自动扶梯的能耗分析及节能控制研究

钱 洪 姜培基

(上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200333)

国家质检总局颁布的《高耗能特种设备节能监督管理办法》(第116号令)将锅炉、压力容器和电梯列为高能耗特种设备。其中自动扶梯被广泛应用于大型商场、超市、机场、地铁等场合。在客流量大的时候，自动扶梯处于大负荷运行状态，而在没有乘客时仍然以额定速度运行，因此是电梯种类中耗能大的品种。

《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法制时代。为了有效贯彻能源法的实施，针对电梯及自动扶梯建立科学可行的能效测试方法与评价标准十分必要。然而，我国有关曳引电梯的能效测试方法和评价标准尚在审批中；而自动扶梯的能效测试相对于电梯而言难度更大，起步更晚，至今还处于科研探索阶段。

在国内，王士琴、朱昌明等[1]分析了电梯能耗的组成及其特点，提出了一种基于实验测量和理论推算的电梯能耗算法。他们的研究方法经验证能够计算电梯在各种运行工况下的能耗情况；并可以推广到自动扶梯和自动人行道的能耗测量。万忠培、朱武标等[2]通过理论分析和电梯实际运行功率曲线监测，对永磁同步无齿轮曳引机和能量回馈变频装置的节能效果进行了研究。国外学者Aníbal等[3]对欧洲电梯和自动扶梯的能效研究状进行了调研；Carrillo等[4]提出了一种针对自动扶梯的能耗分析方法；而Lutfi[5]对自动扶梯的运行能耗进行了建模研究。注意到已有的这些研究工作各具特色，但针对自动扶梯的能耗检测和节能策略讨论还相对欠缺。

本文先给出一种自动扶梯运行能耗的测量方法，然后对自动扶梯运行能耗的影响因素进行分析，最后探讨各种节能方法的适用性和有效性。

1 自动扶梯能效测量

1.1 选测对象及其能耗限定值

目前国内尚无自动扶梯能效方面的国家标准，国际上也未检索到自动扶梯已颁布的能效标准，本次空载能耗测量结果的评价主要参考香港机电署给出的《自动扶梯能效限定值》。该能效限定准则首先界定了“公共服务自动扶梯”以及其他种类的扶梯，其中公共服务自动扶梯须同时符合以下情况：

1)是公共交通系统的一部分，包括出口和入口处；

2)适合于每星期经常性地操作约140h(每天20h)，而且每三小时中至少有30min在100%制动负荷下操作。

参照上述规定，本文检测的自动扶梯，如上海地铁11号线曹杨路站，虽然属于公共交通系统的一部分，但每天操作时间不足20h，所以均在“公共服务自动扶梯”范围之外。因此本文相应地采用公共服务自动扶梯以外的规定，其能效限定值在表1中列出。

表1 公共服务梯(公共交通型)以外自动扶梯空载运行最高许可电功率

本文根据自动扶梯的速度、提升高度和梯级宽度，在额定速度时测量其电源的输入有功功率，其输入功率越低，相对应的是该自动扶梯的效率越高。为了将测量结果进行比较，本文统一选测的自动扶梯的提升高度为5m(±0.5m)，额定速度0.5m/s。

1.2 测量仪器

自动扶梯的运行能耗受运动方向和乘客人数的影响。为了获知自动扶梯在具体工况下的能耗情况，通常的电度表无法实现能耗的测量需要。根据笔者单位现有的测量仪器情况，笔者选择的3169-20钳形功率计和PW3198电能质量分析仪。初次试验发现，两种仪器均可同时测量电压、电流、有功功率、功率因数和谐波畸变率(THD)，而且测量精度都能满足需要。其中PW3198电能质量分析仪自带处理软件，后期的数据处理十分方便；而3169-20钳形功率计的数据处理稍麻烦，但价格相对较低。由于测量样本多、项目周期长，本次测量统一选用笔者单位拥有数量较多的3169-20钳形功率计。

笔者采用南京某公司制造的D8A无线型客流计数器进行乘客流量检测。该计数器主要由红外线发射和接收装置以及数据接收器组成，当进入自动扶梯的乘客隔断发射装置的红外线时，接收器接受到信号，并以无线信号形式传送到数据接受器中。该仪器在人流不十分密集的状况下，测量较为准确(譬如，乘客摆手动作都能被识别和判断，不计入客流)。此外，该计数器还能判断人流的方向，这对于有些单位每天改变自动扶梯运行方向的测量特别有利。客流计数器的发射和接受装置用锂电池作为电源，无连接线，测量时用双面胶粘在入口处的护壁板上(如图1(a)、而数据接收器和电能测量仪器一起放在驱动间内(图1(b))。试验发现，发射和接受装置虽被驱动间上的金属楼层板隔开，但数据接收器可以稳定接收发射装置的信号。实践表明，该客流计数器附带软件，可以得出客流量的图形文件，使用极为简便；在没有潮汐状客流量的情况下，D8A无线型客流计数器基本上能够满足测量要求。

图1 主要测试仪器

1.3 运行功率测量点

在自动扶梯的电源电路中，通常考虑三个测量点(如图2所示)。其中“测量点1”的测量结果为自动扶梯的控制系统、驱动电动机以及自动扶梯其它辅助用电设备(照明、加热装置、自动排水装置等)的总和；“测量点2”的测量结果为自动扶梯主电路的能耗，而“测量点3”的测量结果为自动扶梯其它辅助用电设备的能耗。本次测量主要针对“测量点1”进行能耗检测，其它两个测量点的测量值作为参考。

图2 测量点选取

1.4 测量工况

1)空载上下运行有功功率检测

自动扶梯在空载的情况下，检测其上下运行的有功功率，该项功耗指标是自动扶梯的主要功耗指标，它反映了该台自动扶梯的机械效率，对实际的能耗影响最大。

2)实际运行有功功率检测

与电梯比较，自动扶梯进行载荷试验的难度更大。对于运行中的扶梯，如果用砝码作为载重进行功耗测试，放置砝码和搬离砝码的速度用人工无法企及；而用人代替载荷的成本较高，只有像世博会这样的重大工程才有条件开展(世博局调动了几百名武警战士才完成了中国馆自动扶梯的载荷测试)。因此，笔者采用客流计数器和输入有功功率的实时检测数据，得出自动扶梯不同负载时的功耗值(典型结果如图3、图4所示)。

图3 某家居广场33#自动扶梯运行功率值

图4 某家居广场33#自动扶梯客流量记数值

2 自动扶梯能耗的影响因素分析

2.1 减速器及传动装置的影响

本次测量主要选择提升高度5m(±0.5m)，梯级宽度1000mm，额定速度0.5m/s的自动扶梯。实测结果表面，减速器及传动装置设计对自动扶梯的运行能耗有明显影响。如图5所示，对于本次检测的2台乘客流量接近的自动扶梯，其工况均为工频不间断运行，某置业1#自动扶梯的能耗为1.77kW，而不同制造商6#自动扶梯的能耗达到了4.67kW。注意到日系自动扶梯的减速器大多采用三角皮带一级减速加二级斜齿轮减速，其效率比蜗轮蜗杆和一级螺旋伞形齿加二级斜齿减速的高。如某商城1996年制造的日系10#扶梯，其空载运行功率只有1.36kW，仅为能效限定值的48%。采用蜗轮蜗杆减速的自动扶梯的效率则相对较低，如某家居商场4#自动扶梯，其空载运行功率高达能效限定值的95.1%，而某广场6#自动扶梯更是达到164.4%，超出能效限定值的64.4%。

图5 不同厂商自动扶梯空载上行功率

2.2 维保质量的影响

自动扶梯的定期维护、保养和调整对其能效也有较大的影响。如图6所示，同样制造厂家生产的相同型号且技术参数完全一致的2台自动扶梯，桃浦1#扶梯空载运行功率为1.65kW，而桃浦2#梯却达2.19kW，高出32.7%。另外，某置业拥有的2台相同型号的自动扶梯，科汇1#梯上行空载运行功率为2.231kW，科汇2#梯达到2.777kW，高出1#扶梯24.4%。可见，自动扶梯的运行能耗与维护、保养和调整(如驱动链、梯级链、扶手带的张力，梯级和裙板的摩擦，各部件的润滑等)有关。

图6 同型号同规格自动扶梯空载上行功率

2.3 待机功率的影响

待机功率是指电源总开关开启，但自动扶梯停止运行(钥匙开关关闭)时的功率。与垂直曳引梯不同，自动扶梯停止运行时理论上应不耗电。但本次检测的自动扶梯待机功率并不为0，其中最低为37W，而最高达到166W。对于待机功率为166W的自动扶梯，如果一天待机时间10h，就要耗电1.66kW·h，可见待机能耗是不容忽视的电能浪费。值得指出，自动扶梯与电梯的控制系统方式不同，电梯因为要随时响应乘客呼梯，所以不能将控制系统的电源切断；而自动扶梯可以通过钥匙开关将控制系统供电电源切断，因此完全可以做到待机功率为零，自动扶梯制造商和改造单位应该重视待机能耗的问题。

3 自动扶梯的节能控制

大多数扶梯在没有乘客时仍以额定速度运行，因此浪费了大量电能。如本次检测的某地铁站自动扶梯的空载运行功率为4.308kW，某广场自动扶梯为4.375kW，这2台自动扶梯即使没有一个乘客，一天的耗电就高达52kW·h。针对这种情况，近年来出现了许多专门针对自动扶梯的节能技术。

3.1 星三角驱动

星三角(Y-△)驱动包括“自动重新启动”和“Y-△切换”两种方案。前一种方案是在无人乘梯时停止自动扶梯的运行，有人乘梯时起动扶梯，从而达到省电的目的。由于是采用了完全停电的方法，所以在节约能源方面是显而易见的。如某家居市场的自动扶梯采用这种方案以后，其工作时段的平均电耗仅为0.3kW·h，而同样客流的某自动扶梯采用全变频方案，其工作时段的平均电耗就要0.93kW·h。在客流量极少的工况时，采用该方案最为节能，但是这种方法会导致扶梯频繁启/制动。启动时不仅对供电电网有一定的冲击，频繁的启停还会给抱闸等机械部件带来一定损伤，而且对于乘客群中部分行动不便的人，突然启动容易造成站立不稳，引发事故。第二种方案“Y-△切换”是当扶梯启动时，像通常一样按 Y 接法进行启动，但不再是通过时间原则切换成△接法运行。而是当扶梯上没有乘客的时候，扶梯一直在Y 接法下运行；当有乘客的时候扶梯才切换成△接法运行，如此循环往复。实际测试表明，在空载或接近空载的工况下，Y 接法或△接法时，扶梯的运行速度并无明显变化，但是Y 接法与△接法相比节能效果可达20%左右。如家居市场某型自动扶梯，向上空载运行Y 接法时输入有功功率为1.981kW，△接法时为2.550kW，如在没乘客和乘客较少时用Y 接法运行，其速度仍不变，但可节省22.4%的电能。

3.2 全变频驱动

采用变频器驱动曳引电机，通过变频器来调节曳引电机的转速，在没有乘客使用的时候使扶梯慢速运行或者停止，因此可以很方便地实现节能运行。采用全变频驱动方案，在不同速度之间可实现平滑切换。由于扶梯对控制精度要求并不高，变频器可选择不带编码器的开环控制模式。但是变频器功率需大于或等于曳引电机功率，使得成本难以降低；另外还需考虑制动电阻在扶梯有限的机房空间的散热问题。在大提升高度的自动扶梯采用两个或多个曳引机的场所，为了保证多个电机运行的同步性，全变频方案仍是首选。另外，目前有采用永磁同步电机的行星齿轮曳引机应用于扶梯驱动，受目前变频技术实际应用的限制，控制同步电机启动时仍需检测磁极的位置，所以也得采用全变频方案。本次检测中有第一酒市、中发都市等自动扶梯的节能改造采用全变频方案，该方案在全速运行时，由于增加了变频器的能量转换的损失，比旁路变频方案约增加5%的能耗。

3.3 旁路变频驱动

扶梯在额定速度运行时，由 50Hz 的工频电源进行供电，变频器不投入运行。当在无人乘梯一定时间后，扶梯将由工频电源控制切换到变频器控制，从而使扶梯进行低速运行或停止，达到节能的目的。当有人再次进入扶梯乘梯时，扶梯将由变频器加速到额定速度，到达额定速度后，扶梯将由变频器控制切换到工频电源控制运行。扶梯将如此周而复始的运行，其运行时序如示意图7所示。

图7 旁路变频工作示意图

旁路变频的优点是实现了无人乘梯时低速运行或停止，达到节能、降低噪声、减少设备的磨损。由于采用了变频控制，使系统的调速平稳，对机械系统的冲击较小。由于在高速运行的时候变频并未参与控制，所以变频器的功率可比曳引电机的功率小。相比全变频而言，还不需要制动电阻，减少了机房发热。旁路变频方案的缺点是，为了防止三相电压与变频器输出端短接引起变频器爆炸，需设计完善的电气保护回路。另外，若变频控制与工频控制强行切换，会带来对曳引电机的冲击，这是一个需要克服的技术问题，但随着电子控制技术的发展，这些技术问题已克服，如明捷置业安装的上海三菱电梯有限公司的JS—SBF、JS—BF型，地铁11号线安装西子奥的斯电梯有限公司的X021NP-L型自动扶梯，均采用旁路变频驱动方案。西子奥的斯电梯有限公司制造的X021NP-L型自动扶梯，更具有旁路变频驱动和工频自动重新启动两种驱动模式，用户可根据实际工况自行选择，是目前较完善的一种自动扶梯控制系统。

4 结束语

本次调研发现，自动扶梯选用节能技术时首先需要考虑客流情况。对于潮汐型客流的扶梯，采用变频或工频自动重启功能有明显的节能效果；而且客流越少，节能效果越明显。比如采用变频功能的某扶梯，当客流量为3286人/天时，功耗为1.13kW·h；客流量为220人/天时，功耗为0.71kW·h，如若采用工频自动重启方案，功耗仅为0.30kW·h。因此，自动扶梯制造商可以制造具有旁路变频驱动和工频自动重新启动两种驱动模式的自动扶梯，以便用户根据实际工况自行选择控制模式，达到最佳的节能效果。

在本次检测辖区有关部门的努力工作和大力推动下，该区自动扶梯的节能改造取得了成效。比如某广场58台自动扶梯的变频改造，某商城11台自动扶梯变频改造以及某酒市6台自动扶梯变频改造等等。与未改造前比对，这些单位的扶梯经改造后可节能50%以上。值得指出，我国大部分自动扶梯的运行状况和本次检测对象相似，因此扶梯的节能改造具有极大的潜力。

1 王士琴,朱昌明,张鹏,金建峰.电梯能耗测量新方法,起重运输机械.2009(9).35-39.

2 万忠培,朱武标,何新民.关于电梯能耗的探讨,中国电梯.2007 (16).28-31.

3 Aníbal De Almeida,Simon Hirzel,Carlos Patrao, et al.Energy-efficient elevators and escalators in Europe:An analysis of energy efficiency potentials and policy measures,Energy and Buildings.2012,47,pp.151-158.

4 C.Carrillo,E.Díaz-Dorado, J.Cidrás,M.Silva-Ucha.A methodology for energy analysis of escalators,Energy and Buildings.2013, 61,pp.2-30.

5 Lutfi Al-Sharif.Modeling of escalator energyconsumption,Energy and Buildings.2011,43, pp.1382-1391.