采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统研究
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摘要
本论文完成的博士课题——“采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统研究”来源于国家自然科学基金“机械／流体传动的节能及新型传动方式的基础性研究”(No.59835160)中的子课题。
本论文主要研究了采用蓄能器-液压泵／马达构成的“压力-能量转换装置”来储存／释放变频驱动液压电梯系统的能量，从而降低液压电梯装机功率和运行能耗的新方案；在此基础上，根据国内外液压电梯的标准进行了与速度控制相关的关键项目测试，最后针对本课题研制的节能控制系统与当前市场上几种典型的液压电梯控制系统进行了能耗对比研究。
论文的第一章以大量的国内外文献和市场调查为基础，全面论述了液压电梯技术的发展概况，通过对技术革新、应用领域、市场竞争情况等方面的介绍，指出了液压电梯节能降耗的发展方向；随后介绍了液压电梯在节能控制系统领域所取得的成果和应用的局限性，提出了本博士课题的选题意义和立项依据、主要的研究内容和创新点。
论文第二章首先简单介绍了交流异步电动机变频调速技术的发展概况，在回顾电梯液压控制系统节能技术的基础上，介绍了本课题研制的“采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统研究”的基本原理，分析了动力系统在电梯轿厢轻载上／下行、重载上／下行等四种典型工况下的基本工作状态和工作方式；详细地介绍了本课题节能系统液压动力泵站的结构设计和参数设计，重点研究了液压动力泵站的结构设计、液压泵／马达可逆性问题及其选型设计计算、蓄能器回路泄漏油损失机理的研究及其补偿装置的设计、蓄能器-泵／马达压力能量转换装置的设计、多功能集成控制阀组的设计等内容；最后简单介绍了本课题矢量控制变频控制柜的外部附件电气接线、计算机控制及数据采集系统的硬件设计等内容。
论文第三章针对组成系统的各个模块进行了机理建模，并且通过Matlab软件中的Simulink图形化仿真环境进行了本课题系统的仿真研究，主要针对影响系统特性的主要参数变化，动态分析系统的输出特性，在上／下行工况中，分析了电机轴系粘性阻尼系数、轴系摩擦力矩、主回路／蓄能器回路液压泵／马达内泄漏系数、蓄能器气体容积、液压缸柱塞粘性阻尼摩擦系数以及不同运行楼层工况等参数对系统特性的影响；最后对轴向柱塞泵／马达的流量／压力脉动对电梯轿厢速度的影响和蓄能器内油液体积损失机理进行了理论研究。
论文第四章严格按照国内外液压电梯标准中与液压动力系统相关的一些测试项目进行了研究，主要包括电梯轿厢的停层沉降特性、液压系统变负载工况下的速度稳定性、电梯检修功能、电梯再平层功能、电梯轿厢平层精度等。重点研究了三方面内容：一是研究了停层沉降特性及影响电梯轿厢停层沉降特性的各种因素；其次是通过负载压力补偿液压泵／马达内泄漏来改善电梯轿厢速度稳定性；最后是液压电梯平层精度的理论和实验研究，并与曳引电梯的理论模型进行了对比，阐述了液压电梯平层精度低的原因，理论探讨了影响液压电梯平层精度的主要因素。
论文第五章主要研究典型液压系统的装机功率和能耗问题，针对目前的实验测试条件和典型的液压电梯控制系统，完成了如下研究内容：液压电梯与曳引电梯的装机功率与能耗对比研究、普通液压电梯与带配重块液压电梯、“压力油箱”液压电梯的装机功率与能耗对比研究、阀控系统的变负载工况功率测试研究、标准变频液压系统的变负载工况上行功率以及下行能量回馈功率测试研究、本课题带蓄能器的变频驱动液压系统在不同楼层、不同运行方向以及不同负载工况下的功率测试研究；最后针对采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统的主回路和蓄能器回路的能量损失进行了研究。
论文第六章对本课题研究作了全面的总结，也指出了本课题研究工作中存在的问题和液压电梯节能控制系统的发展方向。
OS
纵观全文，本论文圆满地完成了预期目标，成功实现了首次提出的采用蓄能器降低液压
电梯装机功率以及能耗的新方案；本论文的研究成果不但是液压电梯的重要发展方向之一，
而且在其它垂直运动机械中也具有广泛的应用前景。
The completed dissertation "Research on inverter controlled hydraulic elevator energy-saving system applying pressure accumulators" is supported by National Science Foundation Project-" Foundation Research of energy-saving and innovation system on Mechanical/Fluid Power Transmission"(NO.59835160).
This dissertation focus on a innovation methods for inverter controlled hydraulic elevator system applying pressure accumulator as the "pressure-energy transformer". The required power supply and running energy can be reduced remarkably when accumulators storing and releasing pressure oil. Then the key items about hydraulic speed control system based on the ENS 1-2 and other hydraulic elevator standards are investigated in detail. At last, the energy-saving comparison research between the project and other hydraulic systems is completed.
The first chapter in this thesis generally introduce the development of hydraulic elevators based on relevant publications search and market investigation. With summarization of hydraulic elevators innovation system, applied fields and market competence, the necessary and importance of reducing energy consumption for hydraulic elevators are illustrated. And then the recently new development of hydraulic elevator control systems and its limits are discussed. At last, the project significance, background, main research contents and key innovation points are provided.
The second chapter simply introduces the development of alternate asynchronous inverter technology and retrospects some types of energy-saving systems for hydraulic elevators. Then the working principles of the project are discussed and analyzed at four different working status, i.e. light load upwards, heavy load upwards, light load downwards and heavy load downwards. And the chapter focus on the introduction of structure design of pump station, calculation and type selection of pump/motor reversible units, research on oil leakage principles of accumulator circuit, design of accumulator-pump/motor pressure-energy transformer and integrated valve blocks, etc. The last but not the least, the electrical wiring of vector inverter control cabin and design of computer control and data acquisition system are introduced.
In the third chapter, the mathematical models of project system have been established, and simulation has been done on the Simulink enviroment of Matlab software kits. The simulation focus on the effects of main parameters on the dynamic characteristics of speed control system, and the main parameters include viscosity damp coefficient and friction torque of electrical motor shaft, internal leakage coefficient of pump/motor of hydraulic circuits, gas volume of pressure accumulator, viscosity damp coefficient of cylinder piston and different running building floors, etc. At last, theoretical research effects of the flow and pressure pulsation of pump/motor on car speed and oil volume leakage theory are discussed.
The fourth chapter of this thesis concerns the research on the key items about hydraulic power control system according to the ENS 1-2 and other hydraulic elevator standards. The key items include the car sinking, constant speed characteristics, inspection function, auto relevelling
function and level accuracy, etc. The research contents focus on the following three parts: Firstly, Research on effects of system parameters on car sinking has been completed. Secondly, the constant speed performance with the compensation of internal leakage of pump/motor is improved. Lastly, Research on improvement of the car level accuracy and contrast to that of traction elevators is presented, and the reasons of low car level accuracy of hydraulic elevators are discussed.
In fifth chapter, analysis of reducing required power supply and running energy consumption are the main research contents. According to test hydraulic elevator rig, the following contents are completed: Firstly, comparison with traction elevators, the research on required power supply and energy consumption are presented. Secondly, Resear
本论文主要研究了采用蓄能器-液压泵／马达构成的“压力-能量转换装置”来储存／释放变频驱动液压电梯系统的能量，从而降低液压电梯装机功率和运行能耗的新方案；在此基础上，根据国内外液压电梯的标准进行了与速度控制相关的关键项目测试，最后针对本课题研制的节能控制系统与当前市场上几种典型的液压电梯控制系统进行了能耗对比研究。
论文的第一章以大量的国内外文献和市场调查为基础，全面论述了液压电梯技术的发展概况，通过对技术革新、应用领域、市场竞争情况等方面的介绍，指出了液压电梯节能降耗的发展方向；随后介绍了液压电梯在节能控制系统领域所取得的成果和应用的局限性，提出了本博士课题的选题意义和立项依据、主要的研究内容和创新点。
论文第二章首先简单介绍了交流异步电动机变频调速技术的发展概况，在回顾电梯液压控制系统节能技术的基础上，介绍了本课题研制的“采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统研究”的基本原理，分析了动力系统在电梯轿厢轻载上／下行、重载上／下行等四种典型工况下的基本工作状态和工作方式；详细地介绍了本课题节能系统液压动力泵站的结构设计和参数设计，重点研究了液压动力泵站的结构设计、液压泵／马达可逆性问题及其选型设计计算、蓄能器回路泄漏油损失机理的研究及其补偿装置的设计、蓄能器-泵／马达压力能量转换装置的设计、多功能集成控制阀组的设计等内容；最后简单介绍了本课题矢量控制变频控制柜的外部附件电气接线、计算机控制及数据采集系统的硬件设计等内容。
论文第三章针对组成系统的各个模块进行了机理建模，并且通过Matlab软件中的Simulink图形化仿真环境进行了本课题系统的仿真研究，主要针对影响系统特性的主要参数变化，动态分析系统的输出特性，在上／下行工况中，分析了电机轴系粘性阻尼系数、轴系摩擦力矩、主回路／蓄能器回路液压泵／马达内泄漏系数、蓄能器气体容积、液压缸柱塞粘性阻尼摩擦系数以及不同运行楼层工况等参数对系统特性的影响；最后对轴向柱塞泵／马达的流量／压力脉动对电梯轿厢速度的影响和蓄能器内油液体积损失机理进行了理论研究。
论文第四章严格按照国内外液压电梯标准中与液压动力系统相关的一些测试项目进行了研究，主要包括电梯轿厢的停层沉降特性、液压系统变负载工况下的速度稳定性、电梯检修功能、电梯再平层功能、电梯轿厢平层精度等。重点研究了三方面内容：一是研究了停层沉降特性及影响电梯轿厢停层沉降特性的各种因素；其次是通过负载压力补偿液压泵／马达内泄漏来改善电梯轿厢速度稳定性；最后是液压电梯平层精度的理论和实验研究，并与曳引电梯的理论模型进行了对比，阐述了液压电梯平层精度低的原因，理论探讨了影响液压电梯平层精度的主要因素。
论文第五章主要研究典型液压系统的装机功率和能耗问题，针对目前的实验测试条件和典型的液压电梯控制系统，完成了如下研究内容：液压电梯与曳引电梯的装机功率与能耗对比研究、普通液压电梯与带配重块液压电梯、“压力油箱”液压电梯的装机功率与能耗对比研究、阀控系统的变负载工况功率测试研究、标准变频液压系统的变负载工况上行功率以及下行能量回馈功率测试研究、本课题带蓄能器的变频驱动液压系统在不同楼层、不同运行方向以及不同负载工况下的功率测试研究；最后针对采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统的主回路和蓄能器回路的能量损失进行了研究。
论文第六章对本课题研究作了全面的总结，也指出了本课题研究工作中存在的问题和液压电梯节能控制系统的发展方向。
OS
纵观全文，本论文圆满地完成了预期目标，成功实现了首次提出的采用蓄能器降低液压
电梯装机功率以及能耗的新方案；本论文的研究成果不但是液压电梯的重要发展方向之一，
而且在其它垂直运动机械中也具有广泛的应用前景。
The completed dissertation "Research on inverter controlled hydraulic elevator energy-saving system applying pressure accumulators" is supported by National Science Foundation Project-" Foundation Research of energy-saving and innovation system on Mechanical/Fluid Power Transmission"(NO.59835160).
This dissertation focus on a innovation methods for inverter controlled hydraulic elevator system applying pressure accumulator as the "pressure-energy transformer". The required power supply and running energy can be reduced remarkably when accumulators storing and releasing pressure oil. Then the key items about hydraulic speed control system based on the ENS 1-2 and other hydraulic elevator standards are investigated in detail. At last, the energy-saving comparison research between the project and other hydraulic systems is completed.
The first chapter in this thesis generally introduce the development of hydraulic elevators based on relevant publications search and market investigation. With summarization of hydraulic elevators innovation system, applied fields and market competence, the necessary and importance of reducing energy consumption for hydraulic elevators are illustrated. And then the recently new development of hydraulic elevator control systems and its limits are discussed. At last, the project significance, background, main research contents and key innovation points are provided.
The second chapter simply introduces the development of alternate asynchronous inverter technology and retrospects some types of energy-saving systems for hydraulic elevators. Then the working principles of the project are discussed and analyzed at four different working status, i.e. light load upwards, heavy load upwards, light load downwards and heavy load downwards. And the chapter focus on the introduction of structure design of pump station, calculation and type selection of pump/motor reversible units, research on oil leakage principles of accumulator circuit, design of accumulator-pump/motor pressure-energy transformer and integrated valve blocks, etc. The last but not the least, the electrical wiring of vector inverter control cabin and design of computer control and data acquisition system are introduced.
In the third chapter, the mathematical models of project system have been established, and simulation has been done on the Simulink enviroment of Matlab software kits. The simulation focus on the effects of main parameters on the dynamic characteristics of speed control system, and the main parameters include viscosity damp coefficient and friction torque of electrical motor shaft, internal leakage coefficient of pump/motor of hydraulic circuits, gas volume of pressure accumulator, viscosity damp coefficient of cylinder piston and different running building floors, etc. At last, theoretical research effects of the flow and pressure pulsation of pump/motor on car speed and oil volume leakage theory are discussed.
The fourth chapter of this thesis concerns the research on the key items about hydraulic power control system according to the ENS 1-2 and other hydraulic elevator standards. The key items include the car sinking, constant speed characteristics, inspection function, auto relevelling
function and level accuracy, etc. The research contents focus on the following three parts: Firstly, Research on effects of system parameters on car sinking has been completed. Secondly, the constant speed performance with the compensation of internal leakage of pump/motor is improved. Lastly, Research on improvement of the car level accuracy and contrast to that of traction elevators is presented, and the reasons of low car level accuracy of hydraulic elevators are discussed.
In fifth chapter, analysis of reducing required power supply and running energy consumption are the main research contents. According to test hydraulic elevator rig, the following contents are completed: Firstly, comparison with traction elevators, the research on required power supply and energy consumption are presented. Secondly, Resear
引文
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