基于多级驱动变频调速的节能自动扶梯的设计与研究

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随着经济快速发展，自动扶梯成为公共场所运送乘客的典型设备，已被广泛应用在商尝机尝地铁、宾馆等场所。目前，自动扶梯的供电方式大多是由商用电源供电，其工作特点为无逻辑判断地连续 自行运转，在无人乘坐时自动扶梯仍然运行。在乘客周期性明显的诚，如机尝地铁站，在飞机或列车到来时才有乘客，其余时间都很少有乘客，这种运行方式存在着很大的能源浪费，这使 自动扶梯 的节能研究成为-个热点。

现在也有少量节能扶梯，比如自动星角变换的自动扶梯、自动启停的自动扶梯、调压调速或软启动器自动扶梯、变频调速 自动扶梯等。虽然武汉理工大学 自主创新研究基金资助- 72 - 它们都有-定的节能减排效果，但是却存在较多的不足之处。其中自动星角变换 自动扶梯只能节能，并不能延长 自动扶梯机械系统的使用寿命 ；自动启停的自动扶梯频繁启动，停止增加了电气和机械系统的冲击和噪声，机械磨损大，更不适用于 11 kW 以上电机的频繁启动，因为启动电流太大对电网有影响 ；调压调速或软启动器 自动扶梯的移相控制增加了电网的高次谐波，污染电网，引起电动机发热、温升和噪声 ；变频调速自动扶梯是给原有的 自动扶梯加装附加控制柜，并与原自动扶梯控制系统结合，使改造后的自动扶梯控制系统具有智能功能 J，但成本较高。鉴于此，本文提出了-种基于多级驱动变频调速的自动节能扶梯的设计。

《起重运输机械》 2013(7)1 整机设计及工作原理基于多级驱动变频调速的自动节能扶梯 (如图 1所示)主要 由串联式锥齿轮组、变频电机、梯路系统、主传动系统、梯路张紧系统、电气保护系统、安全保护系统构成 ，通过闭环式速度反馈来调节自动扶梯的正常运行。

利用多级驱动提供驱动力，在驱动电动机 中既有变频电动机，也有普通三相异步电动机，通过闭环式速度反镭制来调节电动机的启闭以达到调节自动扶梯的正常运行的 目标，具体工作原理如下 ：图 1 基于多级驱动变频调速的自动节能扶梯结构示意图1)当自动扶梯上的乘客较多时，通过闭环式速度反镭制系统调节所有的电动机提供较小的驱动力，便可维持扶梯的正常运行。

2)当自动扶梯上的乘客较少时，通过闭环式速度反镭制调节其中的普通三相异步电动机均关闭，只留下变频电动机提供正常运行的驱动力即可。

3)当自动扶梯上无乘客时，通过闭环式速度反镭制调节其中的-个变频电动机提供-个较小的驱动力使 自动扶梯缓慢运行，当然，此时更好的选择是停止运动。

2 自动扶梯的功率消耗分析2.1 扶手带系统扶手带系统简图如图 2所示，则扶手带消耗的功率为Ph2(P1P2)[COSO×H/sina(AB)]f，vP1[COSO/×H/sinoz《起重运输机械》 2013 (7)(AB)]Lv (1)式中：P 为扶手带 自重；P 为乘客施加给扶手带的载荷； 为扶手带与导轨的摩擦因数， 0.3； 为扶手带与托辊轮的摩擦因数， 0.05；日为自动扶梯的提升高度； 为 自动扶梯的倾斜角；V为自动扶梯的运行速度。

图2 扶手带系统简图2.2 梯路系统梯路系统简图如图 3所示，则梯路摩擦消耗功率为：图 3 梯路系统简图P (P。P4)[c。s × H (cD)P3[COSOL× r/(0.4sinot)(CD)]f3(2)式中：P 为梯级与链条 自重；P 为乘客载荷，P 700 ，N/0.4 m； 为梯级主副轮与导轨的摩擦因数， 0.01； 为乘客系数，尼2；为满载系数 0.9。

乘客载荷消耗的功率为P P4vH (3)2.3 总消耗功率Nrt(PhP 1P ) (4)式中：1，为功率富裕系数，n1.15j。

对于型号确定的 自动扶梯，其 P 、P：、 、厂2、 、P 、 、k、 均为定值，只有 和 Ol为变量，故总功率消耗函数可以表示成二元函数，即- 73 - 厂(H，Ot)N1.1(PhP P )自动扶梯的提升高度 日和倾斜角 Ot有联系，即H L/cotct式中： 为 自动扶梯的水平移动距离。

故自动扶梯的总消耗功率为N L，H)1.1v2[P1( )Pzf1]( B) (2P3P4)(2.5AB)P4H(5)基于 Matlab对 自动扶梯的总消耗功率函数 Ⅳ ( ， )进行拟合，得到总消耗功率 J7、r随提升高度和水平移动距离的变化如图4所示。

总消耗功率：NflL， 10s图4 自动扶梯总消耗功率的变化从图4中可以看出，自动扶梯的总消耗功率随自动扶梯的提升高度的升高而增大，亦随自动扶梯的水平移动距离的增大而增大。

3 自动扶梯的功率消耗计算分析针对中提升高度的自动扶梯，以满载上升的工况计算。

3.1 梯路系统的驱动力矩自动扶梯的梯路系统如图 5所示，当自动扶梯满载上升时，驱动主轴牵引链轮上的圆周力为P梯S13-So (6)在考虑张紧系统的摩擦损耗时，张紧链轮的张紧力为A1.2(.s556) (7)梯路系统的驱动力矩为： P梯 (8)- 74 - 图5 梯路系统的逐点计算式中：D驱 为牵引链轮的节圆直径。

运用逐点法1 对 自动扶梯的梯路牵引构件进行计算，则M梯[-8 080.660.515q梯(Z6-7f7-8)0.515q.Z7- 81.015(g梯9人)0.05(q梯q人)Zl1-120.05q梯f12-l30.052q梯 Z4- 5 - 1.015q梯Z2- 3n (sina-0.05cosa)o.05q梯fl0]。

表 1 算式中各符号的意义代号 含义 计算及说明g梯 梯路线载荷 g梯： 2q链级Q人qx 乘客线载荷 人q链 牵引链条的线载荷 N/mg级 -只扶梯的自重 NQ人 每-乘客的计算 自重 可取 Q 600 N∞ 自动扶梯的满载系数 0.6(2-V)Od 自动扶梯的倾斜角3.2 扶手系统的驱动力矩自动扶梯的扶手带系统如图6所示，当自动扶梯满载上升时，扶手带驱动滑轮圆周力为P扶S13-S0 (9)扶手带驱动轮的驱动力矩为n P扶 (10)式中：D鳜 为扶手带驱动滑轮的直径。

运用逐点法 对 自动扶梯的扶手带系统进行计算，则M扶[e1.645/3(300q扶日)《起重运输机械》 2013(7)8 6 4 2 8 6 4 2 距离不变时，多级驱动 自动扶梯的总消耗功率随自动扶梯的起升高度的增加而缓慢增大；当自动扶梯的提升高度不变时，多级驱动 自动扶梯的总功率消耗随自动扶梯的水平移动距离的增加而缓慢增大。

通过对图7和图8进行对比得出，多级驱动自动扶梯的总消耗功率随自动扶梯的提升高度的增加而增加的程度不明显，而是缓慢上升，而单级驱动 自动扶梯的总消耗功率基本上是维持稳定的上升速度，故多级驱动自动扶梯 比单级驱动 自动扶梯节能。

4 电动机数量的优化设普通自动扶梯电动机的功率为 Pn，基于多级驱动变频调速串联式 自动节能扶梯的普通电机的数量和功率分别为n 和 P 、变频调速电机的数量和功率分别为 Ft 和 P ，普通电机和变频电机的成本分别为 和 。利用 Matlab对基于多级驱动变频调速的自动节能扶梯的电机数量进行优化。

以成本和功率为因变量的双 目标优化，在满足自动扶梯正常工作的条件下，尽量降低成本，通过 Matlab将多级驱动变频调速 自动扶梯的驱动电机的数量随起升高度的变化的趋势进行拟合，得到多级驱动变频调速 自动节能扶梯的普通三相异步电动机和变频电动机的数量随 自动扶梯的起升高度的变化如图9所示。

n -普通三相电动机的数量n -变频调速电动机的数量图9 电动机的数量随起升高度的变化基于自动扶梯成本的考虑，在满足 自动扶梯正常运行的前提下，可以用多级驱动来代替端部驱动，将部分驱动电机换成变频电动机，不仅能- 76 - 满足其使用要求，还能降低 自动扶梯的能耗，从而达到节能的效果。

5 自动扶梯能耗对比分别对不同起升高度的多级驱动变频调速 自动扶梯进行分析，记录不同起升高度所需电机的数量，然后计算其总功率与端部驱动自动扶梯的总消耗功率，通过 SPSS软件进行统计分析，得到基于多级驱动变频调速 自动节能扶梯与端部驱动自动扶梯和多级驱动 自动扶梯的能耗对比如图 l0所示。

图 10 不同种类自动扶梯的能耗对比假如端部驱动自动扶梯的能耗为 100%，可以看出，多级驱动 自动扶梯的能耗为端部驱动 自动扶梯的71%，而基于多级驱动变频调速 自动节能扶梯的能耗仅为端部驱动自动扶梯的59%，节约了自动扶梯的能耗。

6 结论1)将多级驱动和变频调速技术同时用于 自动扶梯，通过 SolidWorks建立三维模型，模拟自动扶梯的正常工作，验证了方案的可行性。

2)通过理论分析，得到 自动扶梯的总消耗功率的表达式，为分析不同种类 自动扶梯的能耗量提供了理论依据。

3)通过 Matlab对自动扶梯的总消耗功率进行拟合，得出自动扶梯的总消耗功率随自动扶梯的起升高度和水平移动距离的增加而增大；对普通自动扶梯和基于多级驱动变频调速自动节能扶梯的总消耗功率进行能耗分析，得出基于多级驱动变频调速的自动节能扶梯的总消耗功率随起升高度和水平移动距离的增加而增大的上升速率的变《起重运输机械》 2013(7)化小于普通 自动扶梯的上升速率，客观地验证了基于多级驱动变频调速的 自动节能扶梯的节能研究具有良好的研究前景。

4)通过 Matlab以成本和总功率消耗为 目标函数对普通三相电动机和变频电动机的数量进行双目标优化，在满足 自动扶梯正常运行的前提下使自动扶梯的成本最低，从而提高了该 自动扶梯的推广价值。

5)通过 Matlab对不同起升高度的自动扶梯进行能耗分析，并结合 SPSS对所有的能耗数据进行统计分析，得出基于多级驱动变频调速的自动节能扶梯与普通端部驱动 自动扶梯和多级驱动 自动扶梯的能耗量对比，验证了基于多级驱动变频调速的自动节能扶梯具有良好的节能效果。