變頻技術(shù)在地鐵自動(dòng)扶梯上的應(yīng)用
摘 要：采用變頻調(diào)速方式控制自動(dòng)扶梯運(yùn)行，使扶梯具備平穩(wěn)啟動(dòng)、節(jié)能運(yùn)行和檢修運(yùn)行功能。扶梯啟動(dòng)時(shí)，避免產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流；無(wú)人乘梯時(shí)，扶梯由額定運(yùn)行速度轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行，即節(jié)約了能源，減小了機(jī)械磨損，也為乘客明確了扶梯運(yùn)行方向；扶梯檢修時(shí)，檢修運(yùn)行功能保證了扶梯檢修精度。本文介紹了自動(dòng)扶梯幾種節(jié)能運(yùn)行方式的對(duì)比情況和自動(dòng)扶梯采用變頻控制方式后的工作原理及實(shí)際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：VVVF、變頻控制、自動(dòng)扶梯、節(jié)能
地鐵作為城市的主要公共交通設(shè)施，是城市現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)出行的環(huán)境、質(zhì)量和舒適度有著越來(lái)越高的要求，作為地鐵客運(yùn)服務(wù)重要設(shè)施的自動(dòng)扶梯，在地下鐵道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中越來(lái)越受到人們的關(guān)注。北京地鐵一期工程和環(huán)線開始投入運(yùn)營(yíng)時(shí)，只有18臺(tái)自動(dòng)扶梯，從早上6：00至12：00，下午13：00至21：00投入運(yùn)行，每天運(yùn)行14小時(shí)。近幾年來(lái)，地鐵總公司為方便乘客乘坐地鐵，在地鐵車站有預(yù)留安裝扶梯位置的出入口，按照客流分布及資金情況，先后增設(shè)了數(shù)十臺(tái)自動(dòng)扶梯，隨著地鐵復(fù)八線工程建成通車，計(jì)劃到2001年底，北京地鐵將有近百臺(tái)自動(dòng)扶梯投入運(yùn)行使用。
2000年開始，為不斷提高地鐵客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量，地鐵總公司將自動(dòng)扶梯運(yùn)行時(shí)間調(diào)整為與地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間同步，從早晨5：00至晚上23：30，每天連續(xù)運(yùn)行近19個(gè)小時(shí)。北京地鐵現(xiàn)投入運(yùn)行的近百臺(tái)自動(dòng)扶梯基本都是公共交通型重載扶梯，按照地鐵沿線車站的埋深不同，扶梯的垂直提升高度從4.5米至16米不等，近70％以上的扶梯垂直提升高度在8米以上。根據(jù)不同的提升高度，扶梯相應(yīng)配置的電機(jī)功率從11Kw至40Kw不等。北京地鐵現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)線路2條，運(yùn)營(yíng)里程54公里，設(shè)有39座車站（含2個(gè)換乘站），138個(gè)出入口。其中23座車站有55個(gè)出入口安裝自動(dòng)扶梯72部（大部分出入口設(shè)置一臺(tái)上行扶梯，設(shè)置兩臺(tái)扶梯的出入口采用一上一下的運(yùn)行方式）。 2000年地鐵日平均客運(yùn)量為130萬(wàn)人次，平均每個(gè)出入口每日出站乘客為9420人，僅為扶梯滿載輸送能力的5.4%（單臺(tái)扶梯理論輸送能力按9100人/小時(shí)考慮）。北京地鐵現(xiàn)有的扶梯主要安裝在環(huán)線和復(fù)八線上，若按高于平均日客流2倍估計(jì)（約占地鐵日平均客運(yùn)量的80%），環(huán)線和復(fù)八線平均每個(gè)出入口每小時(shí)出站乘客平均為991人，也只達(dá)扶梯滿載能力的10.9%。北京地鐵高峰小時(shí)列車運(yùn)行間隔為3分鐘，日開行列車在400列以上，日平均列車運(yùn)行間隔為6分鐘，即每3分鐘便有一列列車進(jìn)站。若考慮現(xiàn)有扶梯平均提升高度為10米，扶梯運(yùn)送每列列車的乘客出站僅為80秒（按每個(gè)梯級(jí)站1個(gè)人考慮），有50%以上的時(shí)間扶梯為空載運(yùn)行，再加上列車進(jìn)站間隔交錯(cuò)不等，低峰時(shí)，列車間隔達(dá)6-8分鐘，實(shí)際上扶梯空載運(yùn)行時(shí)間可能會(huì)更長(zhǎng)。這樣不僅浪費(fèi)了大量的電能，也增加了扶梯的損耗，長(zhǎng)期采用這種運(yùn)行方式既不合理也不經(jīng)濟(jì)。因此地鐵扶梯的運(yùn)行應(yīng)根據(jù)地鐵運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)，采用相應(yīng)的運(yùn)行方式，以確保自動(dòng)扶梯的運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)合理。
自動(dòng)扶梯的控制系統(tǒng)已開始采用微電腦控制，理論上講可采用的扶梯節(jié)能運(yùn)行方式有多種，但實(shí)際應(yīng)用在扶梯控制上的主要有三種方式。
1.自動(dòng)運(yùn)行方式：在扶梯上下口處安裝傳感器（傳感器可用光電、壓力等多種形式），一旦傳感器檢測(cè)到有乘客進(jìn)入扶梯（距梳齒板1.3米左右），扶梯開始啟動(dòng)運(yùn)行，如乘客繼續(xù)進(jìn)入扶梯，扶梯將一直以額定速度正常運(yùn)行。如在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒再檢測(cè)到有乘客進(jìn)入扶梯或扶梯出口側(cè)傳感器檢測(cè)到最后一個(gè)乘客離開扶梯后，在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)也沒有檢測(cè)到有乘客進(jìn)入扶梯，則扶梯將自動(dòng)停梯。待有乘客進(jìn)入扶梯時(shí)，扶梯再投入運(yùn)行。
2.Y－Δ運(yùn)行方式（ECO方式）：利用扶梯Y－Δ啟動(dòng)裝置，在扶梯投入運(yùn)行后，當(dāng)扶梯處于空載或輕載時(shí)，控制系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)從Δ型運(yùn)行自動(dòng)切換到Y(jié)型運(yùn)行來(lái)節(jié)約能耗。當(dāng)扶梯負(fù)載增加后，扶梯再自動(dòng)轉(zhuǎn)成Δ型運(yùn)行。
3.變頻運(yùn)行方式（VVVF方式）：在扶梯上增設(shè)變頻裝置，扶梯開始運(yùn)行時(shí)通過變頻器啟動(dòng)，當(dāng)扶梯達(dá)到100%（0.5m/s）額定速度運(yùn)行后，如無(wú)乘客乘梯，扶梯由100%額定速度自動(dòng)降為20%（0.1m/s）速度爬行（如扶梯在20%速度下運(yùn)行很長(zhǎng)一段時(shí)間仍無(wú)人乘梯，則扶梯會(huì)自動(dòng)平緩地停梯待命，該功能可自行設(shè)定）。如安裝在扶梯出入口處的傳感器檢測(cè)到有乘客乘梯，則扶梯速度馬上平緩地升至100%額定速度，如乘客繼續(xù)進(jìn)入扶梯，扶梯將一直以額定速度正常運(yùn)行。如在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)扶梯入口處的傳感器沒再檢測(cè)到有乘客進(jìn)入扶梯，則扶梯將自動(dòng)轉(zhuǎn)至爬行速度運(yùn)行。
比較三種節(jié)能運(yùn)行方式，自動(dòng)運(yùn)行方式節(jié)能效果突出，控制方式簡(jiǎn)單可靠，但會(huì)造成扶梯頻繁啟停，嚴(yán)重影響扶梯使用壽命；Y－Δ運(yùn)行方式有節(jié)能效果（理論上可節(jié)電30%左右），但扶梯啟動(dòng)后，一直以額定速度連續(xù)運(yùn)行，增加了扶梯的耗損；VVVF運(yùn)行方式節(jié)電效果明顯（理論上可節(jié)電60%左右，尖峰電流比無(wú)變頻器扶梯減小可達(dá)80%左右），與自動(dòng)運(yùn)行方式相比沒有頻繁啟動(dòng)問題，扶梯磨損小，并且爬行速度運(yùn)行時(shí)可提示乘客乘梯方向。
假設(shè)用兩臺(tái)同型號(hào)自動(dòng)扶梯（H=4.5m；V=0.5m/s；θ=30°；W=1000mm），一臺(tái)采用Y－Δ運(yùn)行方式，一臺(tái)采用VVVF運(yùn)行方式，在下述情況作比較：
—扶梯向上運(yùn)行。
—地鐵列車間隔6分鐘。
—扶梯額定速度運(yùn)行時(shí)間2.8分鐘（輸送乘客時(shí)間為2.8分鐘）。
—扶梯空載時(shí)間為3.2分鐘（無(wú)乘客乘梯時(shí)間為3.2分鐘）。
—每天連續(xù)運(yùn)行20小時(shí)，年中無(wú)休息（以365天計(jì)）。
兩臺(tái)扶梯在上述情況下的運(yùn)行狀態(tài)：
Y－Δ運(yùn)行扶梯：地鐵到站后，乘客登梯，扶梯以Δ型方式運(yùn)行2.8分鐘，該批乘客輸送完后，扶梯轉(zhuǎn)成Y型方式運(yùn)行。3.2分鐘后，下一批乘客登梯。
VVVF運(yùn)行扶梯：地鐵到站后，乘客登梯，扶梯速度上升至100%，輸送乘客2.8分鐘，該批乘客輸送完后，扶梯速度降為20%額定速度運(yùn)行待命。3.2分鐘后，下一批乘客登梯。
由于在輸送乘客的2.8分鐘時(shí)間內(nèi)，無(wú)論是Δ型運(yùn)行，還是VVVF運(yùn)行，都是以100%額定速度運(yùn)行，其能耗比較接近，因此我們只討論在3.2分鐘空載情況下Y型運(yùn)行狀態(tài)和20%額定速度的VVVF運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的功耗。
兩種運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比試驗(yàn)功耗表
—Y型空載額定速度運(yùn)行，其功率為：
1.95Kw + 1.61Kw + 1.88Kw = 5.44Kw
全年的耗電量(kwh)為:
5.44Kw×3.2min/6min×20hr×365day = 21180(kwh)
—VVVF型空載20%額定速度運(yùn)行，其功率為：
0.35Kw + 0.5Kw + 0.3Kw = 1.15Kw
全年的耗電量(kwh)為:
1.15Kw×3.2min/6min×20hr×365day = 4477 (kwh)
可以看出VVVF運(yùn)行方式與Y－Δ運(yùn)行方式相比, 節(jié)能效果十分明顯,一年可節(jié)能(理論上):
21180(kwh) – 4477 (kwh) = 16703(kwh)
以0.52元/kwh計(jì)算,一年節(jié)約電費(fèi)(元):
16703(kwh)×0.52元/(kwh) =8686 元
所以自動(dòng)扶梯采用VVVF變頻控制運(yùn)行方式，具有良好的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益。
由此可見，變頻運(yùn)行方式除采用變頻啟動(dòng)，避免了普通Y－Δ啟動(dòng)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流問題，保證了扶梯啟動(dòng)的平滑、舒適。另外在無(wú)人乘梯，扶梯以爬行速度運(yùn)行時(shí)，一方面節(jié)約了電能，減小了扶梯損耗；另一方面也為即將進(jìn)入扶梯的乘客明確了扶梯運(yùn)行方向，對(duì)地鐵客流早晚高峰和低峰變化較為明顯且長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用扶梯的場(chǎng)合較為適用。而自動(dòng)運(yùn)行方式由于控制方式簡(jiǎn)單，再考慮增設(shè)軟啟動(dòng)裝置，較適合于老扶梯的節(jié)能改造。
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，變頻 調(diào)速器以其優(yōu)越的性能在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是節(jié)能效果越來(lái)越多的被人們認(rèn)識(shí)。在電梯系統(tǒng)中也是如此，VVVF型變頻調(diào)速電梯已開始取代繼電器控制、交流調(diào)速電梯。VVVF型變頻調(diào)速電梯基本控制原理如下：
根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n=60×f×(1-s)/p （式中：f為定子的電源頻率；p為極對(duì)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率；n 為轉(zhuǎn)速）。
－改變電機(jī)極對(duì)數(shù)p可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，這是交流雙速梯采用的調(diào)速方法。
－通過調(diào)整定子繞組電壓大小來(lái)改變轉(zhuǎn)差率s ，已達(dá)到調(diào)速目的，這是交流調(diào)速梯采用的調(diào)速方法。
－改變定子電源頻率f 也可達(dá)到調(diào)速目的，但f 最大不能超過電機(jī)額定頻率，電梯作為恒轉(zhuǎn)距負(fù)載，調(diào)速時(shí)為保持最大轉(zhuǎn)距不變，根據(jù)轉(zhuǎn)距公式：M=CmφIcosφ（式中：Cm為電機(jī)常數(shù)；I為轉(zhuǎn)子電流；φ為電機(jī)氣隙磁通；cosφ為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)），必須保持φ恒定。又根據(jù)電壓公式：U＝4.44 f Wkφ（式中：U 為定子電壓；f為定子電壓頻率；W為定子繞組匝數(shù)；k為電機(jī)常數(shù)），必須保持U / f 為常數(shù)，即：變頻器必須兼?zhèn)渥儔骸⒆冾l兩種功能，簡(jiǎn)稱為VVVF（Vary Voltage Vary Frequency）型變頻器，這就是VVVF型電梯的基本控制原理。
同樣在扶梯行業(yè)中，隨著扶梯進(jìn)一步向著高科技、節(jié)能、智能化的方向發(fā)展，變頻器在扶梯領(lǐng)域也被廣泛地應(yīng)用。以迅達(dá)公司生產(chǎn)的自動(dòng)扶梯為例，自動(dòng)扶梯自動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)有三種方式，即相控調(diào)速GPH，標(biāo)準(zhǔn)變頻器GFU和變頻器GFU加。
—相控調(diào)速GPH: 具有軟啟動(dòng), 正常運(yùn)行速度, 檢修運(yùn)行速度(以50%額定速度運(yùn)行)功能。但檢修運(yùn)行速度使用有一定限制（每運(yùn)行5分鐘，須停10分鐘）。
—標(biāo)準(zhǔn)變頻器GFU：該裝置僅在扶梯負(fù)載60%額定功率以下時(shí)工作，除具有相控調(diào)速GPH功能外，還有慢速（爬行）運(yùn)行（以20%額定速度運(yùn)行)，檢修運(yùn)行速度功能，檢修運(yùn)行無(wú)限制。
—變頻器GFU加：扶梯開始運(yùn)行，該裝置一直投入工作，除具有標(biāo)準(zhǔn)變頻器GFU功能外，還有附加運(yùn)行速度（高峰時(shí)，扶梯以最大速度運(yùn)行）功能。但需附加控制屏。
由于在大多數(shù)情況下，扶梯較多地運(yùn)行于2/3額定載客量以下，如果以100%電機(jī)功率配置變頻器，當(dāng)扶梯以100%滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)，變頻器相當(dāng)于在短路狀態(tài)，并不起多大的作用。因此可將變頻電路設(shè)計(jì)成旁路變頻，即按60%電機(jī)額定功率來(lái)配置變頻器。如果電機(jī)額定功率為11Kw，則變頻器的功率為7.5Kw。當(dāng)扶梯運(yùn)行于負(fù)載的60%額定功率以下時(shí)，電機(jī)通過變頻器工作；當(dāng)負(fù)載增加至100%時(shí)，控制系統(tǒng)就將電機(jī)切換至工頻電網(wǎng)供電。這樣可大大降低變頻器的初期投資成本，價(jià)格增加約為整機(jī)的9%，所以這種配置方式具有較好的性能價(jià)格比。一般公共交通型扶梯運(yùn)行環(huán)境比較差，變頻器又通常安裝于扶梯上機(jī)房，運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，考慮到防水防塵的要求，地鐵自動(dòng)扶梯配置的變頻器均要求采用IP54防護(hù)等級(jí)（防水防塵型），其工作壽命約為10萬(wàn)小時(shí)，工作環(huán)境溫度為-40℃~+60℃，相對(duì)濕度95%。自動(dòng)扶梯安裝標(biāo)準(zhǔn)GFU變頻系統(tǒng)后的工作原理如下：
當(dāng)扶梯開啟后，扶梯在變頻器的驅(qū)動(dòng)下平緩啟動(dòng)并加速到額定運(yùn)行速度0.5m/s。當(dāng)乘客不斷增加達(dá)到負(fù)載的60%額定功率時(shí)，扶梯切入至電網(wǎng)直接供電。
如扶梯在電網(wǎng)直接供電以額定速度運(yùn)行的情況下，當(dāng)扶梯負(fù)載下降至負(fù)載的60%額定功率以下時(shí)，則扶梯將被切換到變頻器供電，如在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)扶梯入口處的掃描傳感器未檢測(cè)到有乘客進(jìn)入扶梯，則扶梯將平緩地轉(zhuǎn)入爬行速度0.1m/s運(yùn)行。
當(dāng)扶梯入口處的掃描傳感器檢測(cè)到有乘客進(jìn)入扶梯時(shí)，扶梯將加速到0.5m/s速度運(yùn)行。扶梯處于上行狀態(tài)時(shí)，隨著乘客不斷增加，致使負(fù)載達(dá)到60%額定功率時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)切入至電網(wǎng)直接供電，此時(shí)電機(jī)不受變頻器驅(qū)動(dòng)；扶梯處于下行狀態(tài)時(shí)，隨著乘客不斷增加，負(fù)載增加到一定程度時(shí)，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)被連接到電網(wǎng)電源，此時(shí)電機(jī)不受變頻器控制。如乘客繼續(xù)進(jìn)入扶梯，則扶梯將以0.5m/s的速度穩(wěn)定運(yùn)行且始終不受變頻器控制。 如在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)沒再檢測(cè)到有乘客進(jìn)入扶梯，那么扶梯將被接入到變頻器驅(qū)動(dòng)，減速到爬行速度運(yùn)行。
在實(shí)際運(yùn)行中也可以針對(duì)不同的列車間隔，決定扶梯是否在電網(wǎng)下直接運(yùn)行。如早7：00-9：30 ，下午16：00-19：00（列車間隔為3-4分鐘），扶梯可以在電網(wǎng)下直接運(yùn)行，以減少變頻器的空載損耗；其它時(shí)間扶梯采用變頻器控制，起到節(jié)能作用。
另外，一旦變頻器發(fā)生故障，則可以通過控制系統(tǒng)修改參數(shù)將變頻器短接，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接連到電網(wǎng)下運(yùn)行，從而保證扶梯繼續(xù)運(yùn)行使用。 雖然扶梯采用變頻器運(yùn)行控制方式后，達(dá)到了節(jié)能運(yùn)行的目的，但同時(shí)應(yīng)注意到變頻器控制系統(tǒng)也有一定的負(fù)面影響，如運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音比直接驅(qū)動(dòng)略大，需加長(zhǎng)桁架以增加機(jī)房空間，對(duì)散熱也有相應(yīng)要求（18Kw變頻器的散熱量約為2Kw）等等。因此應(yīng)針對(duì)扶梯采用變頻控制運(yùn)行后的特點(diǎn)要求，采取相應(yīng)的措施，以確保扶梯的正常使用。
參考文獻(xiàn)：
[1]自動(dòng)化博覽 2000年第6期
[2]迅達(dá)扶梯有關(guān)資料
