變頻技術在地鐵自動扶梯上的應用
摘 要：采用變頻調速方式控制自動扶梯運行，使扶梯具備平穩啟動、節能運行和檢修運行功能。扶梯啟動時，避免產生很大的啟動電流；無人乘梯時，扶梯由額定運行速度轉為低速運行，即節約了能源，減小了機械磨損，也為乘客明確了扶梯運行方向；扶梯檢修時，檢修運行功能保證了扶梯檢修精度。本文介紹了自動扶梯幾種節能運行方式的對比情況和自動扶梯采用變頻控制方式后的工作原理及實際應用。
關鍵詞：VVVF、變頻控制、自動扶梯、節能
地鐵作為城市的主要公共交通設施，是城市現代化的重要標志之一。隨著人民生活水平的不斷提高，人們對出行的環境、質量和舒適度有著越來越高的要求，作為地鐵客運服務重要設施的自動扶梯，在地下鐵道的建設和運營中越來越受到人們的關注。北京地鐵一期工程和環線開始投入運營時，只有18臺自動扶梯，從早上6：00至12：00，下午13：00至21：00投入運行，每天運行14小時。近幾年來，地鐵總公司為方便乘客乘坐地鐵，在地鐵車站有預留安裝扶梯位置的出入口，按照客流分布及資金情況，先后增設了數十臺自動扶梯，隨著地鐵復八線工程建成通車，計劃到2001年底，北京地鐵將有近百臺自動扶梯投入運行使用。
2000年開始，為不斷提高地鐵客運服務質量，地鐵總公司將自動扶梯運行時間調整為與地鐵運營時間同步，從早晨5：00至晚上23：30，每天連續運行近19個小時。北京地鐵現投入運行的近百臺自動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。根據不同的提升高度，扶梯相應配置的電機功率從11Kw至40Kw不等。北京地鐵現有運營線路2條，運營里程54公里，設有39座車站（含2個換乘站），138個出入口。其中23座車站有55個出入口安裝自動扶梯72部（大部分出入口設置一臺上行扶梯，設置兩臺扶梯的出入口采用一上一下的運行方式）。 2000年地鐵日平均客運量為130萬人次，平均每個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%（單臺扶梯理論輸送能力按9100人/小時考慮）。北京地鐵現有的扶梯主要安裝在環線和復八線上，若按高于平均日客流2倍估計（約占地鐵日平均客運量的80%），環線和復八線平均每個出入口每小時出站乘客平均為991人，也只達扶梯滿載能力的10.9%。北京地鐵高峰小時列車運行間隔為3分鐘，日開行列車在400列以上，日平均列車運行間隔為6分鐘，即每3分鐘便有一列列車進站。若考慮現有扶梯平均提升高度為10米，扶梯運送每列列車的乘客出站僅為80秒（按每個梯級站1個人考慮），有50%以上的時間扶梯為空載運行，再加上列車進站間隔交錯不等，低峰時，列車間隔達6-8分鐘，實際上扶梯空載運行時間可能會更長。這樣不僅浪費了大量的電能，也增加了扶梯的損耗，長期采用這種運行方式既不合理也不經濟。因此地鐵扶梯的運行應根據地鐵運營的特點，采用相應的運行方式，以確保自動扶梯的運行更加經濟合理。
自動扶梯的控制系統已開始采用微電腦控制，理論上講可采用的扶梯節能運行方式有多種，但實際應用在扶梯控制上的主要有三種方式。
1.自動運行方式：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入扶梯（距梳齒板1.3米左右），扶梯開始啟動運行，如乘客繼續進入扶梯，扶梯將一直以額定速度正常運行。如在預先設定的時間內沒再檢測到有乘客進入扶梯或扶梯出口側傳感器檢測到最后一個乘客離開扶梯后，在預先設定的時間內也沒有檢測到有乘客進入扶梯，則扶梯將自動停梯。待有乘客進入扶梯時，扶梯再投入運行。
2.Y－Δ運行方式（ECO方式）：利用扶梯Y－Δ啟動裝置，在扶梯投入運行后，當扶梯處于空載或輕載時，控制系統將驅動電機從Δ型運行自動切換到Y型運行來節約能耗。當扶梯負載增加后，扶梯再自動轉成Δ型運行。
3.變頻運行方式（VVVF方式）：在扶梯上增設變頻裝置，扶梯開始運行時通過變頻器啟動，當扶梯達到100%（0.5m/s）額定速度運行后，如無乘客乘梯，扶梯由100%額定速度自動降為20%（0.1m/s）速度爬行（如扶梯在20%速度下運行很長一段時間仍無人乘梯，則扶梯會自動平緩地停梯待命，該功能可自行設定）。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，如乘客繼續進入扶梯，扶梯將一直以額定速度正常運行。如在預先設定的時間內扶梯入口處的傳感器沒再檢測到有乘客進入扶梯，則扶梯將自動轉至爬行速度運行。
比較三種節能運行方式，自動運行方式節能效果突出，控制方式簡單可靠，但會造成扶梯頻繁啟停，嚴重影響扶梯使用壽命；Y－Δ運行方式有節能效果（理論上可節電30%左右），但扶梯啟動后，一直以額定速度連續運行，增加了扶梯的耗損；VVVF運行方式節電效果明顯（理論上可節電60%左右，尖峰電流比無變頻器扶梯減小可達80%左右），與自動運行方式相比沒有頻繁啟動問題，扶梯磨損小，并且爬行速度運行時可提示乘客乘梯方向。
假設用兩臺同型號自動扶梯（H=4.5m；V=0.5m/s；θ=30°；W=1000mm），一臺采用Y－Δ運行方式，一臺采用VVVF運行方式，在下述情況作比較：
—扶梯向上運行。
—地鐵列車間隔6分鐘。
—扶梯額定速度運行時間2.8分鐘（輸送乘客時間為2.8分鐘）。
—扶梯空載時間為3.2分鐘（無乘客乘梯時間為3.2分鐘）。
—每天連續運行20小時，年中無休息（以365天計）。
兩臺扶梯在上述情況下的運行狀態：
Y－Δ運行扶梯：地鐵到站后，乘客登梯，扶梯以Δ型方式運行2.8分鐘，該批乘客輸送完后，扶梯轉成Y型方式運行。3.2分鐘后，下一批乘客登梯。
VVVF運行扶梯：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分鐘時間內，無論是Δ型運行，還是VVVF運行，都是以100%額定速度運行，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型運行狀態和20%額定速度的VVVF運行狀態時的功耗。
兩種運行狀態對比試驗功耗表
—Y型空載額定速度運行，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運行方式與Y－Δ運行方式相比, 節能效果十分明顯,一年可節能(理論上):
21180(kwh) – 4477 (kwh) = 16703(kwh)
以0.52元/kwh計算,一年節約電費(元):
16703(kwh)×0.52元/(kwh) =8686 元
所以自動扶梯采用VVVF變頻控制運行方式，具有良好的節能經濟效益。
由此可見，變頻運行方式除采用變頻啟動，避免了普通Y－Δ啟動產生很大的啟動電流問題，保證了扶梯啟動的平滑、舒適。另外在無人乘梯，扶梯以爬行速度運行時，一方面節約了電能，減小了扶梯損耗；另一方面也為即將進入扶梯的乘客明確了扶梯運行方向，對地鐵客流早晚高峰和低峰變化較為明顯且長時間連續使用扶梯的場合較為適用。而自動運行方式由于控制方式簡單，再考慮增設軟啟動裝置，較適合于老扶梯的節能改造。
隨著經濟的發展，變頻 調速器以其優越的性能在眾多領域獲得了廣泛的應用，特別是節能效果越來越多的被人們認識。在電梯系統中也是如此，VVVF型變頻調速電梯已開始取代繼電器控制、交流調速電梯。VVVF型變頻調速電梯基本控制原理如下：
根據電機學理論，交流電動機的轉速公式為：n=60×f×(1-s)/p （式中：f為定子的電源頻率；p為極對數；s為轉差率；n 為轉速）。
－改變電機極對數p可以改變電機轉速，這是交流雙速梯采用的調速方法。
－通過調整定子繞組電壓大小來改變轉差率s ，已達到調速目的，這是交流調速梯采用的調速方法。
－改變定子電源頻率f 也可達到調速目的，但f 最大不能超過電機額定頻率，電梯作為恒轉距負載，調速時為保持最大轉距不變，根據轉距公式：M=CmφIcosφ（式中：Cm為電機常數；I為轉子電流；φ為電機氣隙磁通；cosφ為轉子功率因數），必須保持φ恒定。又根據電壓公式：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；k為電機常數），必須保持U / f 為常數，即：變頻器必須兼備變壓、變頻兩種功能，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。
同樣在扶梯行業中，隨著扶梯進一步向著高科技、節能、智能化的方向發展，變頻器在扶梯領域也被廣泛地應用。以迅達公司生產的自動扶梯為例，自動扶梯自動變速驅動有三種方式，即相控調速GPH，標準變頻器GFU和變頻器GFU加。
—相控調速GPH: 具有軟啟動, 正常運行速度, 檢修運行速度(以50%額定速度運行)功能。但檢修運行速度使用有一定限制（每運行5分鐘，須停10分鐘）。
—標準變頻器GFU：該裝置僅在扶梯負載60%額定功率以下時工作，除具有相控調速GPH功能外，還有慢速（爬行）運行（以20%額定速度運行)，檢修運行速度功能，檢修運行無限制。
—變頻器GFU加：扶梯開始運行，該裝置一直投入工作，除具有標準變頻器GFU功能外，還有附加運行速度（高峰時，扶梯以最大速度運行）功能。但需附加控制屏。
由于在大多數情況下，扶梯較多地運行于2/3額定載客量以下，如果以100%電機功率配置變頻器，當扶梯以100%滿負載運行時，變頻器相當于在短路狀態，并不起多大的作用。因此可將變頻電路設計成旁路變頻，即按60%電機額定功率來配置變頻器。如果電機額定功率為11Kw，則變頻器的功率為7.5Kw。當扶梯運行于負載的60%額定功率以下時，電機通過變頻器工作；當負載增加至100%時，控制系統就將電機切換至工頻電網供電。這樣可大大降低變頻器的初期投資成本，價格增加約為整機的9%，所以這種配置方式具有較好的性能價格比。一般公共交通型扶梯運行環境比較差，變頻器又通常安裝于扶梯上機房，運行環境比較惡劣，考慮到防水防塵的要求，地鐵自動扶梯配置的變頻器均要求采用IP54防護等級（防水防塵型），其工作壽命約為10萬小時，工作環境溫度為-40℃~+60℃，相對濕度95%。自動扶梯安裝標準GFU變頻系統后的工作原理如下：
當扶梯開啟后，扶梯在變頻器的驅動下平緩啟動并加速到額定運行速度0.5m/s。當乘客不斷增加達到負載的60%額定功率時，扶梯切入至電網直接供電。
如扶梯在電網直接供電以額定速度運行的情況下，當扶梯負載下降至負載的60%額定功率以下時，則扶梯將被切換到變頻器供電，如在預先設定的時間內扶梯入口處的掃描傳感器未檢測到有乘客進入扶梯，則扶梯將平緩地轉入爬行速度0.1m/s運行。
當扶梯入口處的掃描傳感器檢測到有乘客進入扶梯時，扶梯將加速到0.5m/s速度運行。扶梯處于上行狀態時，隨著乘客不斷增加，致使負載達到60%額定功率時，驅動電機切入至電網直接供電，此時電機不受變頻器驅動；扶梯處于下行狀態時，隨著乘客不斷增加，負載增加到一定程度時，電機進入發電狀態被連接到電網電源，此時電機不受變頻器控制。如乘客繼續進入扶梯，則扶梯將以0.5m/s的速度穩定運行且始終不受變頻器控制。 如在預先設定的時間段內沒再檢測到有乘客進入扶梯，那么扶梯將被接入到變頻器驅動，減速到爬行速度運行。
在實際運行中也可以針對不同的列車間隔，決定扶梯是否在電網下直接運行。如早7：00-9：30 ，下午16：00-19：00（列車間隔為3-4分鐘），扶梯可以在電網下直接運行，以減少變頻器的空載損耗；其它時間扶梯采用變頻器控制，起到節能作用。
另外，一旦變頻器發生故障，則可以通過控制系統修改參數將變頻器短接，使驅動電機直接連到電網下運行，從而保證扶梯繼續運行使用。 雖然扶梯采用變頻器運行控制方式后，達到了節能運行的目的，但同時應注意到變頻器控制系統也有一定的負面影響，如運行時產生的噪音比直接驅動略大，需加長桁架以增加機房空間，對散熱也有相應要求（18Kw變頻器的散熱量約為2Kw）等等。因此應針對扶梯采用變頻控制運行后的特點要求，采取相應的措施，以確保扶梯的正常使用。
參考文獻：
[1]自動化博覽 2000年第6期
[2]迅達扶梯有關資料
