自動扶梯能效計算模型的建立與分析

徐涴砯++李起耘++仇潤鶴

摘 要：目前，上海各類自動扶梯和自動人行道耗電量約為3×107（度電）kW·h/年，其耗電量比例遠遠超過了其數(shù)量比例，屬于高能耗的特種設備。為了貫徹《中華人民共和國節(jié)約能源法》《中華人民共和國特種設備安全法》等法規(guī)，結合上海市的自動扶梯運行現(xiàn)狀，研究、分析了自動扶梯運行能效計算，建立了自動扶梯的能效計算模型，通過其參數(shù)設定和模型運行得出了自動扶梯的能效計算值，并比對相同狀態(tài)下自動扶梯實際運行的能效測試值，從而確定所建立的自動扶梯能效計算模型的有效性。

關鍵詞：自動扶梯；能效計算模型；誤差分析；能效測試值

中圖分類號：TU857 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.014

上海作為特大型現(xiàn)代化城市，電梯擁有量已超過了19.3萬臺，其中，自動扶梯和自動人行道的數(shù)量約占10%，并且每年以高于10%的速度增加，而上海市電梯的總耗電量約為1.57×108（度電）kW·h/年。《中華人民共和國節(jié)約能源法》第16條規(guī)定：“對高耗能的特種設備，應按照國務院的規(guī)定實行節(jié)能審查和監(jiān)管”。該法令的頒布標志著我國對高耗能特種設備的節(jié)能監(jiān)管進入了法制時代。

目前，ISO的TC178已發(fā)布了一項關于電梯能耗檢測的標準，即ISO 25745—1《電梯和自動扶梯的能量性能：第1部分能量測量和符合性》。該標準制定了一種簡單、有效的程序來檢測電梯能耗，它易于操作，可以使用現(xiàn)有的測試設備，具有良好的重復性，便于執(zhí)行周期性的能效符合性檢查。同時，香港也頒布了《電梯及自動扶梯配置的能效實施守則》，這是關于建筑中安裝的電梯和自動扶梯能源效率的實施規(guī)定，而國內也相繼開展了電梯和自動扶梯能效的研究和分析。結合上海市的自動扶梯運行現(xiàn)狀，研究和分析了自動扶梯的運行能效計算。

1 自動扶梯能效計算模型的建立

因為自動扶梯主要依靠曳引驅動，主動力來源于三相交流電動機。自動扶梯的驅動方式、速度等與電動機有直接的聯(lián)系，并且其負載的變化也會對電動機能耗產生直接的影響。圖1為自動扶梯的能效計算模型。

圖1 自動扶梯的能效計算模型

在自動扶梯的能效計算模型中，輸入部分主要包括：①載荷變化信號源用來模擬自動扶梯載荷變化。②三相異步電動機用來模擬自動扶梯的三相異步電動機。其中，有4個輸入端，1個為負載轉矩，由載荷變化信號源輸入作為電動機轉矩值，另外3個輸入端為電機的3個相位輸入。③變頻器用來模擬自動扶梯電動機的變頻模塊，以此作為三相電動機元件的變頻輸入。利用變頻子系統(tǒng)，在不同時間點輸出不同頻率的3個相位到三相異步電動機，可以起到變頻作用。

對于自動扶梯的能效計算中的輸出部分，其主要包括2部分：①示波器，用于觀察定子電流和轉子電流的變化；②實時功率值，用于輸出計算后的實時功率值。

根據(jù)對在用自動扶梯中電動機的調研，三相異步電動機的基本參數(shù)設定為：額定功率PN=7.5 kW，額定電壓UN=400 V，額定工作頻率為50 Hz，額定轉速nN=1 440 r/min，變頻子系統(tǒng)的變頻輸出為50 Hz。在PN為額定功率、nN為額定轉速的情況下，額定轉矩為：

Tn=PN/nN. （1）

由三相交流異步電動機的機械特性可知，在定子電壓、頻率和其他參數(shù)固定，而負載不斷變化的情況下，負載轉矩Tm與負載mload之間存在函數(shù)關系，即：

. （2）

式（2）中：g為重力加速度，9.8 kg/N；d為鏈輪直徑，0.008 6 m。

不同載荷時的負載轉矩如表1所示。

表1 不同載荷時的負載轉矩

載荷百分比（100%） 載荷M/kg 負載轉矩Tm /N·m

1 0% 0% 0

2 2%（70 kg） 70 5.899 6

3 3%（105 kg） 105 8.849 4

4 4%（140 kg） 140 11.799 2

5 5%（175 kg） 175 14.749

6 10%（348 kg） 348 29.329 44

7 15%（522 kg） 522 43.994 16

8 20%（695 kg） 695 58.574 6

9 25%（872 kg） 872 73.492 16

10 30%（1 047 kg） 1 047 88.241 16

11 35%（1 218 kg） 1 218 102.653 04

12 40%（1 398 kg） 1 398 117.823 44

13 50%（1 740 kg） 1 740 146.647 2

14 60%（2 091 kg） 2 091 176.229 48

15 70%（2 439 kg） 2 439 205.558 92

16 80%（2 787 kg） 2 787 234.888 36

在鏈條驅動狀態(tài)下，電機能耗的討論主要集中在電機線電壓和線電流，轉矩與負載的關系。電機功率、負載、轉矩、定子電流之間的關系如表2所示。

表2 負載變化對電機功率的影響

電機功率 負載 轉矩 定子電流 轉速 阻力距

增大 增大 增大 增大 減小 增大

減小 減小 減小 減小 增大 減小

由電機特性可知，定子電流是用于輸出的電流。在負載變化的情況下，定子電流會相應地發(fā)生變化，同時，功率也會相應地發(fā)生變化。根據(jù)表1的負載變化給出圖2所示的負載信號源變化，通過自動扶梯的能效計算模型得出圖2中的定子電流變化（由圖1中示波器實時觀察得到）。