基于ADE7880的電梯與自動扶梯能效測試裝置*

劉文琴 李中興

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基于ADE7880的電梯與自動扶梯能效測試裝置*

劉文琴 李中興

（廣州特種機電設(shè)備檢測研究院）

為提高電梯與自動扶梯能效測試效率，簡化測試程序，設(shè)計了電梯與自動扶梯能效測試裝置。基于空載能效測試方法，以ARM處理器為核心，結(jié)合電能參數(shù)測量芯片ADE7880，設(shè)計裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并采用電流互感器進行電流信號采集。測試結(jié)果表明：本裝置與普通電能質(zhì)量分析儀相比，電流、電壓測試結(jié)果最大偏差為0.5%，電能最大偏差為1.8%，能效判斷結(jié)果基本一致。

電梯；自動扶梯；能效測試；電能質(zhì)量

0 引言

電梯作為高耗能特種設(shè)備，其能耗測試及能效評價方法一直是行業(yè)研究的熱點。截止2017年底，我國電梯保有量超過500萬臺，并且每年以超過10%的速度增加。電梯節(jié)能降耗技術(shù)以及應(yīng)用研究得到越來越多的關(guān)注[1-3]。然而，我國目前尚未形成統(tǒng)一的電梯能效標準，這給電梯節(jié)能監(jiān)管工作帶來了挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外相關(guān)研究人員已對電梯的能效評價方法進行了理論分析和實踐。美國能源效率經(jīng)濟委員會（ACEEE）在2005年起草相關(guān)的研究報告，分析美國的電梯能耗現(xiàn)狀以及提高能效的方法[4]。瑞士官方對不同使用場合、不同類型的電梯進行測試和分析，提出電梯能效評價方法[5]。國際標準化組織（ISO/TC178）在2008年發(fā)布了能效標準，主要包括電梯能耗的評估和計算、能耗測試方法和儀器設(shè)備、新裝和在用電梯提高能效的建議[6]。德國工程師協(xié)會2009年發(fā)布VDI 4707 Part I 行業(yè)標準，為電梯能耗測試及能效評級提供了重要依據(jù)[7]。

在2009年底，浙江省頒布了我國首個地方推薦性標準《電梯能源效率評價技術(shù)規(guī)范》，該標準規(guī)定了電梯能效測試及等級評定方法，也稱為噸·千米法，其優(yōu)勢在于接近實際，但操作較復(fù)雜，且需要載荷，耗費較大[8]。2015年華南理工大學(xué)廣州學(xué)院和廣州特種機電設(shè)備檢測研究院在大量測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出操作簡單、可靠的在用曳引式電梯能效評價方法，只需要空載測試2個來回的能耗，即可通過計算得出電梯的能效等級，提高了測試效率，且經(jīng)濟方便[9]。本文基于此設(shè)計了基于ADE7880的電梯能效測試裝置，以提高電梯的能效測試效率。

1 裝置結(jié)構(gòu)

本裝置以ADE7880電能參數(shù)測量芯片和ARM處理器為核心，配合基本的外圍電路、存儲器、顯示器及串行接口等模塊組成。電流信號采集采用電流互感器的方式；電壓信號采集采用電阻分壓電路實現(xiàn)，如圖1所示。依據(jù)空載能效評估方法進行數(shù)據(jù)測試與計算，得到最終能效等級。

圖1 電梯與自動扶梯能效測試裝置結(jié)構(gòu)框圖

裝置主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊3部分。數(shù)據(jù)采集模塊用于采集電梯電能參數(shù)，包括電流和電壓。其中電流信號通過電流互感器采集，采集的信號經(jīng)過處理后發(fā)送到電能參數(shù)處理芯片ADE7880；經(jīng)芯片內(nèi)部存儲并處理后待ARM處理器讀取；ARM處理器對ADE7880數(shù)據(jù)進行計算，得到參考循環(huán)及輔助循環(huán)電能損耗值，經(jīng)過能效評定方法得到能效等級，并對相關(guān)參數(shù)進行顯示。

2 硬件設(shè)計

2.1　中央處理器

中央處理器選擇STM32103系列，內(nèi)核采用Cortex-M3，采用32位哈佛微體系結(jié)構(gòu)Thumb-2指令，主頻為72 MHz，處理速度為1.2 DMIPS/MHz，內(nèi)置高達128 k字節(jié)的Flash存儲器和20 k字節(jié)的SRAM存儲器，含有12位的ADC、16位通用定時器、PWM定時器、I2C、SPI、USART、USB和CAN等模塊。處理器高度集成使得外圍電路大大簡化，同時增強了系統(tǒng)的可靠性及可擴展性。

2.2 信號采集電路

A相電流信號采集電路如圖2所示，電流互感器選擇50 A/100 mA。A相電流互感器輸出端子接入P5，P7端，電流互感器采集的信號經(jīng)過采樣、濾波電路轉(zhuǎn)換成為電能參數(shù)處理芯片ADE7880可接收的信號。即圖2中的IA直接輸入到電能參數(shù)處理芯片用于計算功率、功耗等。

圖2 A相電流采集電路

圖3 A相電壓采集電路

電能參數(shù)處理采用ADE7880芯片，它是一款集成的三相電能計算處理芯片，精度高，自帶IIC、SPI和HSDC等串行通訊接口；可進行有功、無功及視在功率測量和計算，基本工作電路圖如圖4所示。由于其需要參考電壓提供基準，本文采用ADR280ARTZ型基準電壓器，向ADE7880提供1.20 V參考電壓。此外，由于ADE7880直接接收的是強電信號，易干擾與CPU之間的傳輸信號，文中采用數(shù)字信號隔離器ADuM1402進行磁耦型信號隔離。它采用高速CMOS工藝和變壓器技術(shù)，提供4個獨立的隔離通道，可在低電壓條件下實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)傳輸速率較光電耦合器更高、共模抑制能力更強。

3 軟件設(shè)計

軟件在uVison5平臺下，采用C語言開發(fā)。軟件主要完成的任務(wù)包括：系統(tǒng)初始化、信號采集、數(shù)據(jù)處理和存儲、決策判斷、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)顯示等。軟件流程框圖如圖5所示。

上電完成初始化過程中，首先進行參數(shù)設(shè)置，包括電梯速度、額定載荷、提升高度等，以及串口通信設(shè)置。ADE7880開始數(shù)據(jù)采集時，將電梯/自動扶梯就位，啟動DSP進行數(shù)據(jù)計算并存儲到寄存器，完成一個循環(huán)，ARM處理器讀取相關(guān)電能數(shù)據(jù)，并顯示。所有測試結(jié)束后，ARM處理器按照能效計算規(guī)則進行能效評級。

圖4 ADE7880基本工作電路

圖5 軟件流程圖

4 測試結(jié)果

實驗測試采用OTIS 3000G電梯，額定載荷為1600 kg；額定速度為1.0 m/s；提升高度為9層9站；傳動方式為蝸輪蝸桿；實驗載荷為空載。實驗同時采用普通電能質(zhì)量分析儀測試，并進行結(jié)果比對。電流信號對比如圖6所示（測試區(qū)間為最高層到最底層）；電壓信號對比如圖7所示（測試區(qū)間為最高層到最底層）；電能能耗比對結(jié)果如表1所示。結(jié)合能效分級標準測得電梯運行能效等級為二級，待機能效等級為四級，符合實際情況。對于自動扶梯能效測試只要針對能效標準進行相應(yīng)能耗測試，再計算即可得到相應(yīng)能效等級。

圖6 電流信號對比結(jié)果

圖7 電壓信號對比結(jié)果

從圖6可以看出：普通電能質(zhì)量分析儀和電梯能效測試裝置測試結(jié)果基本相同，但是由于電梯能效測裝置選擇了50 A電流互感器，最大可測電流為50 A，而電梯的啟動電流達到了51.9 A，產(chǎn)生了失真，對此可以更換電流互感器以匹配更大的電流信號。圖7所示電壓測試結(jié)果基本一致，最大偏差為0.5%。

根據(jù)空載能效測試方法，需要測試最底層到最高層再到最底層的電梯能耗值1，以及測試最底層到次高層再到最底層的電梯能耗值2。用2次空載測得的能耗值換算出對應(yīng)標準能耗，分別用普通電能質(zhì)量分析儀和電梯能效測試裝置測得的1為107 Wh和109 Wh、2為91.3 Wh和92.1 Wh，最大偏差為1.8%。從表1可知，2種方法算出該電梯的運行能效均為二級，待機能效均為四級，對判斷結(jié)果基本沒有影響。

表1 能效等級對比結(jié)果

注：1為電梯參考循環(huán)能耗值；2為電梯輔助循環(huán)能耗值；1為參考循環(huán)實際測試行程；2為輔助循環(huán)實際測試行程；1為待機功率；2為轎廂照明及通風(fēng)功率。

5 結(jié)論

本文采用高速的STM32系列芯片作為控制器的核心，結(jié)合電能參數(shù)測量芯片ADE7880設(shè)計了電梯與自動扶梯能效測試裝置，采用電流互感器進行電流信號采集，使得線路連接更加安全。通過與普通電能質(zhì)量分析儀的測試結(jié)果比對可知，電梯與自動扶梯能效測試裝置的電流和電壓測試結(jié)果最大偏差為0.5%，電能最大偏差為1.8%，能效判斷結(jié)果基本一致。該裝置內(nèi)置能效等級評價算法，簡化了測試流程，提高了工作效率，避免了單次測量、分別存儲數(shù)據(jù)造成的數(shù)據(jù)混亂及容易丟失等問題。

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[2] Dr. Lutfi Al-Sharif, Richard Peters, Rori Smith. Elevator energy simulation model[J]. Elevator World, 2004, 52 (11): 108-111.

[3] 孫立新.關(guān)于電梯能效評價的探討[J].中國電梯,2008,19(4): 33-34.

[4] ACEEE. Opportunities for elevator energy efficiency improvements [R].ACEEE, 2005 .

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[8] 浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.DB33/T 771-2009 電梯能源效率評價技術(shù)規(guī)范[S].杭州,2009.

[9] 馬海霞,李中興,劉英杰,等.曳引式電梯節(jié)能檢測方法及裝置研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2016,16(32):247-250,262.

Elevator and Escalator Energy Efficiency Test Equipment Based on ADE7880

Liu Wenqin Li Zhongxing

(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

In order to improve the efficiency of elevator and escalator energy efficiency test and simplify the test procedure, this paper designed the elevator and escalator energy efficiency test device. Based on the no-load energy efficiency test method, the ARM processor is taken as the core, combined with the energy parameter measurement chip ADE7880, the device system structure is given, and the current transformer is used for current signal acquisition. The test results show that compared with the ordinary power quality analyzer, the current and voltage test results of the design device are basically the same, the maximum deviation is 0.5%, the maximum deviation of electric energy is 1.8%, and the energy efficiency judgment results are basically the same. However, the test process of the device is simple, the work efficiency is high, the data is clear and not easy to be lost, and has good practical value.

Elevator; Escalator; Energy Efficiency Test; Power Quality

劉文琴，女，1990年生，本科，主要研究方向：特種設(shè)備檢驗及研究。

李中興（通信作者），男，1985年生，高級工程師/檢驗師，碩士研究生，主要研究方向：電梯安全與節(jié)能技術(shù)。E-mial: 285669644@qq.com

廣州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計劃項目（2018kj10）；廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計劃項目（2018PT10）。