基于ADE7880的电梯与自动扶梯能效测试装置*

刘文琴 李中兴



基于ADE7880的电梯与自动扶梯能效测试装置*

刘文琴 李中兴

（广州特种机电设备检测研究院）

为提高电梯与自动扶梯能效测试效率，简化测试程序，设计了电梯与自动扶梯能效测试装置。基于空载能效测试方法，以ARM处理器为核心，结合电能参数测量芯片ADE7880，设计装置系统结构，并采用电流互感器进行电流信号采集。测试结果表明：本装置与普通电能质量分析仪相比，电流、电压测试结果最大偏差为0.5%，电能最大偏差为1.8%，能效判断结果基本一致。

电梯；自动扶梯；能效测试；电能质量

0 引言

电梯作为高耗能特种设备，其能耗测试及能效评价方法一直是行业研究的热点。截止2017年底，我国电梯保有量超过500万台，并且每年以超过10%的速度增加。电梯节能降耗技术以及应用研究得到越来越多的关注[1-3]。然而，我国目前尚未形成统一的电梯能效标准，这给电梯节能监管工作带来了挑战。

国内外相关研究人员已对电梯的能效评价方法进行了理论分析和实践。美国能源效率经济委员会（ACEEE）在2005年起草相关的研究报告，分析美国的电梯能耗现状以及提高能效的方法[4]。瑞士官方对不同使用场合、不同类型的电梯进行测试和分析，提出电梯能效评价方法[5]。国际标准化组织（ISO/TC178）在2008年发布了能效标准，主要包括电梯能耗的评估和计算、能耗测试方法和仪器设备、新装和在用电梯提高能效的建议[6]。德国工程师协会2009年发布VDI 4707 Part I 行业标准，为电梯能耗测试及能效评级提供了重要依据[7]。

在2009年底，浙江省颁布了我国首个地方推荐性标准《电梯能源效率评价技术规范》，该标准规定了电梯能效测试及等级评定方法，也称为吨·千米法，其优势在于接近实际，但操作较复杂，且需要载荷，耗费较大[8]。2015年华南理工大学广州学院和广州特种机电设备检测研究院在大量测试数据的基础上，提出操作简单、可靠的在用曳引式电梯能效评价方法，只需要空载测试2个来回的能耗，即可通过计算得出电梯的能效等级，提高了测试效率，且经济方便[9]。本文基于此设计了基于ADE7880的电梯能效测试装置，以提高电梯的能效测试效率。

1 装置结构

本装置以ADE7880电能参数测量芯片和ARM处理器为核心，配合基本的外围电路、存储器、显示器及串行接口等模块组成。电流信号采集采用电流互感器的方式；电压信号采集采用电阻分压电路实现，如图1所示。依据空载能效评估方法进行数据测试与计算，得到最终能效等级。

图1 电梯与自动扶梯能效测试装置结构框图

装置主要包括数据采集模块、数据处理模块和通信模块3部分。数据采集模块用于采集电梯电能参数，包括电流和电压。其中电流信号通过电流互感器采集，采集的信号经过处理后发送到电能参数处理芯片ADE7880；经芯片内部存储并处理后待ARM处理器读取；ARM处理器对ADE7880数据进行计算，得到参考循环及辅助循环电能损耗值，经过能效评定方法得到能效等级，并对相关参数进行显示。

2 硬件设计

2.1　中央处理器

中央处理器选择STM32103系列，内核采用Cortex-M3，采用32位哈佛微体系结构Thumb-2指令，主频为72 MHz，处理速度为1.2 DMIPS/MHz，内置高达128 k字节的Flash存储器和20 k字节的SRAM存储器，含有12位的ADC、16位通用定时器、PWM定时器、I2C、SPI、USART、USB和CAN等模块。处理器高度集成使得外围电路大大简化，同时增强了系统的可靠性及可扩展性。

2.2 信号采集电路

A相电流信号采集电路如图2所示，电流互感器选择50 A/100 mA。A相电流互感器输出端子接入P5，P7端，电流互感器采集的信号经过采样、滤波电路转换成为电能参数处理芯片ADE7880可接收的信号。即图2中的IA直接输入到电能参数处理芯片用于计算功率、功耗等。

图2 A相电流采集电路

图3 A相电压采集电路

电能参数处理采用ADE7880芯片，它是一款集成的三相电能计算处理芯片，精度高，自带IIC、SPI和HSDC等串行通讯接口；可进行有功、无功及视在功率测量和计算，基本工作电路图如图4所示。由于其需要参考电压提供基准，本文采用ADR280ARTZ型基准电压器，向ADE7880提供1.20 V参考电压。此外，由于ADE7880直接接收的是强电信号，易干扰与CPU之间的传输信号，文中采用数字信号隔离器ADuM1402进行磁耦型信号隔离。它采用高速CMOS工艺和变压器技术，提供4个独立的隔离通道，可在低电压条件下实现电平转换。数据传输速率较光电耦合器更高、共模抑制能力更强。

3 软件设计

软件在uVison5平台下，采用C语言开发。软件主要完成的任务包括：系统初始化、信号采集、数据处理和存储、决策判断、数据传输和数据显示等。软件流程框图如图5所示。

上电完成初始化过程中，首先进行参数设置，包括电梯速度、额定载荷、提升高度等，以及串口通信设置。ADE7880开始数据采集时，将电梯/自动扶梯就位，启动DSP进行数据计算并存储到寄存器，完成一个循环，ARM处理器读取相关电能数据，并显示。所有测试结束后，ARM处理器按照能效计算规则进行能效评级。

图4 ADE7880基本工作电路

图5 软件流程图

4 测试结果

实验测试采用OTIS 3000G电梯，额定载荷为1600 kg；额定速度为1.0 m/s；提升高度为9层9站；传动方式为蜗轮蜗杆；实验载荷为空载。实验同时采用普通电能质量分析仪测试，并进行结果比对。电流信号对比如图6所示（测试区间为最高层到最底层）；电压信号对比如图7所示（测试区间为最高层到最底层）；电能能耗比对结果如表1所示。结合能效分级标准测得电梯运行能效等级为二级，待机能效等级为四级，符合实际情况。对于自动扶梯能效测试只要针对能效标准进行相应能耗测试，再计算即可得到相应能效等级。

图6 电流信号对比结果

图7 电压信号对比结果

从图6可以看出：普通电能质量分析仪和电梯能效测试装置测试结果基本相同，但是由于电梯能效测装置选择了50 A电流互感器，最大可测电流为50 A，而电梯的启动电流达到了51.9 A，产生了失真，对此可以更换电流互感器以匹配更大的电流信号。图7所示电压测试结果基本一致，最大偏差为0.5%。

根据空载能效测试方法，需要测试最底层到最高层再到最底层的电梯能耗值1，以及测试最底层到次高层再到最底层的电梯能耗值2。用2次空载测得的能耗值换算出对应标准能耗，分别用普通电能质量分析仪和电梯能效测试装置测得的1为107 Wh和109 Wh、2为91.3 Wh和92.1 Wh，最大偏差为1.8%。从表1可知，2种方法算出该电梯的运行能效均为二级，待机能效均为四级，对判断结果基本没有影响。

表1 能效等级对比结果

注：1为电梯参考循环能耗值；2为电梯辅助循环能耗值；1为参考循环实际测试行程；2为辅助循环实际测试行程；1为待机功率；2为轿厢照明及通风功率。

5 结论

本文采用高速的STM32系列芯片作为控制器的核心，结合电能参数测量芯片ADE7880设计了电梯与自动扶梯能效测试装置，采用电流互感器进行电流信号采集，使得线路连接更加安全。通过与普通电能质量分析仪的测试结果比对可知，电梯与自动扶梯能效测试装置的电流和电压测试结果最大偏差为0.5%，电能最大偏差为1.8%，能效判断结果基本一致。该装置内置能效等级评价算法，简化了测试流程，提高了工作效率，避免了单次测量、分别存储数据造成的数据混乱及容易丢失等问题。

[1] Dr. Lutfi Al-Sharif. Lift energy consumption general overview (1974-2001)[J]. Elevator Engineering, 2006,35(1):61-66.

[2] Dr. Lutfi Al-Sharif, Richard Peters, Rori Smith. Elevator energy simulation model[J]. Elevator World, 2004, 52 (11): 108-111.

[3] 孙立新.关于电梯能效评价的探讨[J].中国电梯,2008,19(4): 33-34.

[4] ACEEE. Opportunities for elevator energy efficiency improvements [R].ACEEE, 2005 .

[5] Jurg Nipkow, Max Schalcher. Energy consumption and efficiency potentials of lifts [R].Swiss agency for efficient energy use, 2006.

[6] ISO Standard. Energy performance of lifts and escalators-Part 1: Energy measurement and conformance [S]. ISO/DIS 25745-1. 2008.

[7] EMSD.VDI 4707 Lifts energy efficiency[S]. Verein Deutscher Ingenieure e.V., D sseldorf, 2009.

[8] 浙江省质量技术监督局.DB33/T 771-2009 电梯能源效率评价技术规范[S].杭州,2009.

[9] 马海霞,李中兴,刘英杰,等.曳引式电梯节能检测方法及装置研究[J].科学技术与工程,2016,16(32):247-250,262.

Elevator and Escalator Energy Efficiency Test Equipment Based on ADE7880

Liu Wenqin Li Zhongxing

(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

In order to improve the efficiency of elevator and escalator energy efficiency test and simplify the test procedure, this paper designed the elevator and escalator energy efficiency test device. Based on the no-load energy efficiency test method, the ARM processor is taken as the core, combined with the energy parameter measurement chip ADE7880, the device system structure is given, and the current transformer is used for current signal acquisition. The test results show that compared with the ordinary power quality analyzer, the current and voltage test results of the design device are basically the same, the maximum deviation is 0.5%, the maximum deviation of electric energy is 1.8%, and the energy efficiency judgment results are basically the same. However, the test process of the device is simple, the work efficiency is high, the data is clear and not easy to be lost, and has good practical value.

Elevator; Escalator; Energy Efficiency Test; Power Quality

刘文琴，女，1990年生，本科，主要研究方向：特种设备检验及研究。

李中兴（通信作者），男，1985年生，高级工程师/检验师，硕士研究生，主要研究方向：电梯安全与节能技术。E-mial: 285669644@qq.com

广州市质量技术监督局科技计划项目（2018kj10）；广东省质量技术监督局科技计划项目（2018PT10）。