自動(dòng)扶梯的能耗分析及節(jié)能控制探究

蔡培

摘要：自動(dòng)扶梯給人們出行帶來(lái)了極大的方便，其經(jīng)常出現(xiàn)在公共場(chǎng)所中。文章對(duì)自動(dòng)扶梯實(shí)際運(yùn)行中的能耗進(jìn)行了分析，并根據(jù)自動(dòng)扶梯節(jié)能使用的基本要求提出了相應(yīng)的節(jié)能控制措施與關(guān)鍵技術(shù)，以期為構(gòu)建節(jié)能型社會(huì)貢獻(xiàn)一己之力。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯；能耗分析；節(jié)能控制；節(jié)能需求；能效測(cè)量 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU857 文章編號(hào)：1009-2374（2016）13-0084-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.040

自動(dòng)扶梯給人們出行帶來(lái)了極大的方便，其經(jīng)常出現(xiàn)在公共場(chǎng)所中，譬如機(jī)場(chǎng)、地鐵站、商場(chǎng)等。與此同時(shí)，自動(dòng)扶梯雖然為人們帶來(lái)了便利，但是也帶來(lái)了電能的巨大浪費(fèi)，故需要對(duì)自動(dòng)扶梯的能耗進(jìn)行分析，從實(shí)際出發(fā)，解決其耗電量大的問(wèn)題。筆者在文中對(duì)自動(dòng)扶梯的三種節(jié)能方式，即Y??轉(zhuǎn)換節(jié)能方式、自動(dòng)運(yùn)行節(jié)能方式、變頻驅(qū)動(dòng)節(jié)能方式分別進(jìn)行了探究，以尋求效果較好的節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)。

1 自動(dòng)扶梯的市場(chǎng)現(xiàn)狀與節(jié)能需求

當(dāng)前自動(dòng)扶梯應(yīng)用廣泛，在超市、機(jī)場(chǎng)、地鐵站等都能夠看見(jiàn)它的身影，其具有輸送量較大、便利快捷等優(yōu)勢(shì)，給予乘客方便，但是也具有一定的缺陷，即無(wú)論客流量大小甚至空轉(zhuǎn)，都會(huì)以額定速度運(yùn)行。顯然這樣的情況在自動(dòng)扶梯客流量較小或者沒(méi)有時(shí)將會(huì)耗費(fèi)大量的電能，同時(shí)使機(jī)器磨損程度嚴(yán)重，大大地降低自動(dòng)扶梯的使用壽命。據(jù)相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)已有近7萬(wàn)臺(tái)自動(dòng)扶梯投入使用，其數(shù)量每年以11%左右的速度增加。其中95%以上的設(shè)備為非節(jié)能自動(dòng)扶梯，可想而知其耗費(fèi)的電能是巨大的。保守估計(jì)，全國(guó)每年有近2×108～5×108kW·h的電能浪費(fèi)在自動(dòng)扶梯上。

因此，我們需要根據(jù)實(shí)際使用情況，在不同的工況下采用不同的節(jié)能控制技術(shù)以達(dá)到節(jié)能的目的，如PLC與變頻器相結(jié)合的節(jié)能控制系統(tǒng)等。通過(guò)采用不同的節(jié)能控制系統(tǒng)，能夠有效地節(jié)約電能，提高自動(dòng)扶梯的使用壽命，滿足國(guó)家的環(huán)保要求。

2 自動(dòng)扶梯能效測(cè)量

要對(duì)自動(dòng)扶梯的能耗分析及節(jié)能控制探究，對(duì)其能效測(cè)量是必不可少的環(huán)節(jié)。測(cè)量步驟可分為四步：（1）選取測(cè)量對(duì)象及其能耗限定值；（2）測(cè)量?jī)x器的選擇；（3）運(yùn)行功率測(cè)量點(diǎn)的選??；（4）測(cè)量工況。筆者下面對(duì)其分別介紹：

2.1 選取測(cè)量對(duì)象及其能耗限定值

由于目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有制定出統(tǒng)一的自動(dòng)扶梯能效標(biāo)準(zhǔn)，并且國(guó)際上也還沒(méi)有相關(guān)文件標(biāo)準(zhǔn)可供參考，故測(cè)量結(jié)果可參考某署發(fā)布的《自動(dòng)扶梯能效限定值標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)明確了公共服務(wù)自動(dòng)扶梯需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件：（1）作為公共交通的一部分，包含出入口處；（2）每周運(yùn)行140小時(shí)左右（20小時(shí)/天），且設(shè)備在任何3小時(shí)間隔內(nèi)，能以100%制動(dòng)載荷連續(xù)運(yùn)行不小于1小時(shí)。

在不同的梯級(jí)寬度、提升高度和速度條件下，通過(guò)測(cè)量輸入功率可以發(fā)現(xiàn)，其與自動(dòng)扶梯的效率成反比。考慮到結(jié)果的一致性，筆者選取自動(dòng)扶梯的提升高度為5m（±0.5m），梯級(jí)寬度為1000mm，額定速度為0.5m/s。

2.2 測(cè)量?jī)x器的選擇

測(cè)量?jī)x器有兩種可供選擇：一種是3169-20鉗形功率計(jì)；另一種是PW3198電能質(zhì)量分析儀。通過(guò)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，這兩款儀器都可以測(cè)量電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)和THD（諧波畸變率），并且精度均可達(dá)到要求。3169-20鉗形功率計(jì)雖然價(jià)格低廉，但是處理數(shù)據(jù)步驟繁瑣；相反，PW3198電能質(zhì)量分析儀數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，易操作，但是價(jià)格昂貴。根據(jù)筆者單位的實(shí)際情況，此次測(cè)量選擇了3169-20鉗形功率計(jì)。

2.3 運(yùn)行功率測(cè)量點(diǎn)的選取

如圖1所示，通常在實(shí)際測(cè)量中需選取三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的結(jié)果是不同的。其中測(cè)量點(diǎn)1的結(jié)果是驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備的總和；測(cè)量點(diǎn)2的結(jié)果是控制系統(tǒng)主要電路的能耗；測(cè)量點(diǎn)3的結(jié)果是輔助設(shè)備的能耗。筆者在此次研究中選取測(cè)量點(diǎn)1的結(jié)果，其余兩個(gè)結(jié)果作為參考。

2.4 測(cè)量工況

（1）空載上下運(yùn)行有功功率檢測(cè)：自動(dòng)扶梯的有功功率是重要的參數(shù)之一，該參數(shù)可反映機(jī)械效率的情況；（2）實(shí)際運(yùn)行有功功率檢測(cè)：筆者使用客流計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合輸入有功功率，能夠推測(cè)出在不同載荷工況下消耗的電能值。

對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的目的是建立功率與載荷的函數(shù)關(guān)系以及在空載狀態(tài)下功率與速度的關(guān)系。在固定工況下自動(dòng)扶梯的功率變化較小，比較穩(wěn)定，可以從測(cè)得的數(shù)據(jù)中選取部分有效數(shù)據(jù)取平均值作為該工況下自動(dòng)扶梯的功率?？蛰d條件下，自動(dòng)扶梯的速度是預(yù)設(shè)好的，可以直接獲得。在其他載荷條件下的功率，通過(guò)擬合的方法能夠得到相應(yīng)的功率。

3 自動(dòng)扶梯能耗的影響因素

3.1 減速器及傳動(dòng)裝置的影響

減速器及傳動(dòng)裝置對(duì)自動(dòng)扶梯的能耗影響是相對(duì)較大的，其設(shè)計(jì)和布局的不同影響也不盡相同。鑒于測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者在此次研究中選取在同一工況和載客量條件下的兩臺(tái)自動(dòng)扶梯進(jìn)行分析。其中某工程中的自動(dòng)扶梯的能耗是1.8kW，某制造商生產(chǎn)的自動(dòng)扶梯的能耗可達(dá)到4.8kW，這兩臺(tái)自動(dòng)扶梯能耗的差異性是減速器及傳動(dòng)裝置導(dǎo)致的。由此可見(jiàn)，減速器及傳動(dòng)裝置的影響是不能忽略的，必須加以重視。

3.2 維保質(zhì)量的影響

任何機(jī)械設(shè)備都需要定期維護(hù)檢修，自動(dòng)扶梯也不例外。按時(shí)檢修、定期維護(hù)和保養(yǎng)是其日常維護(hù)、檢修工作中不可或缺的環(huán)節(jié)。該項(xiàng)工作不僅能夠減低電能的消耗，而且能夠提升設(shè)備的使用壽命。譬如某廠商生產(chǎn)的型號(hào)和參數(shù)都相同的兩臺(tái)自動(dòng)扶梯，其中一臺(tái)自動(dòng)扶梯經(jīng)定期檢修、維護(hù)，在空載時(shí)運(yùn)行功率為1.8kW，而另一臺(tái)自動(dòng)扶梯未進(jìn)行定期維護(hù)、檢修，在空載時(shí)功率卻高達(dá)2.2kW，高出前者22.2%；再如，某工程有兩臺(tái)型號(hào)和參數(shù)完全一致的自動(dòng)扶梯，一臺(tái)經(jīng)長(zhǎng)期維修、養(yǎng)護(hù)后，上行空載運(yùn)行功率為2.3kW，另一臺(tái)未能保持定期檢修的設(shè)備功率為2.8kW，高出前者21.7%。由此可見(jiàn)，自動(dòng)扶梯運(yùn)行一段時(shí)間后需要定期維護(hù)、保養(yǎng)與檢修，這樣能夠有效降低其運(yùn)行能耗。

3.3 待機(jī)功率的影響

待機(jī)狀態(tài)是指自動(dòng)扶梯在不提供任何服務(wù)的情況下的狀態(tài)，通常分為兩種情況：（1）待機(jī)。自動(dòng)扶梯依靠感應(yīng)器檢測(cè)到乘客從入口進(jìn)入時(shí)，立即按照原來(lái)的運(yùn)行方向再次重啟。當(dāng)檢測(cè)一段時(shí)間內(nèi)無(wú)乘客搭乘時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入低速狀態(tài)運(yùn)行。再一段時(shí)間后仍未檢測(cè)到乘客搭乘時(shí)，自動(dòng)扶梯會(huì)進(jìn)入停止運(yùn)行的待機(jī)狀態(tài)。雖然這時(shí)設(shè)備進(jìn)入了待機(jī)狀態(tài)，但當(dāng)有乘客進(jìn)入時(shí)，為了快速響應(yīng)，其傳感器和驅(qū)動(dòng)器并沒(méi)有關(guān)閉，仍處于開(kāi)啟狀態(tài)；（2）鑰匙關(guān)閉。在此種狀態(tài)下，自動(dòng)扶梯需要給運(yùn)行指示器供電，保證正常顯示，以便提醒乘客自動(dòng)扶梯處于停止?fàn)顟B(tài)，這種情況下會(huì)產(chǎn)生一些能量損失。

4 自動(dòng)扶梯的節(jié)能控制技術(shù)

4.1 Y-?轉(zhuǎn)換模式

Y-?驅(qū)動(dòng)（星三角驅(qū)動(dòng)）節(jié)能技術(shù)包括兩種方案：一種是自動(dòng)重新啟動(dòng)，另一種是Y??切換。自動(dòng)重新啟動(dòng)方案是在沒(méi)有乘客時(shí)讓自動(dòng)扶梯停止運(yùn)行，當(dāng)有乘客進(jìn)入時(shí)再次啟動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。這種方案雖然能夠達(dá)到節(jié)省電量的目的，但是頻繁啟動(dòng)與停止會(huì)加重自動(dòng)扶梯機(jī)械零部件的損傷，也會(huì)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)造成一定沖擊。倘若乘客中有老人、小孩，對(duì)自動(dòng)扶梯的自動(dòng)啟動(dòng)不能及時(shí)反應(yīng)，容易引發(fā)安全事故。Y-?切換方案則是按Y接法進(jìn)行啟動(dòng)扶梯，若自動(dòng)扶梯上沒(méi)有乘客，那么扶梯會(huì)按Y接法一直運(yùn)行下去；若有乘客時(shí)，則切換成?接法運(yùn)行，如此循環(huán)運(yùn)行。

實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)表明，當(dāng)自動(dòng)扶梯處于空載或客流量極少的工況時(shí)，Y接法和?接法的自動(dòng)扶梯的運(yùn)行速度并沒(méi)有明顯的差異，但Y接法的節(jié)能效果比?接法要高20%左右。例如某車站的自動(dòng)扶梯，當(dāng)空載運(yùn)行時(shí)，采用Y接法時(shí)輸入有功功率是1.98kW，?接法時(shí)為2.62kW；其速度雖然不改變，但電能節(jié)省33.6%。

4.2 變頻驅(qū)動(dòng)節(jié)能方式

變頻驅(qū)動(dòng)節(jié)能方式主要通過(guò)使用變頻調(diào)速裝置來(lái)調(diào)節(jié)速度，如果有乘客進(jìn)入扶梯會(huì)按照額定速度運(yùn)行，若沒(méi)有乘客則保持低速運(yùn)行。變頻驅(qū)動(dòng)節(jié)能的具體運(yùn)行方式是：在自動(dòng)扶梯入口位置安裝感應(yīng)裝置，當(dāng)乘客進(jìn)入扶梯時(shí)，感應(yīng)乘客，然后向控制系統(tǒng)傳輸信號(hào)，啟動(dòng)自動(dòng)扶梯，按照預(yù)設(shè)速度運(yùn)行；當(dāng)沒(méi)有乘客搭乘扶梯時(shí)，感應(yīng)裝置沒(méi)有感應(yīng)到乘客，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的空載運(yùn)行后，控制系統(tǒng)會(huì)控制變頻器實(shí)現(xiàn)降速運(yùn)行，節(jié)省電能；當(dāng)感應(yīng)裝置再次感應(yīng)到有乘客到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)控制變頻器，使自動(dòng)扶梯恢復(fù)預(yù)設(shè)速度運(yùn)行，如此循環(huán)運(yùn)行。這種方式對(duì)速度的控制是通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣不僅能夠降低電能的消耗，而且能夠減少機(jī)械磨損，從而提高自動(dòng)扶梯的使用壽命。

4.3 自動(dòng)運(yùn)行節(jié)能方式

自動(dòng)運(yùn)行節(jié)能方式是指在入口位置安裝感應(yīng)裝置，當(dāng)有乘客進(jìn)入扶梯時(shí)，設(shè)備感應(yīng)到信號(hào)，然后將信號(hào)傳送到控制系統(tǒng)，啟動(dòng)自動(dòng)扶梯。該方式有一個(gè)缺點(diǎn)，即會(huì)頻繁地啟動(dòng)自動(dòng)扶梯，給供電網(wǎng)絡(luò)造成沖擊，同時(shí)增加機(jī)械的磨損。

5 節(jié)能效果分析

采用Y??轉(zhuǎn)換節(jié)能方式，自動(dòng)扶梯輕載可以節(jié)能5%～21%，但當(dāng)承載率超過(guò)40%時(shí)，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)能；當(dāng)設(shè)備按額定速度運(yùn)行時(shí)，則與變頻驅(qū)動(dòng)節(jié)能方式的節(jié)能效果一致。變頻驅(qū)動(dòng)節(jié)能方式能夠根據(jù)不同的客流量設(shè)定不同的運(yùn)行速度，然而Y??轉(zhuǎn)換節(jié)能方式只能以額定速度運(yùn)行。

采用自動(dòng)運(yùn)行節(jié)能方式，如果有乘客時(shí)，則自動(dòng)扶梯以額定速度運(yùn)行；如果沒(méi)有乘客時(shí)，自動(dòng)扶梯則處于停止?fàn)顟B(tài)，故在客流較小時(shí)，該方式節(jié)能效果十分明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)采用節(jié)能控制技術(shù)，能夠有效降低自動(dòng)扶梯在實(shí)際運(yùn)行中的電能消耗，并且能夠降低機(jī)械磨損，延長(zhǎng)使用壽命。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，節(jié)能控制技術(shù)將會(huì)越來(lái)越成熟，進(jìn)而為自動(dòng)扶梯運(yùn)行節(jié)約更多的電能，提高經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：王 波）