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节能型 VVVF 液压升降驱动

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图 5:闭环逆变器系统

发达国家和发展中国家都面临着减少碳排放和环境影响的重大挑战。 虽然新的节能产品每天都在上市,但政府制定的节能规范和指导方针在过滤过时和低效产品方面起到了催化剂的作用。 电梯行业也不例外,在过去几年中已经看到了节能环保的设计。 变压变频 (VVVF) 技术已经在牵引和液压电梯中出现了很长时间,并逐渐流行起来。 然而,仍有几个问题值得商榷。 本文研究了欧洲和印度的一些能效事实、市场趋势和液压电梯市场,以了解简单、廉价的 VVVF 液压电梯驱动器如何塑造液压电梯的未来。

现在,能效是设计师、制造商和消费者在选择产品时最重要的参数之一。 产品营销强调环境足迹和环保方面,使广告更具吸引力。 然而,在复杂的产品营销活动和绿色标签背后,最终用户感兴趣的一些基本问题仍未得到部分解答。

什么时候电梯节能?

这个问题的答案已经争论了很长时间。 对其回答的一些意见如下:

  1. 如果电梯的投资回收期是三到五年。
  2. 如果电梯的能耗低于建筑物总能耗的3-5%。
  3. 如果电梯运行和待机能耗低。

虽然能源消耗和金钱通常是唯一关注的参数,但我们不应忘记还有其他一些经常被丢弃的重要参数。 为了确定电梯是否节能,需要使用适当的工具和统计信息对系统进行完整的生命周期分析 (LCA)。 LCA 考虑了产品的完整寿命(图 1)。 如果电梯系统需要更少的电力来运行,但它的制造过程是一场环境灾难,需要大量的资源来运输和安装,那么它是否能高效节能? 此外,如果它的安全级别受到损害,并且具有高昂的维护成本和环境影响怎么办? 必须考虑在所有这些因素上投入的能源——不仅仅是低运行和待机成本。

节能电梯是如何分类的?

每年大约安装 300,000-350,000 部电梯,其中 80,000-100,000 部是液压电梯。 世界电梯库存大约为 3.5 万台装置,其中 3.8-25 万台是液压装置。 在建筑师和工程师专注于使现代电梯更节能的同时,不应忽视旧装置的数量。 将电力消耗减少 4% 大约会产生每年 5-3,500 TWh 的电力,相当于 XNUMX 台风力涡轮机在这段时间内可以产生的电力。

发达国家正在积极采用电梯行业的新能效规范,例如 ISO 25745 第 1 部分和 VDI 4707,以提高电梯系统的能效。 这些适用于新的和现有的安装。 例如,VDI 4707 能效规范将电梯归入特定类别。 根据系统在旅行和待机期间的功耗,系统将被授予能源等级。 此外,能源效率还取决于电梯系统的类型。 这种认证主要基于功耗和待机功耗,并没有考虑系统的完整 LCA。

一般市场趋势

在电梯行业,四个主要参数广泛地定义了市场趋势:大公司的商业政策、政府政策(以规范和法规的形式)、客户需求和技术问题。 电梯行业的一个典型例子是越来越多地使用 VVVF 技术,因为它被宣传为节能环保,同时提供更平稳的启动以及启动和停止的准确性。 这项技术正以新的能效规范、认证和能效分类的形式得到发达国家政府机构的广泛支持。 然而,需要再次强调的是,并非市场上所有可用的 VVVF 解决方案都可以视为节能产品,因为较低的运行和待机能耗数字可能会产生误导,尤其是当产品具有此类缺点时高维护成本、复杂的设计和专属的服务合同,往往只会让制造商受益。 在得出结论之前查看完整的图片非常重要,而不是只专注于其中的一部分。

印度液压升降机市场

液压电梯在低层电梯市场的优势众所周知。 这可以从 4 年 2010 月发布的 E4.8 报告中看出。据报道,在欧洲 1.18 万台电梯的总库存中,有 25 万台(110,000%)是液压的。 这意味着每年安装 120,000-25,000 部电梯,其中 30,000-21 部是液压装置。 英国电梯市场也有类似的前景,大约 30,000% 的装置是液压装置。 仅在英国,估计就必须对 10 台液压升降机进行现代化改造,才能在未来 XNUMX 到 XNUMX 年内满足能效标准。

另一方面,印度在液压安装方面是一个发展中的市场。 不久前,由于电梯行业的一些神话,液压电梯被认为是一个问题。 工业液压元件用于制造液压电梯动力装置; 错误的设计和缺乏特定的技术知识是造成问题和失败的主要原因。 然而,随着正确组件和技术知识的可用性,液压电梯行业的安装数量在过去八年中有所增加。 它的增长率现在每年超过60%。

液压电梯安装总量(包括乘客和非乘客)占每年安装电梯总数的近 8%。 预计印度在未来五年内将有 20,000-25,000 个新的液压装置。 这是一个保守的估计,只考虑了大都市和一二线城市。 未来几年,一二线城市将需要1万多个停车系统,以缓解停车拥堵。 随着液压电梯进一步进入这个市场,使用节能产品的想法不再是可选的; 相反,它位于“必备”功能列表中。

VVVF 液压解决方案是否比传统液压解决方案更好?

这个问题的答案应该是合乎逻辑的,也应该是分析性的。 为了决定哪种液压解决方案(机械控制、电子伺服控制或 VVVF 控制)最适合特定应用,应考虑以下因素:

1) 机械液压控制系统提供了一种简单、可靠且具有成本效益的解决方案。 然而,当温度和负载变化很大时,它不是很合适。 由于油温的变化会改变油的粘度,当温度和负载变化极端时,机械阀调整可能无法提供所需的行驶质量。 其次,大多数机械阀是普通电磁阀,通常是开/关。 在没有带实时反馈的闭环系统的情况下,阀门在不知道系统真正需要的情况下提供预先调整的流量。 机械阀是使用率低的电梯(每天行程少于 150 次)的不错选择,在这种情况下,温度和负载变化不大,而且简单、可靠且经济高效的解决方案至关重要。

2) 电子伺服控制解决方案凭借闭环电子控制,比机械阀解决方案具有明显的优势。 它具有由电子卡控制的比例螺线管,该电子卡对来自流量、温度,有时还有压力传感器的实时信号做出反应。 因此,系统可以动态地改变性能以满足要求,补偿广泛的温度和压力变化。 电子阀解决方案是中等和高使用量的电梯(每天超过 160 次行程)的理想选择,在这些地方,温度和负载变化很大,且行程舒适性、启动和停止精度是首要考虑因素(例如,医院、购物中心、商业建筑)。

3) VVVF 控制可以看作是一种混合解决方案,结合了机械和电子阀门的优点。 该系统可用作闭环或开环,不仅可以补偿温度和压力的变化,而且使控制阀几乎可以自由调节。 它是一种节能解决方案,也可以有效地应用,尤其是在没有高启动电流(电机所需)的情况下。 逆变器在启动阶段消耗的功率远低于传统安装,与非 VVVF 安装相比,可实现总节能 30% 以上。 此解决方案最适合每天循环次数高于 160 的位置; 油温和负荷变化较大; 高启动电流不可用; 乘坐舒适性、启动和停止精度很重要,与温度和负载变化无关; 和/或运行和待机节能是首要关注的问题。

什么是理想的液压 VVVF 解决方案?

图 4 显示了在选择 VVVF 解决方案时应牢记的六个重要标准。 简单性、安全性、成本效益、可靠性和低服务成本等参数应与能源效率(低运行和待机功耗)同等重要。 还不应忘记,在整个系统生命周期中,电梯的服务和维护成本远远超过投资和节能。 为了正确地将系统标记为节能,LCA 应该是主要指标。

可用的 VVVF 液压解决方案

市场上有许多类型的 VVVF 液压解决方案,从简单到复杂,从经济高效到昂贵。 它们大致分为开环或闭环,具体取决于用于控制驱动器的技术。

图 5 显示了一个闭环逆变器解决方案。 在其中,电子卡和逆变器使用来自编码器(连接在电机上)、流量、压力和温度传感器的实时数据进行更新。 然后,控制器根据它针对预定义参数注册的变化采取纠正措施。 这样的系统不仅复杂,而且昂贵且难以维护。 其次,闭环系统可以在较低频率下触发振动,因为它试图不断修正行程。 改造现有系统不仅意味着要更改整个控制阀和驱动器,还要更改电机,有时还要更改泵,这通常会使工作变得复杂且昂贵。 在能源效率和初始投资方面,此类系统的应用仅适用于高使用率(超过 700 次/天)的电梯。

一种类似于 Blain EV4 的开环逆变器控制[1] 提供了实用的优势,因为该系统保持简单、用户友好、成本效益高且易于维护。 如图 6 所示,控制阀既不与逆变器接口,也不与电子卡连接,只是简单地连接到电梯控制器。 逆变器连接电梯控制器、温度传感器和电机,不需要昂贵的压力和流量传感器。 在嵌入式软件的帮助下,它可以计算负载,从温度传感器读取当前温度和过程油和泵的性能数据,以获得全速、调平、检查和二级全速的电机速度(参考频率)(以赫兹为单位) . 此外,还计算了空车和载车压力的温度控制增益和泄漏参考频率。 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。 逆变器被编程为在恒速模式(输出保持独立于负载和温度变化)或节能模式(逆变器随着负载的增加而降低全速)下运行,从而消耗更少的功率,但在舒适的区域内行驶时保持加速和减速角度。 它可以通过以固定时间间隔捕获电机扭矩并通过将其与预编程参数进行比较来重新计算正确输出来采取纠正措施。

这种系统的安装很容易,因为控制阀在向上方向上没有控制,从而得到了简化。 在空车的情况下给油类型和电梯数据进行示教运行足以让逆变器在初始安装期间完全自动学习和配置。 其次,这种设计可以通过更换控制阀中的几个组件并添加逆变器来翻新现有装置,使其成为 VVVF 驱动器。 该解决方案特意设计为向后兼容,使其在翻新工作中具有成本效益。 向下控制有意保持机械,因为液压电梯由于重力下降,并且 80%​​ 的安装不需要逆变器控制。

在一些逆变器解决方案中,系统产生的能量(在下行过程中将势能转换为动能)会燃烧到电阻器中,从而防止液压油变热。 有些具有再生系统,该系统倾向于将储存在油中的势能转化为电能,然后馈入电网。 这种解决方案在营销手册和理论中看起来很有吸引力; 然而,它们的实施成本(一些投资回收期超过 30 年)、复杂性和实际使用以及确保为它们提供可用基础设施的难度超出了它们的优势。

节约能源

电梯顾问和建筑师经常面临与最终用户的投资回收时间和能源节约有关的重要问题。 虽然电梯一天的循环次数是节能的重要决定因素,但了解以下内容同样重要:

图 7 显示了与每天循环次数和投资回收期相关的节能情况。 在其中,可以在不同情况之间进行清晰的比较,例如高逆变器待机功耗与每天的周期数,以及预计的投资回收期。 如图所示,待机能耗26W的逆变器在节能模式下运行,节能44%,投资回收期为XNUMX年。

总结

电梯的能源性能只是绿色电梯评价的众多参数之一; 完整的 LCA 是确定电梯是否节能的正确方法。 新一代VVVF液压系统既要具备传统液压电梯的优点,又要能够补偿负载和油温变化,待机功耗最低。 系统软件应提供不同的运行模式,如恒速模式、节能模式等,用户可以根据个人需要选择合适的操作方式。

參考資料
[1] K. Ferhat Celik 博士。 Elevcon 2012。“通过逆变器对绿色液压升降机进行负载和温度补偿的方法。”
[2] K. Ferhat Celik 博士。 第二届电梯和自动扶梯技术研讨会,2 年 2012 月。“经济高效的绿色液压电梯”。
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电梯世界| 2013 年 XNUMX 月封面

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