基于動(dòng)態(tài)測(cè)量的曳引電梯能耗仿真模型

符雁斌， 荀 倩， 荀博洋， 薄利龍， 龔文佳

(1.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院， 浙江 湖州 313000; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 3.安川雙菱電梯有限公司， 浙江 湖州 313000)

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基于動(dòng)態(tài)測(cè)量的曳引電梯能耗仿真模型

符雁斌1， 荀 倩1， 荀博洋2， 薄利龍3， 龔文佳1

(1.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院， 浙江 湖州 313000; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 3.安川雙菱電梯有限公司， 浙江 湖州 313000)

通過(guò)對(duì)不同載荷時(shí)的電梯能耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，結(jié)合曳引系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗模型，建立電梯輸出功率和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入功率的動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)而建立永磁同步電機(jī)(PMSM)驅(qū)動(dòng)的曳引電梯運(yùn)行能耗仿真模型，最后利用Matlab/Simulink軟件搭建能耗模型.仿真結(jié)果表明，不同負(fù)載工況下，該能耗模型可以反映實(shí)測(cè)能耗，驗(yàn)證了能耗模型的有效性.

不同載荷； 曳引系統(tǒng)； 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； 動(dòng)態(tài)模型； 運(yùn)行能耗

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的快速增長(zhǎng)，城市化、鄉(xiāng)鎮(zhèn)化建設(shè)步伐持續(xù)加快，電力資源供需矛盾日益突出，而短缺的能源供應(yīng)制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能減排已成為國(guó)家戰(zhàn)略的重要組成部分[1].在我國(guó)每年的能源消耗中，建筑能耗約占我國(guó)社會(huì)總能耗的30%，已成為我國(guó)社會(huì)的第一能耗.因此，降低建筑能耗對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、打造低碳經(jīng)濟(jì)社會(huì)有重要貢獻(xiàn).空調(diào)、照明、辦公設(shè)備、電梯等設(shè)備能耗是整個(gè)建筑能耗的主要組成部分[2-3].就電梯而言，其在使用過(guò)程中所消耗的能量占整個(gè)建筑能耗的5%～ 15%，在整個(gè)社會(huì)能耗中占有相當(dāng)大的比例，因此其能耗狀況已成為社會(huì)各界關(guān)注的主要問(wèn)題之一.

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電梯能耗的評(píng)估方法主要有測(cè)量法[4]、計(jì)算法[5]和模型法[6].測(cè)量法可以比較不同類型的驅(qū)動(dòng)電梯運(yùn)行一定距離的能耗，但被測(cè)電梯的載荷固定，額定速度范圍有限；計(jì)算法[7]是根據(jù)電梯的驅(qū)動(dòng)形式、額定參數(shù)和使用情況大致估算其能耗，但不能動(dòng)態(tài)計(jì)算電梯各種狀態(tài)下的功耗變化；模型法主要采用Elevate商業(yè)軟件中的能耗模型[8]，但該模型在不同載荷下的電梯效率有較大誤差，難以推廣應(yīng)用.

本文從曳引電梯的工作特性出發(fā)，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量相結(jié)合的方法，建立曳引電梯的動(dòng)態(tài)能耗模型，對(duì)電梯在各狀態(tài)下的能耗進(jìn)行仿真分析，基于動(dòng)態(tài)測(cè)量的仿真模型可準(zhǔn)確地反映電梯的能耗，驗(yàn)證動(dòng)態(tài)模型的有效性.

1 電梯的工作特性及能耗分析

1.1 電梯的工作特性

超級(jí)電容儲(chǔ)能的節(jié)能型曳引電梯結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電網(wǎng)電源、整流橋、逆變器、曳引機(jī)、轎廂、對(duì)重及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)組成.當(dāng)電梯處于重載下行、輕載上行或減速、制動(dòng)停車等情況時(shí)，曳引機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，能量經(jīng)逆變器變換為直流形式的電能，再經(jīng)過(guò)DC/DC雙向直流變換器存儲(chǔ)在超級(jí)電容器組內(nèi)，超級(jí)電容器中儲(chǔ)存的電能一方面能夠在電梯運(yùn)行于耗電狀態(tài)下再經(jīng)DC/DC雙向變換器轉(zhuǎn)換給曳引機(jī)供電，另一方面通過(guò)應(yīng)急電源(emergency power supply，EPS)轉(zhuǎn)換給電梯輔助系統(tǒng)提供電能.DC/DC雙向變換器、超級(jí)電容器組SC與應(yīng)急電源EPS共同構(gòu)成超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，其與逆變器配合使用，實(shí)現(xiàn)電梯再生能量的回收與再利用.

1.2 電梯能耗分析

電梯曳引系統(tǒng)是一個(gè)集動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)于一身的強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，對(duì)電梯能耗測(cè)量建模時(shí)，不僅要考慮曳引系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)特性，還要考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)換原理.因此，電梯在運(yùn)行過(guò)程中的能耗由其自身的能耗特性、調(diào)度策略和客流狀況等決定.本文研究的曳引電梯能耗模型主要針對(duì)其自身的能耗特性.如圖1所示，電梯的能耗部件有變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、控制顯示部分、通風(fēng)照明系統(tǒng)、門機(jī)系統(tǒng)等，而變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和曳引系統(tǒng)的能耗是電梯能耗的主要組成部分.

電梯的能耗特性受驅(qū)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)配置、安裝、維保等因素的影響，同時(shí)與其工作狀態(tài)密切相關(guān).一般情況下，電梯處于休眠、待機(jī)和運(yùn)行狀態(tài)中的任何一個(gè)，而電梯在休眠、待機(jī)和開關(guān)門狀態(tài)時(shí)，能耗相對(duì)穩(wěn)定.因此，本文主要討論電梯在運(yùn)動(dòng)階段的能耗模型.

2 曳引電梯系統(tǒng)能耗建模及分析

整個(gè)曳引電梯能耗計(jì)算模型的基本建模思路如圖2所示.

電梯曳引系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)(機(jī)械)模型與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁學(xué)模型相互耦合、相互聯(lián)系.電梯正常運(yùn)行時(shí)的總功率P為電機(jī)輸入功率Pin、開關(guān)門功率Pd(僅在開關(guān)門動(dòng)作時(shí))以及電梯空載功率Pk之和，即

(1)

2.1 曳引系統(tǒng)能耗建模

由曳引系統(tǒng)的機(jī)械配置可以得到轎廂負(fù)載與其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出功率之間的方程，即

(2)

式中：Pout為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出功率；mQ為轎廂負(fù)載；v為轎廂速度；∑fi為外界阻力.

根據(jù)圖1可得曳引系統(tǒng)的能耗方程：

(3)

式中：T為曳引機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；ωm、ηm分別為曳引輪的角速度和效率；ηs為從動(dòng)輪的效率；Jm為曳引輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jd、ωd分別為導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度；Jp、ωp分別為轎廂反繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度；JG、ωG分別為對(duì)重反繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度；a、Rm分別為轎廂加速度和曳引輪半徑；mp、mQ分別為轎廂和負(fù)載的質(zhì)量；mG、mb1、mb2、md分別為對(duì)重、對(duì)重側(cè)補(bǔ)償裝置、轎廂側(cè)補(bǔ)償裝置和隨行電纜的質(zhì)量；my1、my2分別為轎廂側(cè)運(yùn)動(dòng)鋼絲繩、對(duì)重側(cè)運(yùn)動(dòng)鋼絲繩的質(zhì)量；g為重力加速度；fp、fG、fair分別為轎廂、對(duì)重側(cè)導(dǎo)軌和轎廂空氣的阻力.

當(dāng)曳引系統(tǒng)的曳引比、動(dòng)輪數(shù)目等結(jié)構(gòu)形式變化時(shí)，由(3)式可推導(dǎo)出更一般的能耗方程：

(4)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出功率可表示為：

(5)

式中：Pout為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的電功率.

根據(jù)(1)式、(4)式、(5)式可得電梯輸出功率的動(dòng)態(tài)模型.

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗建模

根據(jù)具體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型，建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入電功率之間的函數(shù)關(guān)系，即

(6)

式中：Pin為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入的電功率.

(7)

式中：當(dāng)T·ωi≥0時(shí)，曳引機(jī)為電動(dòng)狀態(tài)，αij為最小二乘法擬合時(shí)代數(shù)多項(xiàng)式的系數(shù)；當(dāng)T·ωi<0時(shí)，曳引機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，βij為最小二乘法擬合時(shí)代數(shù)多項(xiàng)式的系數(shù).

(8)

(9)

由動(dòng)態(tài)測(cè)量的能耗數(shù)據(jù)可得曳引系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)T、Pout與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)Pin、T.將上述數(shù)據(jù)帶入(8)式、(9)式可以求得(7)式中的多項(xiàng)式系數(shù)αij和βij，因此可得(3)式的近似擬合表達(dá)式，從而可得主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率函數(shù).

當(dāng)曳引機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，效率函數(shù)為：

(10)

當(dāng)曳引機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，效率函數(shù)為：

(11)

2.3 曳引電梯能耗模型

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曳引電梯的運(yùn)行能耗計(jì)算模型如圖3所示.根據(jù)電梯的起始樓層和目的樓層確定電梯被提升的高度進(jìn)而確定電梯的運(yùn)行時(shí)間及其他參數(shù)；根據(jù)電梯結(jié)構(gòu)參數(shù)、配置參數(shù)和載荷參數(shù)確定曳引電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，建立電梯的曳引系統(tǒng)模型；根據(jù)(1)式確定電梯運(yùn)行的總功率可得電梯的運(yùn)行總能耗.

3 性能測(cè)試

為驗(yàn)證曳引電梯系統(tǒng)能耗模型的有效性，搭建Matlab/Simulink仿真模型.節(jié)能型曳引電梯的參數(shù)配置如表1所示.

表1 節(jié)能型曳引電梯參數(shù)配置

圖4、圖5、圖6分別為電梯在20%、60%、80%額定載荷下，從17樓運(yùn)行至1樓的能耗曲線；圖7為電梯分別在0%、20%、40%、50%、80%、100%額定載荷下，實(shí)測(cè)能耗與仿真能耗曲線及誤差曲線.

由此可見，當(dāng)電梯載荷接近測(cè)量載荷或重載時(shí)，實(shí)際測(cè)量的能耗曲線與仿真能耗曲線較為接近，仿真值與測(cè)量值之間誤差較??；當(dāng)電梯運(yùn)行于平衡載荷附近時(shí)，由于曳引系統(tǒng)參數(shù)值的微小變化帶來(lái)的誤差較大，仿真能耗曲線誤差也較大.整體而言，仿真結(jié)果誤差均控制在5%以內(nèi)，表明建立的基于動(dòng)態(tài)測(cè)量的曳引電梯能耗模型準(zhǔn)確，建模方法可行.

4 結(jié) 論

本文建立了基于動(dòng)態(tài)測(cè)量的超級(jí)電容儲(chǔ)能的節(jié)能型曳引電梯的能耗模型.仿真結(jié)果表明，在不同負(fù)載工況下，仿真能耗與實(shí)測(cè)能耗具有較小誤差，說(shuō)明該能耗模型可以反映電梯在實(shí)際運(yùn)行中的能耗，對(duì)電梯能效評(píng)價(jià)研究具有重要的指導(dǎo)意義.

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[責(zé)任編輯 高俊娥]

The Energy Simulation Model of Traction Elevator Based on Dynamic Measurement

FU Yanbin1, XUN Qian1, XUN Boyang2, BO Lilong3, GONG Wenjia1

(1.School of Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000, China； 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China； 3.Yaskawa Shuangling Elevator Co. Ltd, Huzhou 313000, China)

Measuring the elevator energy consumption under different loads, the dynamic model between the output power of elevator and input power of drive system is set up with traction system and drive system, and then the traction elevator operation energy consumption model driven by permanent magnet synchronous motor is established. Finally, the energy consumption model is built based on Matlab/Simulink, and the simulation results indicate that the model can reflect the test energy consumption, which verifies the effectiveness of the energy consumption model.

different loads; traction system; drive system; dynamic model; operation energy consumption

2017-03-24

湖州市公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015GZ05);湖州師范學(xué)院“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目(2016-137).

荀倩，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng).E-mail：xunq520@hotmail.com.

TM464

A

1009-1734(2017)04-0032-06