变频技术在地铁自动扶梯上的应用
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
地铁作为城市的主要公共交通设施，是城市现代化的重要标志之一。随着人民生活水平的不断提高，人们对出行的环境、质量和舒适度有着越来越高的要求，作为地铁客运服务重要设施的自动扶梯，在地下铁道的建设和运营中越来越受到人们的关注。北京地铁一期工程和环线开始投入运营时，只有18台自动扶梯，从早上6：00至12：00，下午13：00至21：00投入运行，每天运行14小时。近几年来，地铁总公司为方便乘客乘坐地铁，在地铁车站有预留安装扶梯位置的出入口，按照客流分布及资金情况，先后增设了数十台自动扶梯，随着地铁复八线工程建成通车，计划到2001年底，北京地铁将有近百台自动扶梯投入运行使用。
2000年开始，为不断提高地铁客运服务质量，地铁总公司将自动扶梯运行时间调整为与地铁运营时间同步，从早晨5：00至晚上23：30，每天连续运行近19个小时。北京地铁现投入运行的近百台自动扶梯基本都是公共交通型重载扶梯，按照地铁沿线车站的埋深不同，扶梯的垂直提升高度从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。根据不同的提升高度，扶梯相应配置的电机功率从11Kw至40Kw不等。北京地铁现有运营线路2条，运营里程54公里，设有39座车站（含2个换乘站），138个出入口。其中23座车站有55个出入口安装自动扶梯72部（大部分出入口设置一台上行扶梯，设置两台扶梯的出入口采用一上一下的运行方式）。 2000年地铁日平均客运量为130万人次，平均每个出入口每日出站乘客为9420人，仅为扶梯满载输送能力的5.4%（单台扶梯理论输送能力按9100人/小时考虑）。北京地铁现有的扶梯主要安装在环线和复八线上，若按高于平均日客流2倍估计（约占地铁日平均客运量的80%），环线和复八线平均每个出入口每小时出站乘客平均为991人，也只达扶梯满载能力的10.9%。北京地铁高峰小时列车运行间隔为3分钟，日开行列车在400列以上，日平均列车运行间隔为6分钟，即每3分钟便有一列列车进站。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（按每个梯级站1个人考虑），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：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－Δ运行方式（ECO方式）：利用扶梯Y－Δ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Δ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Δ型运行。
3.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－Δ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；θ=30°；W=1000mm），一台采用Y－Δ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－Δ运行扶梯：地铁到站后，乘客登梯，扶梯以Δ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，无论是Δ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
—Y型空载额定速度运行，其功率为：
1.95Kw + 1.61Kw + 1.88Kw = 5.44Kw
全年的耗电量(kwh)为:
5.44Kw×3.2min/6min×20hr×365day = 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:
1.15Kw×3.2min/6min×20hr×365day = 4477 (kwh)
可以看出VVVF运行方式与Y－Δ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) =8686 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－Δ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=60×f×(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距不变，根据转距公式：M=CmφIcosφ（式中：Cm为电机常数；I为转子电流；φ为电机气隙磁通；cosφ为转子功率因数），必须保持φ恒定。又根据电压公式：U＝4.44 f Wkφ（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。以迅达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，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，以减少变频器的空载损耗；其它时间扶梯采用变频器控制，起到节能作用。
另外，一旦变频器发生故障，则可以通过控制系统修改参数将变频器短接，使驱动电机直接连到电网下运行，从而保证扶梯继续运行使用。 虽然扶梯采用变频器运行控制方式后，达到了节能运行的目的，但同时应注意到变频器控制系统也有一定的负面影响，如运行时产生的噪音比直接驱动略大，需加长桁架以增加机房空间，对散热也有相应要求（18Kw变频器的散热量约为2Kw）等等。因此应针对扶梯采用变频控制运行后的特点要求，采取相应的措施，以确保扶梯的正常使用。
参考文献：
[1]自动化博览 2000年第6期
[2]迅达扶梯有关资料
