电梯功率计算及配电设计浅析

电梯功率计算及配电设计浅析

程磊锋

中建科工集团有限公司 广东深圳 518054

摘要：本文论述了电梯的功率、电流的计算方法以及电梯电机的功率因数、同时系数、需要系数的选取，提出了在电梯配电设计中确定电梯配电所需的电缆及断路器的选用原则，便于对电梯准确配电。

关键词：电梯 功率 功率因数 电流 同时系数 需要系数 配电

随着社会的发展，电梯的使用范围越来越广，但目前一些设计图纸对于电梯配电有些不合理，一是电梯电动机的功率在没有具体型号的情况下，预留容量都偏大，二是计算电流也偏大，结果取值比实际都大，造成资源浪费。配电设计应该考虑节能减排，对电梯能合理配电。

电梯的种类很多，本文只对常用的垂直升降电梯的配电分析。电梯用电主要是曳引电动机，照明及排风扇等的功率不大。曳引电动机的用电功率，容易简单的使用公式P=FV=mgv(P为物体重力的功率，m为物体的质量，g为重力加速度，v是物体在竖直方向的速度)进行计算，但计算时质量m直接取载重的质量或是载重的质量与轿厢质量之和，v取轿厢上升的速度，这样计算出来的功率并不是电动机的功率，比如以下的日立电梯：

我们选取630（8）-60进行计算，载重量质量m=630kg，运行速度v=60m/min=1m/s，功率 =mgv=630kg×9.8N/kg×1m/s=6174W=6.174kW，规格参 数中机房电源变压器容量为5kVA，取功率因素0.85（额定负载运行时功率因数值），则变压器功率为 =S*cosφ=5kVA*0.85=4.25kW，即 =6.174kW＞ =4.25kW，说明电机的功率小于载重量的重力做功功率，这还没算轿厢的重力做功功率。明显说明电机只是单独拉升轿厢及载重是无法实现的，其实是忽视了电梯还有对重，电梯的对重在运行过程中随着电梯轿厢一起运动，与轿厢运动方向相反，轿厢上升时，对重下降，对重的重力对轿厢做功，反之，轿厢下降时，轿厢（含载重）对对重做功，因此若不计损耗，电机实际耗电功率为轿厢（含载重）重力做功与对重的重力做功之和的绝对值。电梯对重的重量一般约等于轿厢自重加上一半电梯额定载荷，一般值为0.40~0.5(对重的配置使对重的总重等于空轿厢总重加0.4～0.5倍额定载重量)之间。对以上选取的电梯630（8）-60分析，假如对重取值0.45，则对重为630×0.45=283.5kg再加空轿厢重量。按轿厢上升和下降两种运行方式分析电梯电动机的负载大小：

轿厢上升时， ，共分三种情况：

1.轿厢（含载重）重量大于对重的重量  

2.轿厢（含载重）重量等于对重的重量  

3.轿厢（含载重）重量小于对重的重量  

 式中：  ——电机做有功功率（未计损耗），单位W；

  ——轿厢（含载重）质量，单位kg；

——对重质量，单位kg；

g——重力加速度，单位N/kg；取值9.8N/kg；

v——轿厢或对重运行速度，单位m/s；

第1种情况中，电机做有功功率最大的情况下是满载时

   = gv- gv=（ +630）gv-（ +0.45×630）gv=0.55×630×9.8×1W≈3.4kW。式中m₀为空轿厢质量，单位kg。

第2种情况中，当轿厢载重刚好与对重重量相同时，电机对轿厢及载重做有功为零，只是损耗功率，但出现此种情况的概率很小。此种情况对电机来说即是空载运行。

第3种情况中，电机做有功功率最大的情况下是轿厢空载时

   = EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT gv- EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT gv= EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT gv-（ EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT +0.45×630）gv=-0.45×630×9.8×1W≈-2.8kW。功率为负值，此时电机处于发电机工作状态，负功一般以热能的形式消耗在制动电阻上，此种情况未消耗电源供电电能。

轿厢下降时， EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT gv= EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT gv＋ EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT ，共分三种情况：

1.轿厢（含载重）重量大于对重的重量  

2.轿厢（含载重）重量等于对重的重量  

3.轿厢（含载重）重量小于对重的重量  

第1种情况中，电机做有功功率最大的情况下是满载时

=  EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT gv-

gv=（ EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT +0.45×630）gv-（ EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT +630）gv=-0.55×630×9.8×1W≈-3.4kW。功率为负值，此时电机处于发电机工作状态，负功一般以热能的形式消耗在制动电阻上，此种情况未消耗电源供电电能。

第2种情况中，当轿厢载重刚好与对重重量相同时，电机对轿厢及载重做有功为零，只是损耗功率，但出现此种情况的概率很小。此种情况对电机来说即是空载运行。

第3种情况中，电机做有功功率最大的情况下是轿厢空载时

   = gv- EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT gv=（ +0.45×630）gv- gv=0.45×630×9.8×1W≈2.8kW。

综上分析，电梯满载上升时，电机功率最大为3.4kW，空载下降时，电机功率最大为2.8kW，但并不能因此得出电梯满载上升时电流值比空载下降时电流值大，按公式 = UIcosφ得I= ，电流除与功率P有关外还与功率因数cosφ有关，电动机在运行中，功率因数是变化的，其大小与负载大小有关，当电动机空载运行时，定子绕组的电流基本上是产生旋转磁场的无功电流分量，有功电流分量很小，此时功率因数很低，约0.2左右，当电动机在额定负载下运行时，功率因数达到最大值，一般约0.75~0.9。轿厢满载上升时功率值为3.4kW，但功率因数cosφ值也较大，而空载下降时功率值为2.8kW，但功率因数cosφ的值会比满载上升时的值小，最终计算得出的两个电流值大小会相差不大。另外电梯在110%额定载荷时也需能保证正常运行，在此运行状态下，电机功率P=（ +630×110%）gv-（ +0.45×630）gv=0.65×630×9.8×1W≈4.0kW，若取功率因数cosφ=0.85，则视在功率S= = kVA≈4.7kVA，另外考虑预留量和其它损耗，与厂家给定电梯参数表中机房电源变压器容量值5kVA接近。轿厢额定负载上升时的电流值I= = A≈6.1A(暂取值cosφ=0.85)。

按《民用建筑电气设计标准》GB51348-2019中条文说明9.3.3：单台交流电梯的计算电流应取曳引机铭牌0．5h或1h工作制额定电流90％及附属电器的负荷电流，或取铭牌连续工作制额定电流的140％及附属电器的负荷电流 。据此可得 = =1.4×6.1A≈8.5A。一般情况下，在电梯配电设计之前，我们了解到的是电梯电机的额定功率（一般电梯铭牌参数包括型号、控制方式、载重、速度、电机功率、出厂日期等），此时计算电梯电流采用 = ，其中 为电梯电动机铭牌标注额定功率，功率因数cosφ与产品有关，可取额定负载下的值0.75~0.9，此时可得出计算电流，常见的电梯电机启动方式为变频启动，启动时电流一般也不会超过额定电流，因此可以不用考虑有启动冲击电流，据此可以按此计算电流再加上附属电器的电流去选定断路器，附属电器一般包括机房及电梯井道的照明插座及电机控制的相关器件。

通过上式计算电流时，很多人直接使用 《工业与民用配电设计手册》中的电梯需要系数值0.18~0.22、交流电梯功率因数0.5~0.6来计算，但其中的需要系数值是电梯大多数情况下运行的需要系数，对于单台电梯，必须按空载或满载时的状态来计算电流选取断路器及电缆，按满载状态计算时，可直接按需要系数值取1计算，电梯运行时，功率因数一直变化，而满载时功率因数一般是0.75~0.9。所以要清楚电梯的运行原理，避免直接套用数据计算出现结果严重偏离实际的情况。

通过计算电流选取断路器后，即可选取电缆，由于电梯电机一般在楼顶，距离变配电房较远，需要校验电压降，选取的电缆截面需保证电机的电源电压降不超过7%。

对于配电室端总电量计算时，对于各台电梯，都应计入电梯的需要系数，需要系数取值0.18~0.22，因为电梯对供电变压器的负荷影响到变压器发热(温升)影响相对不大，它是在一段时间内的加权平均值。除了计入单台电梯的需要系数外，有多台电梯时还需计入同时系数，同时系数的取值可参照下表：

不同电梯台数的同时系数

由上可知，在进行选择变压器容量的总负荷计算中，电梯的计入容量需要考虑单台的需要系数，还要考虑多台电梯的同时系数，在进行配电设计时，一定要注意这一点，以避免选用电缆、断路器甚至变压器过大而造成的成本过高和不必要的资源浪费。

参考资料

1.《对电梯配电设计的见解》  庞传时 李维时 刘洋，建筑电气 2005第4期

2.《旋转电机定额和性能》GB/T 755-2019

3.《建筑电气常用数据》19DX101-1

4.《电梯工程施工质量验收规范》GB50310—2002

5.《工业与民用配电设计手册》第四版

6.《全国民用建筑工程设计技术措施-电气》2009

7.《电梯制造与安装安全规范》GB/T 7588-2020

8.《民用建筑电气设计标准》GB 51348-2019