帶能源反饋系統(tǒng)的自動扶梯在地鐵中的節(jié)能探究

摘"要：當(dāng)前，軌道交通低壓配電系統(tǒng)承擔(dān)了除電動車組以外給所有低壓負(fù)荷提供電能的重要任務(wù)，其特點(diǎn)是用電設(shè)備多、用電負(fù)荷大，現(xiàn)提出一種自動扶梯系統(tǒng)能進(jìn)行發(fā)電，將自動扶梯所發(fā)出的電力用于軌道交通低壓設(shè)備電能消耗，從而降低軌道交通設(shè)備總體用電量。介紹了能量反饋的自動扶梯基本原理、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，分析了其應(yīng)用現(xiàn)狀，期望推動其在軌道交通領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：帶能源反饋技術(shù)""自動扶梯""能量回饋""節(jié)能應(yīng)用

[中圖分類號]TH236""""[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

Energy"Saving"Exploration"of"Escalators"with"Energy"Feedback"System"in"Subways

YU"Yi1"""SHAO"Yongsheng1""YAN"Li1""ZHOU"Yun2

1."Intelligent"Operation"Branch，"Ningbo"Rail"Transit"Group，"Ningbo，"Zhejiang"Province，"315000"China

2."Schindler"（China）"Elevator"Co.，Ltd.，"Shanghai，"201510"China

Abstract："The"low-voltage"distribution"system"in"rail"transit"currently"undertakes"the"important"task"of"supplying"power"to"all"low-voltage"loads，"except"for"electric"multiple"units."It"is"characterized"by"a"large"number"of"electrical"devices"and"significant"electrical"load."This"paper"proposes"an"escalator"system"that"can"generate"electricity，"and"the"electricity"produced"by"the"escalator"is"used"for"the"energy"consumption"of"low-voltage"equipment"in"rail"transit，"thereby"reducing"the"overall"electricity"consumption"of"rail"transit"systems."This"article"introduces"the"basic"principles"and"key"technical"indicators"of"energy"feedback"in"escalators，"and"analyzes"their"current"application"status，"hoping"to"promote"their"widespread"attention"and"development"in"the"field"of"rail"transit.

Key"Words："Energy"feedback"technology;"Escalators;"Energy"feedback;"Energy-saving"application

軌道交通車站的用電設(shè)備繁多，如自動扶梯、站臺公共區(qū)照明、風(fēng)機(jī)及風(fēng)閥、防災(zāi)報警、消防、通信、信號、電力監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、自動售檢票等系統(tǒng)設(shè)備，以及廢水泵、消防水泵、噴淋泵、電伴熱、安檢臺、交換機(jī)等，這些用電設(shè)備一般使用時間長，電能消耗大。近年來，能源反饋技術(shù)在成本、技術(shù)成熟度方面發(fā)展迅速，具體而言，該技術(shù)能夠在設(shè)備運(yùn)行過程中，將原本被浪費(fèi)的能量收集起來，并經(jīng)過處理后反饋回電網(wǎng)，以供再次使用。在地鐵實(shí)際負(fù)載中，自動扶梯是一種既有條件利用能量反饋技術(shù)，又能夠創(chuàng)造出實(shí)際價值，而且實(shí)際投入成本并不高的設(shè)備，故應(yīng)加大能源反饋系統(tǒng)在自動扶梯中應(yīng)用的研究力度，推動其在軌道交通的廣泛普及。

1""帶能源反饋技術(shù)自動扶梯的基本原理

1.1""技術(shù)定義

在扶梯下行時，當(dāng)乘客達(dá)到一定數(shù)量后，帶有能量反饋系統(tǒng)的自動扶梯不但不消耗市電，而且能夠同時反向?qū)ζ渌O(shè)備輸送電能，從而達(dá)到減少總體用電量的目的。圖1為自動扶梯用電狀態(tài)，圖2為自動扶梯發(fā)電狀態(tài)。

1.2""能量轉(zhuǎn)換原理

當(dāng)自動扶梯下行時，乘客的重力帶動扶梯梯級下行，通過梯級鏈條將這一重力勢能傳導(dǎo)到電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，生成的電能先被逆變器電機(jī)側(cè)的絕緣柵雙極晶體管（Insulate-Gate"Bipolar"Transistor，IGBT）模塊整流為直流電，再通過電網(wǎng)側(cè)的IGBT模塊將該直流電轉(zhuǎn)換成交流電，最后通過濾波器去除電流中的雜波和干擾，確保回饋給電網(wǎng)的電能符合電能質(zhì)量要求。

1.3""關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及評價方法

以一臺10"m提升高度的扶梯為例，馬達(dá)功率在22"kW左右，按照地鐵用自動扶梯技術(shù)規(guī)范[1]指出乘客載荷按照每天20"h，每周7"d連續(xù)工作，在任何3"h間隔內(nèi)，其載荷達(dá)100%的制動載荷的持續(xù)時間為1"h，其余2"h的載荷為60%的制動載荷，根據(jù)這一乘客載荷來計算，一臺帶有能量反饋系統(tǒng)的自動扶梯每天發(fā)電量約為264"kWh，標(biāo)準(zhǔn)的載荷較之實(shí)際載荷更加嚴(yán)格，推算的發(fā)電量也更大，所以這一數(shù)字不能作為唯一依據(jù)。一臺裝在中大型城市的軌道交通或者機(jī)場火車站的帶能量回饋系統(tǒng)的自動扶梯更科學(xué)的發(fā)電評價方法如下，以一臺10"m左右提升高度的自動扶梯為例，

式（1）、式（2）、式（3）中：Pe為發(fā)電功率；Pp為乘客重力勢能提供的功率；Pf為自動扶梯自身摩擦力消耗功率；Gp為一個人的重力；Se為扶梯速度；We為1臺配備能源反饋系統(tǒng)的扶梯日均發(fā)電量；T為乘客站在扶梯上的平均時間；Qp為乘客數(shù)量。

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）可以計算出，Pp"="700"N"×"0.5"×"0.65"m/s"="0.23"kW，而Pf約為Pp的20%，故Pe≈"0.18"kW，乘客站在扶梯上的平均時間T為30"s左右。電梯、自動扶梯與自動人行道的能源性能評價標(biāo)準(zhǔn)中指出[2]，在主要的機(jī)場、火車站、城市軌道交通地區(qū)人流量每天可達(dá)20"000人，而在一些巨大的主要城市人流量大于20"000人，中國是一個人口大國，像一些大型城市的火車站，軌道交通站點(diǎn)單日客流量可達(dá)數(shù)十萬人，保守估計理論上按照1臺扶梯日均乘客2萬人來計算，1臺配備能源反饋系統(tǒng)的扶梯日均發(fā)電量We約為30"kW·h。

效率指標(biāo)是衡量能量反饋技術(shù)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)[3]。在能量轉(zhuǎn)換和回收過程中，能量損失是不可避免的。為了評估能量反饋技術(shù)的效率，引入了能量轉(zhuǎn)換效率和能量回收效率兩個關(guān)鍵指標(biāo)。能量轉(zhuǎn)換效率反映了輸入能量與輸出能量的比值，它衡量了能量在轉(zhuǎn)換過程中的損失情況。而能量回收效率則是指回收的能量與輸入能量的比值，它反映了能量回收的效果。通過測量這兩個指標(biāo)，可以直觀地了解能量反饋技術(shù)的效率水平，為技術(shù)優(yōu)化和改進(jìn)提供依據(jù)，對于自動扶梯來說能量轉(zhuǎn)換的效率比值，就是按以上公式的實(shí)際測定的瞬時功率與理論推算的瞬時發(fā)電功率比值。

2"具體方案

帶能量反饋系統(tǒng)（如圖3所示）的自動扶梯主要由馬達(dá)、減速機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、梯級及電氣控制系統(tǒng)、電驅(qū)動在馬達(dá)側(cè)的IGBT和在電網(wǎng)測的可控IGBT、濾波裝置構(gòu)成[4]，當(dāng)自動扶梯制動時，馬達(dá)被下行的乘客帶動，反向向電驅(qū)動的變頻器輸送電能，將多余電量通過電機(jī)側(cè)的IGBT施加于直流母線，電網(wǎng)側(cè)的IGBT控制輸出電流將直流母線的電流輸送給電網(wǎng)并保持同頻同相。

為了使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，減小對外干擾，在電網(wǎng)輸入位置增加濾波裝置，確保在自動扶梯運(yùn)行穩(wěn)定不受EMC干擾。

3"能量反饋技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

探討能量反饋技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，需要深入分析技術(shù)瓶頸、成本問題與用戶認(rèn)知度這三大方面。

3.1"技術(shù)瓶頸方面

能量反饋技術(shù)在軌道交通的自動扶梯實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸主要體現(xiàn)在系統(tǒng)復(fù)雜性和技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度上。特別是在大規(guī)模電力系統(tǒng)中，能量反饋技術(shù)的實(shí)施需要解決系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性、反饋控制等多方面的問題。這就要求科研人員具備深厚的專業(yè)知識和技能，同時需要投入大量的研發(fā)資源和時間。因此，技術(shù)瓶頸是當(dāng)前制約能量反饋技術(shù)廣泛應(yīng)用的重要因素。

3.2"成本問題方面

能量反饋技術(shù)的自動扶梯在地鐵項(xiàng)目的實(shí)施成本也是其推廣和應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)之一。這主要體現(xiàn)在設(shè)備采購、安裝調(diào)試、維護(hù)管理等方面。由于能量反饋技術(shù)需要使用高精度、高性能的設(shè)備和材料，導(dǎo)致其成本較高。同時，由于技術(shù)的不成熟和市場規(guī)模的限制，能量反饋技術(shù)的設(shè)備價格也相對較高。

3.3"用戶認(rèn)知度方面

用戶對能量反饋技術(shù)在自動扶梯上應(yīng)用的認(rèn)知度也是影響其推廣和應(yīng)用的重要因素。由于能量反饋技術(shù)相對較為新穎，用戶對其原理、性能、應(yīng)用等方面了解不足，導(dǎo)致其對技術(shù)的信任度和接受度較低。用戶接受新技術(shù)往往需要一定的時間和過程，這也限制了能量反饋技術(shù)的推廣和應(yīng)用[5]。因此，提高用戶認(rèn)知度和信任度是推廣能量反饋技術(shù)的關(guān)鍵。

4"市場需求與發(fā)展趨勢預(yù)測

當(dāng)前，全球能源資源緊張，環(huán)保壓力加大，各國政府紛紛出臺政策推動節(jié)能減排。在此背景下，節(jié)能技術(shù)的市場需求不斷增長。能量反饋技術(shù)作為重要的節(jié)能技術(shù)之一，能夠?qū)⒛茉丛趥鬏敽褪褂眠^程中進(jìn)行回收和利用，提高能源利用效率，符合節(jié)能減排的要求。隨著人們環(huán)保意識的提高以及能源資源的緊缺，能量反饋技術(shù)的市場需求將持續(xù)增長。

5"結(jié)語

軌道交通作為我國承擔(dān)城市的人流運(yùn)送的主要功能，其重要性不言而喻，隨之而來的是在長期運(yùn)行中電能的高消耗，節(jié)能減排是我國發(fā)展中不得不考慮的問題，隨著能源資源的不斷消耗，我國也會在這一領(lǐng)域加強(qiáng)引導(dǎo)軌道交通的自動扶梯向著越來越環(huán)保的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]"高乾.自動扶梯設(shè)備節(jié)能技術(shù)及節(jié)能調(diào)度系統(tǒng)分析[J]."中國電梯，"2022，"33"（09）："10-13.

[2]"Rezaei"S"，Parlak"O"B"，Yavasoglu"A"H"."Enhancing"hovercraft"energy"performance："Adaptive"lift"fan"control"for"optimal"efficiency"[J]."Sustainable"Energy"Technologies"and"Assessments，"2024，"71"103977-103977.

[3]"唐耀斌，李燕捷."自動扶梯的直流端能源反饋系統(tǒng)驗(yàn)收技術(shù)研究"[J]."中國高新科技，"2023（9）："85-87.

[4]"高魯旺."電網(wǎng)擾動下能量回饋型變頻器網(wǎng)側(cè)變流控制技術(shù)研究[D]."上海：上海大學(xué)，"2023.

[5]"李劍洪，高亮，安巖，等."基于能量反饋?zhàn)赃m應(yīng)的SPGD算法合束仿真與驗(yàn)證"[J/OL]."激光與光電子學(xué)進(jìn)展：1-17[2024-12-17]."http：//kns.cnki.net/kcms/detail/31.1690.tn.20240612.0925.054.html.