基于半保護(hù)機(jī)制自動扶梯電壓暫降保護(hù)策略研究

陳宜匯

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510030）

1 現(xiàn)狀分析

廣州等城市電網(wǎng)容易受夏天雷雨天氣的影響而發(fā)生電壓暫降，每年因電壓暫降導(dǎo)致停梯次數(shù)可達(dá)50多次。對于超大客流的地鐵線網(wǎng)，自動扶梯因電壓暫降發(fā)生停梯，將導(dǎo)致客流出現(xiàn)堆積，嚴(yán)重影響運(yùn)營安全和效率，已成為地鐵運(yùn)營的一個(gè)痛點(diǎn)。

2 方案原理

自動扶梯電源一般由主驅(qū)動回路和控制回路組成，主驅(qū)動回路通過變頻器與電機(jī)相連，一般采用380 V；控制回路主要為扶梯的接觸器、繼電器、電路板等供電，一般采用220 V。半保護(hù)機(jī)制的原理是在電壓暫降事件發(fā)生時(shí)，針對自動扶梯控制回路設(shè)置額外的電源補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)控制回路不斷電，目前補(bǔ)償方式一般有UPS、超級電容、VDC等方案，但現(xiàn)有方案并未根據(jù)扶梯運(yùn)動學(xué)參數(shù)提出保護(hù)參數(shù)設(shè)定要求，而電壓暫降保護(hù)參數(shù)設(shè)定是影響扶梯運(yùn)行安全的關(guān)鍵因素。為此，本文提出了一種針對控制系統(tǒng)半保護(hù)的方案，并結(jié)合扶梯動力學(xué)參數(shù)測試給出電壓暫降保護(hù)范圍建議值。半保護(hù)機(jī)制原理如圖1所示，當(dāng)扶梯外電源電壓正常時(shí)，備用保持電源處于非供電模式，由三相電源對控制系統(tǒng)進(jìn)行供電；在扶梯運(yùn)行過程中，當(dāng)電源電壓出現(xiàn)短時(shí)間異常波動，電源檢測模塊檢測出電壓瞬斷或暫降時(shí)，將備用保持電源切換至供電模式向控制系統(tǒng)供電，確保扶梯電路板、接觸器等控制器件在電壓暫降發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)處于正常工作狀態(tài)，避免因接觸器等控制系統(tǒng)相關(guān)器件斷電引發(fā)停梯故障，實(shí)現(xiàn)扶梯在電壓暫降期間不停梯運(yùn)行。

圖1 電壓暫降保持功能框圖

半保護(hù)機(jī)制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大部分自動扶梯電壓暫降保護(hù)功能，相比全保護(hù)機(jī)制（主驅(qū)動回路和控制回路均進(jìn)行電壓補(bǔ)償）而言，儲能元器件減少，成本造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性高[1]。

3 安全性分析

在上述半保護(hù)機(jī)制下，當(dāng)外電源電壓出現(xiàn)瞬時(shí)掉落時(shí)，備用電源發(fā)揮作用。雖然備用電源及時(shí)對控制回路進(jìn)行了補(bǔ)償，但由于能量供給問題，扶梯主驅(qū)動回路處于外電源欠壓暫降狀態(tài)，此時(shí)扶梯將會在乘客載荷重力及機(jī)械阻力的作用下做加速（下行扶梯）或減速（上行扶梯）運(yùn)動。為保障乘客安全性及扶梯正常運(yùn)行，需對該過程進(jìn)行分析，下面通過理論核算及試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面進(jìn)行論證。

3.1 理論核算

根據(jù)機(jī)械原理，上行扶梯出現(xiàn)電壓暫降時(shí)，乘客載荷的作用方向與扶梯運(yùn)行方向相反，加速度絕對值最大，為最惡劣工況，因此本文按上行扶梯電壓暫降情況下扶梯梯路的加速度進(jìn)行理論計(jì)算。速度變化趨勢圖如圖2所示。

圖2 電壓暫降時(shí)速度變化圖

此過程中，加速度的計(jì)算與等效鏈輪直徑D、轉(zhuǎn)動慣量GD、乘客扭矩TL、行走阻矩TF等有關(guān)，具體計(jì)算公式如下：

式中：aDN為下行扶梯加速度；aUP為上行扶梯加速度；GDR為主機(jī)慣量；GDLT為上部鏈輪周邊扶梯慣量；η為減速機(jī)傳動效率；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

代入A品牌自動扶梯設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出扶梯以0.65 m/s速度運(yùn)行時(shí)在各種負(fù)載率情況下發(fā)生電壓暫降時(shí)的速度變化情況，如表1所示（扶梯上行，暫降時(shí)間參考香港機(jī)電工程署發(fā)布的《升降機(jī)及自動梯設(shè)計(jì)及構(gòu)造實(shí)務(wù)守則》按200 ms計(jì)算）。

表1 上行扶梯發(fā)生電壓暫降速度變化表

由以上計(jì)算結(jié)果可知，電壓暫降過程在扶梯負(fù)載100%且持續(xù)時(shí)間200 ms最惡劣情況下，同時(shí)考慮變頻器重新接入驅(qū)動的影響，減速度＜1 m/s2，速度理論上變化百分比小于20%，滿足國標(biāo)GB 16899—2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》對扶梯運(yùn)行過程做出的以下相關(guān)要求[2]：

1）運(yùn)行速度≤1.2×名義速度（條款5.4.2.3.1）；

2）減速度≤1 m/s2（條款5.4.2.1.3.2、5.4.2.2.2）。

因此，半保護(hù)機(jī)制下200 ms的暫降時(shí)間范圍內(nèi)理論上不會觸發(fā)扶梯超速保護(hù)功能，且減速度也滿足規(guī)范要求，因此半保護(hù)機(jī)制下電壓暫降持續(xù)200 ms內(nèi)，扶梯可保持相對平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)?zāi)M自動扶梯電壓瞬時(shí)跌落的情景，通過示波器對扶梯運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄，獲取在不同暫降時(shí)間范圍、不同扶梯負(fù)載下運(yùn)行速度、加/減速度和急動度的數(shù)據(jù)。以滿足上述4個(gè)指標(biāo)為前提，確定自動扶梯的電壓暫降保護(hù)時(shí)間和電壓下降閾值的范圍，具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2、圖3所示。

表2 上行扶梯電壓暫降試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖3 上行扶梯電壓暫降試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布圖

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)自動扶梯變頻器由于電容較小，在電壓暫降發(fā)生后，變頻器工作時(shí)間僅能支持200 ms左右的工作狀態(tài)，之后便會報(bào)故障導(dǎo)致扶梯停止運(yùn)行，因此暫降時(shí)間變量僅有一組。

由以上圖表可知，電壓暫降幅值在50%以上時(shí)，上行扶梯的速度跌落幅值隨電壓跌落幅值變化不顯著，隨著負(fù)載的增加而增加，且減速度和急動度測量值均滿足運(yùn)動學(xué)指標(biāo)，可以保證扶梯完成運(yùn)行。而一旦電壓暫降幅值跌落至40%后，急動度（即扶梯運(yùn)行的加加速度）≥2.5 m/s3[3]，嚴(yán)重影響乘客乘梯舒適性，且變頻器母線欠壓導(dǎo)致部分接觸器觸點(diǎn)已經(jīng)不能維持觸點(diǎn)的閉合狀態(tài)，最終導(dǎo)致故障停梯。

下行扶梯在電壓暫降事件發(fā)生時(shí)理論上要做瞬時(shí)的向下加速運(yùn)動，但由試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表3）來看并非如此。這是因?yàn)橄滦羞\(yùn)行狀態(tài)下自動扶梯變頻器的母線電壓較高，通常遠(yuǎn)大于DC600 V[4]，電壓暫降發(fā)生時(shí)，對下行扶梯的變頻器影響也會被減弱。

表3 下行扶梯電壓暫降試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

同時(shí)，扶梯下行相當(dāng)于是一個(gè)發(fā)電過程，也會對電路進(jìn)行一定的補(bǔ)償，因此下行扶梯在電壓暫降時(shí)間中表現(xiàn)得比上行扶梯要穩(wěn)定，但如果電壓也跌至40%，扶梯同樣會故障制動停止運(yùn)行。

4 結(jié)論及建議

根據(jù)以上理論計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的分析，建議半保護(hù)機(jī)制自動扶梯電壓暫降保護(hù)范圍為工作電壓剩余40%以上，暫降運(yùn)行時(shí)間不超過200 ms。這一范圍能對絕大部分自動扶梯電壓暫降時(shí)間起到關(guān)鍵的保護(hù)作用，解決電壓暫降帶來的運(yùn)營安全問題。

自動扶梯作為在軌道交通等公共場所運(yùn)輸人員的重要設(shè)備，其安全性、穩(wěn)定性和可靠性是乘客生命財(cái)產(chǎn)安全的重要保障。對電壓暫降事件的治理，需要國家電網(wǎng)和電梯設(shè)備廠家的共同努力，一方面改善電能輸出質(zhì)量，另一方面優(yōu)化設(shè)備抗擾度設(shè)計(jì)，提高設(shè)備性能，相信在不久的將來，便能極大地提高自動扶梯的服務(wù)水平。