电梯能效监测系统及方法

摘要

一种电梯能效监测系统及方法，包括：一逆变单元；一传感单元；以及一测量及数据中心单元，其连接并控制该逆变单元的工作，其连接该传感单元以获取该第一电压与第一电流、该第二电压与第二电流以及该第三电压与第三电流信号，并对它们进行数据处理：根据该第一电压与第一电流计算出一电梯曳引部分的总能耗参数W1；根据该第二电压与第二电流和/或该第三电压与第三电流计算出一电梯曳引部分的势能与动能总和参数W2；以及根据该电梯使用楼层总高度M，分别计算出第一能效系数K1，K1=W2/(W1-W2)，和第二能效系数K2，K2=(W1-W2)/M。本发明可以很好地实现在电梯装设到建筑物中投入实际运行后进行能效的实时监测。

权利要求

1.一种电梯能效监测系统，其特征在于，包括：

一逆变单元，其连接在电梯曳引机变频器直流端与三相商用电网之间，用以把该电梯曳引机变频器产生的再生直流电能回馈到电网；

一传感单元，用以感测该电梯曳引机变频器的交流输入的一第一电压与一第一电流、该逆变单元的直流输入的一第二电压与一第二电流以及该逆变单元的交流输出的一第三电压与一第三电流；

一测量及数据中心单元，其连接并控制该逆变单元的工作，其连接该传感单元以获取该第一电压与第一电流、该第二电压与第二电流以及该第三电压与第三电流信号，并对它们进行数据处理：根据该第一电压与第一电流计算出一电梯曳引部分的总能耗参数W1；根据该第二电压与第二电流和/或该第三电压与第三电流计算出一电梯曳引部分的势能与动能总和参数W2；以及根据该电梯使用楼层总高度M，分别计算出第一能效系数K1，K1＝W2/(W1-W2)，和第二能效系数K2，K2＝(W1-W2)/M。

2.依据权利要求1所述的电梯能效监测系统，其特征在于，该电梯曳引部分的总耗能参数W1是对一设定时长范围内的该第一电压与第一电流进行功率-时间积分运算得到，其单位为度；该电梯曳引部分的势能与动能总和参数W2是对一设定时长范围内的该第二电压与第二电流和/或该第三电压与第三电流进行功率-时间积分运算得到，其单位为度；该电梯使用楼层总高度M的单位为米。

3.依据权利要求1所述的电梯能效监测系统，其特征在于，该电梯能效监测系统还包括一数据通讯单元，该测量及数据中心单元可通过该数据通讯单元与外部监控系统相连。

4.依据权利要求1所述的电梯能效监测系统，其特征在于，该电梯曳引机变频器具有整流器或者不具有整流器。

5.依据权利要求1所述的电梯能效监测系统，其特征在于，该测量及数据中心单元包括工控机或者微处理器。

6.依据权利要求1所述的电梯能效监测系统，其特征在于，该逆变单元为直流/交流逆变器或交流/直流整流逆变器。

7.依据权利要求1所述的电梯能效监测系统，其特征在于，该逆变单元具有两个直流端口和三个交流端口，其中这两个直流端口与该电梯曳引机变频器的直流母线相连，这三个交流端口与该三相商用电网相连；该逆变单元包括六个大功率受控开关器件，这些大功率受控开关器件是受控于该测量及数据中心单元的。

8.一种电梯能效监测方法，其特征在于，包括：

设置一逆变单元，其连接在电梯曳引机变频器直流端与三相商用电网之间，用以把该电梯曳引机变频器产生的再生直流电能回馈到电网；

设置一传感单元，用以感测该电梯曳引机变频器的交流输入的一第一电压与一第一电流、该逆变单元的直流输入的一第二电压与一第二电流以及该逆变单元的交流输出的一第三电压与一第三电流；

设置一测量及数据中心单元，其连接并控制该逆变单元的工作，其连接该传感单元以获取该第一电压与第一电流、该第二电压与第二电流以及该第三电压与第三电流信号，并对它们进行数据处理：根据该第一电压与第一电流计算出一电梯曳引部分的总能耗参数W1；根据该第二电压与第二电流和/或该第三电压与第三电流计算出一电梯曳引部分的势能与动能总和参数W2；以及根据该电梯使用楼层总高度M，分别计算出第一能效系数K1，K1＝W2/(W1-W2)，和第二能效系数K2，K2＝(W1-W2)/M。

9.依据权利要求8所述的电梯能效监测方法，其特征在于，该电梯曳引部分的总耗能参数W1是对一设定时长范围内的该第一电压与第一电流进行功率-时间积分运算得到，其单位为度；该电梯曳引部分的势能与动能总和参数W2是对一设定时长范围内的该第二电压与第二电流和/或该第三电压与第三电流进行功率-时间积分运算得到，其单位为度；该电梯使用楼层总高度M的单位为米。

10.依据权利要求8所述的电梯能效监测方法，其特征在于，计算该第二能效系数K2时，优先采用电梯空载条件下的数据进行计算。

说明书

电梯能效监测系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电梯系统，尤其涉及电梯能效测试装置及方法。

背景技术

[0002] 电梯能效的监测一直以来是对电梯系统能耗管理的重要手段。中国专利CN201210540410.6公开了一种电梯能效测试装置及方法，该装置采用嵌入式架构，所述装置包括电能测量模块、电梯运行速度测量模块、通信模块、信号处理模块、人机交互模块及电源模块。所述方法包括：测量电梯在时间段内的能耗、运行速度和运行距离；结合电梯的额定载重量，经过计算和查表判断获得电梯的能耗等级；根据电梯的能耗等级对电梯的能效测试和能效等级评价。中国专利CN200810054350.0公开了一种电梯能效检测仪及其检测方法，该检测仪包括：液晶显示屏、测量模块、键盘、微机处理系统以及电源装置，其中的测量模块设置有电流、电压输入接口，微机处理系统连接位移传感器。其检测方法包括：按照要求确定被测电梯的运行次数、每次运行的载荷与运行区间；通过电梯轿厢装载的砝码数量由键盘输入电梯载荷数据；安装位移传感器检测电梯轿厢移动距离；通过电流/电压输入接口与电梯供电线路连接采集电梯运行的电压、电流数据；由微机处理系统对数据进行分析、计算、自动生成检验报告并完成能效评级。现有的这些系统及方法，设置有直接检测电梯运动的位移/速度传感，电梯的势能与动能的计算是通过位移值和速度值来实现，仅适合于在电梯的制造/特定测试阶段使用，一旦电梯装设到建筑物中投入实际运行，就无法实现能效测试了。考虑到：用于实际使用中的电梯，载荷和运行距离都是变化的，固定条件的测量结果不能反映出电梯的实际情况。可见，工程实践中有必要对现有的电梯能效监测进行改进。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种电梯能效监测系统及方法，其使用的测量条件和计算方法都是不依赖于电梯运行的变化条件，例如乘客多少，载重多少，运行的频繁程度等，可以很好地实现在电梯装设到建筑物中投入实际运行后进行能效的实时监测。

[0004] 本发明针对上述技术问题而提出的技术方案包括，提出一种电梯能效监测系统，包括：一逆变单元，其连接在电梯曳引机变频器直流端与三相商用电网之间，用以把该电梯曳引机变频器产生的再生直流电能回馈到电网；

[0005] 一传感单元，用以感测该电梯曳引机变频器的交流输入的一第一电压与一第一电流、该逆变单元的直流输入的一第二电压与一第二电流以及该逆变单元的交流输出的一第三电压与一第三电流；

[0006] 一测量及数据中心单元，其连接并控制该逆变单元的工作，其连接该传感单元以获取该第一电压与第一电流、该第二电压与第二电流以及该第三电压与第三电流信号，并对它们进行数据处理：根据该第一电压与第一电流计算出一电梯曳引部分的总能耗参数W1；根据该第二电压与第二电流和/或该第三电压与第三电流计算出一电梯曳引部分的势能与动能总和参数W2；以及根据该电梯使用楼层总高度M，分别计算出第一能效系数K1，K1＝W2/(W1-W2)，和第二能效系数K2，K2＝(W1-W2)/M。

[0007] 其中，该电梯曳引部分的总耗能参数W1是对一设定时长范围内的该第一电压与第一电流进行功率-时间积分运算得到，其单位为度；该电梯曳引部分的势能与动能总和参数W2是对一设定时长范围内的该第二电压与第二电流和/或该第三电压与第三电流进行功率-时间积分运算得到，其单位为度；该电梯使用楼层总高度M的单位为米。

[0008] 其中，该电梯能效监测系统还包括一数据通讯单元，该测量及数据中心单元可通过该数据通讯单元与外部监控系统相连。

[0009] 其中，该电梯曳引机变频器具有整流器或者不具有整流器。

[0010] 其中，该测量及数据中心单元包括工控机或者微处理器。

[0011] 其中，该逆变单元为直流/交流逆变器或交流/直流整流逆变器。

[0012] 其中，该逆变单元具有两个直流端口和三个交流端口，其中这两个直流端口与该电梯曳引机变频器的直流母线相连，这三个交流端口与该三相商用电网相连；该逆变单元包括六个大功率受控开关器件，这些大功率受控开关器件是受控于该测量及数据中心单元的。

[0013] 本发明针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提出一种电梯能效监测方法，包括：

[0014] 设置一逆变单元，其连接在电梯曳引机变频器直流端与三相商用电网之间，用以把该电梯曳引机变频器产生的再生直流电能回馈到电网；

[0015] 设置一传感单元，用以感测该电梯曳引机变频器的交流输入的一第一电压与一第一电流、该逆变单元的直流输入的一第二电压与一第二电流以及该逆变单元的交流输出的一第三电压与一第三电流；

[0016] 设置一测量及数据中心单元，其连接并控制该逆变单元的工作，其连接该传感单元以获取该第一电压与第一电流、该第二电压与第二电流以及该第三电压与第三电流信号，并对它们进行数据处理：根据该第一电压与第一电流计算出一电梯曳引部分的总能耗参数W1；根据该第二电压与第二电流和/或该第三电压与第三电流计算出一电梯曳引部分的势能与动能总和参数W2；以及根据该电梯使用楼层总高度M，分别计算出第一能效系数K1，K1＝W2/(W1-W2)，和第二能效系数K2，K2＝(W1-W2)/M。

[0017] 其中，该电梯曳引部分的总耗能参数W1是对一设定时长范围内的该第一电压与第一电流进行功率-时间积分运算得到，其单位为度；该电梯曳引部分的势能与动能总和参数W2是对一设定时长范围内的该第二电压与第二电流和/或该第三电压与第三电流进行功率-时间积分运算得到，其单位为度；该电梯使用楼层总高度M的单位为米。

[0018] 其中，计算该第二能效系数K2时，优先采用电梯空载条件下的数据进行计算。

[0019] 与现有技术相比，本发明的电梯能效监测系统及方法通过逆变单元、传感单元与测量及数据中心单元进行能效系数的测算和计算，可以很好地实现在电梯装设到建筑物中投入实际运行后进行能效的实时监测。

附图说明

[0020] 图1是本发明的电梯能效监测系统实施例的结构框图。

[0021] 图2是本发明的电梯能效监测系统实施例中逆变单元与测量及数据中心单元的结构框图。

[0022] 图3a、3b和3c本发明的电梯能效监测系统及方法的时序-能量关系示意，其中，图3a示出了电梯的时间-运行方向的关系，X是电梯运行方向，t是时间；图3b示出了电梯的时间-瞬时能量的关系，E0为能量，正方向表示吸收能量，负方向表示放出能量(回馈)；图3c示出了电梯的时间-势能加动能的关系，E1是能量，负方向表示发出能量。

[0023] 其中，附图标记说明如下：10三相商用电网；20电梯曳引机变频器；30电机；80电梯能效监测系统1逆变单元2测量及数据中心单元3传感单元4数据通讯单元。

具体实施方式

[0024] 以下结合附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。

[0025] 在电梯工作过程中，能量的耗损及传输需要考虑以下因素：1、从电网吸取能量，电能转换为机械能以开动电梯；2、开动电梯的能量必须包括有：克服系统的摩擦力、提升重物的位能变化以及加减速及启动停止时的动能变化；3、摩擦所消耗的能量是不可回收的，能量在转化过程中的效率损失是不可回收的，比如：电机效率导致的能量损失；4、电梯系统中的势能和动能是可以回收的，这部分能量占电梯耗能的20-40％。

[0026] 由此，本发明提出一种电梯能效监测系统及方法，把电梯总能耗和电梯中存储的势能和动能分开计算，提出能效系数的概念，从而对电梯运行的能效有更加精确的监测。

[0027] 具体地，本发明提出一种电梯能效监测方法，包括：

[0028] 设置一逆变单元，其连接在电梯曳引机变频器直流端与三相商用电网之间，用以把该电梯曳引机变频器产生的再生直流电能回馈到电网；

[0029] 设置一传感单元，用以感测该电梯曳引机变频器的交流输入的一第一电压与一第一电流、该逆变单元的直流输入的一第二电压与一第二电流以及该逆变单元的交流输出的一第三电压与一第三电流；

[0030] 设置一测量及数据中心单元，其连接并控制该逆变单元的工作，其连接该传感单元以获取该第一电压与第一电流、该第二电压与第二电流以及该第三电压与第三电流信号，并对它们进行数据处理：

[0031] 在设定的时间段内，比如24小时。

[0032] 根据该第一电压与第一电流计算出一电梯曳引部分的总能耗参数W1；

[0033] 根据该第二电压与第二电流和/或该第三电压与第三电流计算出一电梯曳引部分的势能与动能总和参数W2；

[0034] 以及根据该电梯使用楼层总高度计算M,

[0035] 第一能效系数K1，K1＝W2/(W1-W2)，

[0036] 第二能效系数K2，K2＝(W1-W2)/M。

[0037] 计算条件：

[0038] K2＝(W1-W2)/M优先采用电梯空载时每运行一个最大周期(从底层到最高层再回到底层,中间层不停留)的数据进行计算。也可以按照电梯空载运行N个最大周期(从底层到最高层再回到底层，中间层不停留)的平均数据，此时，K2＝(W1-W2)/(M*N)。K2表示电梯空载运行一个单位距离需要的净能耗。

[0039] 单位：W1,W2，度，电能单位；M，公制米，楼层总高度；N，次数；能效系数，K1,无单位；K2,度/米。

[0040] 需要说明的是，同时结合这两种类型的能效系数，可以更加全面地评判电梯的能效。

[0041] 第一能效系数K1，能够充分表示出电梯系统能量转换的效率，影响这个参数的原因：配重，减速箱润滑，导轨润滑和配合，曳引机或者变频器效率，制动鼓的间隙配合和时间配合等。

[0042] 当K1＝1,电梯能效100％(完全理想的状态，实际中不存在)

[0043] 当K1＝0.5,电梯能效50％，非常良好的状态。

[0044] 当K1＝0.4-0.5,(40％-50％)电梯在高效率范围，几乎没有改善空间。

[0045] 当K1小于0.1，(10％)，表示电梯还有很大的节能空间，调整配重，改善润滑，改善曳引机或者变频器效率，改善制动鼓的间隙和配合等，达到提高运行能效的效果。

[0046] 当K1＝0，电梯低能效运行。电梯没有安装回馈装置，极低的运行效率。

[0047] 第二能效系数K2，能够充分表示出一个电梯系列的空载效率指标，比如三菱电梯K系列，不管安装在什么地方，什么使用环境，这个参数应该是基本一致的。如果这个参数偏离过多，表示这部电梯效率方面会有问题。影响这个参数的原因：减速箱润滑，导轨润滑和配合，曳引机或者变频器效率，运动时制动鼓不能完全放开等。配重和制动鼓时间配合对这个系数影响不大。载荷多少和使用频繁程度对这个数据关影响不大。

[0048] 第二能效参数越小越好，当K2＝0，视为理想状态，实际上不存在。

[0049] 这个数据K2，可以每个月测量一次，或者每周一次，测量并且存储在电梯数据库中，和同一类型的电梯进行比较，如果这个数值偏大，表示电梯能效还可以提高。

[0050] 第一能效系数K1和第二能效系数K2一起，互相关联，相互补充，基本可以明确表面一台电梯的运行效率，即电梯的总体能效。

[0051] 其中，W1,W2可以采用电工学中的积分计算方法进行计算。电流电压可以是直流，正弦交流，非正弦变量。用矢量函数表示。

[0052] 交流：对电流矢量和电压矢量的乘积的绝对值进行时间积分运算。三相交流可以分成独立三相计算再相加；时间段可以使用8小时，12小时，24小时，48小时等。

[0053] 直流：对电流矢量和电压矢量的乘积进行时间积分运算；时间段可以使用8小时，12小时，24小时，48小时等。

[0054] W1是电梯曳引系部分的总能耗，包括了从电网吸收的所有电能，包括了动能和势能部分。

[0055] W2是电梯曳引部分再生的动能和势能。

[0056] 参见图1，本发明的电梯能效监测系统80实施例大致包括：一逆变单元1；一测量及数据中心单元2；一传感单元3以及一数据通讯单元4。

[0057] 该逆变单元1连接在电梯曳引机变频器20与三相商用电网10之间，用以把该电梯曳引机变频器20产生的直流DC+、DC-回馈到电网，该逆变单元1具有两个直流端口DC+、DC-和三个交流端口A、B、C，其中这两个直流端口DC+、DC-与该电梯曳引机变频器的直流母线相连，这三个交流端口A、B、C与该三相商用电网10相连。该电梯曳引机变频器20可以是有整流器的，也可以是无整流器的。该逆变单元1可以是DC/AC逆变器，也可以是整流逆变器。具体地，参见图2，该逆变单元1大致包括：三个交流滤波电容11、一个三相电感12(或者三个单相电感)、六个大功率受控开关器件13以及一整流电容组14。该电梯曳引机变频器20所控制的电机30工作于发电机状态时，回馈能量会通过该电梯曳引机变频器
20提供的直流输出Vdc，经过这三对的两个大功率受控开关器件13的两端DC+、DC-逆变为交流，再经过三相电感12和交流滤波电容11就可以回馈至给三相商用电网10。

[0058] 该传感单元3，其包括三部分，其中：第一部分IN1用以感测该电梯曳引机变频器20的交流输入A0、B0、C0的一(组)第一电压与一第一电流(一般有三相电流的三相电压)；第二部分IN2用以感测该逆变单元1的直流输入DC+、DC-的一第二电压与一第二电流；以及第三部分IN3用以感测该逆变单元1的交流输出A、B、C的一(组)第三电压与一第三电流(一般有三相电流和三相电压)。

[0059] 该测量及数据中心单元2可以包括工控机，也可以包括微处理器(例如，数字信号处理器)及其周边电路构成的微处理器系统。该测量及数据中心单元2与该逆变单元1相连。该测量及数据中心单元2通过控制这些大功率受控开关器件13的开关动作可控制该逆变单元1的运行状态，比如：交流输出的电压、频率等可以由测量及数据中心单元2根据需要进行调节，以满足三相商用电网10的要求。需要说明的是，在本实施例中，该逆变单元1是直接由该测量及数据中心单元2控制的，在本发明的其他实施例中，该逆变单元1也可以包括一独立于该测量及数据中心单元2的控制器来控制，这时，该控制器与该测量及数据中心单元2是通讯连接。该测量及数据中心单元2与该传感单元3相连，可获取该第一电压与第一电流、该第二电压与第二电流以及该第三电压与第三电流信号以进行能效系数的计算。

[0060] 该数据通讯单元4与该测量及数据中心单元2相连，该测量及数据中心单元2可通过该数据通讯单元4与外部监控系统(图未示出)相连。

[0061] 以下，结合图3a、3b和3c，对本发明的电梯能效监测系统及方法的工作原理进行更详细的说明。

[0062] 在图3a中，横坐标t为时间轴，其单位为秒，纵坐标X为方向坐标，向上为正方向，向下为反方向。需要说明的是，这里的正方面，可以与电梯的向上运行对应，也可以与电梯的向下运行对应。其中，时刻T0-时刻T1之间区域、时刻T3-时刻T5区域以及时刻T8以后区域对应电梯的停止状态；时刻T1-时刻T3之间区域对应电梯正方向运行状态；时刻T5-时刻T8之间区域对应电梯反方向运行状态。

[0063] 在图3b中，横坐标t为时间轴，其单位为秒，纵坐标E0为总能耗坐标，其单位为千瓦，向上为能量消耗，向下为能量回馈。其中，时刻T0-时刻T1之间区域对应电梯的停止状态；时刻T1-时刻T2之间区域对应电梯的正向加速运行状态；时刻T2-时刻T3之间区域对应电梯的正向平稳运行状态；时刻T3-时刻T4之间区域对应电梯的正向减速运行状态；时刻T4-时刻T5之间区域对应电梯的停止运行状态；时刻T5-时刻T7之间区域对应电梯的反向加速运行状态；时刻T7-时刻T8之间区域对应电梯的反向平稳运行状态；时刻T8-时刻T9之间区域对应电梯的反向减速运行状态；时刻T9以后区域对应电梯的停止运行状态。可见，正向运行，电梯的总能耗为Ea，反向运行，电梯的总能耗为Eb，对特定时长(比如24小时)内的这些总能耗进行积分运算，既可以得到一电梯曳引部分的总能耗参数。

[0064] 在图3c中，横坐标t为时间轴，其单位为秒，纵坐标E1为势能加动能坐标，其单位为千瓦，向上为能量消耗，向下为能量回馈。其中，时刻T0-时刻T3a之间区域、时刻T4-时刻T6之间区域以及时刻T9以后区域对应于电梯无能量回馈的状态；时刻T3a-时刻T4之间区域以及时刻T8-时刻T9之间区域对应电梯有动能回馈的状态；时刻T6-时刻T8之间区域对应电梯有势能回馈的状态。可见，电梯的减速运行可以产生动能回馈Em，电梯的稳定运行可以产生势能回馈Ep，对特定时长(比如24小时)内的这些动能和势能动能)内的这些动能耗进行先求该中央控制单元需要消耗的电网电能。回馈Em与Ep进行进行积分运算，既可以得到一电梯曳引部分的势能与动能总和参数。需要说明的是，势能回馈取决于电梯系统的平衡，理论而言，在电梯系统处于最优的平衡的状态，势能Ep可能非常接近于零，但无论电梯系统如何平衡，只要电梯有减速运动，其中的动能回馈Em总是存在的。

[0065] 与现有技术相比，本发明的电梯能效监测系统80通过逆变单元1、传感单元3与测量及数据中心单元2进行能效系数的测算，可以很好地实现在电梯装设到建筑物中投入实际运行后进行能效的实时监测。

[0066] 上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。