一、概述：
    中國(guó)電梯網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，我國(guó)到2012年底全國(guó)電梯保有量已達(dá)到245萬(wàn)臺(tái)，成為世界電梯產(chǎn)銷第一大國(guó)；而2013年預(yù)計(jì)電梯銷售將繼續(xù)在48萬(wàn)臺(tái)到50萬(wàn)臺(tái)的增長(zhǎng)，安裝電梯也將達(dá)到四十萬(wàn)臺(tái)以上，預(yù)計(jì)到2013年底，中國(guó)電梯運(yùn)行數(shù)量達(dá)到300萬(wàn)臺(tái)。中國(guó)電梯企業(yè)取得電梯制造許可證的大概有580家左右，全國(guó)安裝與維保人員大概20萬(wàn)人，電梯相關(guān)從業(yè)總?cè)藬?shù)大概80萬(wàn)人左右。2013年預(yù)計(jì)年電梯銷售產(chǎn)值超過(guò)1000億元，安裝市場(chǎng)預(yù)計(jì)超過(guò)200億元，維保市場(chǎng)預(yù)計(jì)250億元。
    中國(guó)電梯行業(yè)從無(wú)到有，從第一批14張?jiān)S可證開(kāi)始到現(xiàn)在接近600家制造企業(yè)，成為全球電梯第一產(chǎn)銷大國(guó)，發(fā)展迅猛，并且市場(chǎng)發(fā)展還將持續(xù)。
    在中國(guó)電梯行業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，國(guó)外品牌電梯是有不可替代的作用，特別是上世紀(jì)八十年代末到九十年代，合資品牌給中國(guó)帶來(lái)了先進(jìn)VVVF技術(shù)，使電梯行業(yè)發(fā)展插上翅膀，成為電梯發(fā)展的最重要技術(shù)支持。
    但是進(jìn)入二十一世紀(jì)后，中國(guó)電梯行業(yè)自身發(fā)展飛速發(fā)展，而合資品牌除了通力引進(jìn)的第三代無(wú)機(jī)房電梯及永磁同步盤(pán)式馬達(dá)外，沒(méi)有更新的技術(shù)引進(jìn)到中國(guó)。而中國(guó)電梯行業(yè)自身發(fā)展卻在過(guò)去十年中飛速發(fā)展，無(wú)論是電梯的制造質(zhì)量還是技術(shù)方面都有了很大突破，而超過(guò)世界先進(jìn)水平的技術(shù)也在中國(guó)不斷發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)的一體機(jī)、節(jié)能電梯的永磁同步主機(jī)、第四代無(wú)機(jī)房電梯都超越了國(guó)外先進(jìn)水平，并市場(chǎng)占有率已經(jīng)超過(guò)國(guó)外技術(shù)。
    現(xiàn)在中國(guó)電梯已經(jīng)從中國(guó)制造走向中國(guó)創(chuàng)造，中國(guó)電梯行業(yè)已經(jīng)有四個(gè)制造企業(yè)上市，而且電梯的技術(shù)上，第三代節(jié)能電梯技術(shù)、高層建筑火災(zāi)電梯運(yùn)行技術(shù)等都突破了國(guó)外研究幾十年而沒(méi)解決的瓶頸，也使電梯中國(guó)制造走向中國(guó)電梯創(chuàng)造。
二、電梯節(jié)能技術(shù)
    對(duì)于節(jié)能電梯來(lái)說(shuō)，第一代的節(jié)能技術(shù)就是國(guó)外引進(jìn)的VVVF技術(shù)，該技術(shù)由于采用了變頻變壓變速的技術(shù)，使電梯運(yùn)行比此前的電梯節(jié)能，所以該是第一代節(jié)能電梯技術(shù)；而電梯的第二代節(jié)能技術(shù)是永磁同步技術(shù)在電梯主機(jī)上的應(yīng)用，因?yàn)樵摷夹g(shù)可以用比較小的功率來(lái)滿足電梯運(yùn)行，從而使電梯比普通VVVF渦輪蝸桿主機(jī)更省電。
    電梯使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式，電梯在運(yùn)行過(guò)程中，有電動(dòng)運(yùn)行與發(fā)電運(yùn)行(也叫制動(dòng)運(yùn)行)兩種狀態(tài)。當(dāng)電梯啟動(dòng)達(dá)到最高運(yùn)行速度時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)能也是最大的,而當(dāng)電梯到達(dá)目的層前要逐步減速,而這個(gè)減速的過(guò)程就是電梯釋放機(jī)械動(dòng)能的一個(gè)過(guò)程。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)是通過(guò)電動(dòng)機(jī)可以將這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能存儲(chǔ)在變頻器內(nèi)部的大電容中(發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一部分能量，我們稱之為再生能源)。實(shí)際上,輸送回這個(gè)大電容中的電能越多,電容電壓就會(huì)越高,如果不能及時(shí)把電容器儲(chǔ)存的這些電能釋放掉,電梯就可能產(chǎn)生過(guò)壓故障,會(huì)直接導(dǎo)致電梯無(wú)法正常工作運(yùn)行。因此在使用中會(huì)通過(guò)外置制動(dòng)電阻將這些能量以熱能的方式消耗掉，這個(gè)制動(dòng)的過(guò)程使整個(gè)控制屏的溫度上升。
    在此之前，很多企業(yè)都采用能源反饋的方式，雖然方式理論上有一定可行性，但是實(shí)際上無(wú)法推廣，其原因有兩，一是能源反饋電梯發(fā)電電能波段不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，如果小區(qū)使用，會(huì)對(duì)小區(qū)內(nèi)住戶的家電造成損害；二是國(guó)家電網(wǎng)不允許使用該方式，所以最終無(wú)法實(shí)現(xiàn)能源反饋。無(wú)法做到的最重要原因是電梯運(yùn)行發(fā)電都是瞬間，從而會(huì)影響電網(wǎng)的正弦波有強(qiáng)大差異，所以會(huì)造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊。目前國(guó)內(nèi)外都無(wú)法進(jìn)行推廣的原因就在此。但是節(jié)能原理是肯定的，也是第三代節(jié)能電梯的過(guò)渡階段。
    第三代節(jié)能電梯技術(shù)就是要真正做到電梯發(fā)電電能的儲(chǔ)存和再利用，必須包含電梯電能的儲(chǔ)存、儲(chǔ)存電池、儲(chǔ)存電能的使用、控制程序的修改。這樣不但使電梯電能可以再利用，真正做到節(jié)能，更可以通過(guò)電能儲(chǔ)存技術(shù)增加電梯在停電后繼續(xù)使用的不間斷電源功能。這樣不但實(shí)現(xiàn)了節(jié)電的目的,還可以避免大功率電阻的工作,會(huì)極大地改善電梯系統(tǒng)的運(yùn)行,并且避免了因使用能耗電阻而造成的系統(tǒng)效率低、電梯控制柜的發(fā)熱，環(huán)境溫度過(guò)高等缺點(diǎn)。同時(shí)電能再生利用，每年節(jié)約的電能相當(dāng)可觀。
    本文所將闡述的是如何真正做到將電能再利用，且能完全做到電梯能量的充分利用。也就是真正的第三代節(jié)能電梯技術(shù)，該技術(shù)比美國(guó)奧的斯用在天津新建項(xiàng)目上的技術(shù)先進(jìn)，也比國(guó)外其他品牌技術(shù)更先進(jìn)，且更能附加電梯不間斷電源功能與電梯電源穩(wěn)壓功能。
    一部普通的25層住宅電梯每天約用電120-250度。按照每臺(tái)電梯每天用電量150度/天計(jì)算。全國(guó)電梯按照保守?cái)?shù)字245萬(wàn)臺(tái)計(jì)算，每天消耗電能約為36750萬(wàn)度，每年的消耗的電能為1340億度，全國(guó)每年電梯消耗的電能相當(dāng)于三峽工程的發(fā)電量，可見(jiàn)電梯消耗電能的巨大。而實(shí)際上耗電還要比理論更高，因?yàn)槠渲惺迥昵暗碾娞荻际菧u輪蝸桿主機(jī)，甚至有的電梯控制系統(tǒng)還不是VVVF。
    下面分別對(duì)電梯電能采集與再利用以及該技術(shù)發(fā)展前景做一個(gè)探討。
三、電梯節(jié)能原理闡述
    我們可以把電梯簡(jiǎn)單理解成一個(gè)兩端分別懸掛轎廂和配重的定滑輪組，起滑輪作用的曳引機(jī)實(shí)際上就是一部電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正向或者反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，轎廂會(huì)相應(yīng)的上行或者下行，實(shí)現(xiàn)了電梯運(yùn)送乘客或者貨物的目的。位于電梯控制系統(tǒng)中的變頻器是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的裝置。一般來(lái)講，電梯平衡系數(shù)為50％左右，即轎廂內(nèi)放置50％左右載重時(shí)，轎廂與電梯配重的重量相當(dāng)。
3.1電梯驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的節(jié)能
    電梯驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從交流單速雙速的交流異步電機(jī)變極調(diào)速到交流調(diào)壓調(diào)速ACVV(Alternation Current Variable Voltage)，再到目前的變壓變頻調(diào)速VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。一般電梯中的最佳搭配是用變壓變頻調(diào)速控制永磁同步曳引機(jī)驅(qū)動(dòng)。電梯的變壓變頻調(diào)速是通過(guò)改變電機(jī)輸入端的電壓和頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，利用變頻器控制輸入電壓和頻率的比值保持固定不變(U／F=const)，來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的平滑調(diào)節(jié)。VVVF調(diào)速克服了前兩種調(diào)速系統(tǒng)效率低，速度調(diào)節(jié)不平滑等缺點(diǎn)，且比ACVV調(diào)速節(jié)能達(dá)30％。具有高效、節(jié)能、乘坐舒適等特點(diǎn)，是當(dāng)前電梯最理想、最受歡迎的調(diào)速裝置。實(shí)現(xiàn)VVVF電梯是第一代說(shuō)得上的節(jié)能電梯，而永磁同步電機(jī)替代了渦輪蝸桿電機(jī)，使電梯電機(jī)功率大幅度下降，使電梯進(jìn)入了第二代節(jié)能效果，今天我們這里闡述的是第三代節(jié)能電梯，適用范圍廣，可以使電梯運(yùn)行發(fā)電的電能再利用。
我們可以將電梯的運(yùn)行分為以下幾種情況：
    (1)轎箱或配重較輕的一邊上升，比如空車上行和滿載下行，這是系統(tǒng)釋放勢(shì)能的過(guò)程，此時(shí)曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。
    (2)轎箱或配重較輕的一邊下降，比如空車下行與滿載上行，此時(shí)系統(tǒng)勢(shì)能在不斷增加，曳引機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。
    (3)當(dāng)電梯到達(dá)所在樓層減速制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)釋放動(dòng)能，此時(shí)曳引機(jī)也工作在發(fā)電狀態(tài)。
    (4)電梯在半載或在接近半載狀態(tài)下運(yùn)行，此時(shí)曳引機(jī)工作在平衡或接近平衡情況，這是電梯運(yùn)行的最大概率情況。
    當(dāng)電梯運(yùn)行在(1)、(3)情況時(shí)，曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，所產(chǎn)生的能量通過(guò)電動(dòng)機(jī)和變頻器轉(zhuǎn)化為變頻器直流母線上的直流電能。這些能量被臨時(shí)存儲(chǔ)在變頻器直流回路的大電容中，隨著電梯工作時(shí)間的持續(xù)，電容中的電能和電壓會(huì)逐漸升高，導(dǎo)致過(guò)壓故障，使電梯停止工作。目前，電梯為了避免過(guò)壓故障，通常在直流母線上加制動(dòng)電阻，將這部分能量以發(fā)熱的方式消耗在制動(dòng)電阻上。這種方法不僅將能量白白浪費(fèi)掉，而且對(duì)周圍環(huán)境的影響很大。有些情況下，給機(jī)房散熱的空調(diào)和風(fēng)機(jī)等設(shè)備的耗電量甚至超過(guò)了電梯本身。
3.2能量再利用系統(tǒng)的節(jié)能
    電梯要節(jié)電，核心是把電梯曳引機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的電能利用起來(lái)。目前，對(duì)于這部分能量的處理是利用“能耗制動(dòng)方式”即通過(guò)內(nèi)置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻中。這樣不僅將能量白白浪費(fèi)掉，同時(shí)電阻產(chǎn)生的大量熱量還會(huì)污染電梯控制柜周邊的環(huán)境。
    能量再利用系統(tǒng)的作用就是將原來(lái)消耗在制動(dòng)電阻上的能量，通過(guò)逆變轉(zhuǎn)化為交流電，并儲(chǔ)存在電池里以供電梯設(shè)備使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，消耗在制動(dòng)電阻上的能量占電梯總用電量的25％-35％，一般能量逆變的效率約為85％，而本技術(shù)采用的方式將逆變損耗也避免，使電梯節(jié)能效果更大，幾乎可以是電梯發(fā)電電能的節(jié)能效果充分利用。
    因此，電梯能量再利用系統(tǒng)的節(jié)能效果在25％-35％之間，且樓層越高、電梯速度越快，節(jié)能效果愈明顯。能量再利用系統(tǒng)和電梯的完美結(jié)合打破了傳統(tǒng)電梯從節(jié)能到“造”能的飛躍。這是電梯能耗的歷史性突破，是電梯節(jié)能史上的一個(gè)分水嶺。是世界上最先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)超越了歐美日等國(guó)外的電梯節(jié)能技術(shù)。成為電梯中國(guó)創(chuàng)造！
3.3電梯能量利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀與技術(shù)研究的意義
    隨著現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展，能源緊缺已成為日益突出的世界性問(wèn)題。我國(guó)近年來(lái)電能供需矛盾也日益突出，節(jié)能已成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)生活勢(shì)在必行的選擇。作為現(xiàn)代建筑最大“用電老虎”之一的電梯，已成為節(jié)能研發(fā)的首選。據(jù)中國(guó)電梯協(xié)會(huì)提供的信息顯示，截止到2012年年底，我國(guó)電梯的保有量已達(dá)到245萬(wàn)臺(tái)，居世界之首。而且，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)生活進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，電梯的使用量還在以年均15％-20％的速度遞增，預(yù)計(jì)到2013年底全國(guó)電梯保有量達(dá)到300萬(wàn)臺(tái)。電梯作為常用的唯一的垂直交通工具，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚囊徊糠帧?BR>    電梯的運(yùn)行離不開(kāi)電能。假如按每臺(tái)電梯的平均功率是15KW，即電機(jī)連續(xù)工作1小時(shí)消耗15度電，那么消耗在制動(dòng)電阻上的平均功率約為4．5KW(按電機(jī)功率的30％)。以2012年底全國(guó)在用電梯245萬(wàn)臺(tái)計(jì)算，相當(dāng)于我國(guó)每小時(shí)1100萬(wàn)度的電在轉(zhuǎn)化為熱能，浪費(fèi)驚人，且溫室效應(yīng)增加。因此，電梯的節(jié)能降耗已引起相關(guān)行業(yè)的高度重視，社會(huì)對(duì)于電梯能耗的關(guān)注程度也在與日俱增，《公共機(jī)構(gòu)節(jié)能條例》和《民用建筑節(jié)能條例》的實(shí)施，更為電梯節(jié)能提供了明確的政策和法律依據(jù)。電梯能量再利用技術(shù)的研究就是要解決電梯運(yùn)行過(guò)程中的能量浪費(fèi)問(wèn)題，降低電梯的能耗，這對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。
    第三代節(jié)能技術(shù)針對(duì)能源緊缺，電梯節(jié)能的迫切需要，基于技術(shù)創(chuàng)新，節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)思想，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以電梯能量?jī)?chǔ)存與再利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以將電梯變頻器直流則的電能儲(chǔ)存到電池，減少了直流逆變成交流的15%電能損耗。從而在充分利用電梯發(fā)電電能的同時(shí)也減少了電能損耗。儲(chǔ)能再利用技術(shù)從而是并且針對(duì)電梯運(yùn)行的實(shí)際情況，有效控制在電能再利用過(guò)程中的電壓和電流，電梯控制系統(tǒng)壽命更長(zhǎng)，使電梯運(yùn)行更安全，并且有效地避免了電梯熱能污染，也避免了能源反饋技術(shù)逆變輸出交流電對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和無(wú)功污染。
四、儲(chǔ)能電池配置
    對(duì)電池的配置要符合最基本的兩個(gè)要求，一是符合電梯電機(jī)功率需要的安全的電流與電壓，二是要配置一定量的電池，這里闡述的是指電池滿足電梯直接使用半小時(shí)以上的需要。原則上配置半小時(shí)、一小時(shí)、兩小時(shí)三種容量的電池，并且能讓該電池作為電梯的不間斷電源，在電網(wǎng)斷電后繼續(xù)使用。
    該種方式最重要的作用是電梯電能儲(chǔ)存后可以完全利用，減少了電池直流逆變?yōu)榻涣鞯?5%損耗。同時(shí)還可以起到電梯不間斷電源的作用，在電網(wǎng)停電后，電梯可以使用電池中的電能進(jìn)行運(yùn)行，確保乘客安全以及消防救援需要。
    上面我們介紹了電梯工作的基本原理，根據(jù)電梯運(yùn)行過(guò)程中的幾種情況分析曳引機(jī)的工作狀態(tài)，給出傳統(tǒng)降低直流母線電壓的方法。分析電梯能量再利用系統(tǒng)的工作原理，給出能量再利用過(guò)程中系統(tǒng)應(yīng)滿足的控制條件，最后根據(jù)控制要求給出電梯能量再利用系統(tǒng)的控制方案。
    該技術(shù)比能源反饋技術(shù)更能節(jié)省15%直流到交流的逆變損耗，同時(shí)也可以使電梯電機(jī)取電更安全，減少電網(wǎng)電壓電流對(duì)電梯電氣造成的不穩(wěn)定的沖擊。

專利發(fā)明和本文作者： 姚永其