电梯驱动方式及节能发展

夏维钢

电梯的能耗随着世界节能思潮的发展和技术的进步也在不断降低。经历了由直流电机调压调速、异步电机交流双速、星三角转换、晶体管变频、能量反馈变频等。一个半世纪的风风雨雨，翻天覆地的是历史的变迁，永恒不变的是电梯提升现代人生活质量的承诺。

2010年由于变频器技术发展，通力等各大厂商开始在中国市场大量推出应用型能量反馈系统的变频电梯，综合节约能耗30%左右，应用于2M/S速度及以上的住宅电梯上。

电梯自从出现一拉改变着人类的生活，为人类住房向楼房发展提供方便，也为楼层刷新新高度提供保障，电梯的效率也不断提高，能耗不断降低。

（1）直流驱动在人类刚刚掌握电力的时代就出现了电梯，当时交流电因不便调速还没有大规模应用，直流电是当时的主流，直流电机运用电流产生磁场，与固定磁场产生作用力把电能换成机械能

通过手动控制正反转，线圈励磁调压调速，

但其缺点也很明显，电动机庞大重量大，调压设施和励磁线圈占据较大空间，机房面积大，电机有碳刷换向故障率高，换向产生电火花导致烧蚀效率下降等等。其铜耗铁耗大略如下图曲线，随功率增加升高发热量增大。

随着楼层增加，居民用电梯的需求量加大，对可靠性和经济性提出更高要求，直流电机驱动渐渐显现其劣势。这时随着交流电的应用，异步鼠龙电机普及，其低故障率、体积小重量轻，方便运输的优势被用于电梯驱动，大大方便了运输和安装。替代了笨重的直流电机成为电梯的驱动动力。

（2）交流单速驱动方式：交流电机其结构简单，维修方便，重量轻故障率低，启动力矩大。易变压输电等优点但受技术限制，固定频率下不易调速，首先出现的是单速驱动。

（3）直流驱动：受到其结构限制，启动启动电流大、力矩大，转速高有冲击，对电网有影响，也有一定的无功功率， 且只能做成交流单速运行，相比直流电机调压调速对舒适感有一定差距，但早期电梯，且普遍采用蜗轮蜗杆传动减速比大，电梯速度小则劣势不明显。去控制电路如图

异步电机的效率随着负荷增加而增加，电机效率在80%到95%之间。

（4）交流双速在异步电机普及后，很快出现了三项之间不同接法引起的不同功率模式，即星三角模式，其相互转换就促成了最早的交流双速电梯，速度的变换让舒适感更好，也在启动和运行时采用高低功率切换模式，双速相对于单速是在电机上加了一个星三角转换接口，增加了一路控制回路。

星三角转换的驱动方式简单可靠性好，故障率低，负荷大，适用于低速电梯，在很多要求不高的载货电梯中目前任然有使用。在不同工况下用不同的功率，适当降低了能耗

（5）交流永磁同步变频调速：永磁同步电机天生有结构优势，其简单，铜耗铁耗更低，永磁体替代了转子的电磁铁和异步电机的大感应电流环，还可以在重载时延缓坠落速度，是电梯驱动的最优动力。

大功率永磁同步电机的出现要在稀土的提炼运用后，掺杂了稀土的永磁体磁强度大幅提高，耐熱耐冲击，磁性稳定持久，很适合作为转子。同时永磁同步不存在转差率，同步电机转子速度可以精确控制，变频器的技术大量普及可以精确控制电机频率，一切为无齿轮电梯曳引机提供了条件。

90年代芬兰通力推出蝶式永磁同步马达，将转子做成曳引轮，省去了蜗轮蜗杆的传动磨损，将驱动方式变得更加简洁低碳，大的截面利于散热，马达的扁平化让空间利用率大大提高，96 年推出了无机房和小机房电梯，马达的重量减轻了50%，，节约了高层建筑的结构和顶层设计。

在此之前出现的晶体管可控硅技术（变频器）为交流变压变频提供足够的技术支持。变频器一出现就很快从输变电普及到工控领域。使得普通的交流电机的工况范围加大，不仅可以拥有直流电机一样的调节启动停止速度和加速度，还可以超频或者低频工作，电动机功率密度得到提高，电机小型化。对电网的污染也可以得到控制。

（6）交流永磁同步变频调速为高层住宅提供了简单可靠价格低廉的解决方案，异步电机逐步向高速电梯发展。有相关统计，相比传统的驱动方式，永磁同步变频变压电梯驱动对整栋建筑节约了20～30%的总体能耗。

交流永磁同步变频调速：随着技术发展，低碳环保的意识在提高，用户对节能环保提出更高的要求，进一步降低电梯的能耗势在必行。

在一栋写字楼，中高速电梯每年消耗的能源占整栋建筑的30%左右，巨大的能源消耗也是巨大的运营费用，同时永磁同步电机在重载下行时的特性能够产生电能，在以前这部分电能被白白消耗掉，增加了散热成本。所以就催生了新一种变频器的运用，能量反馈变频器。

其结构就是在普通变频器的基础之上增加了一组工频逆变器，把永磁同步电机产生的电能反馈到电网，以供给整栋建筑的使用，据统计能量反馈变频驱动最大可节约总耗电的30%。为客户节约了大量电能回顾电梯的发展，经历了从高能耗到低碳环保的发展历程。从第一代的直流电梯到现在的能量反馈电梯，技术的进步、对低能耗的追求一直贯彻始终。

展望下一代电梯，出现了一些新理念，比如迪拜哈利法塔的直线垂直无钢丝提升，省去了传动环节的摩擦损失，通力的碳纤维提升，大幅降低了传统钢丝重量降低能耗，德国的电梯无衔接到户改变了未来大楼的设计，使得建筑变得如同巨型图书馆的三维交通运输系统，中国福建出现的电梯中高层之间的同井道内转乘，增加了电梯的利用率。等等。

从世界第一台蒸汽动力提升机（还不能叫做电梯）到现在变频反馈驱动经过了一百多年，三次工业革命也不短应用到电梯的技术，电梯也越来越轻便化小型化智能化，但是对能源的需求并未本质变化，未来可预见的时间也不会有革命性变化。其发展方向也会跟随时代向人工智能，物联网，声音人机交互，多元化的轿厢内部环境。当然其在节能化的方式也会继续发展，符合时代潮流。