超高速电梯的技术.doc

超高速电梯的技术 联合国1972 年国际高层建筑会议将高层建筑按高度分为四类: 低层或中层建筑916 层, 最高为50 米; 中高层建筑, 1725 层, 最高到75 米; 高层建筑, 2640 层,最高到100 米; 超高层建筑, 40 层以上或100 米以上。电梯按运行速度分为: 低速电梯1m/s; 中速电梯12.5m/s; 高速电梯2.56m/s; 超高速电梯6m/s。在我国, GB50045- 2001 高层民用建筑设计防火规范中, 对于高度超过100m 或层数超过32 层的民用建筑, 在避难层、停机坪、消防水压、灭火设施、正压排烟及火灾自动报警等方面有特殊要求, 可以视为对超高层建筑的规定。自1968 年建成的日本外交部大厦( 高度147米, 地上36 层) 掀起了超高速电梯的应用至今, 超高速电梯已经有接近40 年历史。而在1993 年横滨的置地大厦( 地上70 层, 地下3 层) , 速度就已经达到12.5m/s ( 750m/min) 。中国国内超高层建筑的增加, 使得超高速电梯的市场不断加大。但是, 几乎所有的超高层建筑, 都选用了原装进口的超高速电梯。首先, 是在超高速电梯的性能上。据报道, 日本的电梯企业已经开发出最高速度达到18m/s 的超高速电梯, 而国内的电梯企业能开发出的最高速电梯只有6.0m/s。其次, 在电力驱动技术方面, 国外企业由于率先掌握了永磁同步电机技术和能量反馈技术等关键的技术, 应用于超高速电梯, 使得国外的超高速电梯在节能、环保和运行舒适感方面暂时优于国内的超高速电梯。所以中国已经投入使用的最高十座建筑, 都采用国外进口的超高速电梯。中国国内和国际上的电梯企业相比,在超高速电梯制造方面存在着较大的差距。超高速电梯系统, 有许多关键技术需要突破,下面将简要分析一下, 超高速电梯开发中具体需要解决的问题和可能的解决方案, 以满足对超高速电梯在的速度、安全可靠、平稳舒适、高效节能等方面的要求。( 1) 制造新型驱动电机新型的驱动电机, 必须满足三个条件: 紧凑, 节能,能够降低振动和噪音。早期的超高速电梯, 由于交流技术的限制, 普遍采用直流电机拖动的技术, 需要配备专门的直流发电机组。能耗高、噪音大的弱点已经制约到使直流电机未能满足新型超高速电梯驱动电机要求。近十年来, 随着永磁同步电机技术的发展,特别是容量上的不断提升, 在结合永磁同步电机的节能和低速大转矩( 无须减速机构) 的优点, 将是超高速电梯开发更新换代的主要驱动主机。大容量的永磁同步主机将是实现在重载情况下快速启动的最重要保证, 因为超高速电梯一般要求在启动10s 以内达到全速运行。永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高。和直流电机相比, 它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比, 它由于不需要无功励磁电流, 因而效率高, 功率因数高, 力矩惯量比大, 定子电流和定子电阻损耗减小, 且转子参数可测、控制性能好。和普通同步电动机相比, 它省去了励磁装置, 简化了结构, 提高了效率。另外, 永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制。特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展, 加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟, 正向大功率化( 高转速、高转矩) 、高功能化和微型化方面发展。目前, 稀土永磁电机的单台容量已超过1000kW, 最高转速已超过300000r /min, 最低转速低于0.01r /min。可以满足超高速电梯启动时要求的500kW的功率要求。通过采用永磁同步电机, 电梯主机一般能够降低20%的体积; 功率能提高至少15%; 振动和噪音能降低10dB。( 2) 开发带能量反馈技术的驱动主机能量反馈技术, 可以说是继永磁同步电机技术后电梯行业的又一重大技术突破。传统的电梯, 在任何工况下,都是需要消耗电能的。但是, 实际上, 电梯在轻载上行、重载下行的工况下不需要消耗电能; 相反, 可以看作是一个发电设备。将机械能变为电能反馈给变频器, 导致其直流母线电压上升。以往, 一般采用增设制动单元和制动电阻将这些电能变为热能消耗掉。一般在小功率的机种, 例如10kW 内的电梯还是可以采用这种能耗制动的方式的。但是随着功率的上升, 如果依然采用能耗电阻的方式处理, 除了电流大, 容易对系统和设备造成损害外, 还会产生巨大的热量, 对环境也会造成不良的影响。而且超高速电梯的功率, 一般都比较大, 甚至可以达到惊人的500kW以上, 在这种规模的功率下, 已经根本不适宜用制动电阻方式来消耗发电状态下产生的电流。所以超高速电梯的开发必须开发具有能量反馈功能的变频系统。通过能量反馈技术, 把电梯发电状况下和制动状况下运行必须释放出来的势能和动能转化为电能反馈到电网中去, 实现电梯系统最有效的节能。在国外, 超过3m/s 的电梯, 能量反馈基本上都已经作为标准配置配备。但是在国内, 由于大功率的能量反馈技术还不是很成熟, 因此需要开发带能量反馈技术的驱动主机。( 3) 寻找适合制作安全钳的材料超高速电梯速度均超过6m/s, 如果速度失控, 将会造成严重的人员伤亡和设备损失。当电梯在以10m/s 或以上速度运行中被触发安全钳,传统的铜钢制安全钳楔块会因与导轨的激烈摩擦而产生的高温而熔化掉, 导致安全钳失效。国外在超高速电梯开发中, 借鉴了航天技术, 普遍采用耐摩擦高温的复合型陶瓷材料。例如, 台北101 大厦电梯特别采用昂贵的氮化硅陶瓷。但是, 超高速电梯使用的陶瓷材料和航空用的陶瓷材料的使用环境是有很大区别的。而电梯安全钳的摩擦, 是与导轨( 钢) 之间。在安全钳动作的时候, 势必会因此造成导轨的变型, 这样, 将会与安全钳发生撞击。而陶瓷材料的特性就是抗撞击性能差。在巨大的撞击下, 陶瓷材料存在破碎的可能性。这种因为破碎而引起的失效, 将会带来非常严重的后果。导轨在安全钳动作中发生变形对陶瓷型安全钳楔块的失效不容忽视。在广东, 曾经出现过这样的一个例子, 发生事故的电梯安全钳动作, 安全钳动作以下楼层导轨严重变形扭曲,而发生事故的仅是中低速电梯。因此, 开发出可以同时具备陶瓷和钢铁双重特性的材料, 将是重要的开发课题。( 4) 抑制轿厢内噪音超高速电梯的运行噪音, 主要来源于高速运行中的轿厢与空气的摩擦产生的噪音。根据有关研究结果表明, 影响轿厢内部运行噪音的因素主要如图3 所示。关于轿厢结构, 目前除超高速电梯外, 基本是四方体结构( 观光梯除外, 观光梯的外形并非为了降低运行噪音) 。由于运行速度较低, 形状对运行风阻的影响不大。超高速电梯, 现在的一般做法, 是在四方体轿厢的顶部和底部分别加设整流罩。其流线型的整流罩有效地降低风阻, 见效了运行重的噪音。但是最有利的形状是圆柱型的轿厢对重也采用圆柱型, 并且两者的井道隔离, 同时配合圆柱型的井道, 使得轿厢外壁到井道地内壁等距。这样, 将能最有效地轿厢外形对运行风阻和噪音的影响。轿厢外形的影响, 可以选择风洞实验室进行试验, 以最大限度地符合空气动力学, 以便最大限度减少运行过程中和气流的摩擦。超高速电梯的轿壁, 应采用双层结构。必要时可以用内部抽真空的壁板构筑而成。这样也可以有效降低运行噪音。一般还会在轿厢的地板加设隔音和吸音的材料, 以便进一步隔离运行噪音。( 5) 减少电梯运行过程中的振动电梯运行过程中的振动, 主要取决于下面的两个因素: 高质量的导轨安装、动态的实时的振动控制和智能控制技术的应用。由于超高速电梯的提升高速一般都大于100m。因此导轨的安装质量直接影响到电梯的运行振动。一般在超高速电梯的导轨安装中, 普通的校验手段已经不能满足需要, 需要采用激光较轨设备进行校验。第二个有效降低超高速电梯运行过程中的振动的方法是采用电磁或磁悬浮式的动态振动控制导靴。电梯是在导轨之间高速运行的, 轿厢和导轨通过导靴或滚动导轮接触。滚动导轮的减振效果一般优于滑动导靴。但是, 传统的滚动导轮只能被动地通过设在导轮内的弹簧进行减振。在超高速梯中这是不能满足运行要求的。必须开发机电式的滚动导轮, 可以实现实时对电梯运行中出现的振动予以消减。现在, 已经有国外企业开发出了超导导靴, 实现了轿厢与导轨的非接触运行。开发带有自学习功能的导靴, 将是可能的另外一个方向。通过记录导轨的实际运行振动, 在每次运行前, 为每次运行设定补偿值, 将能有效地主动削减振动的幅度, 特别是在无中间停站的超高速电梯。另外, 超高速运动过程中振动测试系统, 将是难度最大的一个项目, 需要先进的测试仪器设备与之配套, 而且这些测试设备需要国内的企业自己进行系统地开发。( 6) 轿厢内气压控制根据国家的消防法规规定: 电梯必须在1 分钟之内达到顶层或底层。在如此之短的时间内, 在开放状态下轿厢的气压将发生剧烈的变化。如对气压不进行任何控制, 瞬间的快速上升或下降会造成轿厢内的气压发生急剧变化而使搭乘人员很难适应。因此, 轿厢的设计必须是完全气密式的, 在轿厢内安装气压控制阀门和控制设备, 当轿门关闭时重新设定好轿厢内的气压, 而在轿厢运行时按一定的比例控制气压加减, 搭乘人员就不容易发生因气压急剧变化引发的不适。同时为防止气压变化, 采用密封轿厢可以在一定程度上抑制噪音的传入。( 7) 群控系统的开发群控系统, 目前一般是对最多8 台电梯进行群控管理。然而,