自動扶梯能效計算模型的建立與分析

徐涴砯++李起耘++仇潤鶴

摘 要：目前，上海各類自動扶梯和自動人行道耗電量約為3×107（度電）kW·h/年，其耗電量比例遠遠超過了其數量比例，屬于高能耗的特種設備。為了貫徹《中華人民共和國節約能源法》《中華人民共和國特種設備安全法》等法規，結合上海市的自動扶梯運行現狀，研究、分析了自動扶梯運行能效計算，建立了自動扶梯的能效計算模型，通過其參數設定和模型運行得出了自動扶梯的能效計算值，并比對相同狀態下自動扶梯實際運行的能效測試值，從而確定所建立的自動扶梯能效計算模型的有效性。

關鍵詞：自動扶梯；能效計算模型；誤差分析；能效測試值

中圖分類號：TU857 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.014

上海作為特大型現代化城市，電梯擁有量已超過了19.3萬臺，其中，自動扶梯和自動人行道的數量約占10%，并且每年以高于10%的速度增加，而上海市電梯的總耗電量約為1.57×108（度電）kW·h/年?！吨腥A人民共和國節約能源法》第16條規定：“對高耗能的特種設備，應按照國務院的規定實行節能審查和監管”。該法令的頒布標志著我國對高耗能特種設備的節能監管進入了法制時代。

目前，ISO的TC178已發布了一項關于電梯能耗檢測的標準，即ISO 25745—1《電梯和自動扶梯的能量性能：第1部分能量測量和符合性》。該標準制定了一種簡單、有效的程序來檢測電梯能耗，它易于操作，可以使用現有的測試設備，具有良好的重復性，便于執行周期性的能效符合性檢查。同時，香港也頒布了《電梯及自動扶梯配置的能效實施守則》，這是關于建筑中安裝的電梯和自動扶梯能源效率的實施規定，而國內也相繼開展了電梯和自動扶梯能效的研究和分析。結合上海市的自動扶梯運行現狀，研究和分析了自動扶梯的運行能效計算。

1 自動扶梯能效計算模型的建立

因為自動扶梯主要依靠曳引驅動，主動力來源于三相交流電動機。自動扶梯的驅動方式、速度等與電動機有直接的聯系，并且其負載的變化也會對電動機能耗產生直接的影響。圖1為自動扶梯的能效計算模型。

圖1 自動扶梯的能效計算模型

在自動扶梯的能效計算模型中，輸入部分主要包括：①載荷變化信號源用來模擬自動扶梯載荷變化。②三相異步電動機用來模擬自動扶梯的三相異步電動機。其中，有4個輸入端，1個為負載轉矩，由載荷變化信號源輸入作為電動機轉矩值，另外3個輸入端為電機的3個相位輸入。③變頻器用來模擬自動扶梯電動機的變頻模塊，以此作為三相電動機元件的變頻輸入。利用變頻子系統，在不同時間點輸出不同頻率的3個相位到三相異步電動機，可以起到變頻作用。

對于自動扶梯的能效計算中的輸出部分，其主要包括2部分：①示波器，用于觀察定子電流和轉子電流的變化；②實時功率值，用于輸出計算后的實時功率值。

根據對在用自動扶梯中電動機的調研，三相異步電動機的基本參數設定為：額定功率PN=7.5 kW，額定電壓UN=400 V，額定工作頻率為50 Hz，額定轉速nN=1 440 r/min，變頻子系統的變頻輸出為50 Hz。在PN為額定功率、nN為額定轉速的情況下，額定轉矩為：

Tn=PN/nN. （1）

由三相交流異步電動機的機械特性可知，在定子電壓、頻率和其他參數固定，而負載不斷變化的情況下，負載轉矩Tm與負載mload之間存在函數關系，即：

. （2）

式（2）中：g為重力加速度，9.8 kg/N；d為鏈輪直徑，0.008 6 m。

不同載荷時的負載轉矩如表1所示。

表1 不同載荷時的負載轉矩

載荷百分比（100%） 載荷M/kg 負載轉矩Tm /N·m

1 0% 0% 0

2 2%（70 kg） 70 5.899 6

3 3%（105 kg） 105 8.849 4

4 4%（140 kg） 140 11.799 2

5 5%（175 kg） 175 14.749

6 10%（348 kg） 348 29.329 44

7 15%（522 kg） 522 43.994 16

8 20%（695 kg） 695 58.574 6

9 25%（872 kg） 872 73.492 16

10 30%（1 047 kg） 1 047 88.241 16

11 35%（1 218 kg） 1 218 102.653 04

12 40%（1 398 kg） 1 398 117.823 44

13 50%（1 740 kg） 1 740 146.647 2

14 60%（2 091 kg） 2 091 176.229 48

15 70%（2 439 kg） 2 439 205.558 92

16 80%（2 787 kg） 2 787 234.888 36

在鏈條驅動狀態下，電機能耗的討論主要集中在電機線電壓和線電流，轉矩與負載的關系。電機功率、負載、轉矩、定子電流之間的關系如表2所示。

表2 負載變化對電機功率的影響

電機功率 負載 轉矩 定子電流 轉速 阻力距

增大 增大 增大 增大 減小 增大

減小 減小 減小 減小 增大 減小

由電機特性可知，定子電流是用于輸出的電流。在負載變化的情況下，定子電流會相應地發生變化，同時，功率也會相應地發生變化。根據表1的負載變化給出圖2所示的負載信號源變化，通過自動扶梯的能效計算模型得出圖2中的定子電流變化（由圖1中示波器實時觀察得到）。