自动扶梯节能改造技术及效果分析

江平海

摘 要：针对现有普通自动扶梯存在的能源浪费严重、机械磨损严重、使用寿命短等缺点，结合生产实践提出了相关改造方案，并详细介绍了该方案中的变频技术改造原理，以期通过改造系统保证自动扶梯的运行质量。

关键词：自动扶梯；改造方案；自动人行道；额定速度

中图分类号：TU857 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.137

随着大型超市、商场、宾馆、地铁等公共场所数量不断增多，我国各地自动扶梯事故数量也呈上升趋势。从2005年开始，我国平均每年发生电梯事故约40起，死亡30人左右。虽然自动扶梯事故的死亡率比电梯低，但对伤者造成的伤害和社会影响非常大。《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》（GB 16899—2011）对自动扶梯的制造、安装、维修、改造和使用等各个环节提出了要求，将单一标准改成了自动扶梯和自动人行道安全要求的系列标准。由于自动扶梯具有的运行特点和市场使用量大，加之目前自动扶梯不具备相应的报废标准，运行十几年甚至更长时间的自动扶梯大量存在，耗费了大量的有效能源。在提倡环保节能的今天，改造自动扶梯已成必然。因此，对自动扶梯的节能改造、安装和设计方案进行探讨和分析。

1 案例分析

某台自动扶梯型号为FES30-1000E/0.5（H=4.5，P=11 kW），采用交流单速电动机作为驱动主机，并采用链轮链条式传动，额定速度为0.5 m/s。该自动扶梯采用星三角启动方式启动，即使在无乘客使用时仍以额定速度运行，具有能耗大、机械磨损严重、使用寿命短等缺点。从技术角度分析，由于该自动扶梯采用星三角启动方式启动，且其所在商场的营业时间为9：00—22：00，每日的10：00—12：00和19：00—10：00为自动扶梯的使用高峰期，载客率相对较高，而其余的时间内自动扶梯仍处于高速、空载运行状态，进而使自动扶梯存在以下3点问题：①耗电量非常大。自动扶梯在相同空载条件下运转速度越快，则表明电动机输出的功率越大，能耗也越大。②零部件更换费用不断提高。由于普通自动扶梯长时间处于高速运转的状态，扶手带、梯级滚轮、梯级链轮和蜗轮蜗杆等关健部件磨损加剧，最终需要更换。而更换这些部件的费用高、难度大，且会延长停梯时间。③机械部件磨损严重，导致自动扶梯故障率高、噪声大、各项安全参数超标，无法保证使用安全，甚至无法使用。

2 节能控制的方式

2009-05-01，国务院颁发修改的《特种设备安全监察条例》正式实施，着重增加了特种设备节能方面的要求，进一步促进了特种设备节能技术的创新和应用。变频节能控制方式是目前自动扶梯、电梯节能改造的重点之一，其主要分为两种模式，即变频非自启动（快慢循环）模式和变频自启动（快慢停循环） 模式。

2.1 变频非自启动（快慢循环）模式

该模式通过增设变频器来控制扶梯的运行速度。当梯级上有乘客时，扶梯以额定速度运行；当乘客检测装置在一段时间内（该时间参数可自行设定）未检测到乘客通过时，扶梯自动转为低速运行（一般为额定速度的1/2），此后一直处于低速待机运行状态，只有当检测到有乘客时，自动扶梯才会自动切换至正常运行状态。其运行过程分为以下4步：①通过控制器程序设置额定速度运行的时间（Tq），具体数值根据自动扶梯的提升高度和运行速度确定；自动扶梯采取低速节能模式运行，乘客检测装置开始工作。②当乘客检测装置检测到乘客通过时，高速运行时间计数器清零，自动扶梯加速至额定速度运行。③高速运行时间计数器开始计数，当Tg

2.2 变频自启动（快慢停循环）模式

该模式与上述快、慢循环模式的原理基本相同，只增加了停止运行模式，即在自动扶梯低速运行时，当乘客检测装置在一段时间内（此参数可自行设置）未检测到乘客通过时，扶梯进入停止运行状态；当乘客检测装置检测到乘客通过时，扶梯自启动至额定速度运行状态，即快慢停循环模式。其运行过程和原理与快慢循环模式基本相同，只在回路中增设了一个低速运行时间计数器（时间值为Td）和扶梯低速运行时间值（Ts）。在自动扶梯处于低速运行状态时，低速运行时间计数器开始计时。当Td

3 节能改造

自动扶梯节能改造的总体原则有以下3点：①在对扶梯正常使用不造成任何负面影响的前提下，采用光电开关检测、矢量控制变频器驱动的方法改造自动扶梯，即有乘客乘坐时，扶梯以原有设计速度运行；无人乘坐时，扶梯进入慢速爬行或停止运行（根据用户实际情况选择）状态。②安装光电开关。在自动扶梯上、下部分别安装光电检测开关，当有乘客通过光电开关时，人体挡住了光源，光电开关发出开关信号，变频器开始加速；无人乘坐时，自动扶梯进入慢速爬行状态；③安装变频器。变频器可改变自动扶梯的转速，使自动扶梯启动、运行平稳。在变频器的作用下，无乘客时自动扶梯会进入慢速运行或停止状态；有乘客进入时，光电开关发出信号，自动扶梯加速至额定速度，延时后进入停止或慢速爬行状态，乘客再次进入时重新启动，依此重复运转。这样可节省电能、减少机械磨损和延长自动扶梯的使用寿命。

3.1 入口检测装置的选用

在安装前，要审核进入自动扶梯的改造人员。在安装方面，布线应简单，安装应方便，加装后不可影响自动扶梯的美观，且符合经济方面的要求。本方案采用RL12M-ZNk型红外光电开关。该光电开关的抗干扰能力强，触点动作灵敏、可靠；电源为DC10～30 V；输出端可选择常开或常闭触点，其探测距离可达到2～4 m，而对自动扶梯的探测所需的距离<1.1 m，可满足检测要求。

3.2 红外光电开关的工作原理和安装

光是一种电磁射线，其特性与无线电波、Χ射线相同，传递速度约为3.0×108 m/s。因此，光可在发射的一瞬间被接收。红外线光电开关利用人眼不可见的近红外线和红外线（波长为780 nm～1 mm）来检测、判别物体。通过光电装置瞬间发射的微弱光束可被安全、可靠、准确地发射和接收。红外线光电开关的重要作用是可调节光的强度，即利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化，还可利用光束反射物体，使光束发射后瞬间返回。红外线光电开关由发射器、接收器和检测电路三部分组成。

发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。可不间断地发射光束或改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，会向着目标不断接近。接收器由光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面装有光学元件，比如透镜和光圈等；其后为检测电路，可滤出有效信号和应用信号。通过接收电路处理后的信号，可驱动继电器动作，并使其常开触点接通，触发定时器开始定时，变频器加速至额定速度运行。

3.3 变频器的选型和实际应用

由于自动扶梯采用恒转矩负载形式，且以载客为目的，所以，调速系统要求自动扶梯启动、运行平稳、无抖动，且启动转矩大、过载能力强、转速调节精度高、开环时的速度误差小、转矩响应时间短。综合上述要求，本方案决定采用FRN11G11UD-4型无感矢量控制变频器调速控制。该变频器的特点为外控制信号具备多组多功能可编程数字输入端子，可实现系统的自动检测。其变频器主要功能参数如表1所示。该改造项目的自动扶梯控制系统本身采用PLC控制，安全性和可靠性较高。本方案仅对驱动部分进行了改造，对其他各个控制回路，比如制动器控制回路不作任何改变。将变频器垂直安装在通风良好的部位，以便于调试。依照改造后的主拖动原理图完成接线，如图1所示，并根据变频器使用手册的要求完成所有地线的连接。

表1 变频器主要功能参数表

功能代码 名称 预调值 备注

F00 密码 不要设定

F01 速度指令输入方式 0

F02 运行操作 1

F03 最高输出频率 50

F04 额定频率 50

F07 加速时间1 2.5

F08 加速时间2 2.5

F09 转距提升 6.1

F10 电子热继电器动作选择 1

F17 频率设定增益 100

F23 启动频率 0.3

F24 启动频率保持时间 0.2

F25 停止频率 0.1

F27 电机运动噪声 0

E01 X1端子功能选择 0

E02 X2端子功能选择 1

E20 Y1端子功能选择 0

E30 速度一致检测值 0.2

E31 速度一致动作值 60

001 速度指令方式选择 1

在本方案中，由采用交流单速电动机驱动、链轮链条式传动的方式变为了直接启动方式。自动扶梯启动后，以0.5 m/s的额定速度连续运行的主拖动电路中，在不对自动扶梯的正常使用造成任何负面影响的前提下，保留了原有的安全控制回路，并将原主拖动控制电路改造成了采用交流变频调速驱动的方式，如图2所示。此外，还需在自动扶梯上、下入口处各增加一套乘客进入检测装置，并引入无速度传感器矢量变频调速概念改造主拖动回路。

注：KQK—空气开关，SC—上行接触器，XC—下行接触器，KZC—运行接触器，

RJ—热继电器，QDC—星形接触器，YXC—角形接触器

图1 原主拖动控制电路

图2 改造后主拖动控制电路

自动扶梯通过变频器启动，并以20%的额定速度（0.10 m/s）运行。当安装在自动扶梯入口的检测装置检测到有乘客进入（X1接通）时，则自动扶梯平稳加速至100%的额定速度（0.50 m/s）运行；如果在设定时间内入口检测装置未检测到乘客进入（X1断开）时，则自动扶梯由100%的额定速度（0.50 m/s）自动降至以20%的额定速度（0.10 m/s）低速运行待客。

4 效果分析

改造前，自动扶梯每日用电量为152 kW·h；改造后的节能效果十分明显，一年可节电16 060 kW·h。总之，自动扶梯改造后具有以下优点：①系统采用PLC可编程序控制器与变频器的控制组合，具有功能强大、改造工作量小的特点。②节能效果明显。无人乘梯时，可保证扶梯自动、平稳过渡至节能运行状态，并以20%的额定速度运行。此时，电动机的实际运行功率只有原来的40%左右，用电量明显降低。③该改造方案的适用性强，适用于所有在用的非变频驱动自动扶梯（自动人行道）。④采用变频技术大大减弱了自动扶梯启动时电流对电网的冲击，可有效改善电网的功率因素、降低无功损耗（变频器为容性负载，可有效改善电动机的功率因素，以减小无功损耗）。⑤自动扶梯空载时以低速运行，噪声大大降低，且减少了机械部件的磨损、延长了自动扶梯的使用寿命。

改造后，大大提高了自动扶梯的使用效率，节省了人力资源，降低了维修费用，实现了安全运行的目的，得到了乘客的一致好评。

5 结束语

综上所述，在自动扶梯的运行过程中，空载、轻载占据了绝大部分运行时间。而通过节能改造，能很好地解决该问题，

在空载、轻载运行中降低能量损耗。虽然目前生产的自动扶梯均采用了相应的节能控制技术，但有很多普通自动扶梯仍在使用中，因此，推广自动扶梯的改造技术极为重要，应根据具体情况选择最合适的改造方案，从而延长电梯的使用寿命、降低使用成本，为全社会的节能减排作贡献。

参考文献

[1]秦乐，顾德仁.自动扶梯节能运行改造方案[J].起重运输机械，2011（12）.

[2]张瑜亮.浅谈自动扶梯的节能技术[J].中国科技信息，2009（14）.

〔编辑：张思楠〕