自動扶梯節能改造技術及效果分析

江平海

摘 要：針對現有普通自動扶梯存在的能源浪費嚴重、機械磨損嚴重、使用壽命短等缺點，結合生產實踐提出了相關改造方案，并詳細介紹了該方案中的變頻技術改造原理，以期通過改造系統保證自動扶梯的運行質量。

關鍵詞：自動扶梯；改造方案；自動人行道；額定速度

中圖分類號：TU857 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.137

隨著大型超市、商場、賓館、地鐵等公共場所數量不斷增多，我國各地自動扶梯事故數量也呈上升趨勢。從2005年開始，我國平均每年發生電梯事故約40起，死亡30人左右。雖然自動扶梯事故的死亡率比電梯低，但對傷者造成的傷害和社會影響非常大?！蹲詣臃鎏莺妥詣尤诵械赖闹圃炫c安裝安全規范》（GB 16899—2011）對自動扶梯的制造、安裝、維修、改造和使用等各個環節提出了要求，將單一標準改成了自動扶梯和自動人行道安全要求的系列標準。由于自動扶梯具有的運行特點和市場使用量大，加之目前自動扶梯不具備相應的報廢標準，運行十幾年甚至更長時間的自動扶梯大量存在，耗費了大量的有效能源。在提倡環保節能的今天，改造自動扶梯已成必然。因此，對自動扶梯的節能改造、安裝和設計方案進行探討和分析。

1 案例分析

某臺自動扶梯型號為FES30-1000E/0.5（H=4.5，P=11 kW），采用交流單速電動機作為驅動主機，并采用鏈輪鏈條式傳動，額定速度為0.5 m/s。該自動扶梯采用星三角啟動方式啟動，即使在無乘客使用時仍以額定速度運行，具有能耗大、機械磨損嚴重、使用壽命短等缺點。從技術角度分析，由于該自動扶梯采用星三角啟動方式啟動，且其所在商場的營業時間為9：00—22：00，每日的10：00—12：00和19：00—10：00為自動扶梯的使用高峰期，載客率相對較高，而其余的時間內自動扶梯仍處于高速、空載運行狀態，進而使自動扶梯存在以下3點問題：①耗電量非常大。自動扶梯在相同空載條件下運轉速度越快，則表明電動機輸出的功率越大，能耗也越大。②零部件更換費用不斷提高。由于普通自動扶梯長時間處于高速運轉的狀態，扶手帶、梯級滾輪、梯級鏈輪和蝸輪蝸桿等關健部件磨損加劇，最終需要更換。而更換這些部件的費用高、難度大，且會延長停梯時間。③機械部件磨損嚴重，導致自動扶梯故障率高、噪聲大、各項安全參數超標，無法保證使用安全，甚至無法使用。

2 節能控制的方式

2009-05-01，國務院頒發修改的《特種設備安全監察條例》正式實施，著重增加了特種設備節能方面的要求，進一步促進了特種設備節能技術的創新和應用。變頻節能控制方式是目前自動扶梯、電梯節能改造的重點之一，其主要分為兩種模式，即變頻非自啟動（快慢循環）模式和變頻自啟動（快慢停循環） 模式。

2.1 變頻非自啟動（快慢循環）模式

該模式通過增設變頻器來控制扶梯的運行速度。當梯級上有乘客時，扶梯以額定速度運行；當乘客檢測裝置在一段時間內（該時間參數可自行設定）未檢測到乘客通過時，扶梯自動轉為低速運行（一般為額定速度的1/2），此后一直處于低速待機運行狀態，只有當檢測到有乘客時，自動扶梯才會自動切換至正常運行狀態。其運行過程分為以下4步：①通過控制器程序設置額定速度運行的時間（Tq），具體數值根據自動扶梯的提升高度和運行速度確定；自動扶梯采取低速節能模式運行，乘客檢測裝置開始工作。②當乘客檢測裝置檢測到乘客通過時，高速運行時間計數器清零，自動扶梯加速至額定速度運行。③高速運行時間計數器開始計數，當Tg

2.2 變頻自啟動（快慢停循環）模式

該模式與上述快、慢循環模式的原理基本相同，只增加了停止運行模式，即在自動扶梯低速運行時，當乘客檢測裝置在一段時間內（此參數可自行設置）未檢測到乘客通過時，扶梯進入停止運行狀態；當乘客檢測裝置檢測到乘客通過時，扶梯自啟動至額定速度運行狀態，即快慢停循環模式。其運行過程和原理與快慢循環模式基本相同，只在回路中增設了一個低速運行時間計數器（時間值為Td）和扶梯低速運行時間值（Ts）。在自動扶梯處于低速運行狀態時，低速運行時間計數器開始計時。當Td

3 節能改造

自動扶梯節能改造的總體原則有以下3點：①在對扶梯正常使用不造成任何負面影響的前提下，采用光電開關檢測、矢量控制變頻器驅動的方法改造自動扶梯，即有乘客乘坐時，扶梯以原有設計速度運行；無人乘坐時，扶梯進入慢速爬行或停止運行（根據用戶實際情況選擇）狀態。②安裝光電開關。在自動扶梯上、下部分別安裝光電檢測開關，當有乘客通過光電開關時，人體擋住了光源，光電開關發出開關信號，變頻器開始加速；無人乘坐時，自動扶梯進入慢速爬行狀態；③安裝變頻器。變頻器可改變自動扶梯的轉速，使自動扶梯啟動、運行平穩。在變頻器的作用下，無乘客時自動扶梯會進入慢速運行或停止狀態；有乘客進入時，光電開關發出信號，自動扶梯加速至額定速度，延時后進入停止或慢速爬行狀態，乘客再次進入時重新啟動，依此重復運轉。這樣可節省電能、減少機械磨損和延長自動扶梯的使用壽命。

3.1 入口檢測裝置的選用

在安裝前，要審核進入自動扶梯的改造人員。在安裝方面，布線應簡單，安裝應方便，加裝后不可影響自動扶梯的美觀，且符合經濟方面的要求。本方案采用RL12M-ZNk型紅外光電開關。該光電開關的抗干擾能力強，觸點動作靈敏、可靠；電源為DC10～30 V；輸出端可選擇常開或常閉觸點，其探測距離可達到2～4 m，而對自動扶梯的探測所需的距離<1.1 m，可滿足檢測要求。

3.2 紅外光電開關的工作原理和安裝

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，光可在發射的一瞬間被接收。紅外線光電開關利用人眼不可見的近紅外線和紅外線（波長為780 nm～1 mm）來檢測、判別物體。通過光電裝置瞬間發射的微弱光束可被安全、可靠、準確地發射和接收。紅外線光電開關的重要作用是可調節光的強度，即利用光學元件，在傳播媒介中間使光束發生變化，還可利用光束反射物體，使光束發射后瞬間返回。紅外線光電開關由發射器、接收器和檢測電路三部分組成。

發射器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于發光二極管（LED）和激光二極管?？刹婚g斷地發射光束或改變脈沖寬度。受脈沖調制的光束輻射強度在發射中經過多次選擇，會向著目標不斷接近。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元件，比如透鏡和光圈等；其后為檢測電路，可濾出有效信號和應用信號。通過接收電路處理后的信號，可驅動繼電器動作，并使其常開觸點接通，觸發定時器開始定時，變頻器加速至額定速度運行。

3.3 變頻器的選型和實際應用

由于自動扶梯采用恒轉矩負載形式，且以載客為目的，所以，調速系統要求自動扶梯啟動、運行平穩、無抖動，且啟動轉矩大、過載能力強、轉速調節精度高、開環時的速度誤差小、轉矩響應時間短。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速控制。該變頻器的特點為外控制信號具備多組多功能可編程數字輸入端子，可實現系統的自動檢測。其變頻器主要功能參數如表1所示。該改造項目的自動扶梯控制系統本身采用PLC控制，安全性和可靠性較高。本方案僅對驅動部分進行了改造，對其他各個控制回路，比如制動器控制回路不作任何改變。將變頻器垂直安裝在通風良好的部位，以便于調試。依照改造后的主拖動原理圖完成接線，如圖1所示，并根據變頻器使用手冊的要求完成所有地線的連接。

表1 變頻器主要功能參數表

功能代碼 名稱 預調值 備注

F00 密碼 不要設定

F01 速度指令輸入方式 0

F02 運行操作 1

F03 最高輸出頻率 50

F04 額定頻率 50

F07 加速時間1 2.5

F08 加速時間2 2.5

F09 轉距提升 6.1

F10 電子熱繼電器動作選擇 1

F17 頻率設定增益 100

F23 啟動頻率 0.3

F24 啟動頻率保持時間 0.2

F25 停止頻率 0.1

F27 電機運動噪聲 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 速度一致檢測值 0.2

E31 速度一致動作值 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機驅動、鏈輪鏈條式傳動的方式變為了直接啟動方式。自動扶梯啟動后，以0.5 m/s的額定速度連續運行的主拖動電路中，在不對自動扶梯的正常使用造成任何負面影響的前提下，保留了原有的安全控制回路，并將原主拖動控制電路改造成了采用交流變頻調速驅動的方式，如圖2所示。此外，還需在自動扶梯上、下入口處各增加一套乘客進入檢測裝置，并引入無速度傳感器矢量變頻調速概念改造主拖動回路。

注：KQK—空氣開關，SC—上行接觸器，XC—下行接觸器，KZC—運行接觸器，

RJ—熱繼電器，QDC—星形接觸器，YXC—角形接觸器

圖1 原主拖動控制電路

圖2 改造后主拖動控制電路

自動扶梯通過變頻器啟動，并以20%的額定速度（0.10 m/s）運行。當安裝在自動扶梯入口的檢測裝置檢測到有乘客進入（X1接通）時，則自動扶梯平穩加速至100%的額定速度（0.50 m/s）運行；如果在設定時間內入口檢測裝置未檢測到乘客進入（X1斷開）時，則自動扶梯由100%的額定速度（0.50 m/s）自動降至以20%的額定速度（0.10 m/s）低速運行待客。

4 效果分析

改造前，自動扶梯每日用電量為152 kW·h；改造后的節能效果十分明顯，一年可節電16 060 kW·h?？傊?，自動扶梯改造后具有以下優點：①系統采用PLC可編程序控制器與變頻器的控制組合，具有功能強大、改造工作量小的特點。②節能效果明顯。無人乘梯時，可保證扶梯自動、平穩過渡至節能運行狀態，并以20%的額定速度運行。此時，電動機的實際運行功率只有原來的40%左右，用電量明顯降低。③該改造方案的適用性強，適用于所有在用的非變頻驅動自動扶梯（自動人行道）。④采用變頻技術大大減弱了自動扶梯啟動時電流對電網的沖擊，可有效改善電網的功率因素、降低無功損耗（變頻器為容性負載，可有效改善電動機的功率因素，以減小無功損耗）。⑤自動扶梯空載時以低速運行，噪聲大大降低，且減少了機械部件的磨損、延長了自動扶梯的使用壽命。

改造后，大大提高了自動扶梯的使用效率，節省了人力資源，降低了維修費用，實現了安全運行的目的，得到了乘客的一致好評。

5 結束語

綜上所述，在自動扶梯的運行過程中，空載、輕載占據了絕大部分運行時間。而通過節能改造，能很好地解決該問題，

在空載、輕載運行中降低能量損耗。雖然目前生產的自動扶梯均采用了相應的節能控制技術，但有很多普通自動扶梯仍在使用中，因此，推廣自動扶梯的改造技術極為重要，應根據具體情況選擇最合適的改造方案，從而延長電梯的使用壽命、降低使用成本，為全社會的節能減排作貢獻。

參考文獻

[1]秦樂，顧德仁.自動扶梯節能運行改造方案[J].起重運輸機械，2011（12）.

[2]張瑜亮.淺談自動扶梯的節能技術[J].中國科技信息，2009（14）.

〔編輯：張思楠〕