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采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统研究

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：马聪

[导读] 摘要：提高了液压电梯的节能效果，提出了一种新型的节能液压电梯——配置蓄能器的变频液压电梯。

        浙江省特种设备科学研究院浙江杭州 310000
        摘要：提高了液压电梯的节能效果，提出了一种新型的节能液压电梯——配置蓄能器的变频液压电梯。首先对其系统构成和运行机理进行了讨论及分析;然后建立了系统中各个元件的数学模型，并利用MATLAB的SIMULINK仿真工具对系统上行、下行工况进行数值仿真.在不同的轿厢负载下，对该系统上行和下行的运行速度等参数进行了实验，仿真结果和实验结果相比较，二者基本吻合，论证了数学模型的正确性.通过与其他液压电梯驱动方式的节能效率进行对比，表明该系统节能效果显著，运行状况良好，适宜在液压电梯和其他垂直提升机械领域中推广应用.
        关键词：蓄能器；液压电梯；变频节能控制系统；研究
        引言
        液压电梯具有悠久的发展历史，经过几十年，液压电梯的制作工艺逐渐成熟，并成为一种相对成熟的电梯制造工艺。与传统制作电梯相比，液体电梯的布置更加灵活、井道占用面积更小，能满足多种建筑的负载传递要求。本文以此为背景，分析蓄能器的液压电梯变频节能控制系统的设计方法进行简单分析。
        一、系统工作原理
        系统结构主要包含两个独立的液压回路:一个是存储/释放能量的蓄能器回路;另一个是与标准全程变频驱动液压电梯控制系统相同的主回路.本文提出的新型节能系统思路为:通过液压泵/马达3与蓄能器8组成的压力-能量转换装置，在电梯轿厢上行过程中，为主回路电机轴提供附加动力;而在下行时，将轿厢势能和动能通过压力-能量转换装置将压力能存储在蓄能器中.至于交流电机在上/下行过程中处于电磁驱动状态还是发电制动状态，取决于负载力矩特性和电机轴系的摩擦阻力大小[1]。
        电子控制器接到上行召唤信号后，发出控制信号，蓄能器回路泵/马达3工作在“马达”工况，向电机轴提供驱动电梯上行的驱动力矩.若蓄能器提供的附加力矩大于轿厢负载力矩与摩擦力矩之和，则需要变频器提供电磁制动转矩来避免电梯上行启动冲击;否则，变频器需要提供驱动力矩来完成起动加速过程.主回路泵/马达2在“泵”工况下正方向转动，当出口压力大于负载压力时，顶开单向阀9，推动轿厢加速上行;当井道里的减速点信号触发时，电机逐渐减小驱动力矩或者增加制动转矩，直到使电机以某一较小的转速恒定时，电梯进入平层段;当轿厢接近停靠层站时，井道中的干簧开关给出停止信号，同时关闭电磁开关阀5和变频器的输出信号，电梯轿厢靠单向阀9截止，停靠在层站.在电梯上行时，若轿厢负载较重，而蓄能器回路提供的驱动力矩不足，则由电机提供附加电磁驱动转矩;电梯下行时，若轿厢负载力矩小于蓄能器回路的阻力矩与电机轴系的摩擦力矩之和，则变频器发出驱动力矩驱使电梯下行;反之，则变频器发出制动力矩.
        二、蓄能器变频驱动节能控制系统设计分析
        （一）液压动力系统设计
        1.主回路液压泵计算
        根据液压电梯轿箱额定速度V1与液压缸柱塞面积A1，计算液压系统运行过程中所需要的额定流量Q的实际数值。根据电机、马达额定转速最小值与主回路泵容积效率Np，计算主回路液压泵/马达排量q的计算公式。

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        （二）蓄能器回路补油电机计算
        根据液压系统运作原理，不考虑蓄能器回路补油装置泵要素，选择当前市场的普通元件，以满足基本流量运行要求。导致蓄能器回路补油的主要原因是：
        1.柱塞泵/马达可逆元件出现内泄漏情况，液压电梯多个行程工作程序循环出现故障，蓄能器中的油液体积减少，且经过长期运行后，蓄能器的压力降低。
        2.由于单向阀的内泄漏情况无法避免，因此蓄能器的压力也会长期处在下降的状态中[2]。
        由上文分析可发现，内泄漏属于一个缓慢的过程，因此本文忽略蓄能器压力变化情况，设其长期处于一个等温环境，
        （三）电梯运行速度的曲线分析
        电梯速度控制是电梯系统研究中的重要组成部分，设计人员需要根据人体的生理需要，控制电梯下降、上升速度，满足人体在乘坐电梯过程中的舒适感需求。在传统研究中，抛物线-直线法是一种常见的研究方法，能有效体现人体乘坐舒适度、电梯运行成本等因素。
        现阶段，液压电梯对速度的要求度较低，对速度曲线的精度要求不明显，基本上不需要区分多种运行速度的曲线分布方式。瑞士柏林格公司根据液压电梯的这一特点，采用两种不同表达方式的曲线方式，从理论上分析了检修工况对液压电梯的影响，为开展多方面电梯系统研制提供理论素材。在电梯速度数字微处理控制的大背景下，设计人员更应该从平层精度、电梯运行效率等几方面分析系统设计的可行性，也能收到较好的系统设计效果。
        （四）集成阀块设计
        1.主回路安全阀设计：采用限制液压泵在标准工况下的最大允许压力的方式。在正常系统中，由于变频器过载保护能力强，当某些数据超过系统压力值后，变频器会自动切断保护电源并保护电机。因此本文认为，在该系统中不设置安全阀的想法是可行的。但在该系统中，由于提供动力的路径主要有两条，分别为电动机与蓄能器回路，这一现象会导致主回路液压泵出口端压力由于某种故障而急剧上升，综上所述，在不考虑设计成本的背景下，应该在主回路中设置安全阀。
        2.液控单向阀设计：夜空单向阀是液压电梯变频系统中的就核心元件，是系统平稳运行的关键。其中，在主回路液控系统单向阀中，设置两个液控单向阀。单向阀1作为夜空单向阀的先导级，控制单向阀2，形成了由两个单向阀相互作用的先导结构。在这个系统中，通过合理配置B型半桥中液阻，可实现对开关性能的控制；在标准情况下，主阀与先导阀均为锥阀结构，保证系统密封性好，从而避免电梯沉降特性大于标准值[3]。
        三、结束语
        综上所述，对本系统进行了实验研究，轿厢速度运行平稳.与其他驱动方式节能效果的对比表明，本系统节能效果显著，适宜在液压电梯和其他垂直提升机械中推广应用。设计人员而言，在设计控制系统的过程中，必须要将人性化设计作为设计的重点，通过提高电梯舒适度，加深人们对电梯设计的认可程度，进一步凸显电梯设计的实用性价值。
        参考文献
        [1]刘贺.带蓄能器的液压电梯节能控制系统的研究[D].浙江大学,2004.
        [2]林建杰,徐兵,杨华勇.配置蓄能器的变频驱动液压电梯能耗特性研究[J].机械工程学报,2003(07):63-67.
        [3]马卡龙,杨华勇,冉隆林.采用蓄能器的新型液压电梯节电控制系统[C]//全国流体动力及控制工程学术会议.2000.