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        基于半保護(hù)機(jī)制自動扶梯電壓暫降保護(hù)策略研究

        2023-12-26 10:55:42陳宜匯
        機(jī)電信息 2023年24期
        關(guān)鍵詞:自動扶梯扶梯接觸器

        陳宜匯

        (廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510030)

        1 現(xiàn)狀分析

        廣州等城市電網(wǎng)容易受夏天雷雨天氣的影響而發(fā)生電壓暫降,每年因電壓暫降導(dǎo)致停梯次數(shù)可達(dá)50多次。對于超大客流的地鐵線網(wǎng),自動扶梯因電壓暫降發(fā)生停梯,將導(dǎo)致客流出現(xiàn)堆積,嚴(yán)重影響運(yùn)營安全和效率,已成為地鐵運(yùn)營的一個痛點(diǎn)。

        2 方案原理

        自動扶梯電源一般由主驅(qū)動回路和控制回路組成,主驅(qū)動回路通過變頻器與電機(jī)相連,一般采用380 V;控制回路主要為扶梯的接觸器、繼電器、電路板等供電,一般采用220 V。半保護(hù)機(jī)制的原理是在電壓暫降事件發(fā)生時,針對自動扶梯控制回路設(shè)置額外的電源補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)控制回路不斷電,目前補(bǔ)償方式一般有UPS、超級電容、VDC等方案,但現(xiàn)有方案并未根據(jù)扶梯運(yùn)動學(xué)參數(shù)提出保護(hù)參數(shù)設(shè)定要求,而電壓暫降保護(hù)參數(shù)設(shè)定是影響扶梯運(yùn)行安全的關(guān)鍵因素。為此,本文提出了一種針對控制系統(tǒng)半保護(hù)的方案,并結(jié)合扶梯動力學(xué)參數(shù)測試給出電壓暫降保護(hù)范圍建議值。半保護(hù)機(jī)制原理如圖1所示,當(dāng)扶梯外電源電壓正常時,備用保持電源處于非供電模式,由三相電源對控制系統(tǒng)進(jìn)行供電;在扶梯運(yùn)行過程中,當(dāng)電源電壓出現(xiàn)短時間異常波動,電源檢測模塊檢測出電壓瞬斷或暫降時,將備用保持電源切換至供電模式向控制系統(tǒng)供電,確保扶梯電路板、接觸器等控制器件在電壓暫降發(fā)生后短時間內(nèi)處于正常工作狀態(tài),避免因接觸器等控制系統(tǒng)相關(guān)器件斷電引發(fā)停梯故障,實(shí)現(xiàn)扶梯在電壓暫降期間不停梯運(yùn)行。

        圖1 電壓暫降保持功能框圖

        半保護(hù)機(jī)制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大部分自動扶梯電壓暫降保護(hù)功能,相比全保護(hù)機(jī)制(主驅(qū)動回路和控制回路均進(jìn)行電壓補(bǔ)償)而言,儲能元器件減少,成本造價低,經(jīng)濟(jì)性高[1]。

        3 安全性分析

        在上述半保護(hù)機(jī)制下,當(dāng)外電源電壓出現(xiàn)瞬時掉落時,備用電源發(fā)揮作用。雖然備用電源及時對控制回路進(jìn)行了補(bǔ)償,但由于能量供給問題,扶梯主驅(qū)動回路處于外電源欠壓暫降狀態(tài),此時扶梯將會在乘客載荷重力及機(jī)械阻力的作用下做加速(下行扶梯)或減速(上行扶梯)運(yùn)動。為保障乘客安全性及扶梯正常運(yùn)行,需對該過程進(jìn)行分析,下面通過理論核算及試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面進(jìn)行論證。

        3.1 理論核算

        根據(jù)機(jī)械原理,上行扶梯出現(xiàn)電壓暫降時,乘客載荷的作用方向與扶梯運(yùn)行方向相反,加速度絕對值最大,為最惡劣工況,因此本文按上行扶梯電壓暫降情況下扶梯梯路的加速度進(jìn)行理論計算。速度變化趨勢圖如圖2所示。

        圖2 電壓暫降時速度變化圖

        此過程中,加速度的計算與等效鏈輪直徑D、轉(zhuǎn)動慣量GD、乘客扭矩TL、行走阻矩TF等有關(guān),具體計算公式如下:

        式中:aDN為下行扶梯加速度;aUP為上行扶梯加速度;GDR為主機(jī)慣量;GDLT為上部鏈輪周邊扶梯慣量;η為減速機(jī)傳動效率;g為重力加速度,取9.8 m/s2。

        代入A品牌自動扶梯設(shè)計參數(shù)進(jìn)行計算,得出扶梯以0.65 m/s速度運(yùn)行時在各種負(fù)載率情況下發(fā)生電壓暫降時的速度變化情況,如表1所示(扶梯上行,暫降時間參考香港機(jī)電工程署發(fā)布的《升降機(jī)及自動梯設(shè)計及構(gòu)造實(shí)務(wù)守則》按200 ms計算)。

        表1 上行扶梯發(fā)生電壓暫降速度變化表

        由以上計算結(jié)果可知,電壓暫降過程在扶梯負(fù)載100%且持續(xù)時間200 ms最惡劣情況下,同時考慮變頻器重新接入驅(qū)動的影響,減速度<1 m/s2,速度理論上變化百分比小于20%,滿足國標(biāo)GB 16899—2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》對扶梯運(yùn)行過程做出的以下相關(guān)要求[2]:

        1)運(yùn)行速度≤1.2×名義速度(條款5.4.2.3.1);

        2)減速度≤1 m/s2(條款5.4.2.1.3.2、5.4.2.2.2)。

        因此,半保護(hù)機(jī)制下200 ms的暫降時間范圍內(nèi)理論上不會觸發(fā)扶梯超速保護(hù)功能,且減速度也滿足規(guī)范要求,因此半保護(hù)機(jī)制下電壓暫降持續(xù)200 ms內(nèi),扶梯可保持相對平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。

        3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

        本試驗(yàn)?zāi)M自動扶梯電壓瞬時跌落的情景,通過示波器對扶梯運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄,獲取在不同暫降時間范圍、不同扶梯負(fù)載下運(yùn)行速度、加/減速度和急動度的數(shù)據(jù)。以滿足上述4個指標(biāo)為前提,確定自動扶梯的電壓暫降保護(hù)時間和電壓下降閾值的范圍,具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2、圖3所示。

        表2 上行扶梯電壓暫降試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

        圖3 上行扶梯電壓暫降試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布圖

        試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),常規(guī)自動扶梯變頻器由于電容較小,在電壓暫降發(fā)生后,變頻器工作時間僅能支持200 ms左右的工作狀態(tài),之后便會報故障導(dǎo)致扶梯停止運(yùn)行,因此暫降時間變量僅有一組。

        由以上圖表可知,電壓暫降幅值在50%以上時,上行扶梯的速度跌落幅值隨電壓跌落幅值變化不顯著,隨著負(fù)載的增加而增加,且減速度和急動度測量值均滿足運(yùn)動學(xué)指標(biāo),可以保證扶梯完成運(yùn)行。而一旦電壓暫降幅值跌落至40%后,急動度(即扶梯運(yùn)行的加加速度)≥2.5 m/s3[3],嚴(yán)重影響乘客乘梯舒適性,且變頻器母線欠壓導(dǎo)致部分接觸器觸點(diǎn)已經(jīng)不能維持觸點(diǎn)的閉合狀態(tài),最終導(dǎo)致故障停梯。

        下行扶梯在電壓暫降事件發(fā)生時理論上要做瞬時的向下加速運(yùn)動,但由試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表3)來看并非如此。這是因?yàn)橄滦羞\(yùn)行狀態(tài)下自動扶梯變頻器的母線電壓較高,通常遠(yuǎn)大于DC600 V[4],電壓暫降發(fā)生時,對下行扶梯的變頻器影響也會被減弱。

        表3 下行扶梯電壓暫降試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

        同時,扶梯下行相當(dāng)于是一個發(fā)電過程,也會對電路進(jìn)行一定的補(bǔ)償,因此下行扶梯在電壓暫降時間中表現(xiàn)得比上行扶梯要穩(wěn)定,但如果電壓也跌至40%,扶梯同樣會故障制動停止運(yùn)行。

        4 結(jié)論及建議

        根據(jù)以上理論計算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的分析,建議半保護(hù)機(jī)制自動扶梯電壓暫降保護(hù)范圍為工作電壓剩余40%以上,暫降運(yùn)行時間不超過200 ms。這一范圍能對絕大部分自動扶梯電壓暫降時間起到關(guān)鍵的保護(hù)作用,解決電壓暫降帶來的運(yùn)營安全問題。

        自動扶梯作為在軌道交通等公共場所運(yùn)輸人員的重要設(shè)備,其安全性、穩(wěn)定性和可靠性是乘客生命財產(chǎn)安全的重要保障。對電壓暫降事件的治理,需要國家電網(wǎng)和電梯設(shè)備廠家的共同努力,一方面改善電能輸出質(zhì)量,另一方面優(yōu)化設(shè)備抗擾度設(shè)計,提高設(shè)備性能,相信在不久的將來,便能極大地提高自動扶梯的服務(wù)水平。

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