陳寶玲，唐繼英

（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，天津300400）

1 引言

電扶梯廣泛用于車站、碼頭、商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)和地下鐵道等人流集中的地方，世界上不同地區(qū)所用市電的電壓和頻率不同，電扶梯出廠前、對(duì)不同地區(qū)的電扶梯、應(yīng)采用不同電壓和頻率的交流電對(duì)電扶梯進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。

傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)噪音大，能耗大，并且啟動(dòng)后不能隨便停機(jī)；日常維護(hù)的工作量較大；試驗(yàn)的接線復(fù)雜，試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了電扶梯試驗(yàn)用調(diào)頻調(diào)壓電源。

2 主要設(shè)計(jì)要求

輸入?yún)?shù)：三相交流電壓為380 V，-5%；三相交流頻率為50 Hz，+2%。

輸出參數(shù)：三相交流電壓為200 V，210 V，220 V，230 V，345 V 等，共10 個(gè)等級(jí)，+5%；三相交流頻率為50 Hz，60 Hz 2種，+2%。單相交流電壓為100 V，110 V，200 V，220 V，+5%；230 V，240 V，+2%。單相交流頻率為50 Hz，60 Hz 2種，+2%。輸出功率為50 kvar。與原先采用發(fā)電機(jī)系統(tǒng)比較，要求低噪聲、低污染、操作方便、可移動(dòng)、程序控制柔性強(qiáng)、維護(hù)方便。環(huán)境溫度在0～55°C之間正常工作。

3 系統(tǒng)概述

該調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于電扶梯試驗(yàn)電源，包括調(diào)頻電路，三相調(diào)壓電路，單相調(diào)壓及顯示電路，繼電器-接觸器轉(zhuǎn)換電路，可編程控制器輸入電路、輸出電路。設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。通過可編程控制器輸入電路的按鈕控制，電源輸出50 Hz 或60 Hz 的10 個(gè)等級(jí)的三相交流電；50 Hz或60 Hz的6個(gè)等級(jí)的單相交流電。為用于不同地區(qū)的電扶梯提供試驗(yàn)電源。圖1 中有說明的箭頭線為強(qiáng)電，沒說明的箭頭線為控制信號(hào)。

圖1 設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Design diagram

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 調(diào)頻電路設(shè)計(jì)

4.1.1 調(diào)頻電路組成

調(diào)頻電路由變頻器、2 個(gè)電抗器和低壓電器組成，輸入為三相380 V，50 Hz交流電，輸出為三相380 V，50 Hz 交流電或三相380 V，60 Hz 交流電。PLC 輸出電路控制繼電器K1，K1得電、變頻器輸出380 V，50 Hz，K1斷電、變頻器輸出380 V，60 Hz。變頻器輸出經(jīng)接觸器KM1，KM2控制，分別連接到三相調(diào)壓電路的降壓變壓器T1輸入端和升壓變壓器T2輸入端，KM1與KM2之間的互鎖由PLC輸出電路控制繼電器K3，K4來實(shí)現(xiàn)。電抗器L1對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行濾波，電抗器L2對(duì)變頻器負(fù)載端進(jìn)行濾波，保護(hù)變頻器。Q3控制輸出單相380 V，50 Hz，或單相380 V，60 Hz，作為單相調(diào)壓電路輸入。調(diào)頻電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 調(diào)頻電路圖Fig.2 FM circuit diagram

4.1.2 變頻器選型依據(jù)

變頻器的正確選擇對(duì)于控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行是非常關(guān)鍵的。選擇變頻器時(shí)必須要充分了解變頻器所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載特性；應(yīng)以實(shí)際電機(jī)電流值作為變頻器選擇的依據(jù)，同時(shí)參考電機(jī)的額定功率。應(yīng)用于電扶梯的控制系統(tǒng)要求啟動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，無抖動(dòng)，這就要求變頻器啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)。

綜合考慮，選擇安川變頻器，專業(yè)廠家，質(zhì)量有保證，有完整的矢量控制和保護(hù)功能，低頻啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)速度快。完全能夠滿足該系統(tǒng)的要求。

4.1.3 輸入電抗器選型依據(jù)

輸入電抗器又稱電源協(xié)調(diào)電抗器，它能夠限制電網(wǎng)電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊，有效地保護(hù)變頻器和改善其功率因數(shù)，有效地抑制諧波電流。輸入電抗器串聯(lián)在電源進(jìn)線與變頻器輸入側(cè)，用于抑制輸入電流的高次諧波，減少電源浪涌對(duì)變頻器的沖擊，改善三相電源的不平衡性，提高輸入電源的功率因數(shù)。輸入電抗器既能阻止來自電網(wǎng)的干擾，又能減少整流單元產(chǎn)生的諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染。

輸入電抗器的電感量L的計(jì)算。依據(jù)輸入電抗器壓降和額定電流，則輸入電抗器的電感量L的計(jì)算如下：

式中：ΔUL為電抗器額定電壓降，V，一般取網(wǎng)側(cè)相電壓的2%～4%；In為電抗器額定電流，A；f 為電網(wǎng)頻率，Hz。

4.1.4 輸出電抗器選型依據(jù)

輸出電抗器可以鈍化變頻器輸出電壓（開關(guān)頻率）的陡度，減少逆變器中的功率元件的擾動(dòng)和沖擊，保護(hù)變頻器。另外可降低由于電纜電容引起的電機(jī)繞組過電壓，可延長(zhǎng)變頻器到電機(jī)之間的距離，提高電機(jī)的使用壽命。

輸出電抗器的選擇要考慮電抗器的額定電流、阻抗電壓降、電感量、電機(jī)容量及變頻器與電機(jī)之間連接的電纜長(zhǎng)度等因素。

通常，可查閱安川變頻器手冊(cè)，選取輸入、輸出電抗器。

4.2 三相調(diào)壓電路設(shè)計(jì)

三相調(diào)壓電路由2 個(gè)變壓器和低壓電器組成。對(duì)三相調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)要求是，輸入為三相380 V，50 Hz或三相380 V，60 Hz，輸出為50 Hz，200 V 等10 個(gè)等級(jí)的三相交流電或60 Hz，200 V等10 個(gè)等級(jí)的三相交流電，共10 個(gè)等級(jí)電壓。其中，降壓變壓器T1二次輸出200 V，210 V，220 V，230 V，升壓變壓器T2二次輸出345 V，380 V，400 V，415 V，440 V，460 V。三相調(diào)壓電路如圖3所示。

圖3 三相調(diào)壓電路圖Fig.3 Three-phase voltage regulator circuit diagram

圖3中，接觸器KM3閉合、試驗(yàn)電源輸出200 V，KM4閉合、試驗(yàn)電源輸出210 V（未示出），依此類推，KM12閉合、試驗(yàn)電源輸出460 V，共10個(gè)等級(jí)。KM3，KM4直至KM12，共10 個(gè)接觸器之間的互鎖，由PLC輸出電路控制繼電器K5，K6直至K14來實(shí)現(xiàn)。

4.3 PLC輸入電路設(shè)計(jì)

PLC 輸入電路由50 Hz，60 Hz 選擇控制；試驗(yàn)電源啟動(dòng)、停止控制；三相200 V，210 V，220 V，230 V，345 V，380 V，400 V，415 V，440 V，460 V 輸出選擇控制；單相100 V，110 V，200 V，220 V，230 V，240 V輸出選擇控制；三相停止；單相停止；溫度開關(guān)保護(hù)等輸入電路組成。其中，溫度開關(guān)為自動(dòng)控制，其它為手動(dòng)控制。PLC輸入電路如圖4所示。

圖4 PLC輸入電路圖Fig.4 PLC input circuit diagram

4.4 PLC輸出電路設(shè)計(jì)

PLC 輸出電路由三相、單相停止顯示；變頻器輸出停止顯示；故障（變壓器溫度超過85°C）輸出顯示；輸出50 Hz 或60 Hz 顯示；變頻器啟動(dòng)控制及顯示；接通降壓變壓器或接通升壓變壓器控制；三相200 V，210 V，220 V，230 V，345 V，380 V，400 V，415 V，440 V，460 V 輸出控制；冷卻風(fēng)扇控制；單相100 V，110 V，200 V，220 V，230 V，240 V輸出控制等電路組成。PLC輸出電路如圖5、圖6所示。

單相調(diào)壓及顯示電路由變壓器和低壓電器組成。變壓器輸出100 V，110 V，200 V，220 V，230 V，240 V 共6 個(gè)等級(jí)電壓。在可編程控制器輸出電路控制下，單相調(diào)壓及顯示電路可選擇輸出6 個(gè)等級(jí)電壓中的其中之一，并顯示輸出電壓值。

圖5 PLC輸出電路圖1Fig.5 PLC output circuit diagram 1

圖6 PLC輸出電路圖2Fig.6 PLC output circuit diagram 2

繼電器-接觸器轉(zhuǎn)換電路有繼電器的常開觸點(diǎn)和接觸器線圈組成?？删幊炭刂破鬏敵鲭娐方?jīng)繼電器的常開觸點(diǎn)控制接觸器，使三相調(diào)壓電路可選擇輸出10個(gè)等級(jí)電壓中的其中之一。

因篇幅限制，單相調(diào)壓電路、繼電器-接觸器轉(zhuǎn)換電路的電路圖、柜體設(shè)計(jì)及有關(guān)的詳細(xì)計(jì)算本文從略。

5 PLC編程

本試驗(yàn)電源選用日本富士NB2系列PLC，編程語(yǔ)言為梯形圖語(yǔ)言。梯形圖語(yǔ)言是各種PLC通用的，利用梯形圖編程，首先必須確定所使用的編程元件編號(hào)，PLC是按編號(hào)來區(qū)別操作元件的。I/O 的分配實(shí)際上是把PLC 的入、出點(diǎn)號(hào)分給實(shí)際的I/O 電路，編程時(shí)按點(diǎn)號(hào)建立邏輯或控制關(guān)系，程序編好后經(jīng)由編程電纜下載到PLC中，接線時(shí)按點(diǎn)號(hào)“對(duì)號(hào)入座”進(jìn)行接線即可。系統(tǒng)控制流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖Fig.7 The flow chart of system control

6 結(jié)論

該調(diào)頻調(diào)壓電源專為電扶梯出廠前試驗(yàn)而設(shè)計(jì)，適用于不同地區(qū)電扶梯內(nèi)的不同頻率、不同電壓的三相異步電動(dòng)機(jī)。

設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。設(shè)備運(yùn)行1 a，與過去采用發(fā)電機(jī)系統(tǒng)時(shí)同期比較，設(shè)備故障率降低了21.3%，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用減少了23.4%，生產(chǎn)車間噪聲降低了30.2%，工作環(huán)境得到較大改善，該設(shè)備可移動(dòng)、給安排生產(chǎn)編排工序帶來方便，降低總生產(chǎn)成本約13.2%。

［1］劉沂.電氣控制技術(shù)［M］.第2 版.大連：大連理工大學(xué)出版社，2008.

［2］陳寶玲.電機(jī)與電氣控制實(shí)訓(xùn)教程［M］.第2 版.北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

［3］許文斌，徐建，張慶君.PLC 與變頻器的電梯節(jié)能控制系統(tǒng)研究［J］.科技信息，2011（35）：240-243.

［4］劉國(guó)華.PLC 控制交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在電梯中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（3）：61-63.

［5］代杰.交流變頻調(diào)速電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與信息工程，2009（3）：46-48.

［6］陳寶玲，唐繼英，劉沂.一種電扶梯試驗(yàn)用調(diào)頻調(diào)壓電源：中國(guó)：實(shí)用新型，zl201320036078.X［P］.2013-07.