郭俊一
【摘 要】对某老旧电梯的能耗状况进行分析,提出了一种针对该电梯的改造方案—利用永磁同步电机替代原有直流电机.并通过空间结构和改造成本对该方案进行可行性分析,得出该方案符合机房空间要求,可大量降低电梯能耗的结论.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2016(045)005
【总页数】3页(P112-114)
【关键词】节能;侧置机房;永磁同步无齿轮电机
【作 者】郭俊一
【作者单位】广州特种机电设备检测研究院,广东广州 510180
【正文语种】中 文
【中图分类】TU857
进入21世纪后，随着我国社会经济的飞速发展，能源消耗量呈快速增长趋势，由此带来的能源危机和环境污染也日益引起国家的高度重视，低碳环保和节能高效作为经济可持续发展的关键词，越来越多地影响着未来经济发展的思路和布局。我国特种设备数量巨大，且每年飞速增长，作为能耗大户，其节能问题日益引起国家重视，并以法律的形式作为国家意志得以体现。《中华人民共和国特种设备安全法》第一章第七条明确规定：特种设备生产、经营、使用单位应当遵守本法和其他有关法律、法规，建立、健全特种设备安全和节能责任制度，加强特种设备安全和节能管理，确保特种设备生产、经营、使用安全，符合节能要求。因此，落实国家节能要求，利用新技术对现有高能耗电梯进行节能改造，提高其能耗标准，成为电梯使用单位一项重要工作。
笔者作为一名电梯检验人员，也深深感觉到了电梯节能工作的重要意义，需要电梯行业全体同仁的共同努力去实现。
广州某高档星际酒店，主楼大部分电梯采用上世纪80年代初出厂的某国际品牌电梯，使用历史超过三十年。该电梯控制柜和驱动主机侧置，采用直流电机供电。电梯基本参数如下：21层21站，提升高度63 m，额定速度2.5 m/s，额定载重量1 600千克，电梯的直流电动机功率为27 kW，曳引钢丝绳为7根公称直径12 mm的钢丝绳，曳引比为2∶1。 1.1 机房结构
由于该酒店主楼建筑物的结构原因，导致该电梯机房高度有限，无法放置体积较大的控制柜和驱动主机，因此该电梯采用了控制柜和驱动主机侧置的布局（如图1所示），故称之为机房侧置电梯。
由图1可看出，驱动主机侧置，曳引轮与电机同轴，转速同步。曳引钢丝绳绕过曳引轮下部，机房上方设置四个导向轮，其中两个导向轮连接曳引轮引出的钢丝绳，另两个导向轮将曳引钢丝绳导向井道下方。图2为该电梯结构示意图。
1.2 能耗情况
上世纪80年代初，交流调速技术尚不成熟，特别是中、高速电梯，交流调速的舒适感不理想
［1］，难于满足高档酒店的要求。而直流调速技术相对比较成熟，所该电梯曳引机采用直流电机，即通过一个交流电动机，将三相交流电转化为动能，再通过一个直流发电机将动能转化为直流电，即交流电动机—直流发电机—直流电动机的传动形式。在这一过程中，每一次能量传递能会造成相应的能量消耗，最终使得能耗浪费特别严重。
直流电动机输出的动能，通过曳引钢丝绳和四个导向轮，传输到轿厢和对重的反绳轮上。钢丝绳与四个导向轮之间的摩擦，会使得曳引效率降低。与此同时，曳引钢丝绳在曳引轮和导向轮上反复弯折（图2中导向轮3和4轴距仅为1.58 m，该处为反向弯折），势必对钢丝绳许用安全系数提出更高的要求，这必将导致曳引钢丝绳数量或直径的增加，进一步增加曳引钢丝绳的重量和对应的补偿链（缆）的重量，加大了材料上的损耗。再者，由于曳引钢丝绳在曳引轮和导向轮上反复弯折，加速了钢丝绳的劣化速率，使得钢丝绳更换较为频繁，这也是一笔不菲的费用。以上种种，都会导致电梯能耗和运行成本的增加。
随着永磁技术的不断进步和成熟，永磁同步电动机技术蓬勃发展。由于体积小、运输方便、稳定性高、成本低、能耗低等优势，使其在电梯驱动主机上的应用越来越广，市场占有率越来越高，大有取代原有直流电动机和交流异步电动机之势。对此，本文提出一种改造方案，
利用永磁同步电机对该酒店的电梯进行改造。方案中，原有轿厢和厅门、导轨等部件保留不变，更换机房的控制柜和驱动主机等相应部件，将原有的直流电动机更换永磁同步无齿轮电机。
改造完成后，永磁同步无齿轮电机安装在井道正上方，曳引钢丝绳直接连接轿顶和对重架反绳轮，为轿厢和对重提供驱动力。这就无需原有机房结构中的四个导向轮，仅需要一个导向轮。与原电梯结构相比，这一结构可从以下4个方面降低能耗：
（1）直接采用三相交流电源供电，避免了能量在交流电动机——直流发电机——直流电动机之间传递过程中的无谓损耗，降低了能耗；
（2）避免了曳引钢丝绳在经过多个导向轮时摩擦所引起的损耗，降低了能耗；
（3）曳引钢丝绳无需要反复弯折，降低了对钢丝绳许用安全系数的要求，可适当减少钢丝绳的根数或公称直径，降低了曳引钢丝绳的购置和更换成本；
（4）曳引钢丝绳无需反复弯折，改善了钢丝绳的使用状况，降低了钢丝绳的劣化速率，可提高钢丝绳的使用寿命，降低钢丝绳的更换频率，降低使用维护成本。
式中：KP电梯平衡系数 KP=45%
Q：额定载重量 Q=1 600 kg
V：额定速度 V=2.5 m/s
η：传动效率 η=0.95［1］
故本文认为选用功率为23 kW的永磁同步无齿轮电机即可满足要求。综合考虑该酒店消费档次、经济实力和投资风格，本文初步选定某一市场占有率高、国际著名电梯品牌的某一梯型，作为改造方案的备选梯型。该梯型23 kW电梯对应的基本配置如下：曳引钢丝绳选用7根公称直径10 mm的钢丝绳，曳引比为2∶1。曳引轮直径为480 mm，槽型为U型带95°切口槽。导向轮和反绳轮均为直径为480 mm的尼龙轮。
改造方案是否可行，既要考虑该方案是否适合现场条件，又要考虑改造后是否切实可行地降低能耗，节约经济成本。下文便对该改造方案是否满足现场空间结构进行计算，并对改造成本和改造后能耗降低带来的经济效益进行对比，以证明该方案的可行性。
3.1 空间结构要求
根据现场测量得知，机房原滑轮间高度为1.38 m。本改造方案计划将此滑轮间用作电梯的上置机房，放置电梯的曳引机（控制柜位置不变）和导向轮，因此必须满足高度方向的空间要求，即1.38 m的高度足以放置曳引机，且曳引机上方须留有0.30 m的空间［2］。查阅资料得知，该备选梯型所配置的功率为23 kW的曳引机高度约为0.7 m，设定主机支架高度为0.35 m（可在机房地面开孔，使导向轮尽量位置下移，以充分利用机房空间）。经过计算可知曳引机到机房顶部距离为0.33 m，则曳引轮作为旋转部件到机房顶部距离大于0.33 m，满足国标对曳引机旋转部件上方有不小于0.30 m垂直净空距离的要求。即该改造方案能够满足现场的空间结构要求。
3.2 改造成本及节能状况
改造成本分为两部分，一部分为所更换的新型控制柜和永磁同步无齿轮主机以及其他配件的的费用，一部分为改造所需的人工成本和改造后监督检验所需的费用等。经多方了解、求证得知，该备选梯型功率为21 kW的永磁同步无齿轮电动机价格约为40 000元，配套的控制柜价格约为30 000元，21个层站的外护板约为5 000元，钢丝绳价格约为6 000元（如果刚好在该电梯原钢丝绳严重劣化需要更换时进行改造，则更换钢丝绳的6 000元费用可略去不计），
导向轮和反绳轮的价格合计约为2 000元，其它配件5 000元。改造所需的人工成本约为6 000元，改造后的监督检验费约为2 000元。费用总计约为96 000元。如果十几台电梯一次性签订改造合同，则平均到每台电梯的改造费用会进一步降低，故本文最终按照每台改造费用94 000元计算。
该电梯每天主要运行时间为7点到23点，计16个小时，负载持续率取0.3-4。改造前直接连接三相交流电源的交流电动机功率为30 kW，负荷率为1.0（一旦电梯启动，直流发电机就满负荷运行）则改造前每年消耗电能为365×16×0.3× 30=52 560 kW。改造后永磁同步电机功率为23 kW，负荷率取0.55，则改造后每年消耗电能为365×16×0.3×0.5×23=20 148 kW。由此可计算出改造后每台电梯每年节约电能32 412 kW。该酒店每千瓦时电计价1.02元，则每年可节约用电成本33 060元。这就意味着，改造后三年即可收回电梯改造的一次性投资。因此，笔者认为该改造方案投资低，见效快，可操作性强。
笔者充分分析了机房侧置电梯能耗浪费的主要原因，并针对性的提出了利用先进的永磁同步无齿轮电机替代原有直流电机的改造方案，通过计算充分证明了本方案能够满足机房的空间结构，且改造后节能效果明显，经济可能。本文为同类高能耗老旧电梯的节能改造进行了有益的探索，具有一定的现实指导意义。
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