背篼式对重的电梯节能装置与控制系统

本发明属于电梯节能技术领域，具体涉及曳引垂直电梯运行的节能装置。 

垂直电梯(以下简称“电梯”)的能耗主要由四个方面构成：曳引系统、电气控制系统、轿厢照明和通风系统、门机系统，其中曳引驱动的能耗占了其中的绝大部分(一般为70％至80％)。 

垂直电梯的驱动方式有多种，目前使用最广泛的是曳引驱动方式。 

电梯的承载能力是按满载需求设计的。但在上下运行中，满载运行并非电梯运行之常态，轻载甚至空载实为电梯运行之常态。因此电梯设计的额定载荷能力时常被放空。这种大冗余量的设计，导致了电梯在运行中曳引驱动能量的“常态”浪费。 

本发明的目的在于提供一种能够降低电梯运行能耗的节能装置。 

电梯曳引驱动的理想状态是对重架17和对重块19(以下简称“对重”)一侧与轿厢一侧的重量保持均衡相等，在不考虑曳引钢丝绳自重变化的前提下，曳引机只需克服曳引摩擦阻力就能轻松运行，此时曳引驱动能耗最低。 

基于这一思路，本发明在电梯的总体结构中补充设计了一套独立自平衡对重装置，名为背篼式对重(由子对重和背篼对重架组成)。即对重架上装一个背篼，放入可动态平衡用的“对重”即称为“子对重”，对重架内不参于动态平衡的对重称为“母对重”。目的使电梯在空载或轻载上下运行前，同时对轿厢侧和 对重侧的重量作减轻动作，对重侧减少重量多于轿厢侧，使得两侧的重量接近，以降低曳引电机所输出的转动惯量，从而实现电梯节能之目的。 

本发明装置的工作原理及电梯结构由说明书附图，见图5～图7所示。 

本发明设计的电梯运行节能装置包括：前上牵引定滑轮3，牵引钢丝绳4，轿厢侧重量传感器5，牵引钢丝绳调节装置7，前下牵引定滑轮8，子对重上动滑轮9，子对重起升定滑轮10，子对重起吊钢丝绳11，子对重12，子对重架(背篼)13，子对重下动滑轮14，后上牵引定滑轮15，对重侧重量传感器16，对重架17，同步牵引钢丝绳18，母对重块19，后下牵引定滑轮20，同速牵引钢丝绳定滑轮21，子对重块22，子对重连接环23。 

(1)子与母对重等于电梯对重重量。(2)子对重参于对重侧与轿厢侧载荷重力平衡时，其随电梯上下自身无需动力，依附性好。(3)牵引钢丝绳调节装置7来离合子对重和母对重，使得子对重重量脱离重架，它微量调节就可实现，曳轮二侧重量都作减少，依据载荷变化需要微调。(4)牵引钢丝绳调节装置7在动作时用电，电梯的上下运行时是不用电的。(5)牵引钢丝绳调节装置7确保电梯上下时子对重与对重架同方向运动，不发生相对运。(6)子对重上动滑轮9和同步牵引钢丝绳18及同步牵引钢丝绳定滑轮21，子对重下动滑轮14组成协调同步的闭环运动机构。牵制子对重在前部或后部运动的随意性和保证子对重与对重架上下的同步性。(7)参不参与对重侧与轿厢侧载荷重力平衡，子对重都在子对重架内，不平衡时子对重搁置子对重架底部。(8)子对重在参于大平衡载荷时，曳行条件愈好。(9)做平衡点的调节不讲究轿厢位置，立即降低原有转动惯量，满足适时调节之灵敏，过后还原之快捷。(10)独立便捷具有可操作性。 

本发明中，节能装置还设有控制系统，用于控制节能装置各部件的动作。 

本发明在电梯轿厢和对重侧及井道壁的中间的上下空间内安装一套背篼式对重 为特征的轿厢与对重动态自动平衡节能装置(简称“节能装置”)，安装区域为独立。当电梯在应答召唤信号上行或下行且轿厢内负载呈动态变化时，节能装置根据电梯重量传感器测得的轿厢侧与对重侧两边重量差的信息结果，自动起吊或卸载子对重的多与少，以满足平衡曳引轮两侧重力差；调节点的载重量一般设为额定载重量的50％以内。轿厢载荷及其势能的变化所对应的电梯驱动能耗是各不相同的，图1、图2分别直观地描述了电梯在安装本节能装置前后的驱动能效变化曲线，从曲线上可见，平衡点位于轿厢上行线和下行线的交叉点上，在安装了本节能装置后仅当轿厢载荷超过平衡点时，电梯才需要驱动耗能，而在“动”平衡点以下，电梯运行只需低能耗即可，以虚线表示节能效果十分明显。 

电梯能效曲线图纵坐标表示I(A)、横坐标表示重量W(Kg)，图1描述了未安装节能装置的交流电机定子电流、负载曲线，图2描述了安装节能装置的交流电机定子电流、负载曲线。 

本节能装置的一个重要特点是：参与对重与轿厢载荷重力平衡的“子对重”其上下运行自身无需动力。它通过牵引装置起吊或卸载在子对重架上(背篼)，依靠曳引给予的微小结合力和节能装置自身重力产生的内在自平衡效果实现电梯节能。本节能装置与已有电梯的总体结构是一个主、次关系，是一个附加且独立和随时分离的关系。 

需要零载荷时出现达到轿厢侧和对重侧的无重量差的平衡效果，依据所述的力学平衡条件推导出的函数关系，可以计算出子对重和轿厢减轻的各自重量。类推出各种规格的电梯轿厢在0～50％载荷时，各个状态的子对重重量的组合。以此实现有效节能。 

图1电梯能效曲线图(未安装节能装置的交流电机定子电流、负载曲线)。 

图2电梯能效曲线图(安装节能装置的交流电机定子电流、负载曲线)。 

图3本发明背篼式对重的电梯节能装置系统组成示意图。 

图4本发明背篼式对重的电梯节能装置工作流程图。 

图5本发明背篼式对重的电梯节能装置机械原理图。 

图6本发明背篼式对重的电梯节能装置机械原理A向图。 

图7本发明背篼式对重的电梯节能装置机械原理B向图。 

图中标号：1曳引轮，2曳引钢丝绳，3前上牵引定滑轮，4牵引钢丝绳，5轿厢侧重量传感器，6轿厢，7牵引钢丝绳调节装置，8前下牵引定滑轮，9子对重上动滑轮，10子对重起升定滑轮，11子对重起吊钢丝绳，12子对重，13子对重架，14子对重下动滑轮，15后上牵引定滑轮，16对重侧重量传感器，17对重架，18同步牵引钢丝绳，19母对重块，20后下牵引定滑轮，21同步牵引钢丝绳定滑轮，22子对重块，23子对重连接环。 

1、本发明装置主要部件功能介绍 

子对重用来平衡曳引轮1两侧轿厢6与对重17的重量差。从图5可以看出，一套节能装置只有一个子对重架，轿底下左右两边各安装了牵引钢丝绳调节装置7来拉动子对重下动滑轮14，整个节能装置位置在轿厢和对重侧及井道壁的中间的上下空间内。 

电梯运行中子对重的起吊或卸载，由牵引装置7来拉紧、松开牵引钢丝绳4的动作来实现，牵引装置7的动作及幅度服从于节能装置所接受的轿厢与对重动态平衡控制指令。 

对重在底层，空载轿厢在顶层需要往下时，此时曳引轮两侧的重量差最大，耗能最大，子对重参与的位置由底层往上运动，轿厢为下行方向使用。 

对重在顶层，空载轿厢在底层需要往上时，此时曳引轮两侧的重量差也最大，耗能亦最小，子对重参与的位置往下运动，轿厢为上行方向使用。 

部件子对重上动滑轮9和同步牵引钢丝绳18及同步牵引钢丝绳定滑轮21，组成协调同步的闭环运动机构。牵制子对重在前部或后部运动的随意性和保证子对重与对重架上下的同步性。 

依照图5的机械原理就单纯的节能装置的受力分析：起吊子对重的重量必需在牵引钢丝绳4轿厢上端加上一个向下的拉力来作系统的平衡，各种规格电梯的载荷不一样，拉力的大小也不一样，但起吊子对重重量与拉力的大小有个平衡的力学条件在，有个推导结果。因牵引钢丝绳4系在轿顶上，在力的作用下也就产生了减轻轿厢重量结果，其重量等于其拉力。 

依照图5的机械原理就单纯的节能装置的运动分析：由牵引钢丝绳4的上下两端分别系上轿顶和轿底，带动整个节能装置上下运动吻合了与曳行的轨迹，保证了同向而行。 

不用子对重块时，子对重块就和平常电梯的对重块作用一样。子对重块的环链藏在其中，起吊量愈重链结块块就多。 

图3本发明背篼式对重的电梯节能装置系统组成示意图。 

图4所示是采用背篼式对重的电梯轿厢与对重自动平衡节能装置工作流程图。 

2、节能装置运行原理详细说明 

通常的垂直电梯机械原理图如图5所示，在曳引轮1的两侧，由曳引钢丝 绳2分别悬掛着对重17和轿厢6，在曳引轮的旋转下，电梯作上、下垂直运动。本发明在电梯轿厢和对重侧及井道壁的中间的上下空间内安装一套背篼式对重为特征的轿厢与对重动态自动平衡节能装置(简称“节能装置”)。安装节能装置后，根据空载、半载和满载三种极端状态进行运行分析。节能装置还设有控制系统，控制节能装置各部件的动作。 

节能装置的控制系统，以及电机定子电流与负载的曲线分析如下： 

上行线： 

A、电梯空载且轿厢在，对重在顶层。轿厢侧重量轻于对重侧。电梯接受向上指令，子对重和母对重都在顶层，则控制系统控制牵引钢丝绳调节装置7，因无指令，牵引钢丝绳4保持相对松驰。 

发挥对重势能，使曳引轮两侧重力不平衡。电梯上行，实测负载电流恰与能效曲线图上电流基本一致。也可以进行动态平衡降低两侧的总重量导致转动惯量的数值下移。 

B、电梯半载且轿厢在，对重在顶层。轿厢侧重量恰等于对重侧。不需要子对重作起吊动作，曳引轮两侧重力平衡。电梯上行，实测负载电流恰与能效曲线图上平衡点电流一致。 

C、电梯满载且轿厢在，对重在顶层。轿厢侧重量大于对重侧。轿厢运行时子对重不作挂靠动作，一作挂靠减轻了对重侧重量，平衡系数就不对了。电梯往上运行用电量不减。 

下行线： 

A、电梯空载轿厢在顶层，对重在，轿厢侧重量轻于对重侧。则控制系统控制牵引钢丝绳调节装置7拉动子对重下动滑轮14，起吊子对重12的重量， 同时轿厢减轻重量作为节能系统的无差平衡。使曳引轮两侧重力接近平衡，降低电机的转动惯量。电梯往下，实测负载电流能效曲线图上“动”平衡电流值反映不一致，有下降的空间。 

B、电梯半载轿厢在顶层，对重在底层。轿厢侧重量恰等于对重侧。不需要子对重作起吊动作，曳引轮两侧重力平衡。电梯下行，实测负载电流恰与能效曲线图上平衡点电流一致。 

C、电梯满载轿厢在顶层，对重在底层。轿厢侧重量大于对重侧。轿厢运行时子对重不作挂靠动作，一旦挂靠减轻了对重侧重量，平衡系数就不对了。电梯往下运行用电量不减。 

上述过程中，轿厢重量、对重重量的大小由各自对应的重量传感器测得，子对重的位置由子对重位置传感器测得，并由控制系统计算其重量差，同时，控制系统发出子对重起吊或卸载指令，并控制牵装置7的开关实施具体操作。当电梯向上或向下途中停靠层站时，重量传感器发现轿厢内载荷发生变化，本节能装置的控制系统立即决定子对重作上行或下行起吊或卸载的动作(路径从到顶层或顶层到)。