CN102030233B - 基于差额质量速度积分法的电梯能效测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差额质量速度积分法的电梯能效测量方法，采用差额质量速度积分法，最少只需要使电梯在空载，以及选定额定载荷的某一百分比的有效载荷的情况下分别运行一次，即可由数据处理单元计算出电梯输送有效载荷所产生的有效机械能，以及计算出电梯输送有效载荷所相应消耗的电能，进而得到电梯产生单位有效机械能所相应消耗的电能作为电梯能效Q的度量指标。该方法测试运行次数及所需时间大大减少，便捷性高，从而也降低了成本。

Description

基于差额质量速度积分法的电梯能效测量方法

技术领域

本发明涉及机器能效测量技术，尤其涉及一种基于差额质量速度积分法的电梯能效测量方法及测量仪。

背景技术

电梯作为建筑耗能的一部分，其耗能问题已被广泛关注，我国大约有在用电梯一百万部，电梯已成为节能减排重要的对象。通过采用新技术，能显著降低电梯的使用能耗，但是我国乃至全世界都没有统一的电梯能效定义，也没有作为国家标准的电梯能效测量方法。由于标准缺位导致电梯节能减排工作无法大面积开展，也不利于引导电梯制造商采用高新技术提高所制造电梯的能效，淘汰落后、效率低的电梯。

影响电梯能效的因素是多方面的，电梯运行速度、运行载荷不同其能效也不同，即电梯能效本质是随电梯运行条件而变化的。电梯能效的定义和测量目的是建立一个公认尺度来衡量标识不同电梯的电能利用效率，所以测量电梯能效的关键是定义一个合理的测量方法，排除各种影响电梯能效的因素对测量结果所造成的干扰，使测量结果具有可比性。

目前已提出的电梯能效测量方法要么过于简单,导致测试精度底等一系列缺陷不被业界认可，要么测试繁琐成本高昂而无法大面积推广使用。特别是电梯能效测量的模拟工况法，需分别往电梯轿厢搬入与25%、50%、75%、100%额定载荷相当的砝码，在电梯现场实施起来费时耗力。

电梯是特种设备，对电梯能效的测量必须不损害电梯的安全性，所以测量方法最好是非接触式的，不要涉及电梯控制柜内部的信号，这样才能保证测量方法的本质安全性。

电梯能效测量仪对测量仪器的分辨率和精度提出了较高要求，如果让电梯按测试运行工作图谱往返多次运行，必然加长了测试时间、增加了测试成本对在用电梯的业主造成不必要的经济损失，所以测试时最好减少电梯运行次数，减少测试运行次数的前提是必须有测量精度作保证。

所以，电梯能效测量仪的基础是科学合理的测量方法，并同时满足安全性、低成本、便捷性三方面的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于差额质量速度积分法的电梯能效测量方法，本发明采用差额质量速度积分法,单次所测得的数据精度高，而且，最少只需要使电梯在空载，以及选定额定载荷的某一百分比的有效载荷的情况下分别运行一次，即可由数据处理单元计算出电梯输送有效载荷所产生的有效机械能，以及计算出电梯输送有效载荷所相应消耗的电能，进而得到电梯产生单位有效机械能所相应消耗的电能作为电梯能效Q的度量指标。该方法测试运行次数及所需时间大大减少，便捷性高，从而也降低了成本。

本发明的另一目的在于提供实现上述基于差额质量速度积分法的电梯能效测量方法的电梯能效测量仪。

本发明的目的通过下述技术方案实现：基于差额质量速度积分法的电梯能效测量方法，具体为：

根据电梯在建筑物中运行的楼层数确定被测电梯的测试运行工作图谱，设定电梯三相电流、电梯三相电压以及轿厢的直线行驶动态速度的采样频率；

电梯空载状态下，按测试运行工作图谱运行一次，按以下公式（1）计算电梯空载运行过程电梯总共产生的有效机械能W₁：

$W_1={\∫}_0^{T}M\left|V_1\right|\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，M为假定的一个轿厢的净重，净重M等于电梯配重减去轿厢自身重量，V₁空载下轿厢的直线行驶动态速度，t由采样频率决定，T为电梯按测试运行工作图谱运行一次所需要的时间；

根据空载状态下的电梯三相电流、电梯三相电压，计算上述电梯空载运行过程，电梯所总共消耗的电能E₁；

选定额定载荷的某一百分比的有效载荷ΔM加载在电梯上，电梯再次按测试运行工作图谱运行一次，按以下公式（2）计算电梯有效载荷运行过程电梯所总共产生的有效机械能W_20％：

$W_{20\%}={\∫}_0^T(M-\mathrm{\ΔM})\left|V_{20\%}\right|\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中，M-ΔM即为有效载荷下电梯的净重，V_20％为有效载荷下轿厢的直线行驶动态速度，t由采样频率决定，T为电梯按测试运行工作图谱运行一次所需要的时间；

根据有效载荷状态下的电梯三相电流、电梯三相电压，计算上述电梯有效载荷运行过程，电梯所总共消耗的电能E_20％；

按照以下公式（3）计算电梯运送ΔM所产生的有效机械能W_Z：

$W_Z=W_1-W_{20\%}={\∫}_0^T\mathrm{\ΔM}\left|V\right|\mathrm{dt};---\left(3\right)$

其中，V为电梯轿厢实际速度，t由采样频率决定，T为电梯按测试运行工作图谱运行一次所需要的时间

按照以下公式（4）计算电梯输送有效载荷所相应消耗的电能E_C：

E_C＝E₁-E_20%                             （4）

最后，由按照公式Q=W_Z/E_C，得到电梯产生单位有效机械能所相应消耗的电能，Q作为电梯能效。

为了达到更好的技术效果，所述有效载荷ΔM优选为额定载荷的20%。

优选的，所述采样频率设定为50KHz，由于该采样频率与中国所采用的电源工频电源50Hz相同，也即电能数据最小间隔等于工频电源周期，而数字信号处理器具有高速运算能力，从而实现了实时计算各种能耗。

实现上述电梯能效测量方法的电梯能效测量仪，包括：用于采集三相电流的霍尔电流传感器、三相电流霍尔信号处理电路、用于采集三相电压的鳄鱼钳、浮动中性点电路、电磁感应传感器、磁阻自适应电路和数字信号处理器，所述数字信号处理器设置有用于进行差额质量速度积分计算的运算模块和A/D转换器；

所述霍尔电流传感器安装在电梯控制电气柜的三相动力线输入处，并通过三相电流霍尔信号处理电路依次与数字信号处理器的运算模块和A/D转换器相连接；霍尔电流传感器从三相动力线输入处获取三相电流，传给三相电流霍尔信号处理电路进行模拟滤波和量程变换等处理，然后再传给数字信号处理器的A/D转换器进行模数转换后输入运算模块；三相电流霍尔信号处理电路对采集到的三相电流进行模拟滤波、量程变换等处理，从而消除了可能的信号混叠现象；

所述鳄鱼钳夹在电梯控制电气柜的三相电压进线端子上，并通过浮动中性点电路依次与数字信号处理器的运算模块和A/D转换器相连接；鳄鱼钳从三相电压进线端子获取三相电压，并传给浮动中性点电路进行浮动中性点处理，然后再传给数字信号处理器的A/D转换器进行模数转换后输入运算模块；所述鳄鱼钳直接把三相380V交流电压引至测量仪的电路板上，浮动中性点电路采用浮动中性点法不失真地把380V交流信号降到0~3V范围内，且保证了三相中性点与测量仪的模拟地是彼此独立的，避免了测量仪的模拟地与三相中性点直接相连所产生的共地干扰问题；

电梯曳引轮设置有磁片，所述电磁感应传感器设置在垂直于曳引轮的侧面并与磁片具有一定间隙的位置，电磁感应传感器通过磁阻自适应电路依次与数字信号处理器的运算模块和A/D转换器相连接；所述电磁感应传感器是基于电磁感应原理，电梯运行测试过程中，每当曳引轮上的磁片在其附近通过，电磁感应传感器就感应产生一个交流信号并传给磁阻自适应电路，磁阻自适应电路将交流信号转换为直流脉冲信号再传给数字信号处理器的A/D转换器进行模数转换后输入运算模块。运算模块通过采集捕获到直流脉冲信号的间隔时间，不仅可以计算出曳引轮的旋转位置，也计算出曳引轮的旋转速度。电梯轿厢运行速度与曳引轮旋转速度和旋转位置存在固定线性关系，籍此就可以计算得到轿厢的动态运行距离与动态运行速度。

所述数字信号处理器还设置有FIR（有限冲激响应）滤波器，所述A/D转换器通过该FIR滤波器与运算模块相连接。由A/D转换器模数转换后的数字信号（包括三相电压、三相电流和直流脉冲信号转换后的数字信号）传到FIR滤波器进行数字滤波处理，以滤除电梯现场对上述各种测量信号的低频和高频干扰，保证测量信号的精度，从而也有利于保证测量结果的精度。

所述电梯曳引轮设置磁片，所述电磁感应传感器设置在垂直于曳引轮的侧面并与磁片具有一定间隙的位置，其具体方式是：所述磁片采用磁钢片，在电梯曳引轮的侧面均匀贴8片磁钢片，电磁感应传感器安装在具有三自由度的支架上，电磁感应器垂直于曳引轮的侧面，且与磁钢片的间隙为3mm~5mm。

为了更好的方便人机交互，上述电梯能效测量仪还可以设置有：用于显示测量过程图形与数据的显示屏，用于接收测量过程的触摸命令的触摸屏，用于控制显示屏的图形显示和触摸屏操作处理的嵌入式操作***，所述数字信号处理器与嵌入式操作***通过RS232通信接口相连接，嵌入式操作***还分别与显示屏和触摸屏相连接。上述电梯能效测量仪还设置有开关稳压电源，分别与嵌入式操作***和数字信号处理器相连接，负责给本测量仪提供+5V、±15V等所需的隔离电源。

上述电梯能效测量仪还可以设置有RS485通信接口，数字信号处理器通过RS485通信接口与电梯控制***相连接，以实现与电梯控制***的通信。

上述电梯能效测量仪还可以设置有带光电隔离的数字I/O接口，测量仪面板上的操作按钮通过数字I/O接口连接数字信号处理器，以提供按钮输入操作命令到数字信号处理器。

本发明相对与现有技术的有益效果如下：

1、本发明采用差额质量速度积分法,单次所测得的数据精度高，而且，最少只需要使电梯在空载，以及选定额定载荷的某一百分比的有效载荷的情况下分别运行一次，即可由数据处理单元计算出电梯输送有效载荷所产生的有效机械能，以及计算出电梯输送有效载荷所相应消耗的电能，进而得到电梯产生单位有效机械能所相应消耗的电能作为电梯能效Q的度量指标。该方法测试运行次数及所需时间大大减少，便捷性高，从而也降低了成本。

2、通过计算差额质量所代表的机械能与所对应消耗的电能，有效克服楼层高度，电梯运行速度、电梯平衡系数等干扰因素对电梯能效指标测量结果的干扰，使能效指标有可比性。

3、采用动态的质量速度积分计算，与基于距离的计算法相比，有效克服电梯加减速过程对测量结果的影响，使所得的电梯能效指标能自动反映电梯加减速过程的能源利用效率。

4、本电梯能效测量仪是一种便携式仪器，适用于有曳引轮的各类电梯，包括客梯与货梯，为评价电梯能源利用效率提供了安全、便捷的测量方法。

附图说明

图1是电梯能效测量仪的硬件结构框图；

图2是基于浮动中性点法的三相电压信号处理原理图；

图3是磁阻自适应电路原理图；

图4是本发明基于差额质量速度积分法的电梯能效测量方法的检测流程图；

图5是电梯加减速度曲线模型图；

图6是电梯工作原理的简化模型图；

图7是电梯测试运行工作图谱的简化模型图；

图8是数字信号处理器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，基于差额质量速度积分法的电梯能效测量仪，该仪器具体由9部分硬件构成：

彩色液晶显示屏与触摸屏1，它负责测量过程图形与数据，以及接收测量过程的触摸命令；

ARM9嵌入式***主机板2，它基于WinCE嵌入式操作***控制显示屏的图形显示和触摸屏操作处理；

开关稳压电源3，负责给本测量仪提供+5V、±15V等所需的隔离电源；

扩展RS485通信接口4，预留给电梯能效测量仪与电梯控制***通信用；

数字信号处理器(TMS320F2808)5，它实现高速采样电压、电流、速度等数据，并进行数字信号滤波处理，实时计算电梯能效指标，具体包括用于进行差额质量速度积分计算的运算模块、A/D转换器和FIR滤波器；

带光电隔离的数字I/O接口6，测量仪面板上的操作按钮通过数字I/O接口连接数字信号处理器，以提供按钮输入操作命令到数字信号处理器；

磁阻自适应电路7，磁阻自适应电路把传感器输出的交流信号转化为数字信号处理器能接受的直流脉冲信号；

浮动中性点电路8，把380V交流高压信号高保真地降为0~3V直流信号；

三相电流霍尔信号处理电路9，对测量到的交流电流信号进行模拟滤波、量程变换等处理，从而消除了可能的信号混叠现象。实际上，通过采用上述方法，各种信号在进行A/D转换前都进行硬件模拟滤波处理，消除可能的信号混叠现象。

图2是浮动中性点法三相电压信号处理原理图。为测量电梯耗用的电能，需要测量三相电压。为便于现场接线，直接取U、V、W三相电压，三相电压中性点为图2中UF点，UF点的电压相对仪器的模拟地是浮动变化的，如果把UF与仪器的模拟地直接相连，可能会产生地线环流，干扰仪器的运行。为克服中性点电压不定所造成的影响，这里把相电压信号VPH和中性点信号UF的差值输入到运算放大器U60D中，同时用大功率电阻R601和R602把高电压衰变为幅值较小的信号。另外由于相电压是交流信号，在运算放大器U60C的同相输入端叠加了+2.5V的偏压，使输入到数字信号处理器的信号V_in为正且变化范围是0-3V。通过图2所示的浮动中性点电路，能精确获得三相电压信号，且不受三相电压中性点电压波动的影响。

图3是磁阻自适应电路原理图。采用电磁感应传感器测量电梯曳引轮的旋转位置和旋转速度，每当曳引轮上磁钢片经过电磁感应传感器，传感器就输出一个交流脉冲信号，该信号的幅值与频率既随曳引轮的转速变化，也随传感器与磁钢片间的气隙磁阻大小而变化，幅值可能从0.3V变化至36V。为检测该交流电压信号，不能采用固定比较门坎值的电压比较法，门坎值需跟随电压信号幅值而变化。图2中电容Ce上的电压U_C为捕捉到的电压峰值，而运算放大器1的比较电压U_门坎≈80%U_C，则只有U_i＞U_门坎才触发脉冲输出、自动滤除各种干扰脉冲。从而保证电路在电梯现场这种强电磁辐射场合能可靠工作，具有良好的抗外界电磁干扰能力。

图4为差额质量速度积分法的检测流程，图5为电梯运行的加减速度曲线简化模型，图6为电梯工作原理的简化模型。

下面结合图5和图6说明图4表示的检测流程。如图6所示，电梯工作原理是电动机通过配套的减速机构驱动曳引轮，再由曳引轮上的钢索牵引电梯轿厢上下运动。轿厢的运行速度与运行曲线一般由计算机设定好，不受电梯载荷大小的影响。因为“距离＝∫速度dt”，所以测量曳引轮旋转速度，对其积分，就能确切知道轿厢移动距离。

如图4中方框11所示，表示需先量度曳引轮半径r₁，从而能够根据测量的曳引轮速度n₂，n₂的单位取转/分钟，计算得到轿厢的直线行驶动态速度。

如图4中方框12所示，根据电梯的额定载荷，假定一个轿厢的净重M，即电梯配重减去轿厢自身重量，M值没必要很精确，它并不影响测量结果。所谓的电梯测试运行工作图谱，也即循环工作图谱，是指根据电梯运行楼层数，设定中间层，具体可为8层以下不设中间站，9~15层站设一个中间层站；16~22层设2个中间层站，以此类推。电梯按图7所示运行，始于底层且终于底层。

如图4中方框13，按

计算电梯空载运行过程电梯所总共产生的有效机械能W₁，T为按测试运行工作图谱运行一次，也就是一个循环的测试时间，W₁单位为吨/千米。

如图4中方框14，当电梯加载了20%额定电梯负载的砝码ΔM后，电梯的净重为M-ΔM。载荷模式下，电梯有效载荷运行过程电梯所总共产生的有效机械能W_20％，以20%作为下标是突显加载了20%电梯额定载荷且精确知道具体质量大小。

如图4中方框15，尽管空载与20%负载电梯载荷不同，但是电梯运行速度曲线是一样的，空载与20%负载电梯消耗电能不同的主要原因是加了20%载荷ΔM，ΔM就是本发明中特别强调的差额质量。根据空载和负载测量结果，计算电梯运送ΔM所产生的有效机械能

而电梯输送有效载荷ΔM所相应消耗的电能为E_C＝E₁-E_20％。

最后，由按照公式Q=W_Z/E_C，得到电梯产生单位有效机械能所相应消耗的电能，Q作为电梯能效。如图4中方框16，由于前面步骤测量得到的是一个循环周期内电梯针对“差额质量”所产生的机械能，所以要折算得到电梯产生机械能为1吨千米的耗电量。根据“1吨千米耗电量＝1吨千米×E_C/W_Z”算式，求得电梯吨千米耗电量，并以此作为电梯能源利用效率的度量指标。

图8为数字信号处理器的工作流程图，数字信号处理器（DSP）的运行过程受处于上位机地位的ARM9人机接口嵌入式***控制。测量开始前，DSP循环等待开始测量通信命令，接到测量命令后，DSP区分测量是空载模式还是20%负载模式。当电梯开始运行后，DSP对采集到的信号先进行数字滤波处理，然后实时累加相关的电能和机械能。当循环过程结束，DSP计算相应得电梯能效指标。最后DSP通过RS232通信接口把测量结果传到ARM9人机接口***，以备显示。

上述实施例为本发明典型的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于差额质量速度积分法的电梯能效测量方法，其特征在于：具体为： 

根据电梯在建筑物中运行的楼层数确定被测电梯的测试运行工作图谱，设定电梯三相电流、电梯三相电压以及轿厢的直线行驶动态速度的采样频率； 

电梯空载状态下，按测试运行工作图谱运行一次，按以下公式（1）计算电梯空载运行过程电梯所总共产生的有效机械能W₁： 

其中，M为假定的一个轿厢的净重，净重M等于电梯配重减去轿厢自身重量，V₁为空载下轿厢的直线行驶动态速度，t由采样频率决定，T为电梯按测试运行工作图谱运行一次所需要的时间； 

根据空载状态下的电梯三相电流、电梯三相电压，计算上述电梯空载运行过程，电梯所总共消耗的电能E₁； 

选定额定载荷的某一百分比的有效载荷ΔM加载在电梯上，电梯再次按测试运行工作图谱运行一次，按以下公式（2）计算电梯有效载荷运行过程电梯所总共产生的有效机械能W_20％： 

其中，M-ΔM即为有效载荷下电梯的净重，V_20％为有效载荷下轿厢的直线行驶动态速度，t由采样频率决定，T为电梯按测试运行工作图谱运行一次所需要的时间； 

根据有效载荷状态下的电梯三相电流、电梯三相电压，计算上述电梯有效载荷运行过程，电梯所总共消耗的电能E_20％； 

按照以下公式（3）计算电梯运送ΔM所产生的有效机械能W_Z： 

其中，ΔM为有效载荷即20%额定荷载，V为电梯轿厢实际速度，t由采样频率决定，T为电梯按测试运行工作图谱运行一次所需要的时间 ；

按照以下公式（4）计算电梯输送有效载荷所相应消耗的电能E_C： 

E_C＝E₁-E_20%                                          （4） 

最后，由按照公式Q=W_Z/E_C，得到电梯产生单位有效机械能所相应消耗的电能，Q作为电梯能效。 

2.如权利要求1所述的基于差额质量速度积分法的电梯能效测量方法，其特征在于：所述采样频率设定为50KHz。 

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