基于动态测量的曳引电梯能耗仿真模型

符雁斌， 荀 倩， 荀博洋， 薄利龙， 龚文佳

(1.湖州师范学院 工学院， 浙江 湖州 313000; 2.内蒙古农业大学 机电工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010018； 3.安川双菱电梯有限公司， 浙江 湖州 313000)



基于动态测量的曳引电梯能耗仿真模型

符雁斌1， 荀 倩1， 荀博洋2， 薄利龙3， 龚文佳1

(1.湖州师范学院 工学院， 浙江 湖州 313000; 2.内蒙古农业大学 机电工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010018； 3.安川双菱电梯有限公司， 浙江 湖州 313000)

通过对不同载荷时的电梯能耗进行动态测量，结合曳引系统和驱动系统的能耗模型，建立电梯输出功率和驱动系统输入功率的动态模型，进而建立永磁同步电机(PMSM)驱动的曳引电梯运行能耗仿真模型，最后利用Matlab/Simulink软件搭建能耗模型.仿真结果表明，不同负载工况下，该能耗模型可以反映实测能耗，验证了能耗模型的有效性.

不同载荷； 曳引系统； 驱动系统； 动态模型； 运行能耗

随着我国经济实力的快速增长，城市化、乡镇化建设步伐持续加快，电力资源供需矛盾日益突出，而短缺的能源供应制约着国民经济的发展，节能减排已成为国家战略的重要组成部分[1].在我国每年的能源消耗中，建筑能耗约占我国社会总能耗的30%，已成为我国社会的第一能耗.因此，降低建筑能耗对实现节能降耗、打造低碳经济社会有重要贡献.空调、照明、办公设备、电梯等设备能耗是整个建筑能耗的主要组成部分[2-3].就电梯而言，其在使用过程中所消耗的能量占整个建筑能耗的5%～ 15%，在整个社会能耗中占有相当大的比例，因此其能耗状况已成为社会各界关注的主要问题之一.

目前，国内外对电梯能耗的评估方法主要有测量法[4]、计算法[5]和模型法[6].测量法可以比较不同类型的驱动电梯运行一定距离的能耗，但被测电梯的载荷固定，额定速度范围有限；计算法[7]是根据电梯的驱动形式、额定参数和使用情况大致估算其能耗，但不能动态计算电梯各种状态下的功耗变化；模型法主要采用Elevate商业软件中的能耗模型[8]，但该模型在不同载荷下的电梯效率有较大误差，难以推广应用.

本文从曳引电梯的工作特性出发，采用理论分析和现场动态测量相结合的方法，建立曳引电梯的动态能耗模型，对电梯在各状态下的能耗进行仿真分析，基于动态测量的仿真模型可准确地反映电梯的能耗，验证动态模型的有效性.

1 电梯的工作特性及能耗分析

1.1 电梯的工作特性

超级电容储能的节能型曳引电梯结构如图1所示，主要由电网电源、整流桥、逆变器、曳引机、轿厢、对重及超级电容储能系统组成.当电梯处于重载下行、轻载上行或减速、制动停车等情况时，曳引机处于再生发电状态，能量经逆变器变换为直流形式的电能，再经过DC/DC双向直流变换器存储在超级电容器组内，超级电容器中储存的电能一方面能够在电梯运行于耗电状态下再经DC/DC双向变换器转换给曳引机供电，另一方面通过应急电源(emergency power supply，EPS)转换给电梯辅助系统提供电能.DC/DC双向变换器、超级电容器组SC与应急电源EPS共同构成超级电容储能系统，其与逆变器配合使用，实现电梯再生能量的回收与再利用.

1.2 电梯能耗分析

电梯曳引系统是一个集动力学和电磁学于一身的强耦合、非线性系统，对电梯能耗测量建模时，不仅要考虑曳引系统中各运动部件的动力学特性，还要考虑驱动电机的电磁转换原理.因此，电梯在运行过程中的能耗由其自身的能耗特性、调度策略和客流状况等决定.本文研究的曳引电梯能耗模型主要针对其自身的能耗特性.如图1所示，电梯的能耗部件有变频驱动系统、曳引系统、控制显示部分、通风照明系统、门机系统等，而变频驱动系统和曳引系统的能耗是电梯能耗的主要组成部分.

电梯的能耗特性受驱动形式、运动控制参数、机械结构配置、安装、维保等因素的影响，同时与其工作状态密切相关.一般情况下，电梯处于休眠、待机和运行状态中的任何一个，而电梯在休眠、待机和开关门状态时，能耗相对稳定.因此，本文主要讨论电梯在运动阶段的能耗模型.

2 曳引电梯系统能耗建模及分析

整个曳引电梯能耗计算模型的基本建模思路如图2所示.

电梯曳引系统的动力学(机械)模型与驱动电机的电磁学模型相互耦合、相互联系.电梯正常运行时的总功率P为电机输入功率Pin、开关门功率Pd(仅在开关门动作时)以及电梯空载功率Pk之和，即

(1)

2.1 曳引系统能耗建模

由曳引系统的机械配置可以得到轿厢负载与其运动状态和驱动系统输出功率之间的方程，即

(2)

式中：Pout为驱动系统输出功率；mQ为轿厢负载；v为轿厢速度；∑fi为外界阻力.

根据图1可得曳引系统的能耗方程：

(3)

式中：T为曳引机的输出转矩；ωm、ηm分别为曳引轮的角速度和效率；ηs为从动轮的效率；Jm为曳引轮的转动惯量；Jd、ωd分别为导向轮的转动惯量和角速度；Jp、ωp分别为轿厢反绳轮转动惯量和角速度；JG、ωG分别为对重反绳轮转动惯量和角速度；a、Rm分别为轿厢加速度和曳引轮半径；mp、mQ分别为轿厢和负载的质量；mG、mb1、mb2、md分别为对重、对重侧补偿装置、轿厢侧补偿装置和随行电缆的质量；my1、my2分别为轿厢侧运动钢丝绳、对重侧运动钢丝绳的质量；g为重力加速度；fp、fG、fair分别为轿厢、对重侧导轨和轿厢空气的阻力.

当曳引系统的曳引比、动轮数目等结构形式变化时，由(3)式可推导出更一般的能耗方程：

(4)

驱动系统输出功率可表示为：

(5)

式中：Pout为驱动系统输出的电功率.

根据(1)式、(4)式、(5)式可得电梯输出功率的动态模型.

2.2 驱动系统能耗建模

根据具体驱动系统的类型，建立驱动系统输出转矩、输出转速和驱动系统输入电功率之间的函数关系，即

(6)

式中：Pin为驱动系统输入的电功率.

(7)

式中：当T·ωi≥0时，曳引机为电动状态，αij为最小二乘法拟合时代数多项式的系数；当T·ωi<0时，曳引机为发电状态，βij为最小二乘法拟合时代数多项式的系数.

(8)

(9)

由动态测量的能耗数据可得曳引系统的动态参数T、Pout与驱动系统的动态参数Pin、T.将上述数据带入(8)式、(9)式可以求得(7)式中的多项式系数αij和βij，因此可得(3)式的近似拟合表达式，从而可得主驱动系统的效率函数.

当曳引机处于电动状态时，效率函数为：

(10)

当曳引机处于发电状态时，效率函数为：

(11)

2.3 曳引电梯能耗模型

永磁同步电机驱动的曳引电梯的运行能耗计算模型如图3所示.根据电梯的起始楼层和目的楼层确定电梯被提升的高度进而确定电梯的运行时间及其他参数；根据电梯结构参数、配置参数和载荷参数确定曳引电机的负载转矩，建立电梯的曳引系统模型；根据(1)式确定电梯运行的总功率可得电梯的运行总能耗.

3 性能测试

为验证曳引电梯系统能耗模型的有效性，搭建Matlab/Simulink仿真模型.节能型曳引电梯的参数配置如表1所示.

表1 节能型曳引电梯参数配置

图4、图5、图6分别为电梯在20%、60%、80%额定载荷下，从17楼运行至1楼的能耗曲线；图7为电梯分别在0%、20%、40%、50%、80%、100%额定载荷下，实测能耗与仿真能耗曲线及误差曲线.

由此可见，当电梯载荷接近测量载荷或重载时，实际测量的能耗曲线与仿真能耗曲线较为接近，仿真值与测量值之间误差较小；当电梯运行于平衡载荷附近时，由于曳引系统参数值的微小变化带来的误差较大，仿真能耗曲线误差也较大.整体而言，仿真结果误差均控制在5%以内，表明建立的基于动态测量的曳引电梯能耗模型准确，建模方法可行.

4 结 论

本文建立了基于动态测量的超级电容储能的节能型曳引电梯的能耗模型.仿真结果表明，在不同负载工况下，仿真能耗与实测能耗具有较小误差，说明该能耗模型可以反映电梯在实际运行中的能耗，对电梯能效评价研究具有重要的指导意义.

[1]李治，张思雨，周炀，等.基于贝叶斯算法电梯运行效率的研究[J].吉林大学学报(信息科学版)，2017，35(1)：57-62.

[2]朗曼，李国勇，徐晨晨.电梯群控系统的节能调度优化仿真[J].计算机仿真，2017，34(2)：375-379.

[3]林尧，郑祥盘，陈洁，等.电梯用节能装置与测试平台的研究[J].机械制造与自动化，2016，45(1)：202-204.

[4]王月仙.动车组牵引能耗仿真计算研究[J].铁道机车车辆，2016，36(5)：33-39.

[5]马海霞，李中兴，刘英杰，等.曳引式电梯节能检测方法及装置研究[J].科学技术与工程，2016，16(32)：247-252，262.

[6]张茜，王智伟，闫增峰，等.一种地下水源热泵机组的能耗计算模型[J].建筑热能通风空调，2016，35(7)：18-21，67.

[7]李屹，张慧慧.基于神经网络技术的电梯动态智能检测系统[J].北京工业大学学报，2010，36(4)：440-444.

[8]黄尚国，程传成.基于能量回收型液压系统的能耗计算[J].机电产品开发与创新，2013，26(2)：58-60.

[责任编辑 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

湖州市公益性技术应用研究计划项目(2015GZ05);湖州师范学院“大学生创新创业训练计划”项目(2016-137).

荀倩，硕士，研究方向：电力电子与电力传动.E-mail：xunq520@hotmail.com.

TM464

A

1009-1734(2017)04-0032-06