自動扶梯的能耗分析及節(jié)能控制研究

錢 洪 姜培基

(上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200333)

國家質(zhì)檢總局頒布的《高耗能特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)督管理辦法》(第116號令)將鍋爐、壓力容器和電梯列為高能耗特種設(shè)備。其中自動扶梯被廣泛應(yīng)用于大型商場、超市、機(jī)場、地鐵等場合。在客流量大的時候，自動扶梯處于大負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，而在沒有乘客時仍然以額定速度運(yùn)行，因此是電梯種類中耗能大的品種。

《中華人民共和國節(jié)約能源法》第16條規(guī)定：“對高耗能的特種設(shè)備，應(yīng)按照國務(wù)院的規(guī)定實(shí)行節(jié)能審查和監(jiān)管”。該法令的頒布標(biāo)志著我國對高耗能特種設(shè)備的節(jié)能監(jiān)管進(jìn)入法制時代。為了有效貫徹能源法的實(shí)施，針對電梯及自動扶梯建立科學(xué)可行的能效測試方法與評價標(biāo)準(zhǔn)十分必要。然而，我國有關(guān)曳引電梯的能效測試方法和評價標(biāo)準(zhǔn)尚在審批中；而自動扶梯的能效測試相對于電梯而言難度更大，起步更晚，至今還處于科研探索階段。

在國內(nèi)，王士琴、朱昌明等[1]分析了電梯能耗的組成及其特點(diǎn)，提出了一種基于實(shí)驗(yàn)測量和理論推算的電梯能耗算法。他們的研究方法經(jīng)驗(yàn)證能夠計(jì)算電梯在各種運(yùn)行工況下的能耗情況；并可以推廣到自動扶梯和自動人行道的能耗測量。萬忠培、朱武標(biāo)等[2]通過理論分析和電梯實(shí)際運(yùn)行功率曲線監(jiān)測，對永磁同步無齒輪曳引機(jī)和能量回饋?zhàn)冾l裝置的節(jié)能效果進(jìn)行了研究。國外學(xué)者Aníbal等[3]對歐洲電梯和自動扶梯的能效研究狀進(jìn)行了調(diào)研；Carrillo等[4]提出了一種針對自動扶梯的能耗分析方法；而Lutfi[5]對自動扶梯的運(yùn)行能耗進(jìn)行了建模研究。注意到已有的這些研究工作各具特色，但針對自動扶梯的能耗檢測和節(jié)能策略討論還相對欠缺。

本文先給出一種自動扶梯運(yùn)行能耗的測量方法，然后對自動扶梯運(yùn)行能耗的影響因素進(jìn)行分析，最后探討各種節(jié)能方法的適用性和有效性。

1 自動扶梯能效測量

1.1 選測對象及其能耗限定值

目前國內(nèi)尚無自動扶梯能效方面的國家標(biāo)準(zhǔn)，國際上也未檢索到自動扶梯已頒布的能效標(biāo)準(zhǔn)，本次空載能耗測量結(jié)果的評價主要參考香港機(jī)電署給出的《自動扶梯能效限定值》。該能效限定準(zhǔn)則首先界定了“公共服務(wù)自動扶梯”以及其他種類的扶梯，其中公共服務(wù)自動扶梯須同時符合以下情況：

1)是公共交通系統(tǒng)的一部分，包括出口和入口處；

2)適合于每星期經(jīng)常性地操作約140h(每天20h)，而且每三小時中至少有30min在100%制動負(fù)荷下操作。

參照上述規(guī)定，本文檢測的自動扶梯，如上海地鐵11號線曹楊路站，雖然屬于公共交通系統(tǒng)的一部分，但每天操作時間不足20h，所以均在“公共服務(wù)自動扶梯”范圍之外。因此本文相應(yīng)地采用公共服務(wù)自動扶梯以外的規(guī)定，其能效限定值在表1中列出。

表1 公共服務(wù)梯(公共交通型)以外自動扶梯空載運(yùn)行最高許可電功率

本文根據(jù)自動扶梯的速度、提升高度和梯級寬度，在額定速度時測量其電源的輸入有功功率，其輸入功率越低，相對應(yīng)的是該自動扶梯的效率越高。為了將測量結(jié)果進(jìn)行比較，本文統(tǒng)一選測的自動扶梯的提升高度為5m(±0.5m)，額定速度0.5m/s。

1.2 測量儀器

自動扶梯的運(yùn)行能耗受運(yùn)動方向和乘客人數(shù)的影響。為了獲知自動扶梯在具體工況下的能耗情況，通常的電度表無法實(shí)現(xiàn)能耗的測量需要。根據(jù)筆者單位現(xiàn)有的測量儀器情況，筆者選擇的3169-20鉗形功率計(jì)和PW3198電能質(zhì)量分析儀。初次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩種儀器均可同時測量電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)和諧波畸變率(THD)，而且測量精度都能滿足需要。其中PW3198電能質(zhì)量分析儀自帶處理軟件，后期的數(shù)據(jù)處理十分方便；而3169-20鉗形功率計(jì)的數(shù)據(jù)處理稍麻煩，但價格相對較低。由于測量樣本多、項(xiàng)目周期長，本次測量統(tǒng)一選用筆者單位擁有數(shù)量較多的3169-20鉗形功率計(jì)。

筆者采用南京某公司制造的D8A無線型客流計(jì)數(shù)器進(jìn)行乘客流量檢測。該計(jì)數(shù)器主要由紅外線發(fā)射和接收裝置以及數(shù)據(jù)接收器組成，當(dāng)進(jìn)入自動扶梯的乘客隔斷發(fā)射裝置的紅外線時，接收器接受到信號，并以無線信號形式傳送到數(shù)據(jù)接受器中。該儀器在人流不十分密集的狀況下，測量較為準(zhǔn)確(譬如，乘客擺手動作都能被識別和判斷，不計(jì)入客流)。此外，該計(jì)數(shù)器還能判斷人流的方向，這對于有些單位每天改變自動扶梯運(yùn)行方向的測量特別有利。客流計(jì)數(shù)器的發(fā)射和接受裝置用鋰電池作為電源，無連接線，測量時用雙面膠粘在入口處的護(hù)壁板上(如圖1(a)、而數(shù)據(jù)接收器和電能測量儀器一起放在驅(qū)動間內(nèi)(圖1(b))。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)射和接受裝置雖被驅(qū)動間上的金屬樓層板隔開，但數(shù)據(jù)接收器可以穩(wěn)定接收發(fā)射裝置的信號。實(shí)踐表明，該客流計(jì)數(shù)器附帶軟件，可以得出客流量的圖形文件，使用極為簡便；在沒有潮汐狀客流量的情況下，D8A無線型客流計(jì)數(shù)器基本上能夠滿足測量要求。

圖1 主要測試儀器

1.3 運(yùn)行功率測量點(diǎn)

在自動扶梯的電源電路中，通常考慮三個測量點(diǎn)(如圖2所示)。其中“測量點(diǎn)1”的測量結(jié)果為自動扶梯的控制系統(tǒng)、驅(qū)動電動機(jī)以及自動扶梯其它輔助用電設(shè)備(照明、加熱裝置、自動排水裝置等)的總和；“測量點(diǎn)2”的測量結(jié)果為自動扶梯主電路的能耗，而“測量點(diǎn)3”的測量結(jié)果為自動扶梯其它輔助用電設(shè)備的能耗。本次測量主要針對“測量點(diǎn)1”進(jìn)行能耗檢測，其它兩個測量點(diǎn)的測量值作為參考。

圖2 測量點(diǎn)選取

1.4 測量工況

1)空載上下運(yùn)行有功功率檢測

自動扶梯在空載的情況下，檢測其上下運(yùn)行的有功功率，該項(xiàng)功耗指標(biāo)是自動扶梯的主要功耗指標(biāo)，它反映了該臺自動扶梯的機(jī)械效率，對實(shí)際的能耗影響最大。

2)實(shí)際運(yùn)行有功功率檢測

與電梯比較，自動扶梯進(jìn)行載荷試驗(yàn)的難度更大。對于運(yùn)行中的扶梯，如果用砝碼作為載重進(jìn)行功耗測試，放置砝碼和搬離砝碼的速度用人工無法企及；而用人代替載荷的成本較高，只有像世博會這樣的重大工程才有條件開展(世博局調(diào)動了幾百名武警戰(zhàn)士才完成了中國館自動扶梯的載荷測試)。因此，筆者采用客流計(jì)數(shù)器和輸入有功功率的實(shí)時檢測數(shù)據(jù)，得出自動扶梯不同負(fù)載時的功耗值(典型結(jié)果如圖3、圖4所示)。

圖3 某家居廣場33#自動扶梯運(yùn)行功率值

圖4 某家居廣場33#自動扶梯客流量記數(shù)值

2 自動扶梯能耗的影響因素分析

2.1 減速器及傳動裝置的影響

本次測量主要選擇提升高度5m(±0.5m)，梯級寬度1000mm，額定速度0.5m/s的自動扶梯。實(shí)測結(jié)果表面，減速器及傳動裝置設(shè)計(jì)對自動扶梯的運(yùn)行能耗有明顯影響。如圖5所示，對于本次檢測的2臺乘客流量接近的自動扶梯，其工況均為工頻不間斷運(yùn)行，某置業(yè)1#自動扶梯的能耗為1.77kW，而不同制造商6#自動扶梯的能耗達(dá)到了4.67kW。注意到日系自動扶梯的減速器大多采用三角皮帶一級減速加二級斜齒輪減速，其效率比蝸輪蝸桿和一級螺旋傘形齒加二級斜齒減速的高。如某商城1996年制造的日系10#扶梯，其空載運(yùn)行功率只有1.36kW，僅為能效限定值的48%。采用蝸輪蝸桿減速的自動扶梯的效率則相對較低，如某家居商場4#自動扶梯，其空載運(yùn)行功率高達(dá)能效限定值的95.1%，而某廣場6#自動扶梯更是達(dá)到164.4%，超出能效限定值的64.4%。

圖5 不同廠商自動扶梯空載上行功率

2.2 維保質(zhì)量的影響

自動扶梯的定期維護(hù)、保養(yǎng)和調(diào)整對其能效也有較大的影響。如圖6所示，同樣制造廠家生產(chǎn)的相同型號且技術(shù)參數(shù)完全一致的2臺自動扶梯，桃浦1#扶梯空載運(yùn)行功率為1.65kW，而桃浦2#梯卻達(dá)2.19kW，高出32.7%。另外，某置業(yè)擁有的2臺相同型號的自動扶梯，科匯1#梯上行空載運(yùn)行功率為2.231kW，科匯2#梯達(dá)到2.777kW，高出1#扶梯24.4%。可見，自動扶梯的運(yùn)行能耗與維護(hù)、保養(yǎng)和調(diào)整(如驅(qū)動鏈、梯級鏈、扶手帶的張力，梯級和裙板的摩擦，各部件的潤滑等)有關(guān)。

圖6 同型號同規(guī)格自動扶梯空載上行功率

2.3 待機(jī)功率的影響

待機(jī)功率是指電源總開關(guān)開啟，但自動扶梯停止運(yùn)行(鑰匙開關(guān)關(guān)閉)時的功率。與垂直曳引梯不同，自動扶梯停止運(yùn)行時理論上應(yīng)不耗電。但本次檢測的自動扶梯待機(jī)功率并不為0，其中最低為37W，而最高達(dá)到166W。對于待機(jī)功率為166W的自動扶梯，如果一天待機(jī)時間10h，就要耗電1.66kW·h，可見待機(jī)能耗是不容忽視的電能浪費(fèi)。值得指出，自動扶梯與電梯的控制系統(tǒng)方式不同，電梯因?yàn)橐S時響應(yīng)乘客呼梯，所以不能將控制系統(tǒng)的電源切斷；而自動扶梯可以通過鑰匙開關(guān)將控制系統(tǒng)供電電源切斷，因此完全可以做到待機(jī)功率為零，自動扶梯制造商和改造單位應(yīng)該重視待機(jī)能耗的問題。

3 自動扶梯的節(jié)能控制

大多數(shù)扶梯在沒有乘客時仍以額定速度運(yùn)行，因此浪費(fèi)了大量電能。如本次檢測的某地鐵站自動扶梯的空載運(yùn)行功率為4.308kW，某廣場自動扶梯為4.375kW，這2臺自動扶梯即使沒有一個乘客，一天的耗電就高達(dá)52kW·h。針對這種情況，近年來出現(xiàn)了許多專門針對自動扶梯的節(jié)能技術(shù)。

3.1 星三角驅(qū)動

星三角(Y-△)驅(qū)動包括“自動重新啟動”和“Y-△切換”兩種方案。前一種方案是在無人乘梯時停止自動扶梯的運(yùn)行，有人乘梯時起動扶梯，從而達(dá)到省電的目的。由于是采用了完全停電的方法，所以在節(jié)約能源方面是顯而易見的。如某家居市場的自動扶梯采用這種方案以后，其工作時段的平均電耗僅為0.3kW·h，而同樣客流的某自動扶梯采用全變頻方案，其工作時段的平均電耗就要0.93kW·h。在客流量極少的工況時，采用該方案最為節(jié)能，但是這種方法會導(dǎo)致扶梯頻繁啟/制動。啟動時不僅對供電電網(wǎng)有一定的沖擊，頻繁的啟停還會給抱閘等機(jī)械部件帶來一定損傷，而且對于乘客群中部分行動不便的人，突然啟動容易造成站立不穩(wěn)，引發(fā)事故。第二種方案“Y-△切換”是當(dāng)扶梯啟動時，像通常一樣按 Y 接法進(jìn)行啟動，但不再是通過時間原則切換成△接法運(yùn)行。而是當(dāng)扶梯上沒有乘客的時候，扶梯一直在Y 接法下運(yùn)行；當(dāng)有乘客的時候扶梯才切換成△接法運(yùn)行，如此循環(huán)往復(fù)。實(shí)際測試表明，在空載或接近空載的工況下，Y 接法或△接法時，扶梯的運(yùn)行速度并無明顯變化，但是Y 接法與△接法相比節(jié)能效果可達(dá)20%左右。如家居市場某型自動扶梯，向上空載運(yùn)行Y 接法時輸入有功功率為1.981kW，△接法時為2.550kW，如在沒乘客和乘客較少時用Y 接法運(yùn)行，其速度仍不變，但可節(jié)省22.4%的電能。

3.2 全變頻驅(qū)動

采用變頻器驅(qū)動曳引電機(jī)，通過變頻器來調(diào)節(jié)曳引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在沒有乘客使用的時候使扶梯慢速運(yùn)行或者停止，因此可以很方便地實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。采用全變頻驅(qū)動方案，在不同速度之間可實(shí)現(xiàn)平滑切換。由于扶梯對控制精度要求并不高，變頻器可選擇不帶編碼器的開環(huán)控制模式。但是變頻器功率需大于或等于曳引電機(jī)功率，使得成本難以降低；另外還需考慮制動電阻在扶梯有限的機(jī)房空間的散熱問題。在大提升高度的自動扶梯采用兩個或多個曳引機(jī)的場所，為了保證多個電機(jī)運(yùn)行的同步性，全變頻方案仍是首選。另外，目前有采用永磁同步電機(jī)的行星齒輪曳引機(jī)應(yīng)用于扶梯驅(qū)動，受目前變頻技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的限制，控制同步電機(jī)啟動時仍需檢測磁極的位置，所以也得采用全變頻方案。本次檢測中有第一酒市、中發(fā)都市等自動扶梯的節(jié)能改造采用全變頻方案，該方案在全速運(yùn)行時，由于增加了變頻器的能量轉(zhuǎn)換的損失，比旁路變頻方案約增加5%的能耗。

3.3 旁路變頻驅(qū)動

扶梯在額定速度運(yùn)行時，由 50Hz 的工頻電源進(jìn)行供電，變頻器不投入運(yùn)行。當(dāng)在無人乘梯一定時間后，扶梯將由工頻電源控制切換到變頻器控制，從而使扶梯進(jìn)行低速運(yùn)行或停止，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)有人再次進(jìn)入扶梯乘梯時，扶梯將由變頻器加速到額定速度，到達(dá)額定速度后，扶梯將由變頻器控制切換到工頻電源控制運(yùn)行。扶梯將如此周而復(fù)始的運(yùn)行，其運(yùn)行時序如示意圖7所示。

圖7 旁路變頻工作示意圖

旁路變頻的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了無人乘梯時低速運(yùn)行或停止，達(dá)到節(jié)能、降低噪聲、減少設(shè)備的磨損。由于采用了變頻控制，使系統(tǒng)的調(diào)速平穩(wěn)，對機(jī)械系統(tǒng)的沖擊較小。由于在高速運(yùn)行的時候變頻并未參與控制，所以變頻器的功率可比曳引電機(jī)的功率小。相比全變頻而言，還不需要制動電阻，減少了機(jī)房發(fā)熱。旁路變頻方案的缺點(diǎn)是，為了防止三相電壓與變頻器輸出端短接引起變頻器爆炸，需設(shè)計(jì)完善的電氣保護(hù)回路。另外，若變頻控制與工頻控制強(qiáng)行切換，會帶來對曳引電機(jī)的沖擊，這是一個需要克服的技術(shù)問題，但隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)問題已克服，如明捷置業(yè)安裝的上海三菱電梯有限公司的JS—SBF、JS—BF型，地鐵11號線安裝西子奧的斯電梯有限公司的X021NP-L型自動扶梯，均采用旁路變頻驅(qū)動方案。西子奧的斯電梯有限公司制造的X021NP-L型自動扶梯，更具有旁路變頻驅(qū)動和工頻自動重新啟動兩種驅(qū)動模式，用戶可根據(jù)實(shí)際工況自行選擇，是目前較完善的一種自動扶梯控制系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本次調(diào)研發(fā)現(xiàn)，自動扶梯選用節(jié)能技術(shù)時首先需要考慮客流情況。對于潮汐型客流的扶梯，采用變頻或工頻自動重啟功能有明顯的節(jié)能效果；而且客流越少，節(jié)能效果越明顯。比如采用變頻功能的某扶梯，當(dāng)客流量為3286人/天時，功耗為1.13kW·h；客流量為220人/天時，功耗為0.71kW·h，如若采用工頻自動重啟方案，功耗僅為0.30kW·h。因此，自動扶梯制造商可以制造具有旁路變頻驅(qū)動和工頻自動重新啟動兩種驅(qū)動模式的自動扶梯，以便用戶根據(jù)實(shí)際工況自行選擇控制模式，達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

在本次檢測轄區(qū)有關(guān)部門的努力工作和大力推動下，該區(qū)自動扶梯的節(jié)能改造取得了成效。比如某廣場58臺自動扶梯的變頻改造，某商城11臺自動扶梯變頻改造以及某酒市6臺自動扶梯變頻改造等等。與未改造前比對，這些單位的扶梯經(jīng)改造后可節(jié)能50%以上。值得指出，我國大部分自動扶梯的運(yùn)行狀況和本次檢測對象相似，因此扶梯的節(jié)能改造具有極大的潛力。

1 王士琴,朱昌明,張鵬,金建峰.電梯能耗測量新方法,起重運(yùn)輸機(jī)械.2009(9).35-39.

2 萬忠培,朱武標(biāo),何新民.關(guān)于電梯能耗的探討,中國電梯.2007 (16).28-31.

3 Aníbal De Almeida,Simon Hirzel,Carlos Patrao, et al.Energy-efficient elevators and escalators in Europe:An analysis of energy efficiency potentials and policy measures,Energy and Buildings.2012,47,pp.151-158.

4 C.Carrillo,E.Díaz-Dorado, J.Cidrás,M.Silva-Ucha.A methodology for energy analysis of escalators,Energy and Buildings.2013, 61,pp.2-30.

5 Lutfi Al-Sharif.Modeling of escalator energyconsumption,Energy and Buildings.2011,43, pp.1382-1391.