白建昌 回曉明 廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院

變頻器調(diào)速自動(dòng)扶梯工頻與低頻切換策略分析

白建昌 回曉明 廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院

自動(dòng)扶梯廣泛應(yīng)用于地鐵、大型商場(chǎng)、超市、機(jī)場(chǎng)、賓館等公共場(chǎng)合。由于自動(dòng)扶梯的功率大，負(fù)載重，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)消耗大量電能。然而，在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，客流量并不是平均分布在自動(dòng)扶梯的整個(gè)運(yùn)行時(shí)段。通過對(duì)某地鐵站自動(dòng)扶梯的實(shí)地測(cè)試發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)列車到站后，自動(dòng)扶梯上的客流高峰只會(huì)持續(xù)45s左右，若按3min一班地鐵計(jì)算，扶梯的“持續(xù)負(fù)載率”僅為25%左右。若在沒有乘客時(shí)，自動(dòng)扶梯仍以額定速度運(yùn)行，將浪費(fèi)大量電能，并且會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械磨損、大幅度降低扶梯的使用壽命。為解決這些問題，變頻器在自動(dòng)扶梯系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)揮了核心的作用。

在客流量大的時(shí)候，自動(dòng)扶梯直接從電網(wǎng)取電，工作于額定轉(zhuǎn)速工況；而在客流量很少或無人搭乘時(shí)，電網(wǎng)通過變頻器向自動(dòng)扶梯提供低頻交流電，使其工作于低速狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能和減少機(jī)械磨損的目的，當(dāng)自動(dòng)扶梯檢測(cè)到客流高峰時(shí)，系統(tǒng)又迅速切換到電網(wǎng)直接供電。實(shí)現(xiàn)這兩種工況間安全、平穩(wěn)切換的關(guān)鍵就是如何對(duì)自由停機(jī)狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的檢測(cè)。

1 變頻器節(jié)能原理分析

1.1 變頻器概述

變頻器是通過控制電力半導(dǎo)體器件的通斷，首先將工頻（50Hz/60Hz）交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)并聯(lián)在直流母線上的高壓電容濾波后，最終將此直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率、幅值可調(diào)的交流電。將變頻器的輸出接到三相異步電動(dòng)機(jī)的進(jìn)線端，便可以通過調(diào)節(jié)變頻器輸出交流電的電壓和頻率，實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速等功能。

1.2 變頻器節(jié)能原理分析

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

式中：n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min；

f——電源頻率，Hz；

p——電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；

s——電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

由式(1)可知，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，與磁極對(duì)數(shù)成反比，與轉(zhuǎn)差率成反比。所以異步電機(jī)的調(diào)速方式又可以分為變頻調(diào)速、變極對(duì)數(shù)調(diào)速與變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。但是，與變頻調(diào)速相比，另外兩種調(diào)速方式都無法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)線性的調(diào)節(jié)，控制也極為不便，故而變頻調(diào)速是異步電機(jī)調(diào)速的首選方式。

異步電動(dòng)機(jī)的相電壓的公式為：

式中：E1——異步電機(jī)反電勢(shì)；f1——電源頻率；N1——繞組匝數(shù)；φm——磁通。

由式(2)可知，如果只改變電源頻率，保持電壓恒定，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)過勵(lì)磁現(xiàn)象而發(fā)熱甚至燒毀，所以為了保證電機(jī)的安全運(yùn)行，變頻器輸出的電壓和頻率必須同時(shí)調(diào)整，且保持電壓與頻率的比值大致不變。

由于扶梯所帶負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，所以電機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系可以通過如下公式表示為：

式中：p——電機(jī)的輸出功率，W；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

由式(3) 可知，若轉(zhuǎn)速降為一半，電機(jī)的輸出功率也降低一半。綜合式(1)、式 (2) 、式 (3)可知，如果自動(dòng)扶梯能夠根據(jù)客流的變化進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在無客流、少客流時(shí)，通過變頻器停止運(yùn)行或者低速運(yùn)行，在有客流時(shí)直接接入電網(wǎng)工頻額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，拖動(dòng)電機(jī)總的能耗將大幅度降低，從而達(dá)到節(jié)能的目的。又由于電機(jī)直接聯(lián)電網(wǎng)啟動(dòng)的電流是額定電流的幾倍，對(duì)電網(wǎng)的沖擊很大，會(huì)嚴(yán)重影響附近電器的正常工作，所以需要變頻器的軟啟動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑啟動(dòng)。

2 切換方式分析

2.1 正常運(yùn)行工況與低速運(yùn)行工況切換方式

自動(dòng)扶梯在客流量大的時(shí)候，工作于額定工況，一般通過電網(wǎng)（380VAC、50Hz）直接給拖動(dòng)電機(jī)供電；而在流量少或者沒人搭乘的時(shí)候，一般采用變頻器輸出低頻交流驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)電機(jī)工作于低速，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減少機(jī)械磨損的目的。

自動(dòng)扶梯一般采用工頻、變頻的切換來實(shí)現(xiàn)高速和低速兩種工況的轉(zhuǎn)換，其工作原理如圖1所示。電機(jī)運(yùn)行的速度和方向，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)輸出適當(dāng)?shù)娜嚯娨则?qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

圖1 采用變頻器的自動(dòng)扶梯系統(tǒng)

當(dāng)K2接觸器斷開，K3接觸器閉合，變頻器沒有輸出，電機(jī)M工作于自由停車狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)勵(lì)磁電流為零，電機(jī)處于退磁化過程。根據(jù)圖2磁化曲線可知，在磁場(chǎng)強(qiáng)度H作用下，該電機(jī)鐵心將獲得M的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度沿著曲線AB變化，到B點(diǎn)鐵磁體的磁感強(qiáng)度達(dá)到最大值Ms，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H逐漸下降時(shí)，鐵磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度M不會(huì)沿著之前的磁化曲線退磁，而會(huì)沿著圖2中BD曲線退磁，在H=0時(shí)，其感應(yīng)磁場(chǎng)M值為Mr，而不是0，該磁場(chǎng)成為剩磁。扶梯用電機(jī)在工頻三相電驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生三相電流，該電流將產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子鐵芯將被該磁場(chǎng)磁化，而獲得相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)接觸器K2斷開，變頻器沒有輸出時(shí)，三相電流消失，電機(jī)鐵心將逐漸退磁，然而即使磁場(chǎng)強(qiáng)度降到零，其感應(yīng)磁場(chǎng)還大于零，即為電機(jī)的剩磁。

圖2 鐵磁材料磁滯曲線

在客流量大的時(shí)候，接觸器K1、K2閉合，接觸器K3斷開，電網(wǎng)電壓直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)M運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速；當(dāng)客流量小或者無客流時(shí)，需將自動(dòng)扶梯運(yùn)行于低速狀態(tài)時(shí)，將K2斷開，接著將K3閉合，變頻器輸出低壓低頻率的三相電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)M工作于低速狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能和減少機(jī)械損耗的目的。然而在K2斷開，K3閉合且變頻器輸出三相電之前，電機(jī)M工作于自由停車狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載和自身摩擦力作用下不斷減速，變頻器此時(shí)輸出的三相電頻率、相序與電機(jī)是否同步，決定著自動(dòng)扶梯能否平滑從額定運(yùn)行工況過渡到低速運(yùn)行工況。

2.2 自由停機(jī)狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的檢測(cè)

自動(dòng)扶梯要實(shí)現(xiàn)高低速平滑切換，即工頻到變頻的平滑切換，變頻器需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)K2接觸器的狀態(tài)和

K2接觸器斷開，且變頻器沒有輸出時(shí)，電機(jī)M處于自由停車狀態(tài)，轉(zhuǎn)子在摩擦力的作用下逐漸減速旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子存在著剩磁，該感應(yīng)磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割定子三相繞組，而形成正弦電壓波形，其殘壓為

式中：A —— 殘壓的幅值；

ω——正弦波角頻率；

θ——初始角；

f——正弦波頻率；

n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。要檢測(cè)電機(jī)自由運(yùn)行時(shí)的速度n，可以通過檢測(cè)頻率f。

由于殘壓為頻率的函數(shù)，所以可以通過殘壓的頻率來識(shí)別自由停車狀態(tài)下電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得變頻器輸出合適的頻率。在獲取合適頻率后，如果變頻器輸出轉(zhuǎn)速方向和實(shí)際轉(zhuǎn)速方向相反，則變頻器將出現(xiàn)過流，而不能實(shí)現(xiàn)工頻到變頻的平滑過渡。電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向由輸入的電流相序決定，由剩磁而產(chǎn)生的三相殘壓的相序正好反映了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，所以通過電機(jī)的剩磁產(chǎn)生殘壓的頻率與相序，便得知自由停車時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，很多變頻器是利用異步電機(jī)的殘壓特性，控制變頻器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯工頻到變頻的平滑切換。

國(guó)內(nèi)某變頻器首先應(yīng)用運(yùn)算放大器將高壓的三相正弦殘壓經(jīng)過多級(jí)放小得到0～5V的電壓信號(hào)，再通過比較器獲得方波信號(hào)，該方波信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)電機(jī)殘壓的頻率，相序?qū)?yīng)殘壓的相序，通過處理器測(cè)量該方波的頻率和相序即可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向信息，用于變頻器產(chǎn)生相應(yīng)頻率和相序的三相電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯用變頻器由工頻到變頻的平滑切換。

3 結(jié)論

通過變頻器的應(yīng)用，自動(dòng)扶梯能夠根據(jù)客流變化自動(dòng)調(diào)節(jié)拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低總能耗，減少機(jī)械磨損，提高使用壽命。而變頻器應(yīng)用的關(guān)鍵，就是保證自動(dòng)扶梯在不同工況之間安全、平穩(wěn)的切換。通過檢測(cè)自由停機(jī)狀態(tài)下電機(jī)的殘壓的頻率與相序，變頻器便能夠使其輸出的三相電的頻率與相序與拖動(dòng)電機(jī)同步，實(shí)現(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)提速，保證自動(dòng)扶梯工況切換的安全、平穩(wěn)。利用電機(jī)殘壓檢測(cè)自由運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，依賴于電機(jī)剩磁的特性。因不同電機(jī)規(guī)格與材料的不同[7]，其剩磁特性各異，產(chǎn)生的殘壓的幅值和殘壓維持的時(shí)間存在較大差異。所以通過電機(jī)殘壓檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向以實(shí)現(xiàn)扶梯工頻到變頻的平滑切換時(shí)，必須考慮不同電機(jī)各異的剩磁特性。

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