引进的VVVF技术,该技术由于采用了变频变压变速的技术,使电梯运行比此前的电梯节能,所以该是第一代节能电梯技术;而电梯的第二代节能技术是永磁同步技术在电梯主机上的应用,因为该技术可以用比较小的功率来满足电梯运行,从而使电梯比普通VVVF涡轮蜗杆主机更省电。
    电梯使用变频器驱动电机的方式,电梯在运行过程中,有电动运行与发电运行(也叫制动运行)两种状态。当电梯启动达到最高运行速度时产生的机械动能也是最大的,而当电梯到达目的层前要逐步减速,而这个减速的过程就是电梯释放机械动能的一个过程。在系统设计时是通过电动机可以将这一运动过程的机械能转换成电能存储在变频器内部的大电容中(发电运行状态会产生一部分能量,我们称之为再生能源)。实际上,输送回这个大电容中的电能越多,电容电压就会越高,如果不能及时把电容器储存的这些电能释放掉,电梯就可能产生过压故障,会直接导致电梯无法正常工作运行。因此在使用中会通过外置制动电阻将这些能量以热能的方式消耗掉,这个制动的过程使整个控制屏的温度上升。
    在此之前,很多企业都采用能源反馈的方式,虽然方式理论上有一定可行性,但是实际上无法推广,其原因有两,一是能源反馈电梯发电电能波段不稳定,会对电网造成冲击,如果小区使用,会对小区内住户的家电造成损害;二是国家电网不允许使用该方式,所以最终无法实现能源反馈。无法做到的最重要原因是电梯运行发电都是瞬间,从而会影响电网的正弦波有强大差异,所以会造成对电网的冲击。目前国内外都无法进行推广的原因就在此。但是节能原理是肯定的,也是第三代节能电梯的过渡阶段。
    第三代节能电梯技术就是要真正做到电梯发电电能的储存和再利用,必须包含电梯电能的储存、储存电池、储存电能的使用、控制程序的修改。这样不但使电梯电能可以再利用,真正做到节能,更可以通过电能储存技术增加电梯在停电后继续使用的不间断电源功能。这样不但实现了节电的目的,还可以避免大功率电阻的工作,会极大地改善电梯系统的运行,并且避免了因使用能耗电阻而造成的系统效率低、电梯控制柜的发热,环境温度过高等缺点。同时电能再生利用,每年节约的电能相当可观。
    本文所将阐述的是如何真正做到将电能再利用,且能完全做到电梯能量的充分利用。也就是真正的第三代节能电梯技术,该技术比美国奥的斯用在天津新建项目上的技术先进,也比国外其他品牌技术更先进,且更能附加电梯不间断电源功能与电梯电源稳压功能。
    一部普通的25层住宅电梯每天约用电120-250度。按照每台电梯每天用电量150度/天计算。全国电梯按照保守数字245万台计算,每天消耗电能约为36750万度,每年的消耗的电能为1340亿度,全国每年电梯消耗的电能相当于三峡工程的发电量,可见电梯消耗电能的巨大。而实际上耗电还要比理论更高,因为其中十五年前的电梯都是涡轮蜗杆主机,甚至有的电梯控制系统还不是VVVF。
    下面分别对电梯电能采集与再利用以及该技术发展前景做一个探讨。
三、电梯节能原理阐述
    我们可以把电梯简单理解成一个两端分别悬挂轿厢和配重的定滑轮组,起滑轮作用的曳引机实际上就是一部电动机。当电动机正向或者反向旋转时,轿厢会相应的上行或者下行,实现了电梯运送乘客或者货物的目的。位于电梯控制系统中的变频器是驱动电动机运行的装置。一般来讲,电梯平衡系数为50%左右,即轿厢内放置50%左右载重时,轿厢与电梯配重的重量相当。
3.1电梯驱动控制系统的节能
    电梯驱动控制系统经历了从交流单速双速的交流异步电机变极调速到交流调压调速ACVV(Alternation Current Variable Voltage),再到目前的变压变频调速VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。一般电梯中的最佳搭配是用变压变频调速控制永磁同步曳引机驱动。电梯的变压变频调速是通过改变电机输入端的电压和频率来实现的,利用变频器控制输入电压和频率的比值保持固定不变(U/F=const),来实现速度的平滑调节。VVVF调速克服了前两种调速系统效率低,速度调节不平滑等缺点,且比ACVV调速节能达30%。具有高效、节能、乘坐舒适等特点,是当前电梯最理想、最受欢迎的调速装置。实现VVVF电梯是第一代说得上的节能电梯,而永磁同步电机替代了涡轮蜗杆电机,使电梯电机功率大幅度下降,使电梯进入了第二代节能效果,今天我们这里阐述的是第三代节能电梯,适用范围广,可以使电梯运行发电的电能再利用。
我们可以将电梯的运行分为以下几种情况:
    (1)轿箱或配重较轻的一边上升,比如空车上行和满载下行,这是系统释放势能的过程,此时曳引机工作在发电状态。
    (2)轿箱或配重较轻的一边下降,比如空车下行与满载上行,此时系统势能在不断增加,曳引机工作在电动状态。
    (3)当电梯到达所在楼层减速制动时,系统释放动能,此时曳引机也工作在发电状态。
    (4)电梯在半载或在接近半载状态下运行,此时曳引机工作在平衡或接近平衡情况,这是电梯运行的最大概率情况。
    当电梯运行在(1)、(3)情况时,曳引机工作在发电状态,所产生的能量通过电动机和变频器转化为变频器直流母线上的直流电能。这些能量被临时存储在变频器直流回路的大电容中,随着电梯工作时间的持续,电容中的电能和电压会逐渐升高,导致过压故障,使电梯停止工作。目前,电梯为了避免过压故障,通常在直流母线上加制动电阻,将这部分能量以发热的方式消耗在制动电阻上。这种方法不仅将能量白白浪费掉,而且对周围环境的影响很大。有些情况下,给机房散热的空调和风机等设备的耗电量甚至超过了电梯本身。
3.2能量再利用系统的节能
    电梯要节电,核心是把电梯曳引机工作在发电状态时产生的电能利用起来。目前,对于这部分能量的处理是利用“能耗制动方式”即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻中。这样不仅将能量白白浪费掉,同时电阻产生的大量热量还会污染电梯控制柜周边的环境。
    能量再利用系统的作用就是将原来消耗在制动电阻上的能量,通过逆变转化为交流电,并储存在电池里以供电梯设备使用。据统计,消耗在制动电阻上的能量占电梯总用电量的25%-35%,一般能量逆变的效率约为85%,而本技术采用的方式将逆变损耗也避免,使电梯节能效果更大,几乎可以是电梯发电电能的节能效果充分利用。
    因此,电梯能量再利用系统的节能效果在25%-35%之间,且楼层越高、电梯速度越快,节能效果愈明显。能量再利用系统和电梯的完美结合打破了传统电梯从节能到“造”能的飞跃。这是电梯能耗的历史性突破,是电梯节能史上的一个分水岭。是世界上最先进的节能技术,该技术已经超越了欧美日等国外的电梯节能技术。成为电梯中国创造!
3.3电梯能量利用技术的研究现状与技术研究的意义
    随着现代化工业的高速发展,能源紧缺已成为日益突出的世界性问题。我国近年来电能供需矛盾也日益突出,节能已成为中国经济生活势在必行的选择。作为现代建筑最大“用电老虎”之一的电梯,已成为节能研发的首选。据中国电梯协会提供的信息显示,截止到2012年年底,我国电梯的保有量已达到245万台,居世界之首。而且,随着我国经济生活进入高速发展时期,电梯的使用量还在以年均15%-20%的速度递增,预计到2013年底全国电梯保有量达到300万台。电梯作为常用的唯一的垂直交通工具,已经成为人们日常生活不可缺少的一部分。
    电梯的运行离不开电能。假如按每台电梯的平均功率是15KW,即电机连续工作1小时消耗15度电,那么消耗在制动电阻上的平均功率约为4.5KW(按电机功率的30%)。以2012年底全国在用电梯245万台计算,相当于我国每小时1100万度的电在转化为热能,浪费惊人,且温室效应增加。因此,电梯的节能降耗已引起相关行业的高度重视,社会对于电梯能耗的关注程度也在与日俱增,《公共机构节能条例》和《民用建筑节能条例》的实施,更为电梯节能提供了明确的政策和法律依据。电梯能量再利用技术的研究就是要解决电梯运行过程中的能量浪费问题,降低电梯的能耗,这对于国民经济具有重要的社会意义和经济效益。
    第三代节能技术针对能源紧缺,电梯节能的迫切需要,基于技术创新,节能环保的设计思想,在现有技术的基础上,设计了以电梯能量储存与再利用系统。该系统可以将电梯变频器直流则的电能储存到电池,减少了直流逆变成交流的15%电能损耗。从而在充分利用电梯发电电能的同时也减少了电能损耗。储能再利用技术从而是并且针对电梯运行的实际情况,有效控制在电能再利用过程中的电压和电流,电梯控制系统寿命更长,使电梯运行更安全,并且有效地避免了电梯热能污染,也避免了能源反馈技术逆变输出交流电对电网的谐波污染和无功污染。
四、储能电池配置
    对电池的配置要符合最基本的两个要求,一是符合电梯电机功率需要的安全的电流与电压,二是要配置一定量的电池,这里阐述的是指电池满足电梯直接使用半小时以上的需要。原则上配置半小时、一小时、两小时三种容量的电池,并且能让该电池作为电梯的不间断电源,在电网断电后继续使用。
    该种方式最重要的作用是电梯电能储存后可以完全利用,减少了电池直流逆变为交流的15%损耗。同时还可以起到电梯不间断电源的作用,在电网停电后,电梯可以使用电池中的电能进行运行,确保乘客安全以及消防救援需要。
    上面我们介绍了电梯工作的基本原理,根据电梯运行过程中的几种情况分析曳引机的工作状态,给出传统降低直流母线电压的方法。分析电梯能量再利用系统的工作原理,给出能量再利用过程中系统应满足的控制条件,最后根据控制要求给出电梯能量再利用系统的控制方案。
    该技术比能源反馈技术更能节省15%直流到交流的逆变损耗,同时也可以使电梯电机取电更安全,减少电网电压电流对电梯电气造成的不稳定的冲击。
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