电梯节能实现：无齿轮曳引机和永磁同步电动机技术的应用

建筑物中电梯的能耗往往很大，电梯的用电量仅次于空调，电梯的能耗已经引起业界高度重视，人们对电梯能耗的关注程度也在与日俱增。德国公布的调查数据显示，欧盟27国约有480万部电梯，年耗电量高达18亿kW·h，与德国铁路全年耗电量相当。我国建筑物的能耗约占全国总能耗的28％，到2015年若全部采用节能电梯，将节电800亿kW·h，几乎等于三峡大坝一年的发电量。

电梯的耗电主要来自于驱动轿厢升降的电动机。有关统计数据表明，电动机拖动负载消耗的电能占总耗电量的70％以上。因此，研究开发高效能的电动机拖动系统是电梯节能的关键。电动机拖动系统节约电能的途径主要有两大类。第一类是提高电动机拖动系统的运行效率。电梯行业最早出现的是交流双速电梯。到了20世纪90年代末期，电梯已经逐渐转向采用变频技术。采用变频技术后，电梯节电效果明显。此后，电梯技术又有一次较大的突破，就是永磁同步无齿轮技术在中低速电梯中的使用，使电梯电动机拖动系统的运行效率更高，节能效果更加显著。第二类是将运动中负载上的机械能（势能、动能）通过能量回馈器变换成电能并回送给交流电网，供附近其他用电设备使用，使电动机拖动系统在单位时间内消耗电网电能下降，从而达到节约电能的目的。

研究表明，电梯处于等待状态时的电力消耗惊人。例如，住宅和工业用途电梯在等待状态时的能耗占总能耗的70％，即使使用频率较高的办公楼电梯也占40％。随着电动机技术、电力电子技术、变频调速技术及微计算机控制技术的发展，为电梯的节能控制提供了条件。国内外众多电梯厂家在寻求更加节能的电梯系统方面进行了大量的探索和实践，提出了许多具有建设性的新思路，并取得了一些具有实用性意义的成果。开展电梯的节能降耗工作，主要有以下几种节能技术：

1）永磁同步无齿轮曳引机技术的开发和应用，使电梯电动机拖动系统的运行效率更高，节能效果更加显著。但由于永磁同步电动机大量投入工业领域的时间尚短，许多现场试用参数尤其是电动机的使用寿命尚无定论。因此如何将被控电动机作为整个系统的一个研究对象来考虑，使电动机的结构更加合理，选用更高性能材料，提高制造工艺水平，减少谐波产生以及采用新的控制策略提高曳引机及其驱动系统的可靠性和经济性等成为研究的重点。

曳引机技术从蜗轮蜗杆传动曳引机、行星齿轮和斜齿轮传动曳引机发展到无齿轮传动曳引机，是电梯的核心运动部件，直接影响电梯的节能。早期的蜗轮蜗杆传动曳引机传动效率低、耗能高。行星齿轮和斜齿轮传动曳引机传动效率大大提高，能达到90％。永磁同步电动机直驱的无齿轮曳引机效率得到进一步提高，成为当前电梯曳引机的首选。通过采用无齿轮曳引技术，电梯驱动系统控制电梯的起动、加速、稳速运行以及减速等运动。电梯驱动系统采用成熟的变频调速技术早已成为当今改善电梯驱动控制性能、提高电梯运行质量的主要途径。变频调速技术逐步取代了各类交流双速驱动系统、直流无齿轮驱动系统，使电梯的运行性能优越，有效降低了能耗。如何进一步挖掘电梯变频调速系统节能潜力，提高驱动系统的应用效率成为电梯节能减排的重要课题。

2）能量回馈型节能电梯已有较为成熟的技术，但因其价格因素以及对电网的影响，推广尚有一定的难度。采用共直流母线方案，可以减少整个驱动系统中的能量回馈装置的重复配置，使系统的结构更为简单合理、经济可靠，同时减少了变频器输入端整流部分的谐波分量，提高了整个变频器工作系统的功率因数，降低了电网侧输入电流的谐波污染，大大提高了整个梯群系统的节能效应。若能同时加入电梯群控，合理的电梯管理方式，尽量减少多台电梯同时处于发电状态，可在减少能量回馈的情况下进一步达到电梯节能的目的，前景十分广阔。

电梯属于势能负载，要求频繁的起停，随着载客量多少的变化、上下行的变换，要求电动机在四个象限内运行。在电梯运行过程中，空载（轻载）上行或者满载下行时电动机由需要消耗电能转为发电状态，电动机将处于再生发电制动状态。为解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，现有的方法是在变频器的直流母线两端并接上能量回馈装置，采用有源逆变技术将再生能量及时高效地逆变为与电网同频率、同相位的交流电反送电网。(www.xing528.com)

当电压偏低时，回馈到直流母线的电压储于电容中，该储能会被电阻提前消耗，使回馈效果明显下降。新型能量回馈器，采用电压自适应控制，即无论电网电压如何波动，只有当电梯机械能转换成电能送入直流电路电容中时，新型能量回馈器才及时将电容中的储能回送电网，有效解决原有能量回馈的缺陷。能量回馈装置通常采用PWM控制模式，使回馈至电源电网的电能谐波污染少、功率因数高，节约了大量的能源，满足了电梯驱动系统对速度跟随的快速性和准确性要求，使曳引驱动电动机在四个象限内运行时的工作效率更高。

电梯能量回馈技术的利用场合。一般来说，电梯额定速度越快、额定载重量越大、提升高度越高，节能效果越显著，收回成本也越早。相反，梯速越慢、额定载重量越轻、提升高度越低，节能效果则不明显，收回成本的时间相对较长。因此，目前在中低速电梯中的应用较少。

即使能量回馈装置有电抗器、电容滤波环节，使用SPWM脉宽调制，其波形也难免有畸变，用傅里叶级数分解，所得到的波形尽管是以正弦基波为主，但其中仍掺杂着幅值较低的高次谐波，与市电的正弦波、频率有微小差别，目前回馈的能量中，其电流谐波畸变约在5％～7％。这些高次谐波对市电、对电网及其用电设备的影响不可忽视。因此，希望尽量减少能量回馈次数，减少对电网的影响。

在电梯使用频率较大的地方，一般都是使用两台或者多台电梯，这对电梯的节能提供了一种新思路——共直流母线的节能方式，即将电梯群的各驱动变频器中直流部分并联。其特点是电动机的电动状态和发电状态可以能量互享，即连接在直流母线上的任何一台电梯重载下降和轻载上升时产生的能量，都通过各自的逆变器反馈到直流母线上，连接在直流母线上的其他电梯就可以充分利用这部分能量，减少了从电力系统中消耗的能量，达到节约能源的目的。另外，直流母线中各电容组并联后使整个系统中间直流环节的储能容量成倍加大，构成直流电压源以钳制中间环节直流电压的瞬时脉动，提高了整个系统的稳定性与可靠性。

3）随着科学技术的发展，优于当前节能技术的电梯成为电梯行业研究的热点。例如，如何采用新能源（如太阳能、风能）驱动电梯，为电梯产业大幅度提高能源利用效率开辟新途径，对实现电梯运行更加节能环保，更加降低成本提供可能；如何针对电梯控制系统，寻求更加完善的智能型电梯群控调度系统，精确调控减少等候时间、电梯就近停靠、控制减少电梯的运行台数，从而大大提高运输效率。

针对电梯能源的消耗特点，对其节能方法的深入探索和优化将对能源损耗的降低和自然环境的保护等方面都有贡献。采用节能技术的电梯，不仅可以缓解国内日益增长的电力紧张局势，而且也是提高经济增长质量和效益的重要途径。随着每年的电梯数量、用电量逐年增长，电梯的节能降耗大有可为，节能电梯也必将成为电梯主导产品。