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【摘 要】自动扶梯广泛应用于地铁、车站、商场、宾馆等公共场所，传统的自动扶梯有20%~40%的能量以热量的形式被白白的浪费掉。自动扶梯运行的时间每天达14 h以上，但运行在额定负载下的情况却很短，有关统计表明，即使在人流蜂拥的地铁站内，自动扶梯的持续运行率也仅为25%~30%，因而，自动扶梯普遍存在长期低载甚至空载运行的状况，造成电力资源严重浪费。因此，对自动扶梯节能控制技术进行研究，显得尤为重要。
【关键词】监测变频；单片机控制；自动扶梯
1.自动扶梯电机能耗分析
大多数自动扶梯驱动系统的核心是一个交流（AC）感应电机。尽管交流感应电机是可靠的动力源，许多“终端用户”却不知交流电机在载荷较轻时，其效率很低。由于大多数交流电机固有的设计，交流电机20%~40%做的是无用功，这部分能量常常以热量的形式白白被浪费掉。
电动机在正常运行状态下的功率损耗主要有3个部分：即定子铜耗、定子铁耗和转子铜耗。由于转子中的电流频率很低，因此转子的铁耗较小，可以忽略不计，另外，机械损耗和附加损耗也是较小的，可以忽略。而定子铜耗和转子铜耗分别与定子和转子中的电流的平方成正比，因此，减小电流将显著降低这两种损耗。至于定子中的铁耗，包括磁滞损耗和涡流损耗，两者都近似地与电源频率成正比，与铁芯中的磁感应强度的平方成正比，由此可见，减小频率和降低铁芯磁通密度将会显著降低定子铁耗。
根据电机学原理可知：
输入功率=定子铜耗+铁耗+转子铜耗+机械损耗+附加损耗+输出功率=（定子铜耗+转子铜耗）+（铁耗+机械损耗+附加损耗）+输出功率=可变损耗+损耗+输出=损耗+输出功率
从以上分析可知，要想使自动扶梯电机节能，就必须从减少电机损耗和减少输出功率两方面进行。
1.1减少损耗
减少损耗也就是提高电机的工作效率。通常电机的工作效率在75%~80%额定负载时效率最高。在轻载时可调整输入电压来减少损耗，当可变损耗等于不变损耗时，异步电机的效率达到最大值。
1.2减少输出功率
电机的输出功率与转速成正比，采用变频调速可线性减少自动扶梯的输出功率，而达到节能的目的。微机变频调速是通过调节电源的频率来改变异步电机的转速，在自动扶梯无人空载时可降低扶梯的转速（如20%或50%额定转速），进行节能，在扶梯检测到需要载人时再事前恢复到正常速度。变频器在轻载时，可自行调整输入电压来降低损耗。
2.有效功率、视在功率、无功功率、功率因数
给典型的交流电机绕组供电时，电压波形就会以一定的角度差产生电流波形。角度差是电路阻抗的函数，那么，交流电路的功率就等于电压的有效值和电流的有效值的乘积再乘以二者之间的相位角余弦所得的值。这个功率就是常提到的有效功率，实际功率或平均功率，作用在系统中的实际功率。
所有的感性电路如电机绕组都存在无功功率或者说无用功率（单位为乏）。无功功率也称之为消耗功率：这个功率不做功，而是以热量的形式消耗了。
交流电路中的视在功率可以用测量的电压值乘以电流值求得，无需参考电压和电流波形间的角度差。系统消耗的视在功率通常比有效功率大些。系统消耗的功率包括有效功率（做功）和无功功率（单位为”乏”）。电路的功率因数（λ）可以用有效功率除以视在功率的关系式来表达，还可以用电压和电流波形的相位角度差的余弦来表示。一般来说，功率因数越接近”1”，浪费的能量就越少。
总而言之，交流电机绕组表现出的是电感特性（也有电抗特性），能够改变电流，因此，在载荷较小的情况下消耗的能量比所需的要多。当电机的载荷增大时，功率因数也将随之增大，因为电压和电流间的角度差变小。这样，电机效率提高了，浪费的功率也少了。
3.异步电机的运行性能
根据异步电机的等效电路可以计算电机的各种运行性能，也可以通过空载试验和短路试验做出异步电机的“圆图”，进而得到电机输出转矩、效率、转差率、定子电流、功率因数等参数与电机输出功率的关系曲线。异步电机在轻载或空载时的效率是很低的，理由是电机的激磁电流即电机的空载电流较大，电机的定子铜耗，特别是定子铁耗在轻载时并不比额定载荷时降低多少，因为空载电流较大，导致电机在轻载时功率因数很低。异步电机的这一运行特性，正是能在自动扶梯上实现降压节能的基础。
4.系统结构
自动扶梯节能控制系统以AT89C51CPU为核心，其扩展电路大致可分为3个部分，首先由自动扶梯上下行星、三角型起动，润滑泵及照明等系统组成的基本控制主回路；由TOS82C79芯片，自动扶梯现场安全运行保护开关，故障显示板等组成的安全运行监控回路；最后是由串行通信口、机房电脑、电缆等组成的上下位网络通讯回路。这里设计的重点是第二、五回路，突出扶梯的安全性，进一步提高自动扶梯的整体性能。
５．扶梯变频节能控制系统运行特性
扶梯变频节能控制系统具有变频运行和备用运行两种工作方式。
5.1变频运行工作方式
此方式为正常工作方式，它可根据客流情况，自动变换调整运行速度，达到节能和减少磨损的效果。当位于扶梯两端的传感器检测到有乘客进入时，扶梯自动平稳地将速度提高到正常额定值（0.5m/s），快速完成运客功能。在此期间如果有乘客陆续进入，则自动复位计时延长运行时间，以保证将所有的乘客运达。
当扶梯延时运行一段时间（可根据需要设定为30~180s），两端传感器一直没有探测到有乘客进入，则自动平稳地降速闲置运行，速度可根据需要设定在0.05~0.25m/s。如果扶梯闲置时间达到了5min之久，则可停止运行进入待客状态，如有乘客进入，则自动恢复运行，这样可达到最佳的节能运行方式。（此功能可通过微处理器板上的开关选定）。
如果在客流量不是很大的情况，为了达到最大节能，也可以设定传感器在一段时间内检测不到有乘客进入时，则扶梯停止运行，设立在上下入口处的运行指示灯正常亮灯指示乘客扶梯运行方向，如果乘客从正向感应入梯，扶梯自动平稳地将速度提高到正常额定值（0.5 m/s），快速完成运客功能。如果从反向感应入梯，扶梯正向启动并蜂鸣器鸣叫，警告乘客不能乘梯。
5.2备用工作方式
可以通过切换开关选择备用工作方式，即单速运行方式。此功能可作为应急使用，当变频器或传感器出现故障、或客流量短期增加需要连续快速运行时可保证运客功能。
5.3无级变速曲线
由于变频驱动方式的采用，使速度的转换以无级平滑缓慢的效果完成，过度时间长达5s，即使扶梯上有乘客站立，也不会因速度的变化带来任何的危险和不适。
6.控制方案的逻辑分析
提出自动扶梯节能控制的最佳控制方案：采用瞬时检测技术、单片机控制、调速调压变频智能控制系统，将其用于自动扶梯中能够节约能源40%以上。为了更好的节能，采用两级确认。
（１）在停梯状态→由传感器检测到有乘客进入时，使扶梯慢速启动，对射传感器检测到有乘客进入时，扶梯以正常额定值，快速完成运客功能。
（２）在正常运行状态→当扶梯延时运行一段时间（可根据需要设定），两端传感器一直没有探测到有乘客进入，则扶梯自动平稳地降速闲置运行（速度可根据需要设定）→进入停梯状态。
（３）防止反向人员进入→在停梯状态时，传感器检测到反向行人，正常慢速启动，同时蜂鸣器报警，提示行人不能乘梯。
7.结论
基于单片机自适应模糊算法自动扶梯节能控制系统已应用在多个车站和酒店，实践证明，通过从理论上对自动扶梯节能控制技术的研究，提出最佳控制方案-采用瞬时检测技术、自适应模糊算法、单片机控制、调速调压变频智能控制系统，将扶梯的运行状态由单速形式升级为变频无级调速形式，以实现无乘客时自动进入慢速或停止状态，有乘客时自动平稳地进入正常快速状态。实践证明该系统节约能源效果明显，将会产生巨大的经济效益和良好的社会效益。
【参考文献】
［１］聂辉.变频器在自动扶梯上的应用[J]．变频器世界,2005,(10).
［２］李雪枫,武丽梅,李立新.电梯机械系统的动态特性分析[J]．机械工程师, 2007,(01).
［３］李澄,张广明,饶斐,费红举.一种自动扶梯节能方式的设计[J]．微计算机信息,2007,(10).
【关键词】监测变频；单片机控制；自动扶梯
1.自动扶梯电机能耗分析
大多数自动扶梯驱动系统的核心是一个交流（AC）感应电机。尽管交流感应电机是可靠的动力源，许多“终端用户”却不知交流电机在载荷较轻时，其效率很低。由于大多数交流电机固有的设计，交流电机20%~40%做的是无用功，这部分能量常常以热量的形式白白被浪费掉。
电动机在正常运行状态下的功率损耗主要有3个部分：即定子铜耗、定子铁耗和转子铜耗。由于转子中的电流频率很低，因此转子的铁耗较小，可以忽略不计，另外，机械损耗和附加损耗也是较小的，可以忽略。而定子铜耗和转子铜耗分别与定子和转子中的电流的平方成正比，因此，减小电流将显著降低这两种损耗。至于定子中的铁耗，包括磁滞损耗和涡流损耗，两者都近似地与电源频率成正比，与铁芯中的磁感应强度的平方成正比，由此可见，减小频率和降低铁芯磁通密度将会显著降低定子铁耗。
根据电机学原理可知：
输入功率=定子铜耗+铁耗+转子铜耗+机械损耗+附加损耗+输出功率=（定子铜耗+转子铜耗）+（铁耗+机械损耗+附加损耗）+输出功率=可变损耗+损耗+输出=损耗+输出功率
从以上分析可知，要想使自动扶梯电机节能，就必须从减少电机损耗和减少输出功率两方面进行。
1.1减少损耗
减少损耗也就是提高电机的工作效率。通常电机的工作效率在75%~80%额定负载时效率最高。在轻载时可调整输入电压来减少损耗，当可变损耗等于不变损耗时，异步电机的效率达到最大值。
1.2减少输出功率
电机的输出功率与转速成正比，采用变频调速可线性减少自动扶梯的输出功率，而达到节能的目的。微机变频调速是通过调节电源的频率来改变异步电机的转速，在自动扶梯无人空载时可降低扶梯的转速（如20%或50%额定转速），进行节能，在扶梯检测到需要载人时再事前恢复到正常速度。变频器在轻载时，可自行调整输入电压来降低损耗。
2.有效功率、视在功率、无功功率、功率因数
给典型的交流电机绕组供电时，电压波形就会以一定的角度差产生电流波形。角度差是电路阻抗的函数，那么，交流电路的功率就等于电压的有效值和电流的有效值的乘积再乘以二者之间的相位角余弦所得的值。这个功率就是常提到的有效功率，实际功率或平均功率，作用在系统中的实际功率。
所有的感性电路如电机绕组都存在无功功率或者说无用功率（单位为乏）。无功功率也称之为消耗功率：这个功率不做功，而是以热量的形式消耗了。
交流电路中的视在功率可以用测量的电压值乘以电流值求得，无需参考电压和电流波形间的角度差。系统消耗的视在功率通常比有效功率大些。系统消耗的功率包括有效功率（做功）和无功功率（单位为”乏”）。电路的功率因数（λ）可以用有效功率除以视在功率的关系式来表达，还可以用电压和电流波形的相位角度差的余弦来表示。一般来说，功率因数越接近”1”，浪费的能量就越少。
总而言之，交流电机绕组表现出的是电感特性（也有电抗特性），能够改变电流，因此，在载荷较小的情况下消耗的能量比所需的要多。当电机的载荷增大时，功率因数也将随之增大，因为电压和电流间的角度差变小。这样，电机效率提高了，浪费的功率也少了。
3.异步电机的运行性能
根据异步电机的等效电路可以计算电机的各种运行性能，也可以通过空载试验和短路试验做出异步电机的“圆图”，进而得到电机输出转矩、效率、转差率、定子电流、功率因数等参数与电机输出功率的关系曲线。异步电机在轻载或空载时的效率是很低的，理由是电机的激磁电流即电机的空载电流较大，电机的定子铜耗，特别是定子铁耗在轻载时并不比额定载荷时降低多少，因为空载电流较大，导致电机在轻载时功率因数很低。异步电机的这一运行特性，正是能在自动扶梯上实现降压节能的基础。
4.系统结构
自动扶梯节能控制系统以AT89C51CPU为核心，其扩展电路大致可分为3个部分，首先由自动扶梯上下行星、三角型起动，润滑泵及照明等系统组成的基本控制主回路；由TOS82C79芯片，自动扶梯现场安全运行保护开关，故障显示板等组成的安全运行监控回路；最后是由串行通信口、机房电脑、电缆等组成的上下位网络通讯回路。这里设计的重点是第二、五回路，突出扶梯的安全性，进一步提高自动扶梯的整体性能。
５．扶梯变频节能控制系统运行特性
扶梯变频节能控制系统具有变频运行和备用运行两种工作方式。
5.1变频运行工作方式
此方式为正常工作方式，它可根据客流情况，自动变换调整运行速度，达到节能和减少磨损的效果。当位于扶梯两端的传感器检测到有乘客进入时，扶梯自动平稳地将速度提高到正常额定值（0.5m/s），快速完成运客功能。在此期间如果有乘客陆续进入，则自动复位计时延长运行时间，以保证将所有的乘客运达。
当扶梯延时运行一段时间（可根据需要设定为30~180s），两端传感器一直没有探测到有乘客进入，则自动平稳地降速闲置运行，速度可根据需要设定在0.05~0.25m/s。如果扶梯闲置时间达到了5min之久，则可停止运行进入待客状态，如有乘客进入，则自动恢复运行，这样可达到最佳的节能运行方式。（此功能可通过微处理器板上的开关选定）。
如果在客流量不是很大的情况，为了达到最大节能，也可以设定传感器在一段时间内检测不到有乘客进入时，则扶梯停止运行，设立在上下入口处的运行指示灯正常亮灯指示乘客扶梯运行方向，如果乘客从正向感应入梯，扶梯自动平稳地将速度提高到正常额定值（0.5 m/s），快速完成运客功能。如果从反向感应入梯，扶梯正向启动并蜂鸣器鸣叫，警告乘客不能乘梯。
5.2备用工作方式
可以通过切换开关选择备用工作方式，即单速运行方式。此功能可作为应急使用，当变频器或传感器出现故障、或客流量短期增加需要连续快速运行时可保证运客功能。
5.3无级变速曲线
由于变频驱动方式的采用，使速度的转换以无级平滑缓慢的效果完成，过度时间长达5s，即使扶梯上有乘客站立，也不会因速度的变化带来任何的危险和不适。
6.控制方案的逻辑分析
提出自动扶梯节能控制的最佳控制方案：采用瞬时检测技术、单片机控制、调速调压变频智能控制系统，将其用于自动扶梯中能够节约能源40%以上。为了更好的节能，采用两级确认。
（１）在停梯状态→由传感器检测到有乘客进入时，使扶梯慢速启动，对射传感器检测到有乘客进入时，扶梯以正常额定值，快速完成运客功能。
（２）在正常运行状态→当扶梯延时运行一段时间（可根据需要设定），两端传感器一直没有探测到有乘客进入，则扶梯自动平稳地降速闲置运行（速度可根据需要设定）→进入停梯状态。
（３）防止反向人员进入→在停梯状态时，传感器检测到反向行人，正常慢速启动，同时蜂鸣器报警，提示行人不能乘梯。
7.结论
基于单片机自适应模糊算法自动扶梯节能控制系统已应用在多个车站和酒店，实践证明，通过从理论上对自动扶梯节能控制技术的研究，提出最佳控制方案-采用瞬时检测技术、自适应模糊算法、单片机控制、调速调压变频智能控制系统，将扶梯的运行状态由单速形式升级为变频无级调速形式，以实现无乘客时自动进入慢速或停止状态，有乘客时自动平稳地进入正常快速状态。实践证明该系统节约能源效果明显，将会产生巨大的经济效益和良好的社会效益。
【参考文献】
［１］聂辉.变频器在自动扶梯上的应用[J]．变频器世界,2005,(10).
［２］李雪枫,武丽梅,李立新.电梯机械系统的动态特性分析[J]．机械工程师, 2007,(01).
［３］李澄,张广明,饶斐,费红举.一种自动扶梯节能方式的设计[J]．微计算机信息,2007,(10).