自動(dòng)扶梯的能耗影響因素及節(jié)能對(duì)策

李淼

摘 要：隨著國家綠色能源和節(jié)能減排戰(zhàn)略的發(fā)展，節(jié)能降耗日益成為發(fā)展的主題。目前，大量高耗能的設(shè)備仍舊被廣泛使用，比如自動(dòng)扶梯。通過分析自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)能耗的影響因素，提出了節(jié)能控制對(duì)策。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯；能耗；節(jié)能對(duì)策；公共交通系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU857 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）24-0096-02

1 自動(dòng)扶梯的節(jié)能需求

自動(dòng)扶梯作為建筑物內(nèi)的重要傳輸設(shè)備，已在商場、博覽中心、火車站、地下通道等公共場所得到了廣泛應(yīng)用。自動(dòng)扶梯在給人們提供方便的同時(shí)，也存在耗電量過大的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國目前扶梯在用量超過6萬臺(tái)，并正以超過10%的速度逐年增長。其中，非節(jié)能扶梯占95%以上。按1臺(tái)扶梯的功率為5.5 kW、每天運(yùn)行12 h計(jì)算，每年每臺(tái)扶梯將耗電24 090 kW·h。全國每年僅扶梯一項(xiàng)就會(huì)消耗電能約1.3×109 kW·h，且每臺(tái)扶梯分別會(huì)有10%～40%不等的間斷性空載現(xiàn)象，這就意味著全國每年將有2×108～5×108 kW·h的電能浪費(fèi)在扶梯上。

2 自動(dòng)扶梯的能效測量

2.1 選測對(duì)象及其能耗限定值

本次空載能耗測量結(jié)果的評(píng)價(jià)主要參考某機(jī)電署給出的《自動(dòng)扶梯能效限定值》。公共交通型自動(dòng)扶梯必須同時(shí)符合以下2類情況：①公共交通型自動(dòng)扶梯是公共交通系統(tǒng)的一部分，包括出口和入口處；②公共交通型自動(dòng)扶梯應(yīng)適合于每星期經(jīng)常性地操作約140 h（20 h/d），且每3 h中至少有30 min在100%制動(dòng)負(fù)荷下操作。

為了比較測量結(jié)果，本文統(tǒng)一選測的自動(dòng)扶梯的提升高度為5 m（±0.5 m）、額定速度為 0.5m/s。

2.2 測量儀器

筆者選擇了3169-20鉗形功率計(jì)和PW3198電能質(zhì)量分析儀。初次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，上述儀器均可同時(shí)測量電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)和諧波畸變率（THD），且測量精度都能滿足要求。其中，PW3198電能質(zhì)量分析儀自帶處理軟件，后期處理數(shù)據(jù)時(shí)十分方便；3169-20鉗形功率計(jì)的數(shù)據(jù)處理比較煩瑣，但價(jià)格較低。因測量樣本多、項(xiàng)目周期長，本次測量統(tǒng)一選用3169-20鉗形功率計(jì)。

2.3 運(yùn)行功率測量點(diǎn)的選取

在自動(dòng)扶梯的電源電路中，通?？紤]3個(gè)測量點(diǎn)，如圖1所示。其中，“測量點(diǎn)1”的測量結(jié)果為自動(dòng)扶梯的控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與自動(dòng)扶梯其他輔助用電設(shè)備（照明、加熱裝置和自動(dòng)排水裝置等）的總和；“測量點(diǎn)2”的測量結(jié)果為自動(dòng)扶梯主電路的能耗；“測量點(diǎn)3”的測量結(jié)果為自動(dòng)扶梯其他輔助用電設(shè)備的能耗。本次測量主要對(duì)“測量點(diǎn)1”進(jìn)行能耗檢測，其他測量點(diǎn)的測量值作為參考。

2.4 測量工況

2.4.1 空載上、下運(yùn)行有功功率檢測

在自動(dòng)扶梯的空載狀態(tài)下，檢測其上、下運(yùn)行的有功功率。該項(xiàng)功耗指標(biāo)是自動(dòng)扶梯的主要功耗指標(biāo)，它反映了該臺(tái)自動(dòng)扶梯的機(jī)械效率，這對(duì)實(shí)際能耗的影響最大。

2.4.2 實(shí)際運(yùn)行有功功率檢測

筆者采用客流計(jì)數(shù)器和輸入有功功率實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)，得出了自動(dòng)扶梯不同負(fù)載時(shí)的功耗值。

3 自動(dòng)扶梯能耗的影響因素分析

3.1 減速器和傳動(dòng)裝置的影響

本次測量主要選擇提升高度為5 m（±0.5m）、梯級(jí)寬度為1 000 mm和額定速度為0.5 m/s的自動(dòng)扶梯。實(shí)測結(jié)果表明，減速器和傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)扶梯的運(yùn)行能耗有明顯的影響。對(duì)于本次檢測的2臺(tái)乘客流量接近的自動(dòng)扶梯，其工況均為工頻不間斷運(yùn)行，某置業(yè)1#自動(dòng)扶梯的能耗為1.77 kW，而制造商不同的6#自動(dòng)扶梯的能耗達(dá)到了4.67 kW。日系自動(dòng)扶梯的減速器大多采用三角皮帶一級(jí)減速+二級(jí)斜齒輪減速，其效率高于蝸輪蝸桿和一級(jí)螺旋傘形齒+二級(jí)斜齒減速。

3.2 維保質(zhì)量的影響

自動(dòng)扶梯的定期維護(hù)、保養(yǎng)和調(diào)整對(duì)其能效有較大的影響。在同廠家生產(chǎn)的相同型號(hào)且技術(shù)參數(shù)完全一致的2臺(tái)自動(dòng)扶梯中，桃浦1#扶梯的空載運(yùn)行功率為1.65 kW；桃浦2#梯卻達(dá)到2.19 kW，比桃浦1#扶梯高出了32.7%. 此外，在某置業(yè)擁有的2臺(tái)相同型號(hào)的自動(dòng)扶梯中，科匯1#梯的上行空載運(yùn)行功率為2.231 kW；科匯2#梯達(dá)到了2.777 kW，比科匯1#梯高出了24.4%. 由此可見，自動(dòng)扶梯的運(yùn)行能耗與維護(hù)、保養(yǎng)和調(diào)整（比如驅(qū)動(dòng)鏈、梯級(jí)鏈、扶手帶的張力、梯級(jí)與裙板的摩擦、各部件的潤滑等）有關(guān)。

3.3 待機(jī)功率的影響

自動(dòng)扶梯在不提供任何服務(wù)的情況下，稱之為待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)分為2種：①鑰匙關(guān)閉。在這種情況下，扶梯可能需要給運(yùn)行指示器供電，提醒乘客扶梯停止，會(huì)產(chǎn)生較小的能量損耗。②待機(jī)。扶梯自動(dòng)檢測到乘客進(jìn)入時(shí)，按原來的運(yùn)行方向再次啟動(dòng)，等乘客離開后，開始低速運(yùn)行，知道在一定的時(shí)間內(nèi)沒有乘客進(jìn)入后，再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在這種待機(jī)狀態(tài)下，為了快速投入運(yùn)行，相應(yīng)的傳感器和驅(qū)動(dòng)器件仍處于工作狀態(tài)。自動(dòng)扶梯的待機(jī)能耗隨著扶梯的配置不同而不同。

4 自動(dòng)扶梯的節(jié)能控制

多數(shù)扶梯在沒有乘客時(shí)仍以額定速度運(yùn)行，這浪費(fèi)了大量的電能。本次檢測中某地鐵站自動(dòng)扶梯的空載運(yùn)行功率為4.308 kW；某廣場自動(dòng)扶梯的功率為4.375 kW。即使這2臺(tái)自動(dòng)扶梯上24 h都沒有乘客，其耗電也高達(dá)52 kW·h。針對(duì)此情況，出現(xiàn)了許多自動(dòng)扶梯節(jié)能技術(shù)。

4.1 星三角驅(qū)動(dòng)

星三角（Y-△）驅(qū)動(dòng)包括“自動(dòng)重新啟動(dòng)”和“Y-△切換”。前者是在無人乘梯時(shí)停止自動(dòng)扶梯、有人乘梯時(shí)啟動(dòng)扶梯的方案，可達(dá)到省電的目的。因星三角驅(qū)動(dòng)采用了完全停電的方法，所以在節(jié)能方面的作用非常明顯。

4.2 全變頻驅(qū)動(dòng)

全變頻驅(qū)動(dòng)采用變頻器驅(qū)動(dòng)曳引電機(jī)，通過變頻器調(diào)節(jié)曳引電機(jī)的轉(zhuǎn)速。可在自動(dòng)扶梯上、下入口處加裝顯示器和光電感應(yīng)器，顯示器用于顯示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)；感應(yīng)器根據(jù)感應(yīng)結(jié)果給控制系統(tǒng)發(fā)送感應(yīng)信號(hào)。在無人使用時(shí)，設(shè)備可停運(yùn)或低速運(yùn)行；當(dāng)有使用者時(shí)會(huì)全速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。采用全變頻驅(qū)動(dòng)方案，可在不同速度之間實(shí)現(xiàn)平滑切換。因扶梯對(duì)控制精度的要求不高，變頻器可選擇不帶編碼器的開環(huán)控制模式。但變頻器功率應(yīng)大于或等于曳引電機(jī)的功率，同時(shí)，制動(dòng)電阻消耗再生能量需要配置功率較大的制動(dòng)電阻，成本也會(huì)隨之增加。另外，還需考慮制動(dòng)電阻在扶梯有限的機(jī)房空間內(nèi)的散熱問題。

4.3 旁路變頻驅(qū)動(dòng)

扶梯在額定速度運(yùn)行時(shí)，由50 Hz的工頻電源供電，變頻器不投入運(yùn)行。當(dāng)在無人乘梯一段時(shí)間后，扶梯將由工頻電源控制切換到變頻器控制，從而使扶梯低速運(yùn)行或停止，達(dá)到節(jié)能的目的；當(dāng)有人再次進(jìn)入扶梯乘梯時(shí)，扶梯將由變頻器加速到額定速度，到達(dá)額定速度后，將由變頻器控制切換到工頻電源控制扶梯運(yùn)行。

旁路變頻最大的優(yōu)點(diǎn)是可將乘客重力做功所產(chǎn)生的再生能量無損耗、無畸變地反饋給工頻電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)能量的再使用。同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了無人乘梯時(shí)低速運(yùn)行或停止，達(dá)到了節(jié)能、降低噪聲和減少設(shè)備磨損的目的。變頻控制系統(tǒng)調(diào)速時(shí)較為平穩(wěn)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊較小。由于在高速運(yùn)行時(shí)，變頻未參與控制，所以，變頻器的功率比曳引電機(jī)的功率小。與全變頻相比，旁路變頻不需要制動(dòng)電阻，從而減少了機(jī)房的發(fā)熱量。旁路變頻方案的技術(shù)難點(diǎn)為：為了實(shí)現(xiàn)平滑切換，需要檢測工頻電源和變頻電源的相位，當(dāng)兩者相位一致時(shí)開始旁路切換，而這需設(shè)計(jì)高精度的電氣控制電路。

5 結(jié)束語

綜上所述，減速器和傳動(dòng)裝置、維保質(zhì)量、待機(jī)功率等都會(huì)影響自動(dòng)扶梯的能量消耗。其中，待機(jī)能耗是不容忽視的電能浪費(fèi)。使用具有旁路變頻驅(qū)動(dòng)和工頻自動(dòng)重新啟動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)模式的自動(dòng)扶梯可有效節(jié)約能量，從而達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)

[1]方江輝.廣州地鐵車站自動(dòng)扶梯的節(jié)能及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[2]劉志祥.淺談自動(dòng)扶梯（人行道）節(jié)能改造[J].科技資訊，2012（11）.

〔編輯：張思楠〕

摘 要：隨著國家綠色能源和節(jié)能減排戰(zhàn)略的發(fā)展，節(jié)能降耗日益成為發(fā)展的主題。目前，大量高耗能的設(shè)備仍舊被廣泛使用，比如自動(dòng)扶梯。通過分析自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)能耗的影響因素，提出了節(jié)能控制對(duì)策。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯；能耗；節(jié)能對(duì)策；公共交通系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU857 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）24-0096-02

1 自動(dòng)扶梯的節(jié)能需求

自動(dòng)扶梯作為建筑物內(nèi)的重要傳輸設(shè)備，已在商場、博覽中心、火車站、地下通道等公共場所得到了廣泛應(yīng)用。自動(dòng)扶梯在給人們提供方便的同時(shí)，也存在耗電量過大的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國目前扶梯在用量超過6萬臺(tái)，并正以超過10%的速度逐年增長。其中，非節(jié)能扶梯占95%以上。按1臺(tái)扶梯的功率為5.5 kW、每天運(yùn)行12 h計(jì)算，每年每臺(tái)扶梯將耗電24 090 kW·h。全國每年僅扶梯一項(xiàng)就會(huì)消耗電能約1.3×109 kW·h，且每臺(tái)扶梯分別會(huì)有10%～40%不等的間斷性空載現(xiàn)象，這就意味著全國每年將有2×108～5×108 kW·h的電能浪費(fèi)在扶梯上。

2 自動(dòng)扶梯的能效測量

2.1 選測對(duì)象及其能耗限定值

本次空載能耗測量結(jié)果的評(píng)價(jià)主要參考某機(jī)電署給出的《自動(dòng)扶梯能效限定值》。公共交通型自動(dòng)扶梯必須同時(shí)符合以下2類情況：①公共交通型自動(dòng)扶梯是公共交通系統(tǒng)的一部分，包括出口和入口處；②公共交通型自動(dòng)扶梯應(yīng)適合于每星期經(jīng)常性地操作約140 h（20 h/d），且每3 h中至少有30 min在100%制動(dòng)負(fù)荷下操作。

為了比較測量結(jié)果，本文統(tǒng)一選測的自動(dòng)扶梯的提升高度為5 m（±0.5 m）、額定速度為 0.5m/s。

2.2 測量儀器

筆者選擇了3169-20鉗形功率計(jì)和PW3198電能質(zhì)量分析儀。初次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，上述儀器均可同時(shí)測量電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)和諧波畸變率（THD），且測量精度都能滿足要求。其中，PW3198電能質(zhì)量分析儀自帶處理軟件，后期處理數(shù)據(jù)時(shí)十分方便；3169-20鉗形功率計(jì)的數(shù)據(jù)處理比較煩瑣，但價(jià)格較低。因測量樣本多、項(xiàng)目周期長，本次測量統(tǒng)一選用3169-20鉗形功率計(jì)。

2.3 運(yùn)行功率測量點(diǎn)的選取

在自動(dòng)扶梯的電源電路中，通?？紤]3個(gè)測量點(diǎn)，如圖1所示。其中，“測量點(diǎn)1”的測量結(jié)果為自動(dòng)扶梯的控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與自動(dòng)扶梯其他輔助用電設(shè)備（照明、加熱裝置和自動(dòng)排水裝置等）的總和；“測量點(diǎn)2”的測量結(jié)果為自動(dòng)扶梯主電路的能耗；“測量點(diǎn)3”的測量結(jié)果為自動(dòng)扶梯其他輔助用電設(shè)備的能耗。本次測量主要對(duì)“測量點(diǎn)1”進(jìn)行能耗檢測，其他測量點(diǎn)的測量值作為參考。

2.4 測量工況

2.4.1 空載上、下運(yùn)行有功功率檢測

在自動(dòng)扶梯的空載狀態(tài)下，檢測其上、下運(yùn)行的有功功率。該項(xiàng)功耗指標(biāo)是自動(dòng)扶梯的主要功耗指標(biāo)，它反映了該臺(tái)自動(dòng)扶梯的機(jī)械效率，這對(duì)實(shí)際能耗的影響最大。

2.4.2 實(shí)際運(yùn)行有功功率檢測

筆者采用客流計(jì)數(shù)器和輸入有功功率實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)，得出了自動(dòng)扶梯不同負(fù)載時(shí)的功耗值。

3 自動(dòng)扶梯能耗的影響因素分析

3.1 減速器和傳動(dòng)裝置的影響

本次測量主要選擇提升高度為5 m（±0.5m）、梯級(jí)寬度為1 000 mm和額定速度為0.5 m/s的自動(dòng)扶梯。實(shí)測結(jié)果表明，減速器和傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)扶梯的運(yùn)行能耗有明顯的影響。對(duì)于本次檢測的2臺(tái)乘客流量接近的自動(dòng)扶梯，其工況均為工頻不間斷運(yùn)行，某置業(yè)1#自動(dòng)扶梯的能耗為1.77 kW，而制造商不同的6#自動(dòng)扶梯的能耗達(dá)到了4.67 kW。日系自動(dòng)扶梯的減速器大多采用三角皮帶一級(jí)減速+二級(jí)斜齒輪減速，其效率高于蝸輪蝸桿和一級(jí)螺旋傘形齒+二級(jí)斜齒減速。

3.2 維保質(zhì)量的影響

自動(dòng)扶梯的定期維護(hù)、保養(yǎng)和調(diào)整對(duì)其能效有較大的影響。在同廠家生產(chǎn)的相同型號(hào)且技術(shù)參數(shù)完全一致的2臺(tái)自動(dòng)扶梯中，桃浦1#扶梯的空載運(yùn)行功率為1.65 kW；桃浦2#梯卻達(dá)到2.19 kW，比桃浦1#扶梯高出了32.7%. 此外，在某置業(yè)擁有的2臺(tái)相同型號(hào)的自動(dòng)扶梯中，科匯1#梯的上行空載運(yùn)行功率為2.231 kW；科匯2#梯達(dá)到了2.777 kW，比科匯1#梯高出了24.4%. 由此可見，自動(dòng)扶梯的運(yùn)行能耗與維護(hù)、保養(yǎng)和調(diào)整（比如驅(qū)動(dòng)鏈、梯級(jí)鏈、扶手帶的張力、梯級(jí)與裙板的摩擦、各部件的潤滑等）有關(guān)。

3.3 待機(jī)功率的影響

自動(dòng)扶梯在不提供任何服務(wù)的情況下，稱之為待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)分為2種：①鑰匙關(guān)閉。在這種情況下，扶梯可能需要給運(yùn)行指示器供電，提醒乘客扶梯停止，會(huì)產(chǎn)生較小的能量損耗。②待機(jī)。扶梯自動(dòng)檢測到乘客進(jìn)入時(shí)，按原來的運(yùn)行方向再次啟動(dòng)，等乘客離開后，開始低速運(yùn)行，知道在一定的時(shí)間內(nèi)沒有乘客進(jìn)入后，再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在這種待機(jī)狀態(tài)下，為了快速投入運(yùn)行，相應(yīng)的傳感器和驅(qū)動(dòng)器件仍處于工作狀態(tài)。自動(dòng)扶梯的待機(jī)能耗隨著扶梯的配置不同而不同。

4 自動(dòng)扶梯的節(jié)能控制

多數(shù)扶梯在沒有乘客時(shí)仍以額定速度運(yùn)行，這浪費(fèi)了大量的電能。本次檢測中某地鐵站自動(dòng)扶梯的空載運(yùn)行功率為4.308 kW；某廣場自動(dòng)扶梯的功率為4.375 kW。即使這2臺(tái)自動(dòng)扶梯上24 h都沒有乘客，其耗電也高達(dá)52 kW·h。針對(duì)此情況，出現(xiàn)了許多自動(dòng)扶梯節(jié)能技術(shù)。

4.1 星三角驅(qū)動(dòng)

星三角（Y-△）驅(qū)動(dòng)包括“自動(dòng)重新啟動(dòng)”和“Y-△切換”。前者是在無人乘梯時(shí)停止自動(dòng)扶梯、有人乘梯時(shí)啟動(dòng)扶梯的方案，可達(dá)到省電的目的。因星三角驅(qū)動(dòng)采用了完全停電的方法，所以在節(jié)能方面的作用非常明顯。

4.2 全變頻驅(qū)動(dòng)

全變頻驅(qū)動(dòng)采用變頻器驅(qū)動(dòng)曳引電機(jī)，通過變頻器調(diào)節(jié)曳引電機(jī)的轉(zhuǎn)速?？稍谧詣?dòng)扶梯上、下入口處加裝顯示器和光電感應(yīng)器，顯示器用于顯示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)；感應(yīng)器根據(jù)感應(yīng)結(jié)果給控制系統(tǒng)發(fā)送感應(yīng)信號(hào)。在無人使用時(shí)，設(shè)備可停運(yùn)或低速運(yùn)行；當(dāng)有使用者時(shí)會(huì)全速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。采用全變頻驅(qū)動(dòng)方案，可在不同速度之間實(shí)現(xiàn)平滑切換。因扶梯對(duì)控制精度的要求不高，變頻器可選擇不帶編碼器的開環(huán)控制模式。但變頻器功率應(yīng)大于或等于曳引電機(jī)的功率，同時(shí)，制動(dòng)電阻消耗再生能量需要配置功率較大的制動(dòng)電阻，成本也會(huì)隨之增加。另外，還需考慮制動(dòng)電阻在扶梯有限的機(jī)房空間內(nèi)的散熱問題。

4.3 旁路變頻驅(qū)動(dòng)

扶梯在額定速度運(yùn)行時(shí)，由50 Hz的工頻電源供電，變頻器不投入運(yùn)行。當(dāng)在無人乘梯一段時(shí)間后，扶梯將由工頻電源控制切換到變頻器控制，從而使扶梯低速運(yùn)行或停止，達(dá)到節(jié)能的目的；當(dāng)有人再次進(jìn)入扶梯乘梯時(shí)，扶梯將由變頻器加速到額定速度，到達(dá)額定速度后，將由變頻器控制切換到工頻電源控制扶梯運(yùn)行。

旁路變頻最大的優(yōu)點(diǎn)是可將乘客重力做功所產(chǎn)生的再生能量無損耗、無畸變地反饋給工頻電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)能量的再使用。同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了無人乘梯時(shí)低速運(yùn)行或停止，達(dá)到了節(jié)能、降低噪聲和減少設(shè)備磨損的目的。變頻控制系統(tǒng)調(diào)速時(shí)較為平穩(wěn)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊較小。由于在高速運(yùn)行時(shí)，變頻未參與控制，所以，變頻器的功率比曳引電機(jī)的功率小。與全變頻相比，旁路變頻不需要制動(dòng)電阻，從而減少了機(jī)房的發(fā)熱量。旁路變頻方案的技術(shù)難點(diǎn)為：為了實(shí)現(xiàn)平滑切換，需要檢測工頻電源和變頻電源的相位，當(dāng)兩者相位一致時(shí)開始旁路切換，而這需設(shè)計(jì)高精度的電氣控制電路。

5 結(jié)束語

綜上所述，減速器和傳動(dòng)裝置、維保質(zhì)量、待機(jī)功率等都會(huì)影響自動(dòng)扶梯的能量消耗。其中，待機(jī)能耗是不容忽視的電能浪費(fèi)。使用具有旁路變頻驅(qū)動(dòng)和工頻自動(dòng)重新啟動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)模式的自動(dòng)扶梯可有效節(jié)約能量，從而達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)

[1]方江輝.廣州地鐵車站自動(dòng)扶梯的節(jié)能及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[2]劉志祥.淺談自動(dòng)扶梯（人行道）節(jié)能改造[J].科技資訊，2012（11）.

〔編輯：張思楠〕

摘 要：隨著國家綠色能源和節(jié)能減排戰(zhàn)略的發(fā)展，節(jié)能降耗日益成為發(fā)展的主題。目前，大量高耗能的設(shè)備仍舊被廣泛使用，比如自動(dòng)扶梯。通過分析自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)能耗的影響因素，提出了節(jié)能控制對(duì)策。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯；能耗；節(jié)能對(duì)策；公共交通系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU857 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）24-0096-02

1 自動(dòng)扶梯的節(jié)能需求

自動(dòng)扶梯作為建筑物內(nèi)的重要傳輸設(shè)備，已在商場、博覽中心、火車站、地下通道等公共場所得到了廣泛應(yīng)用。自動(dòng)扶梯在給人們提供方便的同時(shí)，也存在耗電量過大的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國目前扶梯在用量超過6萬臺(tái)，并正以超過10%的速度逐年增長。其中，非節(jié)能扶梯占95%以上。按1臺(tái)扶梯的功率為5.5 kW、每天運(yùn)行12 h計(jì)算，每年每臺(tái)扶梯將耗電24 090 kW·h。全國每年僅扶梯一項(xiàng)就會(huì)消耗電能約1.3×109 kW·h，且每臺(tái)扶梯分別會(huì)有10%～40%不等的間斷性空載現(xiàn)象，這就意味著全國每年將有2×108～5×108 kW·h的電能浪費(fèi)在扶梯上。

2 自動(dòng)扶梯的能效測量

2.1 選測對(duì)象及其能耗限定值

本次空載能耗測量結(jié)果的評(píng)價(jià)主要參考某機(jī)電署給出的《自動(dòng)扶梯能效限定值》。公共交通型自動(dòng)扶梯必須同時(shí)符合以下2類情況：①公共交通型自動(dòng)扶梯是公共交通系統(tǒng)的一部分，包括出口和入口處；②公共交通型自動(dòng)扶梯應(yīng)適合于每星期經(jīng)常性地操作約140 h（20 h/d），且每3 h中至少有30 min在100%制動(dòng)負(fù)荷下操作。

為了比較測量結(jié)果，本文統(tǒng)一選測的自動(dòng)扶梯的提升高度為5 m（±0.5 m）、額定速度為 0.5m/s。

2.2 測量儀器

筆者選擇了3169-20鉗形功率計(jì)和PW3198電能質(zhì)量分析儀。初次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，上述儀器均可同時(shí)測量電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)和諧波畸變率（THD），且測量精度都能滿足要求。其中，PW3198電能質(zhì)量分析儀自帶處理軟件，后期處理數(shù)據(jù)時(shí)十分方便；3169-20鉗形功率計(jì)的數(shù)據(jù)處理比較煩瑣，但價(jià)格較低。因測量樣本多、項(xiàng)目周期長，本次測量統(tǒng)一選用3169-20鉗形功率計(jì)。

2.3 運(yùn)行功率測量點(diǎn)的選取

在自動(dòng)扶梯的電源電路中，通?？紤]3個(gè)測量點(diǎn)，如圖1所示。其中，“測量點(diǎn)1”的測量結(jié)果為自動(dòng)扶梯的控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與自動(dòng)扶梯其他輔助用電設(shè)備（照明、加熱裝置和自動(dòng)排水裝置等）的總和；“測量點(diǎn)2”的測量結(jié)果為自動(dòng)扶梯主電路的能耗；“測量點(diǎn)3”的測量結(jié)果為自動(dòng)扶梯其他輔助用電設(shè)備的能耗。本次測量主要對(duì)“測量點(diǎn)1”進(jìn)行能耗檢測，其他測量點(diǎn)的測量值作為參考。

2.4 測量工況

2.4.1 空載上、下運(yùn)行有功功率檢測

在自動(dòng)扶梯的空載狀態(tài)下，檢測其上、下運(yùn)行的有功功率。該項(xiàng)功耗指標(biāo)是自動(dòng)扶梯的主要功耗指標(biāo)，它反映了該臺(tái)自動(dòng)扶梯的機(jī)械效率，這對(duì)實(shí)際能耗的影響最大。

2.4.2 實(shí)際運(yùn)行有功功率檢測

筆者采用客流計(jì)數(shù)器和輸入有功功率實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)，得出了自動(dòng)扶梯不同負(fù)載時(shí)的功耗值。

3 自動(dòng)扶梯能耗的影響因素分析

3.1 減速器和傳動(dòng)裝置的影響

本次測量主要選擇提升高度為5 m（±0.5m）、梯級(jí)寬度為1 000 mm和額定速度為0.5 m/s的自動(dòng)扶梯。實(shí)測結(jié)果表明，減速器和傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)扶梯的運(yùn)行能耗有明顯的影響。對(duì)于本次檢測的2臺(tái)乘客流量接近的自動(dòng)扶梯，其工況均為工頻不間斷運(yùn)行，某置業(yè)1#自動(dòng)扶梯的能耗為1.77 kW，而制造商不同的6#自動(dòng)扶梯的能耗達(dá)到了4.67 kW。日系自動(dòng)扶梯的減速器大多采用三角皮帶一級(jí)減速+二級(jí)斜齒輪減速，其效率高于蝸輪蝸桿和一級(jí)螺旋傘形齒+二級(jí)斜齒減速。

3.2 維保質(zhì)量的影響

自動(dòng)扶梯的定期維護(hù)、保養(yǎng)和調(diào)整對(duì)其能效有較大的影響。在同廠家生產(chǎn)的相同型號(hào)且技術(shù)參數(shù)完全一致的2臺(tái)自動(dòng)扶梯中，桃浦1#扶梯的空載運(yùn)行功率為1.65 kW；桃浦2#梯卻達(dá)到2.19 kW，比桃浦1#扶梯高出了32.7%. 此外，在某置業(yè)擁有的2臺(tái)相同型號(hào)的自動(dòng)扶梯中，科匯1#梯的上行空載運(yùn)行功率為2.231 kW；科匯2#梯達(dá)到了2.777 kW，比科匯1#梯高出了24.4%. 由此可見，自動(dòng)扶梯的運(yùn)行能耗與維護(hù)、保養(yǎng)和調(diào)整（比如驅(qū)動(dòng)鏈、梯級(jí)鏈、扶手帶的張力、梯級(jí)與裙板的摩擦、各部件的潤滑等）有關(guān)。

3.3 待機(jī)功率的影響

自動(dòng)扶梯在不提供任何服務(wù)的情況下，稱之為待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)分為2種：①鑰匙關(guān)閉。在這種情況下，扶梯可能需要給運(yùn)行指示器供電，提醒乘客扶梯停止，會(huì)產(chǎn)生較小的能量損耗。②待機(jī)。扶梯自動(dòng)檢測到乘客進(jìn)入時(shí)，按原來的運(yùn)行方向再次啟動(dòng)，等乘客離開后，開始低速運(yùn)行，知道在一定的時(shí)間內(nèi)沒有乘客進(jìn)入后，再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在這種待機(jī)狀態(tài)下，為了快速投入運(yùn)行，相應(yīng)的傳感器和驅(qū)動(dòng)器件仍處于工作狀態(tài)。自動(dòng)扶梯的待機(jī)能耗隨著扶梯的配置不同而不同。

4 自動(dòng)扶梯的節(jié)能控制

多數(shù)扶梯在沒有乘客時(shí)仍以額定速度運(yùn)行，這浪費(fèi)了大量的電能。本次檢測中某地鐵站自動(dòng)扶梯的空載運(yùn)行功率為4.308 kW；某廣場自動(dòng)扶梯的功率為4.375 kW。即使這2臺(tái)自動(dòng)扶梯上24 h都沒有乘客，其耗電也高達(dá)52 kW·h。針對(duì)此情況，出現(xiàn)了許多自動(dòng)扶梯節(jié)能技術(shù)。

4.1 星三角驅(qū)動(dòng)

星三角（Y-△）驅(qū)動(dòng)包括“自動(dòng)重新啟動(dòng)”和“Y-△切換”。前者是在無人乘梯時(shí)停止自動(dòng)扶梯、有人乘梯時(shí)啟動(dòng)扶梯的方案，可達(dá)到省電的目的。因星三角驅(qū)動(dòng)采用了完全停電的方法，所以在節(jié)能方面的作用非常明顯。

4.2 全變頻驅(qū)動(dòng)

全變頻驅(qū)動(dòng)采用變頻器驅(qū)動(dòng)曳引電機(jī)，通過變頻器調(diào)節(jié)曳引電機(jī)的轉(zhuǎn)速?？稍谧詣?dòng)扶梯上、下入口處加裝顯示器和光電感應(yīng)器，顯示器用于顯示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)；感應(yīng)器根據(jù)感應(yīng)結(jié)果給控制系統(tǒng)發(fā)送感應(yīng)信號(hào)。在無人使用時(shí)，設(shè)備可停運(yùn)或低速運(yùn)行；當(dāng)有使用者時(shí)會(huì)全速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。采用全變頻驅(qū)動(dòng)方案，可在不同速度之間實(shí)現(xiàn)平滑切換。因扶梯對(duì)控制精度的要求不高，變頻器可選擇不帶編碼器的開環(huán)控制模式。但變頻器功率應(yīng)大于或等于曳引電機(jī)的功率，同時(shí)，制動(dòng)電阻消耗再生能量需要配置功率較大的制動(dòng)電阻，成本也會(huì)隨之增加。另外，還需考慮制動(dòng)電阻在扶梯有限的機(jī)房空間內(nèi)的散熱問題。

4.3 旁路變頻驅(qū)動(dòng)

扶梯在額定速度運(yùn)行時(shí)，由50 Hz的工頻電源供電，變頻器不投入運(yùn)行。當(dāng)在無人乘梯一段時(shí)間后，扶梯將由工頻電源控制切換到變頻器控制，從而使扶梯低速運(yùn)行或停止，達(dá)到節(jié)能的目的；當(dāng)有人再次進(jìn)入扶梯乘梯時(shí)，扶梯將由變頻器加速到額定速度，到達(dá)額定速度后，將由變頻器控制切換到工頻電源控制扶梯運(yùn)行。

旁路變頻最大的優(yōu)點(diǎn)是可將乘客重力做功所產(chǎn)生的再生能量無損耗、無畸變地反饋給工頻電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)能量的再使用。同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了無人乘梯時(shí)低速運(yùn)行或停止，達(dá)到了節(jié)能、降低噪聲和減少設(shè)備磨損的目的。變頻控制系統(tǒng)調(diào)速時(shí)較為平穩(wěn)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊較小。由于在高速運(yùn)行時(shí)，變頻未參與控制，所以，變頻器的功率比曳引電機(jī)的功率小。與全變頻相比，旁路變頻不需要制動(dòng)電阻，從而減少了機(jī)房的發(fā)熱量。旁路變頻方案的技術(shù)難點(diǎn)為：為了實(shí)現(xiàn)平滑切換，需要檢測工頻電源和變頻電源的相位，當(dāng)兩者相位一致時(shí)開始旁路切換，而這需設(shè)計(jì)高精度的電氣控制電路。

5 結(jié)束語

綜上所述，減速器和傳動(dòng)裝置、維保質(zhì)量、待機(jī)功率等都會(huì)影響自動(dòng)扶梯的能量消耗。其中，待機(jī)能耗是不容忽視的電能浪費(fèi)。使用具有旁路變頻驅(qū)動(dòng)和工頻自動(dòng)重新啟動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)模式的自動(dòng)扶梯可有效節(jié)約能量，從而達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)

[1]方江輝.廣州地鐵車站自動(dòng)扶梯的節(jié)能及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[2]劉志祥.淺談自動(dòng)扶梯（人行道）節(jié)能改造[J].科技資訊，2012（11）.

〔編輯：張思楠〕