电梯配电计算初析

（ZhejiangCixiIndustrialDesignInstituteCo.，Ltd.,Cixi315300，ZhejiangProvince，China）谢宁（浙江慈溪市工业设计院有限公司，浙江省慈溪市315300）作者信息谢宁，男，浙江慈溪市工业设计院有限公司，工程师。电梯配电计算初析Abstract：Acommonelevatorcharacterizedinthatthemotoradoptsworm鄄geartransmissionistakenasanexample，basedonthatthepoweroftheelevatordistributiondesignshallbethetransmissionpowerforconvertingtheelectricalpowerintothemechanicalpowerunderfullload，adistributioncalculationideaisproposedforpowersupplytothemaincircuitoftheelevatorwithageneralcranemotor（asynchronouswound鄄rotor）asdynamictractor.Besides，theratedpowerandthepowercalculatedbydemandfactormethodarediscussed，bothofwhichareunabletotrulyreflecttheenergyrelationshipbetweentheelectricalpowerandthemechanicalpoweroftheelevator.Keywords：elevatordistribution；full鄄loadloadpower；full鄄loadelectricalpower；ratedpowerofmotor；demandfactormethod；powerfactor；calculatedcurrent摘要：以电机采用蜗轮蜗杆传动方式的一般电梯为例，提出电梯配电设计的功率应以满载时电功率转换为机械功率的传动功率为依据。对配置一般起重用（绕线转子异步）电动机为动力的曳引机的电梯主回路供电，提出配电计算思路。同时论述电动机铭牌功率和按需要系数法得出的功率，都不能真实反映电梯电功率和机械功率的能量关系。关键词：电梯配电；满载负载功率；满载电功率；电动机铭牌功率；需要系数法；功率因数；计算电流中图分类号：TU857文献标识码：A1电梯工作过程电梯传动示意如图1所示，电梯工作过程如表1所示。2电梯供电有功功率文献［1］指出电动机也遵循能量守恒定理，即：电源输入的电能=磁场储能的增量+转化为热能的能量损耗+机械能输出可见等式右边第一项为无功功率，第二、三项为有功功率。由物理学原理可知，电梯重力做功功率与电梯载质量和提升速度成正比，考虑到传动机构摩擦力所产生的损耗都是转化为热能的损耗，工程上用电梯传动效率ηZ折算。得电梯满载时负载功率为：图1电梯传动示意Fig.1Schematicdiagramofelevatortransmission注：D———曳引电动机及传动机构；Gx———电梯载质量，kg；G1———轿厢质量，kg；G3———对重质量，kg；Kp———平衡系数；G———电梯额定载质量，kg。电梯配电计算初析（谢宁）供电与配电10541Feb.2014Vol.33No.2正功电动机输出有用功，拉动负载上升Gx=Gp正功电动机输出有用功，克服摩擦力上升GxGp负功（发电）Gp作功，电动机呈发电状态下降GxGp负功（发电）Gp作功，电动机呈发电状态Gx=Gp正功电动机输出有用功，克服摩擦力下降GxGp正功电动机输出有用功，拉动负载下降表1电梯工作过程Tab.1Operationprocessofelevator注：Gp———对重减去轿厢质量，kg；平衡系数Kp0.5时，最大曳引功率为满载上升功率。表2某冶金及起重电动机技术数据Tab.2Technicaldataofmetallurgyandcranemotor15%25%40%60%100%额定功率/kW额定电流/A额定功率/kW额定电流/A额定功率/kW额定电流/A效率功率因数cosφ额定功率/kW额定电流/A额定功率/kW额定电流/AYZR180L2042.51726.71533.885.7%0.811329.71125.5YZR200L33622856.12249.186.0%0.801944.51740.5YZR225M408034703074.488.3%0.832855.02250.5负载持续率ε型号PL=（1-Kp）Gv102ηZ（1）式中：PL——满载负载功率，kW；Kp———平衡系数，取0.45～0.55；v———电梯额定运行速度，m/s；G———电梯额定载质量，kg；ηZ———传动机构效率；102———kgf·m/s与kW的换算系数。式（1）的物理意义在于：电梯工作过程，除启动和制动过程是变速另外考虑外，一进入匀速正常运行，不管是短时工作还是长期持续工作，也不管配套电动机额定（铭牌）功率多大，满载时负载功率都是恒定不变的，这也是初选配套电机额定（铭牌）功率的依据。电梯满载时所需有功电功率为：PN=（1-Kp）Gv102ηDηZ（2）式中：PN———满载有功电功率，kW；ηD———电动机效率。式（2）是电梯配电设计确定所需有功电功率的依据。电动机效率随负荷率的变化而变化，当负荷率为70%左右时电动机效率最高。3电梯配套电动机电梯配套电动机属冶金起重类电机，采用绕线转子异步电动机和交流双速电机。3.1某起重电动机铭牌技术数据从表2可知，同一台电动机，其铭牌上的额定功率和额定电流有多种表达，随着负载持续率ε不同而不同，ε越小额定功率越大。实际运行负载持续率越低，同一台电动机带载能力越大，允许电流也越大。其原理是电机允许温度所决定的。反之，若按低负载持续率选择电动机，当运行在高负载持续率时，因电动机承载能力降低而发生过载，这是不允许的。从表2还可知额定功率、额定电流、效率、功率因数4者的关系：额定功率指的是电机能输出的有功功率，输入电功率=额定功率电动机效率；额定电流与输入电功率和功率因数有关，即额定电流=输入电功率3姨×电压×功率因数。以YZR180L电动机负载持续率40%为例，输入电功率=150.857=17.5kW，额定电流=17.53姨×380×0.81=32.83A，与铭牌上的额定电流33.8A非常接近。额定电流不但与额定功率相关，还与电机本身效率相关，这是电动机与其注：运行方式：S3（断续周期工作制），6次启动/h，同步转速1000转/分，6极。10642他用电器不同之处。3.2电梯电动机工作制根据文献［3］，运行周期时间不足10min，属断续负载范畴。如100m高的电梯井，电梯以2m/s速度中间不停站运行，50s可从低层升到顶层，停留150s，负载持续率为25%，运行周期时间不到4min，不足10min，属断续负载范畴。考虑最不利运行状况，如大会议室在高楼层时，由于人员集合时段短，电梯会连续满载上升、空载下降，二种工况都需要满载功率，而停层时段短，负载持续率高于80%，接近连续工作制，因此电梯电机按连续工作制考虑。对电动机来说，是S5工作制（包括电制动的断续周期工作制），对电梯电源来说，是为S4工作制（包括启动的断续周期工作制）的电动机供电，这是因为电梯电机制动时一般采用回馈制动或能耗制动不消耗主回路电源能量［5］，所以电源供电无制动段，故是S4制。3.3电梯配套电机的额定（铭牌）功率根据文献［4］，电梯配套电动机功率应大于式（1）计算值，并留有10%～20%的超载裕量。配套电动机的额定（铭牌）功率更大。例如满载负载功率为11.4kW，考虑10%～20%的超载裕量即电梯配套电动机功率13.7kW，但电机没有这种规格，只能选取规格为17kW的电机，额定负载时，功率超载裕量为（17-13.7）/13.7=24%，负荷率13.7/17=81%，即实际需要系数为0.81。虽然也有专用电梯配套电机，但电梯规格太多，不可能对每一规格电梯配专用电动机。可见铭牌功率Pr与负载功率PL比值不是固定值，有时冗余量较大，所以铭牌功率Pr不能作为配电设计依据。3.4需要系数法计算功率根据文献［3］，短时或周期工作制电动机（如起重机用电动机等）的设备（铭牌）功率是指将额定功率换算为统一负载持续率下的有功功率。当采用需要系数法计算负荷时，应统一换算到负载持续率ε为25%下的有功功率：Pe=Prεr0.25姨=2Prεr姨（3）式中：Pr———与负载持续率ε相对应的设备额定（铭牌）功率；εr———电动机额定负载持续率。当为连续工作制，即负载持续率为100%，换算到负载持续率ε为25%下的有功功率为2Pr。笔者认为这是为了满足需要系数法得出的虚拟数据。否则无法解释增大了成倍的功率消耗在何处，会出现能量不守恒。3.5几种功率关系由于Pr与PL比值随机性较大，也即与PN比值随机性较大，一般PN＜Pr。可见满载负载功率PL、满载有功电功率PN、电动机额定（铭牌）功率Pr、需要系数法计算功率Pe大小关系如下：PLPNPrPe（4）根据能量守恒原理，满载有功电功率PN反映了电功率转换成机械功率的客观实际，因此配电设计的功率应取其值为依据。4电梯满载电功率计算交流电动机效率ηD与输出功率有关，从图2［2］可知，电动机负荷率在0.7时，效率有极大值约0.90。从表2负载持续率40%一列可知，电动机额定功率越大效率越高。根据文献［5］、［6］，闭式2头蜗杆蜗轮蜗杆传动效率η1=0.78，钢绳传动效率η2=0.9，滚动轴承效率η3=0.99，导轨及其他阻力效率η4=0.95，电梯配电计算初析（谢宁）供电与配电10743Feb.2014Vol.33No.2=η1×η2×η3×η4=0.78×0.9×0.99×0.95=0.66。这里ηD取0.86，则普通交流电梯蜗轮蜗杆传动总效率η=ηD×ηZ=0.86×0.66=0.5676。以二类高层住宅的电梯为例，额定载质量为800kg、速度1.75m/s、Kp=0.45的电梯，电源输入满载有功电功率为：PN=（1-Kp）Gv102ηDηZ=（1-0.45）×800×1.75102×0.86×0.66=13.3kW满载负载功率：PL=（1-Kp）Gv102ηZ=（1-0.45）×800×1.75102×0.66=11.4kW按留有20%的超载裕量，负载功率为13.7kW。根据表2选择配套电机：按负载持续率100%考虑时，选YZR200L，铭牌额定功率为17kW；按负载持续率60%考虑时，选YZR200L，铭牌额定功率为19kW；按负载持续率25%考虑时，选YZR180L，铭牌额定功率为17kW。5电梯满载电流计算5.1功率因数异步电动机的无功功率主要是励磁电流引起的，励磁电流大小只与磁性材料和饱和度相关，外电压不变时励磁电流和无功功率基本不变。电动机负载大小决定有功功率，当负载变轻时，无功不变有功减小，所以功率因数变低。异步电动机功率因数与输出功率有关，有对应关系。计算电流时，功率用满载值，功率因数也应取满载功率时的对应值。根据图2可知，异步电动机出力为接近额定功率时，功率因数也