浙江省特种设备检验研究院 浙江杭州 310000
摘要：自动扶梯作为一种方便快捷的运输工具，已经越来越多地出现在众多的公共建筑中，尤其在宾馆、商厦及地铁车站的建设中，自动扶梯的使用呈明显上升的趋势。出于安全与方便的考虑，大部分的自动扶梯都是在每天开始营业时就启动扶梯，直到下班或规定时间才停梯，因此在某一段相当长的时间会出现扶梯空载运行，造成资源的浪费及不必要的机械磨损。本文分析了能量回馈制动装置在自动扶梯上的应用。
关键词：能量回馈制动装置；自动扶梯；应用；
能量回馈技术不仅有助于提高自动扶梯产品的舒适性、安全性和可靠性，还能在很大程度上降低扶梯的运行能耗，提高其电气系统的电磁兼容性（EMC），减少对环境的负面影响，从而使自动扶梯产品能更加符合节能环保的要求。因此，能量回馈技术受到众多自动扶梯制造和使用单位的青睐。
1 自动扶梯能耗分析
大多数自动扶梯驱动系统的核心是一个交流(AC)感应电机，尽管交流感应电机是可靠的动力源, 许多终端用户却不知交流电机在载荷较轻时,其效率很低。由于大多数交流电机固有的设计, 交流电机20%～ 40%做的是无用功, 这部分能量常常以热量的形式白白被浪费掉。在谈节能方式之前, 首先对自动扶梯的电机能耗进行分析，电动机在正常运行状态下的功率损耗主要有3 个部分:即定子铜耗定子铁耗和转子铜耗，由于转子中的电流频率很低, 因此转子的铁耗较小, 可以忽略不计, 另外, 机械损耗和附加损耗也是较小的将可其忽略，而定子铜耗和转子铜耗分别与定子和转子中的电流的平方成正比, 因此, 减小电流将显著降低这两种损耗。至于定子中的铁耗, 包括磁滞损耗和涡流损耗, 两者都近似地与电源频率成正比, 与铁芯中的磁感应强度的平方成正比由此可见, 减小频率和降低铁芯磁通密度将会显著降低定子铁耗。
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2 能量回馈制动装置在自动扶梯上的应用
2.1 基本原理。能量回馈技术即能量回馈单元采用双PWM 控制和矩阵变换器的一体化技术。一是当电机处于拖动状态时，能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电，逆变器在PWM 控制下将能量传送到电机。二是当电机处于减速运行状态时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高。此时，整流器中开关元件在PWM 控制下将能量回馈到工频电网，完成能量的双向流动。三是同时由于PWM 整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了网侧谐波污染。
2.2 性能改善。对于公交型自动扶梯在高负载下运行所产生的再生能量，传统的自动扶梯通常采用了制动单元加电阻的能量转化方式，即利用能耗电阻将再生能量转化为热量并通过风冷散发掉。由于自动扶梯机房空间比较狭小，这势必会给机房内增加大量的热量，导致机房持续高温，从而恶化机房内部的环境，甚至可能诱发变频器的过热保护、辅助刹车系统电磁铁过热故障以及电控柜中电子元器件出现不稳定状态导致的设备间隙性故障等。此外，扶梯大多使用在地铁站，而由能耗电阻转化来的热量还会一定程度上增加地铁站空调系统的负荷。能量回馈技术则是将再生能量通过适当处理，使其符合并网条件并回馈给电网，与能量转化消耗相比，能量回馈技术不但实现了再生能量的再利用，而且还通过降低自动扶梯机房温度，改善了自动扶梯驱动系统与电控系统的工作环境，提高了自动扶梯的可靠性和安全性。
2.3 节能环保。一是节能。能量回馈技术的最大亮点在于其能够将扶梯驱动电机产生的再生能量经过适当处理后回馈给电网，从而实现再生能量的再利用，在解决再生能量处理问题的同时，大大降低了扶梯的运行能耗。当扶梯在负载率为40%以上时下行，驱动电机能量消耗为负值，系统输入的电能也为负值。这充分说明在扶梯下行时电机处于发电状态，有大量的电能回馈到了电网。二是环保。如果直接回馈到电网，会给电网造成严重的谐波污染。而由于电网输入侧的电流含有大量的谐波成分，输入电流无法控制，就会导致输入功率因数无法有效控制，从而造成功率因数低下，过低的功率因数可能会影响电网运行。由于对回馈电流的闭环控制实现了其基本正弦化，从而极大地减少了其中的谐波成分，减轻或消除了谐波对电网的污染，这就达到了扶梯电气系统电磁兼容性标准的要求。而由于电网输入侧电流可以控制，就能实现输入功率因数的单位化，即在扶梯上行或轻载下行时驱动电机处于电动状态，电压和电流的相位相同，功率因数为1；当扶梯负载下行时驱动电机处于发电状态，输入的电压和电流相差180°，功率因数为- 1。这就避免了功率因数过低对电网的安全运行造成影响。
2.4 该系统采用变频控制和能量回馈制动方式，被控电动机可急启急停。在自动扶梯负载下行过程中，惯量越大，回馈能量越大，可产生不低于40%额定功率的能量回馈。带能量回馈自动扶梯系统具有以下控制性能：一是实现电机软启动，启动力矩和低速转矩大；二是在电网波动±20%范围内恒转矩上下行，使扶梯运行不受电网波动影响；三是实现无级调速，电扶梯按“S”速度曲线运行，启动和停止过程平稳，加速和运行平滑，减少机械冲击；四是制动安全可靠，以回馈制动为主，电气制动相辅，并配合机械抱闸制动；五是四象限运行，实现再生能量回馈，并控制功率因数为1，完整、可靠的变频器自身保护及主机安全防护。
2.5 扶梯变频节能控制系统运行特性。电机定子铜耗, 特别是定子铁耗在轻载时并不比额定载荷时降低多少, 因为空载电流较大, 导致电机在轻载时功率因数很低.异步电机的这一运行特性, 正是能在自动扶梯上实现降压节能的基础。扶梯变频节能控制系统具有变频运行和备用运行两种工作方式。一是变频运行工作方式，此方式为正常工作方式, 它可根据客流情况, 自动变换调整运行速度, 达到节能和减少磨损的效果。当位于扶梯两端的传感器检测到有乘客进入时,扶梯自动平稳地将速度提高到正常额定值(0.5m/s),快速完成运客功能.在此期间如果有乘客陆续进入,则自动复位计时延长运行时间, 以保证将所有的乘客运达。当扶梯延时运行一段时间(可根据需要设定为30～180 s), 两端传感器一直没有探测到有乘客进入, 则自动平稳地降速闲置运行, 速度可根据需要设定在0.05～0.25 m/s。如果扶梯闲置时间达到了5 min之久, 则可停止运行进入待客状态, 如有乘客进入, 则自动恢复运行, 这样可达到最佳的节能运行方式。二是备用工作方式。可以通过切换开关选择备用工作方式, 即单速运行方式.此功能可作为应急使用, 当变频器或传感器出现故障、或客流量短期增加需要连续快速运行时可保证运客功能。三是无级变速曲线。由于变频驱动方式的采用, 使速度的转换以无级平滑缓慢的效果完成, 过度时间长达5s, 即使扶梯上有乘客站立, 也不会因速度的变化带来任何的危险和不适。
随着世界能源危机的加剧，再加上各国对节能减排的高度重视，节能技术已成为时代焦点。而随着地下交通和大型商场的飞速发展，自动扶梯数量将与日俱增，能量回馈技术的应用能在很大程度上提高其运行性能，降低其运行能耗，在安全舒适的前提下节约宝贵的能源。这极大地满足了自动扶梯制造和运营的需求，具有良好的社会推广价值和市场前景。
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论文作者:刘,勇,杨丽霞
论文发表刊物:《防护工程》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/16
标签：能量论文; 扶梯论文; 自动扶梯论文; 电网论文; 功率因数论文; 电机论文; 定子论文; 《防护工程》2017年第24期论文;