議關(guān)于自動(dòng)扶梯節(jié)能控制技術(shù)應(yīng)用

　　摘 要：本文分析了幾種自動(dòng)扶梯的節(jié)能控制技術(shù)，以地鐵中自動(dòng)扶梯的運(yùn)行為實(shí)例，論證了變頻調(diào)速方式控制方式的節(jié)能性，同時(shí)該控制方式還具有啟動(dòng)平穩(wěn)、機(jī)械磨損小、方便檢修等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯；節(jié)能；變頻控制

　　Abstract: This paper analyzes several energy-saving control technologies of escalator, and making the the operation of the escalator in the subway as the example, expounds the energy saving of the frequency control mode, and this control mode possesses the advantages of smooth start, light mechanical wear, and convenient maintenance.

　　Key words: escalator; energy saving; frequency control

　　中圖分類號(hào)：S210.4     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A      文章編號(hào)：2095-2104（2012）

　　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越高的要求，因此自動(dòng)扶梯已經(jīng)大量使用在了人們的生活中。在國家節(jié)能減排政策的背景下，人們也越來越關(guān)注自動(dòng)扶梯的節(jié)能問題。本為就以地鐵中自動(dòng)扶梯運(yùn)行為實(shí)例，具體分析變頻技術(shù)在自動(dòng)扶梯中應(yīng)用達(dá)到的節(jié)能效果。

　　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)沒再檢測到有乘客進(jìn)入扶梯或扶梯出口側(cè)傳感器檢測到最后一個(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)行很長一段時(shí)間仍無人乘梯，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

　　空載向上運(yùn)行

　　VVVF運(yùn)行（20%額定速度）Y型運(yùn)行

　　線電流0.95A1.5A0.9A線電流5.25A4.78A5.44A

　　相功率0.35 Kw0.5 Kw0.3Kw相功率1.96 Kw1.61 Kw1.88Kw

　　從對(duì)比試驗(yàn)表中可以看出：

　　-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時(shí)間連續(xù)使用扶梯的場合較為適用。而自動(dòng)運(yùn)行方式由于控制方式簡單，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）。

　?。淖冸姍C(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。

　?。ㄟ^調(diào)整定子繞組電壓大小來改變轉(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。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。