楊永奇

摘 要：自動(dòng)扶梯是地鐵車(chē)站重要的機(jī)電設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定與否直接關(guān)系乘客的人身安全和地鐵的運(yùn)營(yíng)秩序?，F(xiàn)代地鐵車(chē)站使用的自動(dòng)扶梯都是采用直接供電與變頻器供電兩種控制方式，其主電路的控制方式既要滿足自動(dòng)扶梯的正常情況下運(yùn)行要求，又要滿足特殊控制條件下的使用要求。因此，對(duì)其主控制電路的設(shè)計(jì)要求非常嚴(yán)格。本文按照這樣的要求，探討了典型的地鐵車(chē)站自動(dòng)扶梯的主控制電路的設(shè)計(jì)和控制原理。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)站 自動(dòng)扶梯 變頻器 工頻控制

一、自動(dòng)扶梯的控制要求

地鐵車(chē)站的自動(dòng)扶梯是地鐵車(chē)站最為重要的機(jī)電設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定與否直接關(guān)系乘客的人身安全和地鐵車(chē)站的運(yùn)營(yíng)秩序。車(chē)站的自動(dòng)扶梯一般設(shè)置在車(chē)站的地面層與站廳層非付費(fèi)區(qū)和付費(fèi)區(qū)的站廳層與站臺(tái)層之間。自動(dòng)扶梯正常情況下實(shí)現(xiàn)運(yùn)送乘客的功能，而在車(chē)站發(fā)生火災(zāi)等異常情況下，還擔(dān)負(fù)快速疏散乘客的功能。因此，在自動(dòng)扶梯的控制系統(tǒng)基本的控制功能包括正?？刂颇Ｊ胶彤惓？刂颇Ｊ?。正?？刂颇Ｊ揭笞詣?dòng)扶梯可以實(shí)現(xiàn)正常與慢速的速度控制功能，而當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，自動(dòng)扶梯應(yīng)該按照其最大允許速度快速運(yùn)行，以達(dá)到快速疏散乘客的目的。

根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，自動(dòng)扶梯的速度控制要求包括自動(dòng)扶梯傾斜角α不大于30°時(shí)，其運(yùn)行速度不應(yīng)超過(guò)0.75m/s，自動(dòng)扶梯傾斜角α大于30°，但不大于35°時(shí)，其運(yùn)行速度不應(yīng)超過(guò)0.5m/s，踏板或膠帶的寬度不超過(guò)1.1m時(shí)，自動(dòng)人行道的運(yùn)行速度最大允許達(dá)到0.9m/s，當(dāng)無(wú)人使用自動(dòng)扶梯時(shí)，其運(yùn)行速度為節(jié)能速度0.13m/s。

根據(jù)以上的控制要求，其主回路應(yīng)該配置相關(guān)的設(shè)備和控制模式，滿足自動(dòng)扶梯的控制要求。

二、典型自動(dòng)扶梯主電路結(jié)構(gòu)

典型地鐵車(chē)站自動(dòng)扶梯主電路結(jié)構(gòu)為變頻器與PLC相結(jié)合的VVVF自動(dòng)扶梯變頻調(diào)速系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用Y/△啟動(dòng)方式。隨著變頻（VVVF）交流調(diào)速技術(shù)的日臻成熟，采用VVVF控制方式的自動(dòng)扶梯已成為自動(dòng)扶梯控制的主流。VVVF技術(shù)控制使電梯具有節(jié)能、高效、可靠、噪聲低和舒適等優(yōu)點(diǎn)。該控制系統(tǒng)包括的主要設(shè)備有如下幾部分。

1.變頻器

變頻器是自動(dòng)扶梯控制的核心設(shè)備。自動(dòng)扶梯所應(yīng)用的變頻器選擇范圍較廣，目前市場(chǎng)主流的變頻器都可以應(yīng)用于自動(dòng)扶梯的控制。較為典型的如Danfoss VLT2900 變頻器，如圖1所示。其主要應(yīng)用于0.55 ～ 18.5 kW（AC380V）的交流電動(dòng)機(jī)，輸出頻率一般在 0 ～ 1000 Hz 之間可變輸出，電壓等級(jí)一般為 380 ～ 480 VAC（-20/+10%）。該變頻器具有自動(dòng)電動(dòng)機(jī)整定功能，可以自動(dòng)測(cè)量電動(dòng)機(jī)參數(shù)，以確保變頻器和電動(dòng)機(jī)的最佳匹配，從而提高變頻器的應(yīng)用性能。此外，該變頻器還具有 PID 控制器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)扶梯最優(yōu)的閉環(huán)控制。

2.交流電動(dòng)機(jī)

自動(dòng)扶梯的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般選用三相交流異步電動(dòng)機(jī)。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的三相交流異步電動(dòng)機(jī)都可以作為自動(dòng)扶梯的驅(qū)動(dòng)電梯，都能滿足自動(dòng)扶梯控制所要求的啟動(dòng)力矩大，運(yùn)行穩(wěn)定，堅(jiān)固耐用，維修保養(yǎng)方便，調(diào)速方便等優(yōu)點(diǎn)。且非常容易與變頻器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)VVVF控制。

三、主控制回路控制功能和原理分析

根據(jù)自動(dòng)扶梯的控制要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方式包括工頻控制和變頻控制兩種方式，可根據(jù)地鐵車(chē)站實(shí)際的運(yùn)營(yíng)狀況自動(dòng)切換。當(dāng)車(chē)站處于正常的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)時(shí)，可以采用變頻運(yùn)行模式，且可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。當(dāng)較長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有乘客進(jìn)入自動(dòng)扶梯時(shí)，自動(dòng)扶梯自動(dòng)切換至慢速節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)即將有乘客進(jìn)入自動(dòng)扶梯時(shí)，則控制系統(tǒng)自動(dòng)將自動(dòng)扶梯切換至正常運(yùn)行速度控制。如車(chē)站發(fā)生異常狀況，則可以直接將控制方式切換至工頻控制模式，讓電梯處于快速運(yùn)行狀態(tài)，且不受變頻器控制，以免給地鐵的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)新的不利影響。下面，我們結(jié)合典型的自動(dòng)扶梯主回路控制電路，來(lái)具體分析自動(dòng)扶梯的運(yùn)行及控制過(guò)程。

1.工頻控制

工頻控制模式下，電梯轉(zhuǎn)速不可調(diào)整，只有運(yùn)行和停止兩種狀態(tài)。

（1）啟動(dòng)控制。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行接觸器K01，電梯上行接觸器K11或者電梯下行接觸器K12，電機(jī)星型啟動(dòng)接觸器K21得電動(dòng)作，電機(jī)得電，定子繞組以Y型接法，則自動(dòng)扶梯進(jìn)入啟動(dòng)過(guò)程。

（2）正常運(yùn)行控制。電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程持續(xù)約10s，待電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速60% ～70%，電機(jī)星型啟動(dòng)接觸器K21斷電，電機(jī)三角型運(yùn)行接觸器K22得電動(dòng)作，將電機(jī)的定子繞組接線方式改為△接法，此時(shí)，電機(jī)進(jìn)入在工頻電源供電下的正常運(yùn)行模式。

2.變頻控制

變頻控制模式下，電梯轉(zhuǎn)速可以根據(jù)不同的控制模式進(jìn)行運(yùn)行速度的控制，在滿足地鐵車(chē)站正常運(yùn)營(yíng)條件下，自動(dòng)扶梯處于一種節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。變頻器主供電接觸器K02與電機(jī)工頻運(yùn)行接觸器K01之間仍然進(jìn)行有效連鎖，電機(jī)工頻運(yùn)行接觸器K01必須處于斷電狀態(tài)。同時(shí)，電機(jī)星型啟動(dòng)接觸器K21和電機(jī)三角型運(yùn)行接觸器K22必須處于斷電狀態(tài)，以滿足電機(jī)由變頻器控制的需要。

變頻器主供電接觸器K02得電動(dòng)作，變頻器主電源接通得電。電機(jī)變頻運(yùn)行接觸器K03得電動(dòng)作，將變頻器輸出電源接到電梯上行接觸器K11和電梯下行接觸器K12主觸點(diǎn)的上端子。

需要說(shuō)明的是，在變頻控制模式下，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制是由變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)電梯下行接觸器K12處于斷電狀態(tài)，不參與電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。

（1）上行控制。在自動(dòng)扶梯變頻器變頻控制模式下，電梯上行接觸器K11得電動(dòng)作。電梯上行繼電器K13受PLC控制，得電動(dòng)作，其一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，輸出電梯上行指令，將變頻器12號(hào)端子輸出的24VDC返回變頻器18號(hào)端子。此時(shí)，變頻器按照預(yù)設(shè)頻率輸出交流電壓，自動(dòng)扶梯上行運(yùn)動(dòng)。

（2）下行控制。與自動(dòng)扶梯上行相似，在自動(dòng)扶梯變頻器變頻控制模式下，電梯上行接觸器K11得電動(dòng)作。電梯下行繼電器K14受PLC控制，得電動(dòng)作，其一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，輸出電梯下行指令，將變頻器12號(hào)端子輸出的24VDC返回變頻器18號(hào)端子。此時(shí)，變頻器按照預(yù)設(shè)頻率輸出交流電壓，自動(dòng)扶梯下行運(yùn)動(dòng)。

（3）快慢速控制。自動(dòng)扶梯的快慢速控制是由變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)自動(dòng)扶梯的工作狀態(tài)處于非檢修狀態(tài)，即正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，與變頻運(yùn)行快慢速控制繼電器K19常開(kāi)觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)串聯(lián)的檢修開(kāi)關(guān)S43處于斷開(kāi)位置，此時(shí)，沒(méi)有信號(hào)輸出到變頻器32和33號(hào)端子，變頻器以預(yù)設(shè)的正常頻率輸出，自動(dòng)扶梯以正常速度運(yùn)行。

當(dāng)操作檢修開(kāi)關(guān)S43處于自動(dòng)扶梯檢修狀態(tài)時(shí)，與變頻運(yùn)行快慢速控制繼電器K19常開(kāi)觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)串聯(lián)的檢修開(kāi)關(guān)S43處于閉合位置，此時(shí)，有信號(hào)輸出到變頻器32和33號(hào)端子，變頻器以預(yù)設(shè)的慢速頻率輸出，自動(dòng)扶梯以慢速速度運(yùn)行。

3.制動(dòng)控制

為了實(shí)現(xiàn)電梯在異常狀態(tài)下的快速停止，在變頻器上設(shè)置有制動(dòng)單元，接線端子為R+和R-，制動(dòng)單元連接制動(dòng)電阻，將電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化成熱能釋放。制動(dòng)電阻的主要功能有以下兩點(diǎn)。

（1）保護(hù)變頻器。電機(jī)在快速停車(chē)過(guò)程中，由于慣性作用，會(huì)產(chǎn)生大量的再生電能，如果不及時(shí)消耗掉這部分再生電能，就會(huì)直接作用于變頻器的直流電路部分，輕者，變頻器會(huì)報(bào)故障，重者會(huì)損害變頻器。制動(dòng)電阻的出現(xiàn)，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，保護(hù)變頻器不受電機(jī)再生電能的危害。

（2）保證電網(wǎng)穩(wěn)定。制動(dòng)電阻將電機(jī)快速制動(dòng)過(guò)程中的再生電能直接轉(zhuǎn)化為熱能，這樣再生電能就不會(huì)反饋到電源電網(wǎng)絡(luò)中，不會(huì)造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，從而起到了保證電源網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行的作用。

4.重要的聯(lián)鎖控制

由于地鐵車(chē)站自動(dòng)扶梯控制的特殊性，除了常規(guī)的控制以外，主回路中還設(shè)計(jì)了一些重要的聯(lián)鎖控制，以保證自動(dòng)扶梯穩(wěn)定安全的運(yùn)行。

自動(dòng)扶梯變頻器主供電接觸器K02和電機(jī)變頻運(yùn)行接觸器K03與電機(jī)工頻運(yùn)行接觸器K01之間的聯(lián)鎖，二者不能同時(shí)得電動(dòng)作。

自動(dòng)扶梯電機(jī)工頻運(yùn)行狀態(tài)下，電梯上行接觸器K11和電梯下行接觸器K12之間的連鎖，二者不能同時(shí)得電動(dòng)作。

自動(dòng)扶梯電機(jī)變頻控制模式下，電梯上行接觸器K11和電機(jī)星型啟動(dòng)接觸器K21和電機(jī)三角型運(yùn)行接觸器K22之間的連鎖。此時(shí)，在電梯上行接觸器K11得電條件下，電機(jī)星型啟動(dòng)接觸器K21和電機(jī)三角型運(yùn)行接觸器K22不能得電動(dòng)作。

電梯上行繼電器K13和電梯下行繼電器K14之間的連鎖，兩個(gè)信號(hào)不能同時(shí)輸出給變頻器。

四、小結(jié)

地鐵車(chē)站的自動(dòng)扶梯雖然只是地鐵機(jī)電系統(tǒng)的一部分，但在這些系統(tǒng)中它是較為重要的。為了達(dá)到地鐵車(chē)站整體安全運(yùn)營(yíng)對(duì)自動(dòng)扶梯的要求，自動(dòng)扶梯在控制上必須采取更為合理，且安全性更高的控制技術(shù)，特別是在電氣主回路的設(shè)計(jì)上，必須兼顧高效、穩(wěn)定、便捷的綜合性要求。除此以外，隨著節(jié)能環(huán)保概念的不斷深入人心，耗能大戶的自動(dòng)扶梯也必然要在控制系統(tǒng)上來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行前提下的最大化的節(jié)能要求。正是由于有這些要求，典型的自動(dòng)扶梯控制主回路的設(shè)計(jì)才得以完整實(shí)現(xiàn)。以變頻器、PLC為核心的自動(dòng)扶梯控制系統(tǒng)必將為地鐵車(chē)站的高效運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造一定的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)滿足乘客需求和安全、穩(wěn)定、節(jié)能的多重目標(biāo)。

（作者單位：北京市工業(yè)技師學(xué)院）