变频技术在自动扶梯上的应用

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1、 职称评定主审论文第 1 页 共 5 页 变频技术在自动扶梯上的应用摘 要：采用变频调速方式控制自动扶梯运行，使扶梯具备平稳启动、节能运行和检修运行功能。扶梯启动时，避免产生很大的启动电流；无人乘梯时，扶梯由额定运行速度转为低速运行，即节约了能源，减小了机械磨损，也为乘客明确了扶梯运行方向；扶梯检修时，检修运行功能保证了扶梯检修精度。本文介绍了自动扶梯几种节能运行方式的对比情况和自动扶梯采用变频控制方式后的工作原理及实际应用。 关键词：VVVF、变频控制、自动扶梯、节能 采用变频调速方式控制自动扶梯运行，使扶梯具备平稳启动、节能运行和检修运行功能。以城市地铁所用的自动扶梯为例，地铁的运营时间一

2、般从早晨 5：00 至晚上 23：30，每天连续运行近 19 个小时。若考虑现有扶梯平均提升高度为10 米，扶梯运送每列列车的乘客出站仅为 80 秒，有 50%以上的时间扶梯为空载运行，再加上列车进站间隔交错不等，低峰时，列车间隔达 6-8 分钟，实际上扶梯空载运行时间可能会更长。这样不仅浪费了大量的电能，也增加了扶梯的损耗，长期采用这种运行方式既不合理也不经济。因此地铁扶梯的运行应根据地铁运营的特点，采用相应的运行方式，以确保自动扶梯的运行更加经济合理。自动扶梯的控制系统已开始采用微电脑控制，理论上讲可采用的扶梯节能运行方式有多种，但实际应用在扶梯控制上的主要有三种方式。 1. 自动运行方式

3、：在扶梯上下口处安装传感器（传感器可用光电、压力等多种形式） ，一旦传感器检测到有乘客进入扶梯（距梳齿板 1.3 米左右） ，扶梯开始启动运行，如乘客继续进入扶梯，扶梯将一直以额定速度正常运行。如在预先设定的时间内没再检测到有乘客进入扶梯或扶梯出口侧传感器检测到最后一个乘客离开扶梯后，在预先设定的时间内也没有检测到有乘客进入扶梯，则扶梯将自动停梯。待有乘客进入扶梯时，扶梯再投入运行。 2. Y 运行方式（ECO 方式）：利用扶梯 Y 启动装置，在扶梯投入运行后，当扶梯处于空载或轻载时，控制系统将驱动电机从 型运行自动切换到 Y 型运行来节约能耗。当扶梯负载增加后，扶梯再自动转成 型运行。 3.

4、变频运行方式（VVVF 方式）：在扶梯上增设变频装置，扶梯开始运行时通过变频器启动，当扶梯达到 100%（0.5m/s）额定速度运行后，如无乘客乘梯，扶梯由 100%额定速度自动降为 20%（0.1m/s）速度爬行（如扶梯 职称评定主审论文第 2 页 共 5 页 在 20%速度下运行很长一段时间仍无人乘梯，则扶梯会自动平缓地停梯待命，该功能可自行设定） 。如安装在扶梯出入口处的传感器检测到有乘客乘梯，则扶梯速度马上平缓地升至 100%额定速度，如乘客继续进入扶梯，扶梯将一直以额定速度正常运行。如在预先设定的时间内扶梯入口处的传感器没再检测到有乘客进入扶梯，则扶梯将自动转至爬行速度运行。 比较三

5、种节能运行方式，自动运行方式节能效果突出，控制方式简单可靠，但会造成扶梯频繁启停，严重影响扶梯使用寿命；Y 运行方式有节能效果（理论上可节电 30%左右） ，但扶梯启动后，一直以额定速度连续运行，增加了扶梯的耗损；VVVF 运行方式节电效果明显（理论上可节电 60%左右，尖峰电流比无变频器扶梯减小可达 80%左右） ，与自动运行方式相比没有频繁启动问题，扶梯磨损小，并且爬行速度运行时可提示乘客乘梯方向。假设用两台同型号自动扶梯（H=4.5m；V=0.5m/s；=30；W=1000mm） ，一台采用 Y 运行方式，一台采用 VVVF 运行方式，在下述情况作比较：扶梯向上运行。地铁列车间隔 6 分

6、钟。扶梯额定速度运行时间 2.8 分钟（输送乘客时间为 2.8 分钟） 。扶梯空载时间为 3.2 分钟（无乘客乘梯时间为 3.2 分钟） 。每天连续运行 20 小时，年中无休息（以 365 天计） 。两台扶梯在上述情况下的运行状态：Y 运行扶梯：地铁到站后，乘客登梯，扶梯以 型方式运行 2.8 分钟，该批乘客输送完后，扶梯转成 Y 型方式运行。3.2 分钟后，下一批乘客登梯。 VVVF 运行扶梯：地铁到站后，乘客登梯，扶梯速度上升至 100%，输送乘客 2.8 分钟，该批乘客输送完后，扶梯速度降为 20%额定速度运行待命。3.2分钟后，下一批乘客登梯。由于在输送乘客的 2.8 分钟时间内，无论

7、是 型运行，还是 VVVF 运行，都是以 100%额定速度运行，其能耗比较接近，因此我们只讨论在 3.2 分钟空载情况下 Y 型运行状态和 20%额定速度的 VVVF 运行状态时的功耗。 两种运行状态对比试验功耗表 空载向上运行VVVF 运行（20%额定速度） Y 型运行线电流（A） 0.95 1.5 0.9 线电流（A） 5.25 4.78 5.44相功率（Kw） 0.35 0.5 0.3 相功率（Kw） 1.95 1.61 1.88 职称评定主审论文第 3 页 共 5 页 从对比试验表中可以看出：Y 型空载额定速度运行，其功率为：1.95Kw + 1.61Kw + 1.88Kw = 5.4

8、4Kw全年的耗电量(kwh)为： 5.44Kw3.2min/6min20hr365day = 21180(kwh)VVVF 型空载 20%额定速度运行，其功率为： 0.35Kw + 0.5Kw + 0.3Kw = 1.15Kw全年的耗电量(kwh)为：1.15Kw3.2min/6min20hr365day = 4477 (kwh)可以看出 VVVF 运行方式与 Y 运行方式相比， 节能效果十分明显，一年可节能(理论上)： 21180(kwh) 4477 (kwh) = 16703(kwh)以 0.52 元/kwh 计算，一年节约电费(元)：16703(kwh)0.52 元/(kwh) =868

9、6 元所以自动扶梯采用 VVVF 变频控制运行方式，具有良好的节能经济效益。由此可见，变频运行方式除采用变频启动，避免了普通 Y 启动产生很大的启动电流问题，保证了扶梯启动的平滑、舒适。另外在无人乘梯，扶梯以爬行速度运行时，一方面节约了电能，减小了扶梯损耗；另一方面也为即将进入扶梯的乘客明确了扶梯运行方向，对地铁客流早晚高峰和低峰变化较为明显且长时间连续使用扶梯的场合较为适用。而自动运行方式由于控制方式简单，再考虑增设软启动装置，较适合于老扶梯的节能改造。随着经济的发展，变频 调速器以其优越的性能在众多领域获得了广泛的应用，特别是节能效果越来越多的被人们认识。在电梯系统中也是如此，VVVF 型

10、变频调速电梯已开始取代继电器控制、交流调速电梯。VVVF 型变频调速电梯基本控制原理如下：根据电机学理论，交流电动机的转速公式为：n=60f(1-s)/p （式中：f 为定子的电源频率；p 为极对数；s 为转差率；n 为转速） 。改变电机极对数 p 可以改变电机转速，这是交流双速梯采用的调速方法。通过调整定子绕组电压大小来改变转差率 s ，已达到调速目的，这是交流调速梯采用的调速方法。改变定子电源频率 f 也可达到调速目的，但 f 最大不能超过电机额定频率，电梯作为恒转距负载，调速时为保持最大转矩不变，根据转矩公式：M=CmIcos（式中：Cm 为电机常数；I 为转子电流； 为电机气隙磁通；

11、职称评定主审论文第 4 页 共 5 页 cos 为转子功率因数） ，必须保持 恒定。又根据电压公式：U4.44 f Wk（式中：U 为定子电压；f 为定子电压频率；W 为定子绕组匝数；k 为电机常数） ，必须保持 U / f 为常数，即：变频器必须兼备变压、变频两种功能，简称为 VVVF（Vary Voltage Vary Frequency）型变频器，这就是 VVVF型电梯的基本控制原理。同样在扶梯行业中，随着扶梯进一步向着高科技、节能、智能化的方向发展，变频器在扶梯领域也被广泛地应用。以本公司生产的自动扶梯为例，自动扶梯自动变速驱动有三种方式，即相控调速 GPH，标准变频器 GFU 和变频

12、器 GFU 加。相控调速 GPH： 具有软启动， 正常运行速度， 检修运行速度(以 50%额定速度运行)功能。但检修运行速度使用有一定限制（每运行 5 分钟，须停 10分钟） 。标准变频器 GFU：该装置仅在扶梯负载 60%额定功率以下时工作，除具有相控调速 GPH 功能外，还有慢速（爬行）运行（以 20%额定速度运行)，检修运行速度功能，检修运行无限制。变频器 GFU 加：扶梯开始运行，该装置一直投入工作，除具有标准变频器GFU 功能外，还有附加运行速度（高峰时，扶梯以最大速度运行）功能。但需附加控制屏。由于在大多数情况下，扶梯较多地运行于 2/3 额定载客量以下，如果以100%电机功率配置

13、变频器，当扶梯以 100%满负载运行时，变频器相当于在短路状态，并不起多大的作用。因此可将变频电路设计成旁路变频，即按 60%电机额定功率来配置变频器。如果电机额定功率为 11Kw，则变频器的功率为7.5Kw。当扶梯运行于负载的 60%额定功率以下时，电机通过变频器工作；当负载增加至 100%时，控制系统就将电机切换至工频电网供电。这样可大大降低变频器的初期投资成本，价格增加约为整机的 9%，所以这种配置方式具有较好的性能价格比。一般公共交通型扶梯运行环境比较差，变频器又通常安装于扶梯上机房，运行环境比较恶劣，考虑到防水防尘的要求，地铁自动扶梯配置的变频器均要求采用 IP54 防护等级（防水防

14、尘型） ，其工作寿命约为10 万小时，工作环境温度为-40+60，相对湿度 95%。自动扶梯安装标准GFU 变频系统后的工作原理如下：当扶梯开启后，扶梯在变频器的驱动下平缓启动并加速到额定运行速度0.5m/s。当乘客不断增加达到负载的 60%额定功率时，扶梯切入至电网直接供电。如扶梯在电网直接供电以额定速度运行的情况下，当扶梯负载下降至负载的 60%额定功率以下时，则扶梯将被切换到变频器供电，如在预先设定的 职称评定主审论文第 5 页 共 5 页 时间内扶梯入口处的扫描传感器未检测到有乘客进入扶梯，则扶梯将平缓地转入爬行速度 0.1m/s 运行。当扶梯入口处的扫描传感器检测到有乘客进入扶梯时，

15、扶梯将加速到0.5m/s 速度运行。扶梯处于上行状态时，随着乘客不断增加，致使负载达到60%额定功率时，驱动电机切入至电网直接供电，此时电机不受变频器驱动；扶梯处于下行状态时，随着乘客不断增加，负载增加到一定程度时，电机进入发电状态被连接到电网电源，此时电机不受变频器控制。如乘客继续进入扶梯，则扶梯将以 0.5m/s 的速度稳定运行且始终不受变频器控制。 如在预先设定的时间段内没再检测到有乘客进入扶梯，那么扶梯将被接入到变频器驱动，减速到爬行速度运行。在实际运行中也可以针对不同的列车间隔，决定扶梯是否在电网下直接运行。如早 7：00-9：30 ，下午 16：00-19：00（列车间隔为 3-4 分钟） ，扶梯可以在电网下直接运行，