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一种利用变频器补偿绿色液压电梯的负载温度的方法

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图 1. (a) 标准闭环控制解决方案 (b) Blain 的 EV4 开环控制解决方案
该论文发表于 电梯 美国 2012 年,国际垂直运输技术大会,并首次发表在 IAEE 书籍 Elevator Technology 19,由 A. Lustig 编辑。 经国际电梯工程师协会许可转载 伊利 (网站: www.elevcon.com)。 本文为精确转载,未经 ELEVATOR WORLD 编辑。
关键词:液压升降机,变频器,负载补偿,能效

抽象

在液压升降机中使用逆变器降低了能耗,允许使用更小的电机尺寸,并为频繁使用的升降机提供良好的行驶性能。 尽管电梯行业的总体趋势是使用能量需求较低的电梯,但使用带逆变器的液压电梯还没有找到足够的吸引力。 这是因为现有的解决方案通常要求更高、成本更高,并且维护需要高水平的专业知识。 要使节能解决方案具有吸引力,就必须有一个更好的解决方案,即紧凑、易于实施且成本低廉,以与传统液压升降系统的优势相竞争。

当逆变器与液压动力装置一起使用时,无论负载和温度如何变化,都必须进行准确的速度调节。 螺杆泵广泛用于液压提升动力装置。 螺杆泵的泄漏量随油温和汽车负荷(压力)变化很大。 通过使用逆变器,泵输出的流量刚好满足瞬时速度要求。 当泵泄漏因更高的负载和/或油温而增加时,汽车速度会降低,从而导致更长的行驶时间和乘坐不舒服。 因此,应根据负载和油温调节泵流量,以确保目标速度和良好的行驶质量。

在本文中,液压升降机的经济效率得到了强调,并引入了一种新的无传感器负载补偿解决方案,以确保在所有负载条件下的目标速度。 该解决方案基本上由一个价格低廉的控制阀和带有复杂液压软件模块的逆变器组成。 新的解决方案不需要控制阀和逆变器之间的接口,如压力/负载传感器、流量计或电子板等,采用开环控制,无论负载情况如何,都能提供精确的速度调节。 该解决方案还提供了一种额外的节能模式,通过确保最短的行程时间,电梯的速度根据负载情况而变化。 所有这些优势不仅使该解决方案成为一种节能解决方案,而且也是一种经济高效的解决方案。 本文详细介绍了在控制阀和高级逆变器软件的开发中所使用的思想和实现的功能。

1. 简介

全球变暖和环境污染问题是说服制造商生产节能产品的驱动力。 由于电梯系统能源的最佳利用也成为电梯行业的主要问题之一。 该领域最有效的发展是使用带有永磁同步机 (PMS) 的逆变器来控制电梯速度。 这项开发也被称为“新技术或最新技术”,大大降低了运营能耗。 PMS 机器尺寸和重量的显着减小及其独特的动态特性也使工程师能够建造无机房电梯 (MRL)。 随着 MRL 的引入,牵引电梯可以安装在低层建筑中。 关注能源消耗问题并将其用作营销工具,MRL 装置已设法在市场上获得增长趋势。 因此,据说全球范围内液压升降装置的安装量减少了 40%。

“新技术”体现为它始终提供最节能的解决方案,非常适合各种安装,并且能源始终可以再生并排放到电网中。 然而,现有“新技术”的上述好处并不显着,主要是在将其用于低使用率电梯时导致更高的能源消耗(Almeida,2010)(大约 80% 的电梯装置属于这一类),其中,新技术的投资在电梯的使用寿命内可能永远无法收回(Celik,2009 年)。 这是因为逆变器及其外围设备成本高昂,并且即使在电梯处于待机状态时也需要能量才能运行(Nipkow,2005)。

另一方面,预计未来驱动技术的发展,如矩阵转换器,将大幅降低或消除待机能耗,市场竞争将明显降低逆变器价格。 在这方面,简单、廉价、易于维护、提供高兼容性和低待机消耗的合适解决方案有望在未来几年得到广泛应用。

2、变频驱动在液压升降机上的应用

液压升降机主要用于低层建筑。 首选液压升降机的原因是因为它们具有无与伦比的特性,例如无故障运行时间、初始成本低、安装简单且具有成本效益以及乘坐质量高。 液压升降机在安全方面也有最好的记录,当涉及到因陷阱和地震等自然灾害而进行的救援行动时。 它们也因其相对较低的维修成本而闻名。

面对更具挑战性的市场,液压升降机制造商也在其设计中优先考虑节能因素。 采用逆变器驱动的节能动力装置,即所谓的新一代动力装置,早在很久以前就已投放市场。 然而,对新一代发电机组的利用还没有找到足够的吸引力。 这是因为在专注于营销问题以获得最先进的解决方案的同时,在许多情况下,液压升降机的优势特性被忽略了。 通过这样做,液压升降机的实用、可靠和安全成分已被保留,而更苛刻、不切实际和昂贵的解决方案已被引入。

由于未能正确解决新一代动力装置的主要目标,解决方案要么变得如此原始,要么变得相当复杂和昂贵。 在许多情况下,带有逆变器驱动器的传统功率单元被视为最先进的技术。 事实上,简单地增加一个逆变器并不一定能达到节能效果。 这是因为在速度转换(旁通、加速、减速和调平阶段)期间,几乎使用了全泵流量并且油被旁通到油箱,这会增加能源消耗并产生大量热量(Brunelli,2011)。 此外,在不证明其 95% 效率的情况下使用逆变器只会增加能源费用。

或者,存在要求更高且成本更高的解决方案 (Sedrak, 1999),除了逆变器之外,还需要额外的组件,如压力和温度传感器、流量计、编码器、电子控制卡等。在这些解决方案中,逆变器主要用于上行和在独家逆变器软件的帮助下向下指示。 这种系统的应用,无论它们提供多么好的乘坐质量以及它们对油温的改变多么小,通常都无法满足真正的市场需求; 不必要地延长还款时间(超过翻新期)、难以找到称职的技术人员以及增加的服务需求都是显而易见的。

3. 新一代控制阀的要求

充分理解新一代控制阀的要求以满足市场预期非常重要。 这些是:-

高使用率:

降低待机能耗,获得最大效益。 实际上,所谓的绿色电梯控制器包括睡眠模式,在该模式下,冷却风扇在一定的休息时间后关闭。 对于更长的休息时间,逆变器也可以关闭,但在这种情况下,逆变器生命周期持续时间的恶化应该是合理的。 事实上,一个设计良好的逆变器与绿色电梯控制器一起可以使用大约 20 年,尽管逆变器在 20 分钟的休息时间后关闭,对于 100 次/天的电梯。 这还可以将待机消耗减少多达 50%。

低价位:

有相当短的回报期并满足市场预期。 目前,逆变器、控制阀和传感系统使新一代液压解决方案的价格居高不下。 特别是逆变器的价格比传统控制阀高出 2 到 4 倍。 因此,合适的解决方案应该证明使用带有廉价控制阀和简化系统设计的逆变器是合理的。

最少接口/组件数量:

以确保简单性、可靠性、易于维护、低成本,并消除对高素质技术人员的需求。

高兼容性:

可轻松安装在所有现有的电梯控制器和电源组上,以满足翻新需求。

独家软件:

以确保易用性、安全性、良好的乘坐质量和低能耗。

新一代阀门的最佳性能需要专用的逆变器软件。 除了标准的行驶控制程序(闭环或开环)和用于获得良好行驶质量的附加功能外,软件还应包括一些补偿程序,以消除因汽车负载和油温变化而引起的泵性能变化。

4. Blain EV4 新一代控制阀

有很多方法可以将控制阀与逆变器接合以获得新一代阀门。 最重要的问题是如何以良好的乘坐质量满足廉价且简单的解决方案。 图 1(a) 显示了一些新一代应用程序。 在这里,带有电子阀(需要流量计和电子卡)或机电阀(需要潜水编码器和接口电子设备)的闭环控制解决方案大大增加了系统成本。 压力或/和温度传感器的存在可能会进一步影响系统的简单性。 就能源效率和初始投资而言,此类系统的应用仅适用于使用率非常高的电梯(超过 700 次/天)。

了解市场需求并评估新一代动力装置真正必要的要求,布莱恩液压开发了新一代控制阀EV4,满足上述要求,如图1(b)所示。 Blain 的 EV4 是 Blain 的 EV100 机电阀的简化版本,它本质上提供了与机电阀相同的有利特性。 它被设计为使用 Yaskawa 逆变器进行上行,而下行则通过机电方式进行管理。 EV4 没有与其外围设备的接口,并且不需要传感器来进行负载补偿。 由于上升行程由 Yaskawa 逆变器控制,因此取消了阀门上的上升电磁阀和调整,并取消了旁路过渡阶段,这大大简化了阀门和系统设置。 为了降低初始成本并进一步简化系统要求,安川逆变器实现了卓越的开环控制。 因此,不再需要昂贵的潜水编码器。 系统的真正优势来自于独家逆变器软件,它简化了系统的使用并提供了出色的行驶特性。 该软件旨在感应负载条件,以便对电机输出进行必要的补偿。 该软件还足够智能,可以在必要时修改过渡时间,以确保良好的乘坐质量。 此外,安川逆变器可以选择性地用于下行,以控制下行速度并提高乘坐质量,而无需对 EV4 阀门进行任何修改。 为了实现精确的负载补偿并考虑油温变化的影响,系统中还包括一个廉价的温度传感器。 完整的解决方案价格低廉,可以轻松应用于所有液压升降机,基本上是通过在现有系统中添加 EV4 阀和安川逆变器。 可选地,轿厢可以以恒定速度模式运行,其中电梯速度保持恒定,或者以节能模式(最大速度模式)运行,其中轿厢速度根据轿厢中的负载而降低(塞利克,2008 年)。 节能模式可以允许使用较小的电机尺寸并且可以导致较低的能量消耗。

此外,EV4 阀门包含 Blain Hydraulics 最新开发的 GREEN 60 电磁线圈,可降低能耗并提高阀门效率,并为用户提供电源电压灵活性。

5. 方法的应用

新一代 EV4 阀是机电式的,它的设计目的是让逆变器控制上行程的完整速度调节。 通过这种方式,通过安川逆变器调节电机速度,只向阀门提供必要的流量,从而确保整个行程的乘坐质量。 因此,在上行过程中消耗的能量更少,从而提高了系统的效率并减少了油加热。 使用逆变器还降低了电机启动电流和电能表的体积。

另一方面,轿厢负荷和油温对螺杆泵的泄漏影响很大,可能导致电梯的速度和总行程时间发生剧烈变化。 这如图 2 所示。 在某些情况下,当油温或/和轿厢负载很高时,在平层阶段泵的速度可能无法提供正流量,并且由于泵泄漏量大,升程静止(零速度),这是由图 2 中的虚线和虚线表示。因此,合适的解决方案应允许通过调整泵的速度来补偿泵泄漏。

5.1. 初始设置

为了提出一种简化且廉价的解决方案,使用了 Yaskawa V1000 逆变器,该逆变器还包含计算、内存和监控模块。 安川逆变器的独家软件为用户提供强大的菜单选项,以简化设置过程。 在设置过程的最初阶段,用户从列表中选择油类型。 随着选择的进行,必要的粘度和温度参数被分配给寄存器。

在第二阶段,用户根据扬程的工作压力范围输入泵的性能数据。 这些数据很容易从泵制造商处获得。 在这个阶段,电梯的全速、平层、检查和二级全速也以米/秒为单位输入。 然后逆变器读取当前温度(Temp2) 和工艺油和泵性能数据,以获得全速、调平、检查和二级全速的电机速度(参考频率)(以 Hz 为单位)。 此外,温度控制增益(Gain温度) 和空载轿厢压力的泄漏参考频率也计算在内。 为简单起见,以下参数给出:

A-Load-&-Temperature-Compensation-Method-Equation-1
(1)

其中,fk 的网络i 分别以Hz和输入数据表示计算出的参考频率。 该软件还允许用户手动输入这些变量,以防数据不可用或泵老化磨损。

5.2. 汽车负载和油温补偿

为了感应汽车负载和调节电机速度,重新设计了标准的安川逆变器软件,包括一些补偿程序。 逆变器可以监控逆变器内部参数中的至少一个,例如输出电流、扭矩产生电流或内部扭矩参考,并通过温度传感器持续测量油温。 受监控的参数(在大多数情况下是内部扭矩)然后与预设参考值进行比较,以确定电梯的负载状况。

为了精确地获得参考值和必要的控制增益,安川软件配备了教学模式选项以及操作模式。 最初将模式设置为“示教”后,将使用空车执行探测(示教)运行以读取(也称为捕获)并注册参考参数。 这在图 3 中显示,其中捕获全速和调平速度扭矩参考的位置,T2full 和T2整平 分别显示。 知道 T2full 和T2整平 转矩给定参数及其对应的速度,其他 T2j 扭矩参考,二级全速和检测速度可以用插值计算。

图 4 显示了电梯速度相对于空车和载车速度的推导。 这里,T1 和T2 是分别在加载和空车探针运行时捕获的扭矩参考。 从图 4,速度 nx 对于 T 的捕获扭矩x 可以写成:-

A-Load-&-Temperature-Compensation-Method-Equation-2
(2)

其中,g:常数,Tx :捕获扭矩,T2 :在参考温度下运行的空车探头捕获的扭矩参考温度 Temp2, A-负载-&-温度-补偿-方法-方程-a :测量速度的差异, A-负载-&-温度-补偿-方法-方程-b :捕获的扭矩参考的差异。 因此, A-Load-&-Temperature-Compensation-Method-Equation-c , n2这是速度损失的百分比,可以简化为:-

A-Load-&-Temperature-Compensation-Method-Equation-3
(3)
A-Load-&-Temperature-Compensation-Method-Equation-4
(4)

因此,新的参考频率可以计算为:-

A-Load-&-Temperature-Compensation-Method-Equation-5
(5)
A-Load-&-Temperature-Compensation-Method-Equation-6
(6)

I 是一个特殊的函数,它解释了系统流动阻力随油温变化的变化。 然后用加载的汽车重复在示教模式下运行的第二个探针以获得另外两个扭矩参考参数,用于计算扭矩增益增益扭矩 在方程 (4) 中。 类似地,温度计算可以推导如下;

A-Load-&-Temperature-Compensation-Method-Equation-7
(7)

其中,q:一个常数,温度x :捕获的油温,Temp2 : 油温参考。 负载和油温补偿的结果方程可由下式给出:

A-Load-&-Temperature-Compensation-Method-Equation-8
(8)

其中,j 表示满载、二次满载、检查或校平速度的参考频率,f水平 是平层速度的参考频率。 在式(8)中初速频率fj (即,f,女插件,女 等)和参考频率(T2fullŤ2英寸Ť2sec等)根据全速选择进行修改。 在操作模式下,T2 和温度2 保持不变,但 Tx 和温度x 为每次运行读取(捕获)以重新计算实际负载和油温条件下的参考频率。 在图 5 中,显示了扭矩(负载)和温度补偿的应用。

5.3. 降速补偿

当机电阀用于下行时,汽车的速度随着油温和系统压力(汽车负载)的增加而增加。 当工作压力范围大时,这可能会导致急加速和急减速,以及急停。 总行程时间也会因速度和调平持续时间的变化而变化。 这在图 6 中进行了描述。

一些新一代阀门也可用于下行程。 其中,当泵/电机轴在油柱的液压作用下反向旋转时,逆变器控制轴旋转以调节下行速度。 在这里,系统产生的能量被燃烧到一个电阻器中,从而防止液压油进一步加热。 然而,这种解决方案使控制阀设计复杂化并增加了系统成本。 只能通过防止系统使用油冷却器以及提供更平稳的乘坐质量来证明使用率高的升降机是合理的。

安川逆变器软件为中低使用量的电梯引入了一种廉价、更简单、更容易控制行驶质量的方法。 其中,为了控制向下的速度变化,当汽车负载和油温过高时会产生受控的向上流动。 这意味着,当电梯因自身重量下降并将流体通过阀门推入罐中时,泵可用于向上流动以调节向下流速,即下降速度。

安川变频器软件提供下行速度补偿作为选项,其应用方式与上行补偿类似。 在向下加速期间,捕获电机扭矩 (Tx_down) 并与加速斜坡时间一起确定斜坡,以提供平稳加速和恒定速度。 在图 6 中,还显示了下行期间的轿厢负载补偿。
点划线显示了在载重汽车或/和高油温下不受控制的向下行驶。 补偿只能在加速和减速阶段应用,用虚线表示(节能模式),或在完整行驶期间应用,用实线表示(恒速模式)。

5.4. 减速时间补偿

当全速修改为较低的速度然后平层行驶时间时,L 可能会发生很大变化并造成不舒服的乘坐体验。 这可能发生在例如“恒定速度模式”时发生,当例如,选择次级全速而不是正常的全速或以“最大速度模式”(节能模式)为处于“节能模式”(节能模式),因为升降速度随着轿厢负载而改变。 在图 7 中,L 和 L' 分别用实线和虚线表示正常和修改行程的平层持续时间。 这里,L'的整平持续时间变得相当长。 为了防止这种不便并具有固定的平层时间,修改后的行程的平层持续时间和/或减速路径被改变。

5.5. 出行方式

在恒速模式下,通过应用上述轿厢负载和油温补偿,使电梯速度保持恒定。 在节能模式(也称为最大速度模式)下,电梯的速度会根据轿厢负载进行调整。 其中,轿厢负载和油温补偿通常用于平层速度,但全速受预设限制扭矩值 T 限制x_limit. 这如图8所示。当运行期间测得的扭矩参数超过限制扭矩时,Tx_limit (图 1 中的点(8))则参考频率取输出频率值,直到全速运行结束。 这由图 2 中的点 (8) 表示。这样,当轿厢负载过大时,不会超过最大允许电机扭矩。 相反,当轿厢负载较低时,电梯可以接近最大速度行驶。 在节能模式下,还会为每次运行重新计算减速路径/时间,以确保固定调平时间。

5.6. 提高乘坐质量的附加程序

图 9 显示了 Yaskawa 逆变器软件的一些附加属性。 引入这些基本上是为了确保高乘坐质量。 所有程序的设计都具有足够的灵活性,可供不同类型的控制阀使用。 其中一些是:-

开始驻留: 一种特殊的软启动程序,由泄漏频率 Q1 和斜坡频率 Q2 以及斜坡时间 Q3 和 Q4 定义,可实现平稳快速的起飞。

停止停留: 为确保平层持续时间短、平稳准确停止,安川逆变器软件实现了完全补偿的 Q6 驻留(泄漏)频率。

调平持续时间检查: 为了提供更好的乘坐质量,同时将之前的平层运行持续时间与当前进行比较,并在必要时采取纠正措施。

漫长的等待时间: 测量两次连续运行之间的时间以确保在长时间等待后平稳起飞。

6。 结论

在不久的将来,对节能产品规格的指令和立法的改进很可能包括电梯。 还预计将考虑完整或部分生命周期评估用于电梯的能效评估。 新一代液压动力单元大多只适用于高使用率的电梯,待机能耗高,初始成本高,设置不切实际且复杂。 使用目前的逆变器技术,简单、便宜、免维护且易于安装的解决方案似乎更能满足市场需求,并且可以在低使用率的电梯上使用。

Blain 的 EV4 阀和 Yaskawa 的 V1000 逆变器,使用开环控制和无传感器负载补偿以及使用特殊逆变器软件,为新一代动力装置引入了一种廉价且简化的解决方案。 该解决方案采用了安川卓越的开环控制程序以及专门设计的程序,以确保出色的乘坐质量。 通过使用恒速模式或节能模式,它可以很容易地应用于上下行驶,而不会增加系统的复杂性。 此外,它可以很容易地与现有的动力装置集成,以满足改造需求。

致谢

我要感谢 Yaskawa Europe GmbH,特别是 Turgay Halimler 先生、Philipp Kenneweg 先生和 Karen Reiter 女士在开发新的逆变器软件方面的支持。

参考文献:
阿尔梅达 AT (2010)。 电梯和自动扶梯的能源效率,第四届欧洲电梯大会。
Brunelli, I. (2011)。 工作原理:液压升降机,电梯,第 2 卷,第 61 页。
Celik, KF (2009)。 低使用率电梯的待机能耗,印度电梯世界,第 2 卷,第 58 页。
Celik, KF (2008)。 电子电梯阀门的设计与控制,电梯技术 17,Proc。 Elevcon 2008 年,第 34-45 页。
尼普科夫,J(2005 年)。 Elektrizitätsverbrauch und Einspar-Potenziale bei Aufzügen, SAFE
Sedrak, D. (1999)。 闭环电子阀和变压变频在液压中的应用,《电梯世界》,1999 年 66 月,第 XNUMX 页。
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