周　敏

摘要:自動(dòng)扶梯作為一種高效,便捷的運(yùn)輸工具被廣泛應(yīng)用于商場(chǎng),車站,機(jī)場(chǎng)等人流量大的場(chǎng)所。據(jù)統(tǒng)計(jì),每天全球約有數(shù)億人次乘坐自動(dòng)扶梯。本文以饋能制動(dòng)裝置在自動(dòng)扶梯上的應(yīng)用為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)饋能制動(dòng)裝置在扶梯上的應(yīng)用方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,帶饋能制動(dòng)裝置的變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于常態(tài)運(yùn)行向下的自動(dòng)扶梯,其節(jié)能效果要明顯優(yōu)于普通的變頻調(diào)速系統(tǒng),具有良好的應(yīng)用前景!

關(guān)鍵詞:饋能制動(dòng) 變頻器 自動(dòng)扶梯 節(jié)能

中圖分類號(hào):TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-8937(2009)03-0018-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,電力能源需求增長(zhǎng)很快,能源供需比較緊張,因此節(jié)約能源在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 交流變頻調(diào)速在自動(dòng)扶梯應(yīng)用中的研究

普通變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)的原型如下圖所示。根據(jù)圖中要求。調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)主要是:一是根據(jù)控制對(duì)象(負(fù)載)選擇電動(dòng)機(jī)的類型、容量、磁極對(duì)數(shù)等;二是 根據(jù)負(fù)載特性,選擇變頻器的類型、容量、型號(hào)等;三是決定電動(dòng)機(jī)與負(fù)載之間的傳動(dòng)比;四是設(shè)計(jì)主電路,并決定外同選配件的主要規(guī)格;五是設(shè)計(jì)控制電路,并選定外圍所需要的選配件。

1.1 自動(dòng)扶梯的負(fù)載特性和要求

自動(dòng)扶梯的負(fù)載特性:自動(dòng)扶梯曳引機(jī)構(gòu)拖動(dòng)的負(fù)載是位能負(fù)載,向上時(shí)是阻力負(fù)載,向下時(shí)多為動(dòng)力負(fù)載?？蛰d或輕載向下運(yùn)行時(shí)是動(dòng)力負(fù)載還是阻力負(fù)載,由效率以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦阻力等因素來(lái)確定。

下圖為三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。電機(jī)運(yùn)行分為四個(gè)象限:I,II象限為正轉(zhuǎn)狀態(tài);III,IV象限為反轉(zhuǎn)狀態(tài)。自動(dòng)扶梯曳引機(jī)構(gòu)向上拖動(dòng)負(fù)載時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩同向(第I象限),電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載上升(即正向電動(dòng)狀態(tài))。若轉(zhuǎn)子由于某種外力作用速度高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度(向上減速),則電機(jī)進(jìn)入第II象限運(yùn)行,電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)(即正向回饋制動(dòng)狀態(tài));自動(dòng)扶梯曳引機(jī)構(gòu)向下拖動(dòng)負(fù)載時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn)且產(chǎn)生反向電磁力矩,并在第III象限運(yùn)行。由于重物的重力產(chǎn)生的外力矩與電磁力矩同向,電機(jī)作加速運(yùn)行,此時(shí)轉(zhuǎn)子速度超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度(即電機(jī)的同步速度),進(jìn)入第IV象限運(yùn)行,電機(jī)出于發(fā)電狀態(tài),吸收負(fù)載下降釋放的位能(即反向回饋制動(dòng)狀態(tài))。

因此在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)自動(dòng)扶梯的負(fù)載有時(shí)是動(dòng)力有時(shí)是阻力,速度有正有負(fù),力矩也有正有負(fù),所以其變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)能在四象限運(yùn)行,且運(yùn)行象限的轉(zhuǎn)換應(yīng)自動(dòng)快速。

1.2 自動(dòng)扶梯節(jié)能運(yùn)行方式的分析

自動(dòng)扶梯的負(fù)載由于屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,即在某一負(fù)載下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不隨速度變化。因此其異步電動(dòng)機(jī)的輸出功率P=Tn/975,其中T為轉(zhuǎn)矩,n為轉(zhuǎn)速。即配備變頻調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)扶梯在異步電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí),其消耗的能量與轉(zhuǎn)速成正比。因此我們可以在扶梯空載時(shí),將扶梯的速度調(diào)低,從而達(dá)到節(jié)能的目的,這也是變頻調(diào)速的自動(dòng)扶梯其節(jié)能的主要來(lái)源。

目前使用的自動(dòng)扶梯變頻節(jié)能模式主要有以下三種:旁路變頻調(diào)速系統(tǒng),能耗制動(dòng)的全變頻調(diào)速系統(tǒng),饋能制動(dòng)的全變頻調(diào)速系統(tǒng)。這三種節(jié)能運(yùn)行方式,由于其實(shí)現(xiàn)方式的不同,因此在節(jié)能的效果上有各有不同。

扶梯向上運(yùn)行階段,在全速運(yùn)行段,旁路變頻調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)由電網(wǎng)直接供電,因此在輕載時(shí)由于電機(jī)運(yùn)行的效率和功率因數(shù)都很低,所以其損耗很大。而后兩種都由變頻器直接供電,由于變頻器可根據(jù)自動(dòng)扶梯的負(fù)荷情況自動(dòng)調(diào)整電壓輸出值,因此在輕載時(shí)電機(jī)可以運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)上,其效率和功率因數(shù)都大大提高,降低損耗,以達(dá)到節(jié)能的目的。而在其它階段,三種方式的節(jié)能效果相同。

扶梯向下運(yùn)行階段,在全速運(yùn)行段,能耗制動(dòng)的全變頻調(diào)速系統(tǒng),將電機(jī)反向回饋制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電能,通過(guò)在變頻器的直流環(huán)側(cè)連接制動(dòng)電阻的方式,將這部分能量消耗掉。而饋能制動(dòng)的全變頻調(diào)速系統(tǒng),則將電機(jī)反向回饋制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電能,通過(guò)饋能裝置將直流電逆變,返回給電網(wǎng)。由于饋能制動(dòng)的全變頻調(diào)速系統(tǒng),很好的利用了位能負(fù)載在下降過(guò)程中傳遞給電機(jī)的機(jī)械能,因此它比能耗制動(dòng)的全變頻調(diào)速系統(tǒng)有更好的節(jié)能效果。

1.3 變頻器的選型要求

1.3.1變頻器容量的計(jì)算

變頻器容量為:

1.5PCN≥KP/(MCOS)

式中 COS--電機(jī)的功率因數(shù),通常約 0.75

M電機(jī)效率,通常約 0.85

PCN--變頻器容量

K--修正系數(shù),K=1.2

1.3.2安裝環(huán)境和冷卻方式的要求

因?yàn)樽冾l器的主要發(fā)熱量是來(lái)自于逆變回路的IGBT,理論的計(jì)算公式就是Q=I2t,實(shí)際工程上都是按3—5%的額定功率來(lái)作為變頻器的發(fā)熱量。在選擇變頻器時(shí),我們必須校驗(yàn)實(shí)際安裝空間的大小是否滿足變頻器使用手冊(cè)中最小冷卻通風(fēng)空間的要求。

1.4 饋能制動(dòng)裝置的選型要求

1.4.1制動(dòng)功率的計(jì)算

假設(shè)扶梯下行滿載時(shí),電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),其曳引機(jī)構(gòu)所拖動(dòng)的最大負(fù)載為 F 牛頓,速度為S 米/秒,齒輪箱的效率為e,則此時(shí)電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的功率為:

P_{制動(dòng)}=(F * S / 1000)*e,即 P_{制動(dòng)}= P_{電動(dòng)}*e*e

通常P電動(dòng)我們就用電機(jī)的額定功率替代,即P_{制動(dòng)}=P_額定*e*e

1.4.2安裝環(huán)境和冷卻方式的要求

由于饋能制動(dòng)裝置的主要發(fā)熱量也來(lái)自于逆變回路的IGBT,因此同變頻器一樣,我們必須校驗(yàn)饋能制動(dòng)裝置實(shí)際安裝空間的大小是否滿足其最小冷卻通風(fēng)空間的要求。

1.4.3饋能制動(dòng)裝置輸出電能的質(zhì)量

由于全變頻系統(tǒng)中的饋能制動(dòng)裝置需要將變頻器直流側(cè)的電流逆變?yōu)榻涣麟?并送回電網(wǎng)。因此其輸出的交流電的電能質(zhì)量是否能滿足相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求就顯得非常重要。

2 實(shí)際案例設(shè)計(jì)

在之前的分析中,我們知道饋能制動(dòng)裝置主要在扶梯向下運(yùn)行階段起作用,因此我們選擇一臺(tái)日常運(yùn)行方向向下的公共交通型自動(dòng)扶梯作為研究對(duì)象,以驗(yàn)證帶饋能制動(dòng)裝置的全變頻調(diào)速系統(tǒng)在自動(dòng)扶梯中的實(shí)際節(jié)能效果!

自動(dòng)扶梯參數(shù)如下:

提升高度=5.5m,傾角=30°,運(yùn)行速度=0.5m/s,梯級(jí)寬度=1000mm,安裝環(huán)境為室內(nèi)型,原配備的節(jié)能裝置為能耗制動(dòng)的全變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2.1 節(jié)能效果的實(shí)際測(cè)量

將原扶梯改造為帶饋能制動(dòng)裝置的全變頻調(diào)速扶梯并檢驗(yàn)其實(shí)際節(jié)能效果。

2.1.1改造前電能消耗測(cè)量

從車站設(shè)備科查到的歷史記錄顯示,此扶梯前3個(gè)月的電能消耗分別為:

798kWh,785kWh,805kWh,均大于理論計(jì)算值:630kWh

2.2.2改造后電能消耗測(cè)量

將設(shè)備改造運(yùn)行兩個(gè)月后,去車站設(shè)備科調(diào)閱該扶梯電度表的抄表記錄,其消耗的電能分別為:216kWh,234kW時(shí)。雖然比理論計(jì)算值高出較多,但與之前三個(gè)月的比較,我們?nèi)园l(fā)現(xiàn)其電能消耗較低了近3-4倍。

因此可得出以下結(jié)論:

帶饋能制動(dòng)裝置的變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于常態(tài)運(yùn)行向下的自動(dòng)扶梯,特別是長(zhǎng)期處于重載連續(xù)運(yùn)行的公共交通型自動(dòng)扶梯,其節(jié)能效果要明顯優(yōu)于普通的變頻調(diào)速系統(tǒng)!

2.2 電能質(zhì)量的測(cè)量

除了驗(yàn)證節(jié)能效果外,由于饋能裝置是直接將電能反饋給電網(wǎng),因此該裝置對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響也非常重要,通過(guò)測(cè)量電能質(zhì)量的各項(xiàng)數(shù)據(jù),驗(yàn)證它是否能滿足相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)!

以下為部分測(cè)試數(shù)據(jù)值

由上我們可以得出結(jié)論,該饋能裝置輸出電能的質(zhì)量完全符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3饋能制動(dòng)裝置在自動(dòng)扶梯應(yīng)用中的近一步展望

由于目前成熟的饋能制動(dòng)裝置只能由少數(shù)幾家國(guó)外公司提供,因此其價(jià)格仍相當(dāng)高。因此加速饋能制動(dòng)裝置的國(guó)產(chǎn)化,降低價(jià)格,也是我們下一步在公共交通型自動(dòng)扶梯上推廣使用饋能制動(dòng)裝置的工作重點(diǎn)。

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