液-電混驅(qū)改善曳引電梯運行特性及能效的理論與方法

液—電混驅(qū)改善曳引電梯運行特性及能效的理論與方法電梯作為在高層建筑中運送人及貨物的垂直設(shè)備,在社會現(xiàn)代化進程中起到越來越不可替代的作用。電梯自被發(fā)明至今,產(chǎn)品歷經(jīng)多次更新?lián)Q代和技術(shù)升級,一直為人們的出行提供便捷。諸多研究表明,電梯能耗占高層建筑總能耗的20%左右,隨著全球能源日趨緊張,高能耗電梯的發(fā)展前景不容樂觀,能耗問題嚴(yán)重制約其發(fā)展。國內(nèi)電梯保有量隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展及國民生活水平的提高而急劇上升,有關(guān)數(shù)據(jù)顯示,2014年國內(nèi)電梯總保有量已達360萬臺,并以每年大約20%的速度增長。在工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大的時代,我國發(fā)電能力較弱,能源供應(yīng)疲軟,能源供需矛盾日益突出,節(jié)能電梯的研究也越來越受到政府、生產(chǎn)廠商和客戶的關(guān)注。因此實現(xiàn)電梯的節(jié)能降耗不僅具有十分重要的經(jīng)濟價值,能夠推動電梯行業(yè)的快速發(fā)展,而且符合我國現(xiàn)階段綠色和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。為降低電梯能耗,達到電梯節(jié)能運行的目的,本文結(jié)合曳引電梯的結(jié)構(gòu)特點、運行特性及能耗特性,提出一種新型液—電混合驅(qū)動曳引電梯節(jié)能新原理。該原理將液壓泵/馬達、蓄能器等元件與曳引機驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合,組成可實現(xiàn)能量回收利用的液—電混合驅(qū)動曳引電梯節(jié)能系統(tǒng)。上述系統(tǒng)與曳引電梯自身驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)接耦合,在電梯運行過程中,當(dāng)曳引機處于發(fā)電狀態(tài)時,大部分重力勢能將以液壓能的形式儲存在蓄能器中;當(dāng)曳引機處于電動狀態(tài)時,蓄能器存儲的液壓能得以釋放,從而輔助曳引機工作,最終達到降低能耗、節(jié)約電能的目的。仿真及實驗結(jié)果表明新型節(jié)能電梯能夠平穩(wěn)啟動,速度控制平穩(wěn),具有良好的速度控制性能;該新型節(jié)能電梯的節(jié)能效率約為15%,可顯著降低電梯控制系統(tǒng)和機房溫度;新型節(jié)能電梯采用現(xiàn)有曳引電梯的控制方法,簡化了其控制策略。通過以上研究可知在蓄能器充液過程中隨著蓄能器壓力的增大,節(jié)能電梯曳引機將由發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)為電動狀態(tài)造成二次能耗;在蓄能器放液過程中,由于初始壓力較大,蓄能器提供的功率比電梯運行所需功率大而造成能量的二次浪費,因此本文進一步提出一種基于變量泵/馬達的轉(zhuǎn)矩補償方法,仿真分析的結(jié)果表明該方法能夠大幅降低曳引電梯的能耗,電梯運行基本不消耗電能。電梯能耗作為電梯發(fā)展的一個重要問題,是電梯研究的熱點問題,但電梯安全事故時有發(fā)生,因此曳引電梯的安全性能問題不可小覷。電梯現(xiàn)有的保護裝置安全鉗—限速系統(tǒng),可解決電梯由于控制失靈、制動器失靈及突然斷電等原因造成轎廂的墜落或超速,但由于機械結(jié)構(gòu)不能完全保證萬無一失,因此電梯墜落事故還是不可避免。本課題中曳引電梯新型節(jié)能系統(tǒng)采用換向閥控制蓄能器的工作狀態(tài),當(dāng)電梯突然斷電時,對于不同類型的換向閥,其斷電時的機能是不同的。換向閥處于工作位,當(dāng)蓄能器充液或者放液狀態(tài)時,此時泵/馬達向電梯提供使電梯停止的反轉(zhuǎn)矩,聯(lián)合抱閘和安全鉗使電梯停止運行;當(dāng)換向閥處于停止位時,由于四個油口均關(guān)閉,此時液壓泵/馬達不能正反向轉(zhuǎn)動,從而可以阻止電梯的墜落,使電梯處于安全駐停狀態(tài)。液—電混驅(qū)曳引電梯節(jié)能原理在降低能耗的同時,還能夠兼顧安全性,對于電梯運行來說安全性更加重要,新的原理可保證電梯在所有電氣控制失靈的情況下,轎廂平穩(wěn)運行至停止?fàn)顟B(tài)。論文的主要研究內(nèi)容如下:第一章首先介紹了目前我國電梯市場的發(fā)展?fàn)顩r、發(fā)展趨勢及現(xiàn)有電梯的能耗情況。進而對電梯的發(fā)展歷史及分類進行綜述,重點介紹了曳引電梯節(jié)能技術(shù)的發(fā)展概況和能量回收節(jié)能技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。最后基于上述綜合分析,提出了本課題的研究意義和主要研究內(nèi)容。第二章介紹了普通電梯的工作特性作,分析了曳引電梯的基本結(jié)構(gòu)以及電梯處于典型四象限時的工作特性。對不同配重的電梯在不同運行工況時所受的力矩進行了詳細分析,并建立了電梯的動力學(xué)模型;對電梯的動力學(xué)模型進行仿真分析,得到了當(dāng)電梯配重不同時,電梯在不同載重、不同工況時所受到力矩。進而提出了一種新型的液—電混合驅(qū)動曳引電梯節(jié)能新原理及方法,分析了節(jié)能電梯的工作原理及工作特性。最后對系統(tǒng)中曳引機、各液壓元件進行選型,并設(shè)計了高能效曳引電梯的控制系統(tǒng)。第三章對提出的高能效電梯節(jié)能系統(tǒng)進行了數(shù)學(xué)建模,主要針對同步曳引機、液壓泵/馬達、蓄能器等的特點及運行特征進行分析并建立其數(shù)學(xué)模型。分析計算電梯運行過程中的速度曲線,并對速度、加速度曲線進行仿真。本課題的目標(biāo)是降低電梯系統(tǒng)的能耗,因此需要對普通曳引電梯能耗進行分析,了解電梯運行過程中電梯能耗的變化規(guī)律。本章通過simulationx仿真軟件建立了普通曳引電梯模型,對電梯在不同工況運行時的能耗進行了仿真分析。第四章建立了課題所提出的高能效曳引電梯的仿真模型,并對采用不同配重下的電梯運行情況進行仿真分析。在配重為1000kg和1500kg這兩種情況下,對普通電梯和節(jié)能電梯分別在輕載上行、輕載下行、重載上行、重載下行四種工況運行中的能耗變化情況進行了仿真分析,通過比較計算得到節(jié)能電梯的節(jié)能效率。進一步對采用變量泵/馬達的節(jié)能系統(tǒng),在使用轉(zhuǎn)矩匹配控制后,電梯的節(jié)能效果進行了仿真分析。第五章基于上述理論研究及仿真分析,通過對節(jié)能電梯系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的詳細分析及參數(shù)優(yōu)化,確定了節(jié)能電梯的試驗元件及試驗方案,搭建了高能效曳引電梯能耗試驗臺。首先對普通電梯在載重不同、運行距離不同工況下能耗進行了試驗分析,并與仿真結(jié)果進行對比分析。然后將節(jié)能系統(tǒng)與曳引機驅(qū)動軸聯(lián)接進行綜合試驗,通過地面空載試驗與樓層空載試驗的對比分析,得出節(jié)能系統(tǒng)的機械運行效率。進而對節(jié)能電梯在不同運行工況時的能耗進行了試驗和分析,并與普通電梯的能耗進行對比,得到高能效電梯的節(jié)能效率。第六章主要對所作的研究工作進行分析總結(jié),得出了主要的研究性結(jié)論,并針對本課題研究問題的不足提出今后的研究方向。課題所做的研究工作均表明,本文