全變頻和母線技術(shù)在自動(dòng)扶梯節(jié)能改造中的應(yīng)用

沈思庭

摘要：文章通過(guò)對(duì)普通自動(dòng)扶梯存在的弊端進(jìn)行分析，重點(diǎn)引出全變頻和母線技術(shù)在自動(dòng)扶梯節(jié)能改造中的應(yīng)用及改造后帶來(lái)的一些優(yōu)勢(shì)，以此來(lái)推動(dòng)自動(dòng)扶梯行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：全變頻；母線技術(shù)；自動(dòng)扶梯；節(jié)能改造

中圖分類號(hào)：TU857 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）23-0072-02

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)階段，城市建設(shè)飛速發(fā)展，電梯已與人們的生活和工作息息相關(guān)，尤其是自動(dòng)扶梯作為連續(xù)地承載乘客實(shí)現(xiàn)上下固定電力的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，已在各大車站、超市、碼頭、商務(wù)樓、機(jī)場(chǎng)和地鐵等地段廣泛使用。目前，我國(guó)使用的自動(dòng)扶梯大部分都是直接啟動(dòng)的運(yùn)營(yíng)方式，從它的啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)一直到關(guān)閉，無(wú)論有沒(méi)有乘客都會(huì)按照額度的速度來(lái)工作，這樣導(dǎo)致了自動(dòng)扶梯的機(jī)械磨損非常嚴(yán)重、能耗大、使用的壽命也會(huì)降低等。因此，全變頻和母線技術(shù)在自動(dòng)扶梯進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造中的應(yīng)用成為未來(lái)主要的發(fā)展方向

1 自動(dòng)扶梯概述及缺陷

自動(dòng)扶梯是以運(yùn)輸帶方式運(yùn)送行人和物品的運(yùn)輸工具，它的核心構(gòu)造是兩根鏈條，通過(guò)圍繞兩對(duì)齒輪循環(huán)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。扶梯的頂端是一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)鏈圈，鏈圈的移動(dòng)又帶動(dòng)一組臺(tái)階，這就是自動(dòng)扶梯的基本運(yùn)行原理。對(duì)于目前自動(dòng)扶梯中電動(dòng)機(jī)的控制，其方式很多都是直接起動(dòng)或降壓起動(dòng)，大多數(shù)都沒(méi)有配備感應(yīng)或變頻調(diào)速的控制系統(tǒng)，從扶梯起動(dòng)運(yùn)行到關(guān)閉停止，無(wú)論扶梯上有無(wú)乘客，該扶梯一直都處于長(zhǎng)時(shí)間的勻速運(yùn)行模式。它的特點(diǎn)是比較容易控制線路，并且控制功能非常單一，其運(yùn)行方式存在著很多問(wèn)題還未解決：

1.1 能耗較大

直接啟動(dòng)的方式，日常運(yùn)行的自動(dòng)扶梯一般都是一天10小時(shí)的模式來(lái)運(yùn)行，無(wú)論有無(wú)乘客，始終保持在高速狀態(tài)下運(yùn)行，并消耗大量的電力，如機(jī)場(chǎng)、地鐵和大型的購(gòu)物商場(chǎng)的周期性最為突出。

1.2 機(jī)械高度磨損使其壽命變短

由于自動(dòng)扶梯是以額定速度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作，扶梯部件產(chǎn)生了疲勞損傷和不必要的損耗，比如梯極、鏈條、扶梯帶以及電機(jī)等部件有著最大磨損。普通的自動(dòng)扶梯的壽命在十年左右，若是部件磨損太為嚴(yán)重，就一定要更換新部件才可投入使用。

1.3 高頻率的故障發(fā)生使其成本增加

自動(dòng)扶梯始終在高速運(yùn)行的狀態(tài)工作，產(chǎn)生的機(jī)械磨損和部件磨損也比較嚴(yán)重，使得更換部件產(chǎn)生了額外的費(fèi)用，并因磨損間隙加大使得自動(dòng)扶梯故障增加，使用維護(hù)成本也大大增加；除此之外，由于機(jī)械磨損太大，也會(huì)縮短部分機(jī)械部件的使用壽命，這也提高了它的成本。

2 全變頻設(shè)計(jì)新思路

2.1 主回路方案

變頻器的主要目的是為了調(diào)整自動(dòng)扶梯的驅(qū)動(dòng)速度，使其順利地運(yùn)行，當(dāng)沒(méi)有乘客時(shí)，該系統(tǒng)將擴(kuò)展到處理爬行的操作模式，以降低功耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。如果乘客通過(guò)自動(dòng)扶梯入口處，光電設(shè)備會(huì)發(fā)出信號(hào)使變頻器根據(jù)信號(hào)調(diào)整自己的速度，并輸入額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)；如果乘客離開(kāi)扶梯，變頻器將進(jìn)入低速運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。

所謂的全變頻控制是指系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，都是由變頻器來(lái)拖動(dòng)的。這種系統(tǒng)不僅可以旁路變頻，還具備分時(shí)段運(yùn)行的好處，可以通過(guò)不同用戶的要求、不同的時(shí)間段、不同數(shù)量乘客設(shè)定出扶梯不同的運(yùn)行速度。乘客數(shù)量較多，扶梯的運(yùn)行速度也會(huì)升高；相反，乘客數(shù)量較少，扶梯的運(yùn)行速度也隨之下降。因而，系統(tǒng)會(huì)設(shè)定幾個(gè)不同的速度段，來(lái)滿足不同的時(shí)間段的運(yùn)行需要，從而使自動(dòng)扶梯實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能目的。

圖1 主回路設(shè)計(jì)的接線原理

2.2 關(guān)于控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

電梯控制系統(tǒng)主要由信號(hào)接收繼電器、PLC控制器、變頻器接收機(jī)、制動(dòng)電阻以及光電傳感器五個(gè)主要部分組成。PLC控制器主要是接收各種信號(hào)，比如：向上、向下、大修、上部光電傳感器與下部光電傳感器的信號(hào)經(jīng)內(nèi)部程序的編程。當(dāng)PLC控制器接收到自動(dòng)扶梯運(yùn)行的信號(hào)組合時(shí)，便會(huì)有在額定轉(zhuǎn)速或低速運(yùn)行的信號(hào)輸出，并設(shè)置變頻器具有的兩個(gè)運(yùn)行速度段，在變頻器收到PLC控制器的額定轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)，變頻器的控制電機(jī)會(huì)以低速的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯的額定速度運(yùn)行與低速運(yùn)行的切換。

圖2 全變頻控制系統(tǒng)框架

3 全變頻與母線技術(shù)應(yīng)用帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)

全變頻的技術(shù)改造后，自動(dòng)扶梯除了保持原本具有的各安全開(kāi)關(guān)功能外，不會(huì)影響其安全性能，并產(chǎn)生更多的優(yōu)勢(shì)：

（1）無(wú)人乘坐的電梯，自動(dòng)扶梯會(huì)自動(dòng)過(guò)渡到節(jié)能運(yùn)行的平穩(wěn)狀態(tài)，以1/5的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，電流無(wú)負(fù)載的額定電流只有1/3，從而節(jié)約了大量的能源；同時(shí)，無(wú)人乘梯時(shí)，也可以設(shè)置自動(dòng)扶梯停止運(yùn)行，這樣可以減少機(jī)械部件的磨損，從而使自動(dòng)扶梯的使用壽命得到延長(zhǎng)。

（2）如果有人乘坐，扶梯會(huì)自動(dòng)進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速的速度運(yùn)行，以節(jié)省能源，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

（3）維護(hù)運(yùn)行時(shí)，將會(huì)進(jìn)入到1/2的額定的運(yùn)行速度，有利于檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)扶梯設(shè)備的狀態(tài)，以避免額定速度運(yùn)行時(shí)的危險(xiǎn)情況發(fā)生。

（4）它的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，更加有利于實(shí)施和推廣。PLC控制器的繼電器類型易于編程和修改。由于控制系統(tǒng)使用的逆變器的功能較為齊全以及相對(duì)簡(jiǎn)單的操作，外形裝置體積小且安裝簡(jiǎn)單，可以直接安裝在平臺(tái)內(nèi)的自動(dòng)扶梯的頂部和底部，以避免帶來(lái)不便。

（5）采用變頻技術(shù)，很大程度上降低了自動(dòng)扶梯在啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，變頻器有效改善了電網(wǎng)功率的因數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)功損耗的大幅度降低。

母線控制系統(tǒng)包括：直流母線、逆變器、整流回饋單元。其中的電源系統(tǒng)由整流變壓器、整流器反饋單元、逆變器以及線路電抗器組構(gòu)成，技術(shù)轉(zhuǎn)化后所產(chǎn)生的自動(dòng)扶梯優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用集中的整流技術(shù)，使自動(dòng)扶梯裝備對(duì)比原來(lái)的系統(tǒng)而言節(jié)能8%～15%。

（2）采用集中整流技術(shù)使母線容量變大，單臺(tái)變頻器的母線電壓比以前更穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)了逆變器抗干擾性能和控制精度的提高，也使其系統(tǒng)諧波方面得到有效控制

（3）公共直流母線采取變頻逆變器，使其整流部分被公共整流單元替代，帶來(lái)結(jié)構(gòu)緊湊模式，提高了設(shè)備的可靠性。

（4）公共直流母線技術(shù)的應(yīng)用，將電機(jī)反饋的能量轉(zhuǎn)移到母線上，經(jīng)電機(jī)反饋的能量帶動(dòng)其他的電機(jī)運(yùn)行，避免母線電壓的一部分因能量過(guò)高帶來(lái)的停機(jī)和掉閘現(xiàn)象，從而減少驗(yàn)機(jī)、停機(jī)檢修的時(shí)間，利于自動(dòng)扶梯的正常

運(yùn)行。

（5）母線系統(tǒng)設(shè)備功能比較齊全、穩(wěn)定。整流消除了很多回饋單元外設(shè)使用，如制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻等。設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊模式，也節(jié)省了占地空間，降低了設(shè)備維護(hù)次數(shù)，使整體控制的自動(dòng)扶梯裝備水平有了很大的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，全頻率及母線技術(shù)在自動(dòng)扶梯的節(jié)能改造的應(yīng)用，使自動(dòng)扶梯實(shí)現(xiàn)多段速運(yùn)行模式，使其更加人性化，從根本上實(shí)現(xiàn)了完美的節(jié)能效果，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益有重大的意義。既要保護(hù)有限的資源，降低能源消耗，又要積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能、減排政策的指引。全變頻與母線技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)自動(dòng)扶梯節(jié)能改造，推動(dòng)了現(xiàn)代自動(dòng)扶梯行業(yè)更進(jìn)一步的發(fā)展，并且也得到了顯著的效果。

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