自動(dòng)扶梯能效計(jì)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(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道耗電量約為3×107（度電）kW·h/年，其耗電量比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其數(shù)量比例，屬于高能耗的特種設(shè)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(shè)備安全法》等法規(guī)，結(jié)合上海市的自動(dòng)扶梯運(yùn)行現(xiàn)狀，研究、分析了自動(dòng)扶梯運(yùn)行能效計(jì)算，建立了自動(dòng)扶梯的能效計(jì)算模型，通過其參數(shù)設(shè)定和模型運(yùn)行得出了自動(dòng)扶梯的能效計(jì)算值，并比對(duì)相同狀態(tài)下自動(dòng)扶梯實(shí)際運(yùn)行的能效測(cè)試值，從而確定所建立的自動(dòng)扶梯能效計(jì)算模型的有效性。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯；能效計(jì)算模型；誤差分析；能效測(cè)試值

中圖分類號(hào)：TU857 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(tái)，其中，自動(dòng)扶梯和自動(dòng)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?！吨腥A人民共和國節(jié)約能源法》第16條規(guī)定：“對(duì)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(duì)高耗能特種設(shè)備的節(jié)能監(jiān)管進(jìn)入了法制時(shí)代。

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

1 自動(dòng)扶梯能效計(jì)算模型的建立

因?yàn)樽詣?dòng)扶梯主要依靠曳引驅(qū)動(dòng)，主動(dòng)力來源于三相交流電動(dòng)機(jī)。自動(dòng)扶梯的驅(qū)動(dòng)方式、速度等與電動(dòng)機(jī)有直接的聯(lián)系，并且其負(fù)載的變化也會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)能耗產(chǎn)生直接的影響。圖1為自動(dòng)扶梯的能效計(jì)算模型。

圖1 自動(dòng)扶梯的能效計(jì)算模型

在自動(dòng)扶梯的能效計(jì)算模型中，輸入部分主要包括：①載荷變化信號(hào)源用來模擬自動(dòng)扶梯載荷變化。②三相異步電動(dòng)機(jī)用來模擬自動(dòng)扶梯的三相異步電動(dòng)機(jī)。其中，有4個(gè)輸入端，1個(gè)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由載荷變化信號(hào)源輸入作為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩值，另外3個(gè)輸入端為電機(jī)的3個(gè)相位輸入。③變頻器用來模擬自動(dòng)扶梯電動(dòng)機(jī)的變頻模塊，以此作為三相電動(dòng)機(jī)元件的變頻輸入。利用變頻子系統(tǒng)，在不同時(shí)間點(diǎn)輸出不同頻率的3個(gè)相位到三相異步電動(dòng)機(jī)，可以起到變頻作用。

對(duì)于自動(dòng)扶梯的能效計(jì)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(zhuǎn)子電流的變化；②實(shí)時(shí)功率值，用于輸出計(jì)算后的實(shí)時(shí)功率值。

根據(jù)對(duì)在用自動(dòng)扶梯中電動(dòng)機(jī)的調(diào)研，三相異步電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速的情況下，額定轉(zhuǎn)矩為：

Tn=PN/nN. （1）

由三相交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可知，在定子電壓、頻率和其他參數(shù)固定，而負(fù)載不斷變化的情況下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm與負(fù)載mload之間存在函數(shù)關(guān)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(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩如表1所示。

表1 不同載荷時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

載荷百分比（100%） 載荷M/kg 負(fù)載轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)能耗的討論主要集中在電機(jī)線電壓和線電流，轉(zhuǎn)矩與負(fù)載的關(guān)系。電機(jī)功率、負(fù)載、轉(zhuǎn)矩、定子電流之間的關(guān)系如表2所示。

表2 負(fù)載變化對(duì)電機(jī)功率的影響

電機(jī)功率 負(fù)載 轉(zhuǎn)矩 定子電流 轉(zhuǎn)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(jī)特性可知，定子電流是用于輸出的電流。在負(fù)載變化的情況下，定子電流會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，同時(shí)，功率也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。根據(jù)表1的負(fù)載變化給出圖2所示的負(fù)載信號(hào)源變化，通過自動(dòng)扶梯的能效計(jì)算模型得出圖2中的定子電流變化（由圖1中示波器實(shí)時(shí)觀察得到）。