CN105584926B - 一种自动扶梯与自动人行道能耗计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自动扶梯控制技术领域，具体来说是一种自动扶梯与自动人行道能耗的计算方法，自动扶梯能耗Emain由扶手部分Ehandtrial、梯级部分Estep与载荷Eload三部分组成，并且Emain＝Ehandtrial+Estep+Eload，当在无载荷情况下，电梯能耗由扶手部分和梯级部分组成：Emain‑no‑load＝Eno‑load‑handtrial+Eno‑load‑step建立了自动扶梯与自动人行***的能耗计算仿真模型，通过理论计算的方式得到自动扶梯与自动人行道运行中的功率曲线和能耗结果，大大减轻现场测量的工作量，也为以后自动扶梯与自动人行能耗评价工作提供了极大的方便。
Description
[技术领域]
本发明涉及自动扶梯控制技术领域，具体来说是一种自动扶梯与自动人行道能耗的计算方法。
[背景技术]
自动扶梯是由一台特种结构型式的链式输送机和两台特殊结构型式的胶带输送机所组合而成的，自动扶梯由一系列的梯级与两根牵引链条连接在一起，在按一定线路布置的导轨上运行，即形成自动扶梯的梯路。上牵引链轮(即主轴)通过减速器等与电动机相连以获得动力，扶手两旁装有与梯路同步运行的扶手装置，以供乘客扶手之用，扶手装置同样由上述电动机驱动。自动扶梯主要是由驱动装置将动力传递给梯路***及扶手***。
扶手装置由扶手驱动***、扶手胶带、栏杆等组成，扶手装置是装在自动扶梯梯路两侧的两台特种结构形式的胶带输送机。常用的扶手***有两种结构型式，一种是传统使用的摩擦轮驱动型式，另一种是压滚轮驱动型式。自动扶梯在空载运行情况下，能源主要消耗于克服梯路***的运行阻力和扶手***的运行阻力，其中空载扶手运行阻力占空载总运行阻力的80％左右。由此可知：减少扶手运行阻力，尤其是空载运行阻力，可以大幅度地降低能源消耗。
自动扶梯的梯级和梯路***部分：主要由梯级、梯级传动链条、梯路导轨、梯路驱动和张紧装置以及围裙板组成。梯级的主轮的轮轴与牵引链条铰接在一起，而辅轮轮轴则不与牵引链条连接，全部梯级通过按一定规律布置的梯路导 轨上运行，梯路的运行在需要电动机传递能量到驱动装置使得梯级运行，所以梯级和梯路***部分能耗是自动扶梯能耗的一个部分。
由此可知，自动扶梯的能耗组成主要是：主驱动***能耗(包括扶手带***能耗、梯级***能耗、输送乘客能耗)和控制***能耗(即辅助设备)组成。自动扶梯由于要符合不同建筑物的结构建造，所以提升高度、长度与倾斜角度会相应变化。由基本物理原理可知，提升高度、长度与倾斜角度的变化是不同自动扶梯扶手***与梯级***能耗不同的原因之一，并使得不同建筑物中的自动扶梯的扶手***与梯级***的能耗不同。而控制***的电力能耗是个相对固定的值，所以在能耗因素分析方面要着重考虑扶手***与梯级***的能耗。
另外，不同场合的扶梯运行速度与承载状态都会有所不同，比如参与交通运输的自动扶梯可能比大型商场中的自动扶梯有更快的速度；不同人流密度的自动扶梯每日载荷不同能耗也会相应有所变化，所以速度变化也是能耗变化的组成因素之一。现场自动扶梯与自动人行道能耗测量是一项非常繁重的工作，尤其是加载、卸载，以及不断的行驶、停靠过程，非常地繁琐。
[发明内容]
由于我国还没有一套***的、完整的评价和测试体系，并缺乏对自动扶梯和自动人行道在不同的状况条件下能量消耗组成和影响因素的分析和研究，所以本发明的目的是针对自动扶梯和自动人行道运行能耗现状，建立自动扶梯与自动人行***的能耗计算方法及模型。
为了上述目的，设计一种自动扶梯与自动人行道能耗计算方法，自动扶梯能耗Emain由扶手部分Ehandtrial、梯级部分Estep与载荷Eload三部分组成，并且 Emain＝Ehandtrial+Estep+Eload，其中，
扶梯上行时载荷能耗Eload为：
扶梯下行时载荷能耗Eload为：
式中：α为倾斜角度；单位为度；t为时间，单位为秒；N为乘客数量；m为乘客质量，单位为kg；g为重力加速度，单位为m/s2；H为提升高度，单位为m；μ为摩擦系数；η为效率；
当在无载荷情况下，电梯能耗由扶手部分和梯级部分组成：
Emain-no-load＝Eno-load-handtrial+Eno-load-step (3)
由于单位时间的能耗情况不变，设自动扶梯运行时间为t，无载荷下扶手带部分功率为Pno_load_handrail，无载荷下梯级部分功率为Pno_load_step，且Eno_load_handrail＝t·Pno_load_handrail；Eno_load_step＝t·Pno_load_step，式(3)变换为
Pmain_no_load＝Pno_load_handrail+Pno_load_step/pallet (4)
无载荷扶手带部分功率Pno_load_handrail计算公式为
无载荷下梯级部分功率为Pno_load_step的计算公式为
式中：A为单位长度上的扶手带水平方向上的分力，单位为N/m；B为扶手带水平方向上拉力的常量，单位为N；C为梯级带反向拉力的常量部分，单位为kN；α为梯级、踏板或胶带运动的最大水平夹角(倾斜角度)，单位为度；H为上下楼层之间的垂直距离(提升高度)，单位为m；v为自动扶梯或自动人行道的名义速度(速度)，单位为m/s；ηno load为空载状态的效率；mSB/PB为梯级/踏板的质量，单位为kg；mchain为链条质量，单位为kg/m；μSB/PB为梯级/踏板的摩擦系数；
将具体数值代入式(5)和式(6)中进行化简，然后将化简后的式(5)、(6)代入式(4)，并对式(4)两边取对数，可得出在无载状态下三个变量的自然对数与功率对数呈线性和的关系，由此使用多元线性回归模型对自动扶梯能效进行定量分析。
对空载情况下自动扶梯能效进行定量分析的多元线性回归模型如下：设有多元线性回归模型为
y＝b1x1+b2x2+...+bpxp+ε (7)
式中：ε＝N(0,σ2)，即随机误差服从均值为0，方差为σ2的正态分布，
令β＝(b1,b2,...,bp)T,x＝(x0,x1,...,xp)，则(8)式表示为
y＝xβ+ε (8)
由此获得y和x0,x1,...xp的n组观测值，
结合多元线性回归的模型，将无载情况下能耗问题转换成功率与三个变量的多元线性回归问题，同时建立多元回归方程
ln P＝β0+β1ln x1+β2ln x2+β3ln x3+ε (9)
式中：x1为运行速度v；x2为倾斜角余弦cosα；x3为扶梯长度l＝H/tanα；ε为随机误差项，服从ε～N(0,σ2)；β0为模型修正的回归常数项，无实际意义，β1、β2、β3分别为偏回归系数，表示在其他物理量不变的情况下，其每增加一个单位量，能耗所对应增加的数值。
自动扶梯与自动人行道能耗的计算方法还包括求解自动扶梯能效的多元线性回归模型，通过减少影响变量与预测值的差值得到模型参数，即分别将实测速度v、倾斜角度余弦cosα、扶梯长度l＝H/tanα以及功率值Pmain_no_load的测量数值的对数值代入ln P＝β0+β1ln x1+β2ln x2+β3ln x3+ε，通过最小二乘原理，使残差的平方和最小，最终获得模型的偏回归系数β1、β2、β3，在Matlab中用最小二乘法对模型进行分析，得到功率计算值，同时与已知的功率测试值对比得出误差。
根据能耗计算方法搭建自动扶梯的能耗计算模型，包括载荷变化信号源、三相异步电动机、变频器、示波器及实时功率显示器，其中载荷变化信 号源模拟自动扶梯载荷变化，三相异步电动机模拟自动扶梯的三相异步电动机，其中有三个输入端一个为负载转矩，由载荷变化信号源输入作为电动机转矩值，另三个输入端为电机的三个相位输入；变频器模拟自动扶梯电动机变频模块，作为三相电动机元件的变频输入，通过变频子***的作用，在不同时间点输出不同频率的三个相位到三相异步电动机，起到变频作用；示波器用于对定子电流与转子电流变化的观察；实时功率显示器用于输出计算后的实时功率值；通过对自动扶梯的能耗计算模型的参数设定以及负载信号源的输入，得到不同参数下、不同负载值时自动扶梯能耗的计算值。
本发明建立了自动扶梯与自动人行***的能耗计算仿真模型，通过理论计算的方式得到自动扶梯与自动人行道运行中的功率曲线和能耗结果，大大减轻现场测量的工作量，也为以后自动扶梯与自动人行能耗评价工作提供了极大的方便。
[具体实施方式]
下面对本发明作进一步说明，这种方法和原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
自动扶梯能耗Emain主要由扶手部分Ehandtrial、梯级部分Estep与载荷Eload三部分组成，并且Emain＝Ehandtrial+Estep+Eload，其中，
载荷对导轨的重量：N·m·g
载荷对导轨的正压力：N·m·g·cosα
载荷摩擦力：N·m·g·cosα·μ
摩擦力做功：N·m·g·cosα·μ·L'(其中L'为导轨的长度)
扶梯上行时载荷能耗Eload为：所需的电能＝克服重力做功+克服摩擦力做功
其中：
为克服重力做功(η为电能到机械能的转换效率)
为克服因载荷而增加的摩擦力做功(η为电能到机械能的转换效率，μ为摩擦系数)
扶梯下行时载荷能耗Eload为：载荷的重力做功(为发电状态，不是消耗电能)，其电能消耗为：
式中：α为倾斜角度；单位为度；t为时间，单位为秒；N为乘客数量；m为乘客质量，单位为kg；g为重力加速度，单位为m/s2；H为提升高度，单 位为m；μ为摩擦系数；η为效率；
控制***的电力能耗是个相对固定的值，所以在能耗因素分析方面要着重考虑扶手***与梯级***的能耗，当在无载荷情况下，电梯能耗由扶手部分和梯级部分组成：
Emain-no-load＝Eno-load-handtrial+Eno-load-step (3)
由于单位时间的能耗情况不变，可通过梯级部分与扶手部分的功率来计算其能耗情况。设自动扶梯运行时间为t，无载荷下扶手带部分功率为Pno_load_handrail，无载荷下梯级部分功率为Pno_load_step，且Eno_load_handrail＝t·Pno_load_handrail；Eno_load_step＝t·Pno_load_step，式(3)变换为
Pmain_no_load＝Pno_load_handrail+Pno_load_stp/pallet (4)
无载荷扶手带部分功率Pno_load_handrail计算公式为
无载荷下梯级部分功率为Pno_load_step的计算公式为
式中：A为单位长度上的扶手带水平方向上的分力，单位为N/m；B为 扶手带水平方向上拉力的常量，单位为N；C为梯级带反向拉力的常量部分，单位为kN；α为梯级、踏板或胶带运动的最大水平夹角(倾斜角度)，单位为度；H为上下楼层之间的垂直距离(提升高度)，单位为m；v为自动扶梯或自动人行道的名义速度(速度)，单位为m/s；ηno load为空载状态的效率；mSB/PB为梯级/踏板的质量，单位为kg；mchain为链条质量，单位为kg/m；μSB/PB为梯级/踏板的摩擦系数；影响能耗因素的变量为倾斜角度α、提升高度H，以及运行速度v三个变量。
测量自动扶梯不同时段的各数值，见表1，表1为参数经验数值表，将表1中自动扶梯速度小于0.65m/s的情况下的数值代入式(5)和式(6)中进行化简，然后将化简后的式(5)、(6)代入式(4)，并对式(4)两边取对数，可得：
ln Pmain_no_load＝ln v+ln(0.06cosα+0.089)+ln(l+1)
式中：扶梯长度l＝H/tanα
由上式中可以看出在无载状态下三个变量的自然对数与功率对数呈线性和的关系，由此可以使用多元线性回归模型对其进行定量分析。
表1参数经验数值表
表1
由于自动扶梯的驱动装置主动力来源于三相交流电动机，自动扶梯驱动方式、速度等与电动机有着直接的联系，并且其负载的变化也会对电动机能耗产生直接的影响，搭建自动扶梯的能耗计算模型。
载荷变化信号源：模拟自动扶梯载荷变化；
三相异步电动机：模拟自动扶梯的三相异步电动机，其中有三个输入端一个为负载转矩，由载荷变化信号源输入作为电动机转矩值，另三个输入端为电机的三个相位输入；
变频器：模拟自动扶梯电动机变频模块，作为三相电动机元件的变频输入。通过变频子***的作用，在不同时间点输出不同频率的三个相位到三相异步电动机，起到变频作用；
输出部分：
1)示波器：用于对定子电流与转子电流变化的观察；
2)实时功率显示器：用于输出计算后的实时功率值。
将三相异步电动机的基本参数设定为额定功率PN＝7.5kw，额定电压UN＝400V，额定工作频率为50Hz，额定转速为nN＝1440(r/min)，变频子***的变频输出为50Hz，在PN(kw)为额定功率、nN(r/min)为额定转速情况下，额定转矩Tn＝PN/nN。
由三相交流异步电动机的机械特性可知，在定子电压、频率和其他参数固定，而负载不断变化时，负载转矩Tm与负载mload之间存在函数关系：
Tm＝mload·g·d(N·m)
式中：Tm＝mload·g·d(N·m)为重力加速度，d＝0.0086m为链轮直径，单位为N·m。
表2为不同载荷时的负载转矩。
表2
| 载荷百分比(100％) | 载荷M(kg) | 负载转矩Tm(N*m) | |
| 1 | 0％ | 0％ | 0 |
| 2 | 2％(70kg) | 70 | 5.8996 |
| 3 | 3％(105kg) | 105 | 8.8494 |
| 4 | 4％(140kg) | 140 | 11.7992 |
| 5 | 5％(175kg) | 175 | 14.749 |
| 6 | 10％(348kg) | 348 | 29.32944 |
| 7 | 15％(522kg) | 522 | 43.99416 |
| 8 | 20％(695kg) | 695 | 58.5746 |
| 9 | 25％(872kg) | 872 | 73.49216 |
| 10 | 30％(1047kg) | 1047 | 88.24116 |
| 11 | 35％(1218kg) | 1218 | 102.65304 |
| 12 | 40％(1398kg) | 1398 | 117.82344 |
| 13 | 50％(1740kg) | 1740 | 146.6472 |
| 14 | 60％(2091kg) | 2091 | 176.22948 |
| 15 | 70％(2439kg) | 2439 | 205.55892 |
| 16 | 80％(2787kg) | 2787 | 234.88836 |
在链条驱动状态下，电机能耗的讨论主要集中在讨论电机线电压和线电流，转矩与负载的关系。表3为电机功率、负载、转矩、定子电流之间的关系。
表3是负载变化对电机功率的影响
表3
| 电机功率 | 负载 | 转矩 | 定子电流 | 转速 | 阻力距 |
| 增大 | 增大 | 增大 | 增大 | 减小 | 增大 |
| 减小 | 减小 | 减小 | 减小 | 增大 | 减小 |
由电机特性可知，定子电流是用于输出的电流，在负载变化的情况下，定子电流会相应的发生变化，同时功率也会相应的发生变化。由此可以看出，当负载增大时，定子电流增大，相应的电机功率增大；负载减小时，电流相应减小，功率减小。
模型的计算：
通过对自动扶梯计算模型的参数设定以及负载信号源的输入，可以得到不 同参数下、不同负载值时自动扶梯能耗的计算值。
三相交流电动机普遍采用Y型接法，那么，电动机功率与电流的关系为：
另外，每个电动机在电能转换成机械能的过程中会有不可避免的损失，需要在功率前乘以一个功率因素η，根据电机的一般设计η＝0.78，可以得到功率计算公式为：
其中线电压不变为380V，线电流随着载荷的不同有所变化，其数值可以从电机模型中电流表中读出，通过计算，可以得到表4有载荷下功率能耗计算值。
表4有载荷下功率能耗计算值
表4
多元回归模型下的自动扶梯能效分析
1)模型建立
设有多元线性回归模型为
y＝b1x1+b2x2+...+bpxp+ε (7)
式中：ε＝N(0,σ2)，即随机误差服从均值为0，方差为σ2的正态分布。
令β＝(b1,b2,...,bp)T,x＝(x0,x1,...,xp)，则(7)式表示为
y＝xβ+ε (8)
由此获得y和x0,x1,...xp的n组观测值。
结合多元线性回归的模型，可以将无载情况下能耗问题转换成功率与三个变量的多元线性回归问题，同时建立多元回归方程
ln P＝β0+β1ln x1+β2ln x2+β3ln x3+ε (9)
式中：x1为运行速度v；x2为倾斜角余弦cosα；x3为扶梯长度l＝H/tanα；ε为随机误差项，服从ε～N(0,σ2)；β0为模型修正的回归常数项，无实际意义，β1、β2、β3分别为偏回归系数，表示在其他物理量不变的情况下，其每增加一个单位量，能耗所对应增加的数值。为了验证模型的普遍适用性，采用不同应用场合下，自动扶梯的实际测试数据来进行验证。
求解回归模型，通过减少影响变量的与预测值的差值来得到模型参数。具体而言，即分别将实测速度v、倾斜角度余弦cosα、扶梯长度l＝H/tanα以及功率值Pmain_no_load的测量数值的对数值带入方程(9)，通过最小二乘原理，使残差的平方和最小，最终获得模型的偏回归系数β1、β2、β3。在Matlab中用最小二乘法对模型进行分析，通过模型结果可以看出，提升高度对于自动扶梯功率增加起到了最为显著的功能，其次为速度，根据模型公式，将角度、长度、速度这三个测试值带入计算。
Claims (4)
1.一种自动扶梯与自动人行道能耗计算方法，其特征在于自动扶梯能耗Emain由扶手部分Ehandtrial、梯级部分Estep与载荷Eload三部分组成，并且Emain＝Ehandtrial+Estep+Eload，其中，
扶梯上行时载荷能耗Eload为：
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式中：α为倾斜角度；单位为度；t为时间，单位为秒；N为乘客数量；m为乘客质量，单位为kg；g为重力加速度，单位为m/s2；H为提升高度，单位为m；μ为摩擦系数；η为效率；L’＝H/sinα，为扶梯在倾斜方向上的长度；
当在无载荷情况下，电梯能耗由扶手部分和梯级部分组成：
Emain-no-load＝Eno-load-handtrial+Eno-load-step (3)
由于单位时间的能耗情况不变，设自动扶梯运行时间为t，无载荷下扶手带部分功率为Pno_load_handrail，无载荷下梯级部分功率为Pno_load_step，且Eno_load_handrail＝t·Pno_load_handrail；Eno_load_step＝t·Pno_load_step，式(3)变换为
Pmain_no_load＝Pno_load_handrail+Pno_load_step/pallet (4)
无载荷扶手带部分功率Pno_load_handrail计算公式为
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式中：A为单位长度上的扶手带水平方向上的分力，单位为N/m；B为扶手带水平方向上拉力的常量，单位为N；C为梯级带反向拉力的常量部分，单位为kN；α为梯级、踏板或胶带运动的最大水平夹角,即扶梯的倾斜角度，单位为度；H为上下楼层之间的垂直距离，即扶梯的提升高度，单位为m；v为自动扶梯或自动人行道的名义速度，即无载荷下的扶梯运行速度，单位为m/s；ηnoload为空载状态的效率；mSB/PB为梯级/踏板的质量，单位为kg；mchain为链条质量，单位为kg/m；μSB/PB为梯级/踏板的摩擦系数；
将具体数值代入式(5)和式(6)中进行化简，然后将化简后的式(5)、(6)代入式(4)，并对式(4)两边取对数，可得出在无载状态下三个变量的自然对数与功率对数呈线性和的关系，由此使用多元线性回归模型对自动扶梯能效进行定量分析。
2.如权利要求1所述的一种自动扶梯与自动人行道能耗计算方法，其特征在于对空载情况下自动扶梯能效进行定量分析的多元线性回归模型如下：
设有多元线性回归模型为
y＝b1x1+b2x2+...+bpxp+ε (7)
式中：ε＝N(0,σ2)，即随机误差服从均值为0，方差为σ2的正态分布，
令β＝(b1,b2,...,bp)T,x＝(x0,x1,...,xp)，则(8)式表示为
y＝xβ+ε (8)
由此获得y和x0,x1,...xp的n组观测值，
结合多元线性回归的模型，将无载情况下能耗问题转换成功率与三个变量的多元线性回归问题，同时建立多元回归方程
lnP＝β0+β1lnx1+β2lnx2+β3lnx3+ε (9)
式中：x1为运行速度v；x2为倾斜角余弦cosα；x3为扶梯长度l＝H/tanα；ε为随机误差项，服从ε～N(0,σ2)；β0为模型修正的回归常数项，无实际意义，β1、β2、β3分别为偏回归系数，表示在其他物理量不变的情况下，其每增加一个单位量，能耗所对应增加的数值。
3.如权利要求1所述的一种自动扶梯与自动人行道能耗计算方法，其特征在于自动扶梯与自动人行道能耗的计算方法还包括求解自动扶梯能效的多元线性回归模型，通过减少影响变量与预测值的差值得到模型参数，即分别将实测速度v、倾斜角度余弦cosα、扶梯长度l＝H/tanα以及功率值Pmain_no_load的测量数值的对数值代入lnP＝β0+β1lnx1+β2lnx2+β3lnx3+ε，通过最小二乘原理，使残差的平方和最小，最终获得模型的偏回归系数β1、β2、β3，在Matlab中用最小二乘法对模型进行分析，得到功率计算值，同时与已知的功率测试值对比得出误差。
4.如权利要求1所述的一种自动扶梯与自动人行道能耗计算方法，其特征在于根据能耗计算方法搭建自动扶梯的能耗计算模型，包括载荷变化信号源、三相异步电动机、变频器、示波器及实时功率显示器，其中载荷变化信号源模拟自动扶梯载荷变化，三相异步电动机模拟自动扶梯的三相异步电动机，其中有三个输入端一个为负载转矩，由载荷变化信号源输入作为电动机转矩值，另三个输入端为电机的三个相位输入；变频器模拟自动扶梯电动机变频模块，作为三相电动机元件的变频输入，通过变频子***的作用，在不同时间点输出不同频率的三个相位到三相异步电动机，起到变频作用；示波器用于对定子电流与转子电流变化的观察；实时功率显示器用于输出计算后的实时功率值；通过对自动扶梯的能耗计算模型的参数设定以及负载信号源的输入，得到不同参数下、不同负载值时自动扶梯能耗的计算值。
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