自動扶梯的能耗分析及節能控制探究

蔡培

摘要：自動扶梯給人們出行帶來了極大的方便，其經常出現在公共場所中。文章對自動扶梯實際運行中的能耗進行了分析，并根據自動扶梯節能使用的基本要求提出了相應的節能控制措施與關鍵技術，以期為構建節能型社會貢獻一己之力。

關鍵詞：自動扶梯；能耗分析；節能控制；節能需求；能效測量 文獻標識碼：A

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

自動扶梯給人們出行帶來了極大的方便，其經常出現在公共場所中，譬如機場、地鐵站、商場等。與此同時，自動扶梯雖然為人們帶來了便利，但是也帶來了電能的巨大浪費，故需要對自動扶梯的能耗進行分析，從實際出發，解決其耗電量大的問題。筆者在文中對自動扶梯的三種節能方式，即Y??轉換節能方式、自動運行節能方式、變頻驅動節能方式分別進行了探究，以尋求效果較好的節能關鍵技術。

1 自動扶梯的市場現狀與節能需求

當前自動扶梯應用廣泛，在超市、機場、地鐵站等都能夠看見它的身影，其具有輸送量較大、便利快捷等優勢，給予乘客方便，但是也具有一定的缺陷，即無論客流量大小甚至空轉，都會以額定速度運行。顯然這樣的情況在自動扶梯客流量較小或者沒有時將會耗費大量的電能，同時使機器磨損程度嚴重，大大地降低自動扶梯的使用壽命。據相關部門統計，目前我國已有近7萬臺自動扶梯投入使用，其數量每年以11%左右的速度增加。其中95%以上的設備為非節能自動扶梯，可想而知其耗費的電能是巨大的。保守估計，全國每年有近2×108～5×108kW·h的電能浪費在自動扶梯上。

因此，我們需要根據實際使用情況，在不同的工況下采用不同的節能控制技術以達到節能的目的，如PLC與變頻器相結合的節能控制系統等。通過采用不同的節能控制系統，能夠有效地節約電能，提高自動扶梯的使用壽命，滿足國家的環保要求。

2 自動扶梯能效測量

要對自動扶梯的能耗分析及節能控制探究，對其能效測量是必不可少的環節。測量步驟可分為四步：（1）選取測量對象及其能耗限定值；（2）測量儀器的選擇；（3）運行功率測量點的選??；（4）測量工況。筆者下面對其分別介紹：

2.1 選取測量對象及其能耗限定值

由于目前國內還沒有制定出統一的自動扶梯能效標準，并且國際上也還沒有相關文件標準可供參考，故測量結果可參考某署發布的《自動扶梯能效限定值標準》。該標準明確了公共服務自動扶梯需要同時滿足兩個條件：（1）作為公共交通的一部分，包含出入口處；（2）每周運行140小時左右（20小時/天），且設備在任何3小時間隔內，能以100%制動載荷連續運行不小于1小時。

在不同的梯級寬度、提升高度和速度條件下，通過測量輸入功率可以發現，其與自動扶梯的效率成反比?？紤]到結果的一致性，筆者選取自動扶梯的提升高度為5m（±0.5m），梯級寬度為1000mm，額定速度為0.5m/s。

2.2 測量儀器的選擇

測量儀器有兩種可供選擇：一種是3169-20鉗形功率計；另一種是PW3198電能質量分析儀。通過測試可以發現，這兩款儀器都可以測量電流、電壓、有功功率、功率因數和THD（諧波畸變率），并且精度均可達到要求。3169-20鉗形功率計雖然價格低廉，但是處理數據步驟繁瑣；相反，PW3198電能質量分析儀數據處理功能強大，易操作，但是價格昂貴。根據筆者單位的實際情況，此次測量選擇了3169-20鉗形功率計。

2.3 運行功率測量點的選取

如圖1所示，通常在實際測量中需選取三個測量點，各個測量點的結果是不同的。其中測量點1的結果是驅動電機、控制系統和輔助設備的總和；測量點2的結果是控制系統主要電路的能耗；測量點3的結果是輔助設備的能耗。筆者在此次研究中選取測量點1的結果，其余兩個結果作為參考。

2.4 測量工況

（1）空載上下運行有功功率檢測：自動扶梯的有功功率是重要的參數之一，該參數可反映機械效率的情況；（2）實際運行有功功率檢測：筆者使用客流計數器實時測量數據，結合輸入有功功率，能夠推測出在不同載荷工況下消耗的電能值。

對測得的數據進行處理的目的是建立功率與載荷的函數關系以及在空載狀態下功率與速度的關系。在固定工況下自動扶梯的功率變化較小，比較穩定，可以從測得的數據中選取部分有效數據取平均值作為該工況下自動扶梯的功率?？蛰d條件下，自動扶梯的速度是預設好的，可以直接獲得。在其他載荷條件下的功率，通過擬合的方法能夠得到相應的功率。

3 自動扶梯能耗的影響因素

3.1 減速器及傳動裝置的影響

減速器及傳動裝置對自動扶梯的能耗影響是相對較大的，其設計和布局的不同影響也不盡相同。鑒于測試結果的準確性，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自動扶梯進行分析。其中某工程中的自動扶梯的能耗是1.8kW，某制造商生產的自動扶梯的能耗可達到4.8kW，這兩臺自動扶梯能耗的差異性是減速器及傳動裝置導致的。由此可見，減速器及傳動裝置的影響是不能忽略的，必須加以重視。

3.2 維保質量的影響

任何機械設備都需要定期維護檢修，自動扶梯也不例外。按時檢修、定期維護和保養是其日常維護、檢修工作中不可或缺的環節。該項工作不僅能夠減低電能的消耗，而且能夠提升設備的使用壽命。譬如某廠商生產的型號和參數都相同的兩臺自動扶梯，其中一臺自動扶梯經定期檢修、維護，在空載時運行功率為1.8kW，而另一臺自動扶梯未進行定期維護、檢修，在空載時功率卻高達2.2kW，高出前者22.2%；再如，某工程有兩臺型號和參數完全一致的自動扶梯，一臺經長期維修、養護后，上行空載運行功率為2.3kW，另一臺未能保持定期檢修的設備功率為2.8kW，高出前者21.7%。由此可見，自動扶梯運行一段時間后需要定期維護、保養與檢修，這樣能夠有效降低其運行能耗。

3.3 待機功率的影響

待機狀態是指自動扶梯在不提供任何服務的情況下的狀態，通常分為兩種情況：（1）待機。自動扶梯依靠感應器檢測到乘客從入口進入時，立即按照原來的運行方向再次重啟。當檢測一段時間內無乘客搭乘時，自動進入低速狀態運行。再一段時間后仍未檢測到乘客搭乘時，自動扶梯會進入停止運行的待機狀態。雖然這時設備進入了待機狀態，但當有乘客進入時，為了快速響應，其傳感器和驅動器并沒有關閉，仍處于開啟狀態；（2）鑰匙關閉。在此種狀態下，自動扶梯需要給運行指示器供電，保證正常顯示，以便提醒乘客自動扶梯處于停止狀態，這種情況下會產生一些能量損失。

4 自動扶梯的節能控制技術

4.1 Y-?轉換模式

Y-?驅動（星三角驅動）節能技術包括兩種方案：一種是自動重新啟動，另一種是Y??切換。自動重新啟動方案是在沒有乘客時讓自動扶梯停止運行，當有乘客進入時再次啟動設備運行。這種方案雖然能夠達到節省電量的目的，但是頻繁啟動與停止會加重自動扶梯機械零部件的損傷，也會對供電網絡造成一定沖擊。倘若乘客中有老人、小孩，對自動扶梯的自動啟動不能及時反應，容易引發安全事故。Y-?切換方案則是按Y接法進行啟動扶梯，若自動扶梯上沒有乘客，那么扶梯會按Y接法一直運行下去；若有乘客時，則切換成?接法運行，如此循環運行。

實際測試數據表明，當自動扶梯處于空載或客流量極少的工況時，Y接法和?接法的自動扶梯的運行速度并沒有明顯的差異，但Y接法的節能效果比?接法要高20%左右。例如某車站的自動扶梯，當空載運行時，采用Y接法時輸入有功功率是1.98kW，?接法時為2.62kW；其速度雖然不改變，但電能節省33.6%。

4.2 變頻驅動節能方式

變頻驅動節能方式主要通過使用變頻調速裝置來調節速度，如果有乘客進入扶梯會按照額定速度運行，若沒有乘客則保持低速運行。變頻驅動節能的具體運行方式是：在自動扶梯入口位置安裝感應裝置，當乘客進入扶梯時，感應乘客，然后向控制系統傳輸信號，啟動自動扶梯，按照預設速度運行；當沒有乘客搭乘扶梯時，感應裝置沒有感應到乘客，經過一段時間的空載運行后，控制系統會控制變頻器實現降速運行，節省電能；當感應裝置再次感應到有乘客到來時，系統會控制變頻器，使自動扶梯恢復預設速度運行，如此循環運行。這種方式對速度的控制是通過變頻器來實現的，這樣不僅能夠降低電能的消耗，而且能夠減少機械磨損，從而提高自動扶梯的使用壽命。

4.3 自動運行節能方式

自動運行節能方式是指在入口位置安裝感應裝置，當有乘客進入扶梯時，設備感應到信號，然后將信號傳送到控制系統，啟動自動扶梯。該方式有一個缺點，即會頻繁地啟動自動扶梯，給供電網絡造成沖擊，同時增加機械的磨損。

5 節能效果分析

采用Y??轉換節能方式，自動扶梯輕載可以節能5%～21%，但當承載率超過40%時，則無法實現節能；當設備按額定速度運行時，則與變頻驅動節能方式的節能效果一致。變頻驅動節能方式能夠根據不同的客流量設定不同的運行速度，然而Y??轉換節能方式只能以額定速度運行。

采用自動運行節能方式，如果有乘客時，則自動扶梯以額定速度運行；如果沒有乘客時，自動扶梯則處于停止狀態，故在客流較小時，該方式節能效果十分明顯。

6 結語

綜上所述，通過采用節能控制技術，能夠有效降低自動扶梯在實際運行中的電能消耗，并且能夠降低機械磨損，延長使用壽命。相信隨著科學技術的不斷發展與完善，節能控制技術將會越來越成熟，進而為自動扶梯運行節約更多的電能，提高經濟效益與社會效益，促進社會的可持續發展。

參考文獻

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（責任編輯：王 波）