自动扶梯能效计算模型的建立与分析

徐涴砯++李起耘++仇润鹤

摘 要：目前，上海各类自动扶梯和自动人行道耗电量约为3×107（度电）kW·h/年，其耗电量比例远远超过了其数量比例，属于高能耗的特种设备。为了贯彻《中华人民共和国节约能源法》《中华人民共和国特种设备安全法》等法规，结合上海市的自动扶梯运行现状，研究、分析了自动扶梯运行能效计算，建立了自动扶梯的能效计算模型，通过其参数设定和模型运行得出了自动扶梯的能效计算值，并比对相同状态下自动扶梯实际运行的能效测试值，从而确定所建立的自动扶梯能效计算模型的有效性。

关键词：自动扶梯；能效计算模型；误差分析；能效测试值

中图分类号：TU857 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.014

上海作为特大型现代化城市，电梯拥有量已超过了19.3万台，其中，自动扶梯和自动人行道的数量约占10%，并且每年以高于10%的速度增加，而上海市电梯的总耗电量约为1.57×108（度电）kW·h/年。《中华人民共和国节约能源法》第16条规定：“对高耗能的特种设备，应按照国务院的规定实行节能审查和监管”。该法令的颁布标志着我国对高耗能特种设备的节能监管进入了法制时代。

目前，ISO的TC178已发布了一项关于电梯能耗检测的标准，即ISO 25745—1《电梯和自动扶梯的能量性能：第1部分能量测量和符合性》。该标准制定了一种简单、有效的程序来检测电梯能耗，它易于操作，可以使用现有的测试设备，具有良好的重复性，便于执行周期性的能效符合性检查。同时，香港也颁布了《电梯及自动扶梯配置的能效实施守则》，这是关于建筑中安装的电梯和自动扶梯能源效率的实施规定，而国内也相继开展了电梯和自动扶梯能效的研究和分析。结合上海市的自动扶梯运行现状，研究和分析了自动扶梯的运行能效计算。

1 自动扶梯能效计算模型的建立

因为自动扶梯主要依靠曳引驱动，主动力来源于三相交流电动机。自动扶梯的驱动方式、速度等与电动机有直接的联系，并且其负载的变化也会对电动机能耗产生直接的影响。图1为自动扶梯的能效计算模型。

图1 自动扶梯的能效计算模型

在自动扶梯的能效计算模型中，输入部分主要包括：①载荷变化信号源用来模拟自动扶梯载荷变化。②三相异步电动机用来模拟自动扶梯的三相异步电动机。其中，有4个输入端，1个为负载转矩，由载荷变化信号源输入作为电动机转矩值，另外3个输入端为电机的3个相位输入。③变频器用来模拟自动扶梯电动机的变频模块，以此作为三相电动机元件的变频输入。利用变频子系统，在不同时间点输出不同频率的3个相位到三相异步电动机，可以起到变频作用。

对于自动扶梯的能效计算中的输出部分，其主要包括2部分：①示波器，用于观察定子电流和转子电流的变化；②实时功率值，用于输出计算后的实时功率值。

根据对在用自动扶梯中电动机的调研，三相异步电动机的基本参数设定为：额定功率PN=7.5 kW，额定电压UN=400 V，额定工作频率为50 Hz，额定转速nN=1 440 r/min，变频子系统的变频输出为50 Hz。在PN为额定功率、nN为额定转速的情况下，额定转矩为：

Tn=PN/nN. （1）

由三相交流异步电动机的机械特性可知，在定子电压、频率和其他参数固定，而负载不断变化的情况下，负载转矩Tm与负载mload之间存在函数关系，即：

. （2）

式（2）中：g为重力加速度，9.8 kg/N；d为链轮直径，0.008 6 m。

不同载荷时的负载转矩如表1所示。

表1 不同载荷时的负载转矩

载荷百分比（100%） 载荷M/kg 负载转矩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

在链条驱动状态下，电机能耗的讨论主要集中在电机线电压和线电流，转矩与负载的关系。电机功率、负载、转矩、定子电流之间的关系如表2所示。

表2 负载变化对电机功率的影响

电机功率 负载 转矩 定子电流 转速 阻力距

增大 增大 增大 增大 减小 增大

减小 减小 减小 减小 增大 减小

由电机特性可知，定子电流是用于输出的电流。在负载变化的情况下，定子电流会相应地发生变化，同时，功率也会相应地发生变化。根据表1的负载变化给出图2所示的负载信号源变化，通过自动扶梯的能效计算模型得出图2中的定子电流变化（由图1中示波器实时观察得到）。