自動(dòng)扶梯節(jié)能改造技術(shù)及效果分析

江平海

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有普通自動(dòng)扶梯存在的能源浪費(fèi)嚴(yán)重、機(jī)械磨損嚴(yán)重、使用壽命短等缺點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐提出了相關(guān)改造方案，并詳細(xì)介紹了該方案中的變頻技術(shù)改造原理，以期通過改造系統(tǒng)保證自動(dòng)扶梯的運(yùn)行質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯；改造方案；自動(dòng)人行道；額定速度

中圖分類號(hào)：TU857 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.137

隨著大型超市、商場(chǎng)、賓館、地鐵等公共場(chǎng)所數(shù)量不斷增多，我國各地自動(dòng)扶梯事故數(shù)量也呈上升趨勢(shì)。從2005年開始，我國平均每年發(fā)生電梯事故約40起，死亡30人左右。雖然自動(dòng)扶梯事故的死亡率比電梯低，但對(duì)傷者造成的傷害和社會(huì)影響非常大?！蹲詣?dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》（GB 16899—2011）對(duì)自動(dòng)扶梯的制造、安裝、維修、改造和使用等各個(gè)環(huán)節(jié)提出了要求，將單一標(biāo)準(zhǔn)改成了自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道安全要求的系列標(biāo)準(zhǔn)。由于自動(dòng)扶梯具有的運(yùn)行特點(diǎn)和市場(chǎng)使用量大，加之目前自動(dòng)扶梯不具備相應(yīng)的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行十幾年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的自動(dòng)扶梯大量存在，耗費(fèi)了大量的有效能源。在提倡環(huán)保節(jié)能的今天，改造自動(dòng)扶梯已成必然。因此，對(duì)自動(dòng)扶梯的節(jié)能改造、安裝和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討和分析。

1 案例分析

某臺(tái)自動(dòng)扶梯型號(hào)為FES30-1000E/0.5（H=4.5，P=11 kW），采用交流單速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)主機(jī)，并采用鏈輪鏈條式傳動(dòng)，額定速度為0.5 m/s。該自動(dòng)扶梯采用星三角啟動(dòng)方式啟動(dòng)，即使在無乘客使用時(shí)仍以額定速度運(yùn)行，具有能耗大、機(jī)械磨損嚴(yán)重、使用壽命短等缺點(diǎn)。從技術(shù)角度分析，由于該自動(dòng)扶梯采用星三角啟動(dòng)方式啟動(dòng)，且其所在商場(chǎng)的營業(yè)時(shí)間為9：00—22：00，每日的10：00—12：00和19：00—10：00為自動(dòng)扶梯的使用高峰期，載客率相對(duì)較高，而其余的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)扶梯仍處于高速、空載運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而使自動(dòng)扶梯存在以下3點(diǎn)問題：①耗電量非常大。自動(dòng)扶梯在相同空載條件下運(yùn)轉(zhuǎn)速度越快，則表明電動(dòng)機(jī)輸出的功率越大，能耗也越大。②零部件更換費(fèi)用不斷提高。由于普通自動(dòng)扶梯長(zhǎng)時(shí)間處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，扶手帶、梯級(jí)滾輪、梯級(jí)鏈輪和蝸輪蝸桿等關(guān)健部件磨損加劇，最終需要更換。而更換這些部件的費(fèi)用高、難度大，且會(huì)延長(zhǎng)停梯時(shí)間。③機(jī)械部件磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致自動(dòng)扶梯故障率高、噪聲大、各項(xiàng)安全參數(shù)超標(biāo)，無法保證使用安全，甚至無法使用。

2 節(jié)能控制的方式

2009-05-01，國務(wù)院頒發(fā)修改的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》正式實(shí)施，著重增加了特種設(shè)備節(jié)能方面的要求，進(jìn)一步促進(jìn)了特種設(shè)備節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。變頻節(jié)能控制方式是目前自動(dòng)扶梯、電梯節(jié)能改造的重點(diǎn)之一，其主要分為兩種模式，即變頻非自啟動(dòng)（快慢循環(huán)）模式和變頻自啟動(dòng)（快慢停循環(huán)） 模式。

2.1 變頻非自啟動(dòng)（快慢循環(huán)）模式

該模式通過增設(shè)變頻器來控制扶梯的運(yùn)行速度。當(dāng)梯級(jí)上有乘客時(shí)，扶梯以額定速度運(yùn)行；當(dāng)乘客檢測(cè)裝置在一段時(shí)間內(nèi)（該時(shí)間參數(shù)可自行設(shè)定）未檢測(cè)到乘客通過時(shí)，扶梯自動(dòng)轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行（一般為額定速度的1/2），此后一直處于低速待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，只有當(dāng)檢測(cè)到有乘客時(shí)，自動(dòng)扶梯才會(huì)自動(dòng)切換至正常運(yùn)行狀態(tài)。其運(yùn)行過程分為以下4步：①通過控制器程序設(shè)置額定速度運(yùn)行的時(shí)間（Tq），具體數(shù)值根據(jù)自動(dòng)扶梯的提升高度和運(yùn)行速度確定；自動(dòng)扶梯采取低速節(jié)能模式運(yùn)行，乘客檢測(cè)裝置開始工作。②當(dāng)乘客檢測(cè)裝置檢測(cè)到乘客通過時(shí)，高速運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器清零，自動(dòng)扶梯加速至額定速度運(yùn)行。③高速運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)Tg

2.2 變頻自啟動(dòng)（快慢停循環(huán)）模式

該模式與上述快、慢循環(huán)模式的原理基本相同，只增加了停止運(yùn)行模式，即在自動(dòng)扶梯低速運(yùn)行時(shí)，當(dāng)乘客檢測(cè)裝置在一段時(shí)間內(nèi)（此參數(shù)可自行設(shè)置）未檢測(cè)到乘客通過時(shí)，扶梯進(jìn)入停止運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)乘客檢測(cè)裝置檢測(cè)到乘客通過時(shí)，扶梯自啟動(dòng)至額定速度運(yùn)行狀態(tài)，即快慢停循環(huán)模式。其運(yùn)行過程和原理與快慢循環(huán)模式基本相同，只在回路中增設(shè)了一個(gè)低速運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器（時(shí)間值為Td）和扶梯低速運(yùn)行時(shí)間值（Ts）。在自動(dòng)扶梯處于低速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，低速運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)。當(dāng)Td

3 節(jié)能改造

自動(dòng)扶梯節(jié)能改造的總體原則有以下3點(diǎn)：①在對(duì)扶梯正常使用不造成任何負(fù)面影響的前提下，采用光電開關(guān)檢測(cè)、矢量控制變頻器驅(qū)動(dòng)的方法改造自動(dòng)扶梯，即有乘客乘坐時(shí)，扶梯以原有設(shè)計(jì)速度運(yùn)行；無人乘坐時(shí)，扶梯進(jìn)入慢速爬行或停止運(yùn)行（根據(jù)用戶實(shí)際情況選擇）狀態(tài)。②安裝光電開關(guān)。在自動(dòng)扶梯上、下部分別安裝光電檢測(cè)開關(guān)，當(dāng)有乘客通過光電開關(guān)時(shí)，人體擋住了光源，光電開關(guān)發(fā)出開關(guān)信號(hào)，變頻器開始加速；無人乘坐時(shí)，自動(dòng)扶梯進(jìn)入慢速爬行狀態(tài)；③安裝變頻器。變頻器可改變自動(dòng)扶梯的轉(zhuǎn)速，使自動(dòng)扶梯啟動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)。在變頻器的作用下，無乘客時(shí)自動(dòng)扶梯會(huì)進(jìn)入慢速運(yùn)行或停止?fàn)顟B(tài)；有乘客進(jìn)入時(shí)，光電開關(guān)發(fā)出信號(hào)，自動(dòng)扶梯加速至額定速度，延時(shí)后進(jìn)入停止或慢速爬行狀態(tài)，乘客再次進(jìn)入時(shí)重新啟動(dòng)，依此重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣可節(jié)省電能、減少機(jī)械磨損和延長(zhǎng)自動(dòng)扶梯的使用壽命。

3.1 入口檢測(cè)裝置的選用

在安裝前，要審核進(jìn)入自動(dòng)扶梯的改造人員。在安裝方面，布線應(yīng)簡(jiǎn)單，安裝應(yīng)方便，加裝后不可影響自動(dòng)扶梯的美觀，且符合經(jīng)濟(jì)方面的要求。本方案采用RL12M-ZNk型紅外光電開關(guān)。該光電開關(guān)的抗干擾能力強(qiáng)，觸點(diǎn)動(dòng)作靈敏、可靠；電源為DC10～30 V；輸出端可選擇常開或常閉觸點(diǎn)，其探測(cè)距離可達(dá)到2～4 m，而對(duì)自動(dòng)扶梯的探測(cè)所需的距離<1.1 m，可滿足檢測(cè)要求。

3.2 紅外光電開關(guān)的工作原理和安裝

光是一種電磁射線，其特性與無線電波、Χ射線相同，傳遞速度約為3.0×108 m/s。因此，光可在發(fā)射的一瞬間被接收。紅外線光電開關(guān)利用人眼不可見的近紅外線和紅外線（波長(zhǎng)為780 nm～1 mm）來檢測(cè)、判別物體。通過光電裝置瞬間發(fā)射的微弱光束可被安全、可靠、準(zhǔn)確地發(fā)射和接收。紅外線光電開關(guān)的重要作用是可調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度，即利用光學(xué)元件，在傳播媒介中間使光束發(fā)生變化，還可利用光束反射物體，使光束發(fā)射后瞬間返回。紅外線光電開關(guān)由發(fā)射器、接收器和檢測(cè)電路三部分組成。

發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于發(fā)光二極管（LED）和激光二極管。可不間斷地發(fā)射光束或改變脈沖寬度。受脈沖調(diào)制的光束輻射強(qiáng)度在發(fā)射中經(jīng)過多次選擇，會(huì)向著目標(biāo)不斷接近。接收器由光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面裝有光學(xué)元件，比如透鏡和光圈等；其后為檢測(cè)電路，可濾出有效信號(hào)和應(yīng)用信號(hào)。通過接收電路處理后的信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，并使其常開觸點(diǎn)接通，觸發(fā)定時(shí)器開始定時(shí)，變頻器加速至額定速度運(yùn)行。

3.3 變頻器的選型和實(shí)際應(yīng)用

由于自動(dòng)扶梯采用恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載形式，且以載客為目的，所以，調(diào)速系統(tǒng)要求自動(dòng)扶梯啟動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)、無抖動(dòng)，且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)精度高、開環(huán)時(shí)的速度誤差小、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間短。綜合上述要求，本方案決定采用FRN11G11UD-4型無感矢量控制變頻器調(diào)速控制。該變頻器的特點(diǎn)為外控制信號(hào)具備多組多功能可編程數(shù)字輸入端子，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)。其變頻器主要功能參數(shù)如表1所示。該改造項(xiàng)目的自動(dòng)扶梯控制系統(tǒng)本身采用PLC控制，安全性和可靠性較高。本方案僅對(duì)驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行了改造，對(duì)其他各個(gè)控制回路，比如制動(dòng)器控制回路不作任何改變。將變頻器垂直安裝在通風(fēng)良好的部位，以便于調(diào)試。依照改造后的主拖動(dòng)原理圖完成接線，如圖1所示，并根據(jù)變頻器使用手冊(cè)的要求完成所有地線的連接。

表1 變頻器主要功能參數(shù)表

功能代碼 名稱 預(yù)調(diào)值 備注

F00 密碼 不要設(shè)定

F01 速度指令輸入方式 0

F02 運(yùn)行操作 1

F03 最高輸出頻率 50

F04 額定頻率 50

F07 加速時(shí)間1 2.5

F08 加速時(shí)間2 2.5

F09 轉(zhuǎn)距提升 6.1

F10 電子熱繼電器動(dòng)作選擇 1

F17 頻率設(shè)定增益 100

F23 啟動(dòng)頻率 0.3

F24 啟動(dòng)頻率保持時(shí)間 0.2

F25 停止頻率 0.1

F27 電機(jī)運(yùn)動(dòng)噪聲 0

E01 X1端子功能選擇 0

E02 X2端子功能選擇 1

E20 Y1端子功能選擇 0

E30 速度一致檢測(cè)值 0.2

E31 速度一致動(dòng)作值 60

001 速度指令方式選擇 1

在本方案中，由采用交流單速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、鏈輪鏈條式傳動(dòng)的方式變?yōu)榱酥苯訂?dòng)方式。自動(dòng)扶梯啟動(dòng)后，以0.5 m/s的額定速度連續(xù)運(yùn)行的主拖動(dòng)電路中，在不對(duì)自動(dòng)扶梯的正常使用造成任何負(fù)面影響的前提下，保留了原有的安全控制回路，并將原主拖動(dòng)控制電路改造成了采用交流變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)的方式，如圖2所示。此外，還需在自動(dòng)扶梯上、下入口處各增加一套乘客進(jìn)入檢測(cè)裝置，并引入無速度傳感器矢量變頻調(diào)速概念改造主拖動(dòng)回路。

注：KQK—空氣開關(guān)，SC—上行接觸器，XC—下行接觸器，KZC—運(yùn)行接觸器，

RJ—熱繼電器，QDC—星形接觸器，YXC—角形接觸器

圖1 原主拖動(dòng)控制電路

圖2 改造后主拖動(dòng)控制電路

自動(dòng)扶梯通過變頻器啟動(dòng)，并以20%的額定速度（0.10 m/s）運(yùn)行。當(dāng)安裝在自動(dòng)扶梯入口的檢測(cè)裝置檢測(cè)到有乘客進(jìn)入（X1接通）時(shí)，則自動(dòng)扶梯平穩(wěn)加速至100%的額定速度（0.50 m/s）運(yùn)行；如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)入口檢測(cè)裝置未檢測(cè)到乘客進(jìn)入（X1斷開）時(shí)，則自動(dòng)扶梯由100%的額定速度（0.50 m/s）自動(dòng)降至以20%的額定速度（0.10 m/s）低速運(yùn)行待客。

4 效果分析

改造前，自動(dòng)扶梯每日用電量為152 kW·h；改造后的節(jié)能效果十分明顯，一年可節(jié)電16 060 kW·h?？傊詣?dòng)扶梯改造后具有以下優(yōu)點(diǎn)：①系統(tǒng)采用PLC可編程序控制器與變頻器的控制組合，具有功能強(qiáng)大、改造工作量小的特點(diǎn)。②節(jié)能效果明顯。無人乘梯時(shí)，可保證扶梯自動(dòng)、平穩(wěn)過渡至節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)，并以20%的額定速度運(yùn)行。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率只有原來的40%左右，用電量明顯降低。③該改造方案的適用性強(qiáng)，適用于所有在用的非變頻驅(qū)動(dòng)自動(dòng)扶梯（自動(dòng)人行道）。④采用變頻技術(shù)大大減弱了自動(dòng)扶梯啟動(dòng)時(shí)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，可有效改善電網(wǎng)的功率因素、降低無功損耗（變頻器為容性負(fù)載，可有效改善電動(dòng)機(jī)的功率因素，以減小無功損耗）。⑤自動(dòng)扶梯空載時(shí)以低速運(yùn)行，噪聲大大降低，且減少了機(jī)械部件的磨損、延長(zhǎng)了自動(dòng)扶梯的使用壽命。

改造后，大大提高了自動(dòng)扶梯的使用效率，節(jié)省了人力資源，降低了維修費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了安全運(yùn)行的目的，得到了乘客的一致好評(píng)。

5 結(jié)束語

綜上所述，在自動(dòng)扶梯的運(yùn)行過程中，空載、輕載占據(jù)了絕大部分運(yùn)行時(shí)間。而通過節(jié)能改造，能很好地解決該問題，

在空載、輕載運(yùn)行中降低能量損耗。雖然目前生產(chǎn)的自動(dòng)扶梯均采用了相應(yīng)的節(jié)能控制技術(shù)，但有很多普通自動(dòng)扶梯仍在使用中，因此，推廣自動(dòng)扶梯的改造技術(shù)極為重要，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇最合適的改造方案，從而延長(zhǎng)電梯的使用壽命、降低使用成本，為全社會(huì)的節(jié)能減排作貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕