電梯配重動(dòng)態(tài)補(bǔ)償平衡載荷之曳引系統(tǒng)平衡態(tài)拖動(dòng)方案的制作方法
【專利說明】電梯配重動(dòng)態(tài)補(bǔ)償平衡載荷之曳引系統(tǒng)平衡態(tài)拖動(dòng)方案
[0001]人們出入高層離不開電梯，電梯離不開電力?！短胤N設(shè)備安全監(jiān)察條例》第五條“特種設(shè)備生產(chǎn)、使用單位應(yīng)當(dāng)建立健全特種設(shè)備安全、節(jié)能管理制度和崗位安全、節(jié)能責(zé)任制度”。電梯是特種設(shè)備，可見我國(guó)早就將節(jié)能減排定為電梯品質(zhì)的核心。我國(guó)是世界第一電梯大國(guó)，推行電梯的節(jié)能運(yùn)行顯然更有十分重要的意義。
[0002]永磁同步無齒曳引技術(shù)開創(chuàng)了電梯節(jié)能新天地，較之有齒電梯節(jié)能30%左右?，F(xiàn)以1000kg、lm/s電梯為例其拖動(dòng)功率尚需7?8kw，1000kg; 1.75m/s電梯主機(jī)功率不低于15kw，仍是生活用電的大頭，是否還可以節(jié)約30%甚至更多呢？
[0003]由電梯原理可知，曳引傳動(dòng)是由配重(亦為對(duì)重)來平衡轎廂載荷的。如電梯實(shí)際載荷P、額定載荷Pe，單位均為kg。則電梯曳引主機(jī)功率為(注1):
[0004](千瓦)..........(1)
[0005]式中V為運(yùn)行速度(米/秒)；k為平衡系數(shù)，η為曳引電動(dòng)機(jī)的效率，而(P-kPe)gp為曳引拖動(dòng)的負(fù)載。若轎廂質(zhì)量為Q，設(shè)對(duì)重質(zhì)量為G，則有:
[0006]G = Q+P = Q+KPe............(2)
[0007].-.k=(G-Q)/Pe = P/Pe............(3)
[0008]當(dāng)配重與轎廂重相等時(shí)，即曳引繩兩端重量平衡，式(3)成立。此時(shí)第一感覺就是電梯很輕，不太用力就能移動(dòng)轎廂；以(3)式代入(1)式，即得出功耗W為零。由此可見當(dāng)電梯處于平衡狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)不消耗功率!這雖是一理想狀態(tài)，卻正好體現(xiàn)出配重抵消轎廂載荷，降低曳引傳動(dòng)功率的實(shí)在功用?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定k值在40?50%范圍內(nèi)?？梢宰C明，當(dāng)k值取50%時(shí)的傳動(dòng)功率與強(qiáng)制牽引相比較，正好減少了一半。
[0009]由于現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)重塊質(zhì)量是固定的，平衡系數(shù)在電梯安裝時(shí)就調(diào)定好了。所以，在0?100%的載荷變化中，只有在平衡點(diǎn)時(shí)的曳引機(jī)軸功率接近零(勻速狀態(tài))。離開平衡點(diǎn)的運(yùn)行都要消耗電源功率。而且離開平衡點(diǎn)越遠(yuǎn)，消耗功率越大。如空載或滿載之時(shí)，功率消耗便達(dá)到額定值。
[0010]由于轎廂內(nèi)的乘客(載荷)出入是隨機(jī)的，為達(dá)到隨機(jī)平衡那就只有隨時(shí)改變配重KPe，使之適應(yīng)載荷的變化，亦即始終保持式(3)成立，這樣實(shí)施曳引繩兩端的動(dòng)態(tài)平衡以實(shí)現(xiàn)電梯的最低能源消耗，就是本發(fā)明目的所在。
[0011]設(shè)計(jì)思路:將配重鐵塊(或水泥塊)變?yōu)榭闪鲃?dòng)體如水，因?yàn)橹挥兴惲鲃?dòng)物質(zhì)才能適應(yīng)于配重隨機(jī)增減的需要；同時(shí)監(jiān)控電梯曳引系統(tǒng)動(dòng)平衡程度，取其狀態(tài)信號(hào)自動(dòng)控制水的流向來實(shí)現(xiàn)電梯的動(dòng)平衡拖動(dòng)，達(dá)到最佳節(jié)能要求。
[0012]具體設(shè)計(jì)由三個(gè)環(huán)節(jié)組成:1、水箱及水路設(shè)置;2、水量排灌自動(dòng)控制方式;3、動(dòng)態(tài)平衡信號(hào)的篩選與方案設(shè)計(jì)。
[0013]先在電梯機(jī)房和對(duì)重架中各安置一水箱，其水容量為電梯的額定載重量或梢大一點(diǎn)即可。兩箱之間以柔韌水密性管路連通:管路從機(jī)房水箱底部向下順延，通過對(duì)重水箱自然下垂后再返上緊固于水箱底面，形成一個(gè)開放性水循環(huán)系統(tǒng)。必須保證柔韌性水管隨機(jī)移動(dòng)，并避開緩沖器碰鐵、防止與地坑和井道壁摩擦受損。
[0014]當(dāng)乘客出入轎廂時(shí)，應(yīng)隨即自動(dòng)控制水流以維持曳引繩兩端的負(fù)載平衡。機(jī)房水箱里的水可自動(dòng)流入低位的對(duì)重水箱，只要用一個(gè)電磁閥適時(shí)開、閉即可;而對(duì)重方的水回歸機(jī)房水箱就得依靠排水栗工作了?？蓪㈦姶砰y和水栗通過三通分別連接在機(jī)房水箱和韌性管路之間，形成雙向通路。并要求:
[0015]若對(duì)重質(zhì)量<轎廂質(zhì)量適時(shí)自動(dòng)開啟電磁閥給對(duì)重灌水；
[0016]若對(duì)重質(zhì)量>轎廂質(zhì)量適時(shí)自動(dòng)開啟排水栗從對(duì)重向外排水；
[0017]對(duì)重質(zhì)量=轎廂質(zhì)量即曳引繩兩端負(fù)載平衡時(shí)，閥、栗即時(shí)關(guān)閉水路。
[0018]平衡信號(hào)可以多種方式實(shí)施。例如:直接比較轎廂和對(duì)重的重量;對(duì)異步電動(dòng)機(jī)來說還可以比較轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩;對(duì)同步電動(dòng)機(jī)來說則可以監(jiān)控其負(fù)荷電流值或者電流與電壓之功率因數(shù)角等參數(shù)。大家知道，電機(jī)空載時(shí)其功率因數(shù)角為定值θο，負(fù)載增減都會(huì)引起功率因數(shù)的變化。這樣，設(shè)定角度θο為平衡點(diǎn)，監(jiān)控Θ值變化即監(jiān)控曳引系統(tǒng)平衡狀態(tài)。分離此變量的符號(hào)大小即可為閥、栗之適時(shí)開、閉的信號(hào)。這樣便實(shí)現(xiàn)了一個(gè)配重與轎廂重量隨機(jī)相等的水配重曳引隨動(dòng)平衡系。
[0019]再次驗(yàn)證本發(fā)明方案是科學(xué)可行的。首先，原理可靠。無論直觀感性認(rèn)識(shí)或根據(jù)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)都己論證，在平衡狀態(tài)下轎廂載荷已經(jīng)被配重抵消、電動(dòng)機(jī)提升位能負(fù)載功耗為零的客觀狀態(tài)。這就是一個(gè)天平原理，不管重物多少只要砝碼上夠天平就會(huì)自動(dòng)平起來。電動(dòng)機(jī)的軸端功率只須克服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦阻力，即可保持電梯勻速運(yùn)行，而勿須再為負(fù)載做功。這正是歷代機(jī)械拖動(dòng)夢(mèng)寐以求的最佳運(yùn)行模式。
[0020]其次，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易可行。只要求不漏水且耐用就行。其安裝過程與補(bǔ)賞練相仿。所有改裝設(shè)施制造、安裝要求不高，投資不大。
[0021]應(yīng)該看到，本發(fā)明已將電梯的位能性重載型負(fù)荷轉(zhuǎn)化為動(dòng)平衡態(tài)的風(fēng)機(jī)性質(zhì)負(fù)荷，消除了重載工況的起、制動(dòng)沖擊，提高了平穩(wěn)性能和運(yùn)行速度。還能為優(yōu)化曳引傳動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)造條件:如無需再要平衡的補(bǔ)償練，也無需為提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的高倍率曳引繩懸掛方式，大大減少了系統(tǒng)磨損和噪聲；降低對(duì)電動(dòng)機(jī)過載能力及額定功率要求等，由此看到了優(yōu)化電梯結(jié)構(gòu)、全面提升其品質(zhì)性能的前景。
[0022]現(xiàn)在來盤算創(chuàng)新的節(jié)能效果:
[0023]設(shè)曳引電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩為Md，其拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式為(注2):
[0024]Md=Mz+Jd Ω /dt................................(4)
[0025]式中Mz——系統(tǒng)阻力轉(zhuǎn)矩或稱負(fù)載轉(zhuǎn)矩(牛.米)..
[0026]JdQ/dt——拖動(dòng)系統(tǒng)的慣性轉(zhuǎn)矩或稱加速度轉(zhuǎn)矩(牛.米.
[0027]Ω.......角速度(弧度/秒)(牛.米)..
[0028]阻力轉(zhuǎn)矩Mz來源于總負(fù)荷(P-kPe)和曳引系統(tǒng)的摩擦力f(如導(dǎo)靴與導(dǎo)軌之間)及風(fēng)阻等。如曳引輪半徑為R，所以阻力轉(zhuǎn)矩應(yīng)為:
[0029]Mz = (P_kPe)R+fR(牛.米).................................(5)
[0030]所以，電梯運(yùn)行時(shí)曳引機(jī)輸出(即電動(dòng)機(jī)軸端)功率應(yīng)為:
[0031]Pd=Md.Ω =(P-kPe)RQ+fRQ+JQdQ/dt = Pdi+Pd2+Pd3(千瓦).........(6)
[0032]可見軸功率分為三部分消耗:Pdl((P-kPe)RQ)為提升負(fù)載作功;Pd2(fRQ )是曳引系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的摩擦及風(fēng)阻消耗;Pd3為拖動(dòng)系統(tǒng)加(減)速度功率。
[0033]電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸取功率為:
[0034]P = Pdl+Pd2+Pd3+P()(千瓦)...........................(7)
[0035]其中Po為電動(dòng)機(jī)的空載損耗Po(鐵耗、銅耗、機(jī)械損耗等)。由于系統(tǒng)(包括電動(dòng)機(jī))的空載磨損(Pd2+Po)是一定的，可以系統(tǒng)效率η來定義:
[0036]n=l-Po+Pd2/P...................................(8)
[0037]當(dāng)電梯勻速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)加速度為零，所以Pd3為0。則有
[0038](千瓦)
[0039]這就是式(1)的角速度表現(xiàn)形式。常用電梯的主機(jī)(永磁同步電機(jī))效率為80%以上(注3)，若計(jì)及曳引系統(tǒng)磨損功耗Pd2，可取曳引系統(tǒng)效率為70%。
[0040]當(dāng)電梯的加、減速運(yùn)行時(shí)需要投入加速功率Pd3，一般取20?25%計(jì)算(注3)，考慮到高速電梯的需要，現(xiàn)將此提高為40 %。在電梯的一個(gè)運(yùn)行周期中，包括啟動(dòng)、加速、勾速運(yùn)行、到站減速過程，只有前半部是電動(dòng)作功過程，后半部功耗小。
[0041 ]那么，估算水配重動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)節(jié)能可達(dá):
[0042]首先，由于式(6) (P_kPe)為零，系統(tǒng)運(yùn)行功率由Pd2和Pd3組成約占70%，尚可節(jié)約功率30% ；
[0043]在起動(dòng)、加速運(yùn)行過程中，軸功率約70%，節(jié)省了30% ；
[0044]在勻速運(yùn)行及減速?？窟^程中，軸功率僅僅用來克服曳引系統(tǒng)運(yùn)行損耗30%左右，節(jié)約了幾乎原裝機(jī)功率的70% ；
[0045]綜合計(jì)算，相對(duì)于現(xiàn)有的永磁同步無齒技術(shù)可節(jié)約功率50%，如考慮到新增電磁閥和水栗的裝機(jī)功率等，有把握節(jié)約原功率的35%以上。
[0046]不僅如此，本發(fā)明水配重曳引隨動(dòng)平衡系統(tǒng)，除了大幅度節(jié)能減排，還能有效地提高運(yùn)行速度及效率;大幅度提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性能和乘坐舒適感;大幅度地降低運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(特別是曳引繩)的磨損，進(jìn)而提高了曳引系統(tǒng)的使用壽命和可靠性。由此帶來的一系列正能量將促使電梯整機(jī)性能的良性循環(huán)，使其由原重任務(wù)工況耗能設(shè)施變?yōu)楣?jié)能減排系統(tǒng)，從而全面提升電梯的品質(zhì)性能成為現(xiàn)實(shí)。
[0047]在氣候變暖的世界性困局中，本技術(shù)提供的水配重動(dòng)態(tài)補(bǔ)償平衡載荷之低碳減排拖動(dòng)方案，將為電梯業(yè)開劈出綠色環(huán)保發(fā)展的大通道，前景十分樂觀。
[0048]
[0049]注1:電梯與自動(dòng)扶梯朱明昌等編著
[0050]注2:《中國(guó)電梯》雜志1993年第1期“試論交流雙速電梯的拖動(dòng)特性與應(yīng)用前景”易善堃
[0051]注3:高等學(xué)校教材電機(jī)及拖動(dòng)基楚顧繩武主編
[0052]注4:《中國(guó)電梯》雜志2015年第17期P29電梯用永磁同步電動(dòng)機(jī)能效等級(jí)表。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電梯配重自動(dòng)補(bǔ)償?shù)乃渲匾芬S動(dòng)平衡系統(tǒng)，其特點(diǎn)是:用流體如水作為配重，隨時(shí)跟隨轎廂負(fù)載的增加或減少，以保持曳引繩兩端隨時(shí)相等的動(dòng)態(tài)平衡。2.根據(jù)權(quán)利要求1，其特點(diǎn)是:在電梯機(jī)房和對(duì)重架中各安置一水箱，兩箱之間以柔韌水密性管路連通。3.根據(jù)權(quán)利要求1，其特點(diǎn)是:柔韌水密性管路中間接有自動(dòng)開、閉的電磁閥和抽水栗。4.根據(jù)權(quán)利要求1，其特點(diǎn)是:電磁閥和水栗的開閉是由曳引系統(tǒng)平衡狀態(tài)信號(hào)自動(dòng)控制的。5.根據(jù)權(quán)利要求1，其特點(diǎn)是:設(shè)定電機(jī)空載功率因數(shù)角θο為平衡點(diǎn)，監(jiān)控功率因數(shù)角Θ值即監(jiān)控平衡狀態(tài)，其值變化就可作為自動(dòng)控制水量的信號(hào)。6.根據(jù)權(quán)利要求1，其特點(diǎn)是:無需再要平衡的補(bǔ)償練，也無需再用來彌補(bǔ)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的多滑輪懸掛的曳引繩系統(tǒng)。
【專利摘要】本發(fā)明在電梯機(jī)房和對(duì)重架中各安置一水箱，兩箱之間以柔韌水密性管路連通，同時(shí)在水路中配以電磁閥和水泵，以曳引系統(tǒng)平衡信號(hào)自動(dòng)控制水流來實(shí)現(xiàn)電梯平衡狀態(tài)節(jié)能拖動(dòng)。它將電梯的原重載位能性負(fù)荷轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)平衡載工況，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算與評(píng)估，相對(duì)于現(xiàn)有電梯技術(shù)，其拖動(dòng)能耗可節(jié)約35%以上；而且有效地減少電梯的起、制動(dòng)沖擊。將電梯由重度耗能系統(tǒng)變?yōu)榫G色發(fā)展系統(tǒng)：它將大幅度提高電梯運(yùn)行速度與效率，大幅度提高其運(yùn)行安全性能和舒適感，提高電梯使用壽命等。由此帶來的一系列正能量將促使電梯整機(jī)性能的良性循環(huán)，全面地提升電梯的品質(zhì)性能成為現(xiàn)實(shí)。
【IPC分類】B66B17/12, B66B11/04
【公開號(hào)】CN105417332
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510929005
【發(fā)明人】易善堃
【申請(qǐng)人】易善堃
【公開日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年12月15日