馈能制动装置在自动扶梯上的应用研究

馈能制动装置在自动扶梯上的应用研究

周敏

馈能制动装置在自动扶梯上的应用研究

周敏

作者简介：周敏，上海交通大学。

摘要自动扶梯作为一种高效，便捷的运输工具被广泛应用于商场，车站，机场等人流量大的场所。据统计，每天全球约有数亿人次乘坐自动扶梯。本文以馈能制动装置在自动扶梯上的应用为研究对象，设计馈能制动装置在扶梯上的应用方案。实验结果表明，带馈能制动装置的变频调速系统对于常态运行向下的自动扶梯，其节能效果要明显优于普通的变频调速系统，具有良好的应用前景！

关键词馈能制动变频器自动扶梯节能

随着我国经济的发展，电力能源需求增长很快，能源供需比较紧张，因此节约能源在我国经济建设中具有重要的现实意义。

一、交流变频调速在自动扶梯应用中的研究

普通变频调速拖动系统的原型如下图所示。根据图中要求。调速系统的设计任务主要是：一是根据控制对象(负载)选择电动机的类型、容量、磁极对数等；二是根据负载特性，选择变频器的类型、容量、型号等；三是决定电动机与负载之间的传动比；四是设计主电路，并决定外同选配件的主要规格；五是设计控制电路，并选定外围所需要的选配件。

（一）自动扶梯的负载特性和要求

自动扶梯的负载特性：自动扶梯曳引机构拖动的负载是位能负载，向上时是阻力负载，向下时多为动力负载。空载或轻载向下运行时是动力负载还是阻力负载，由效率以及传动机构摩擦阻力等因素来确定。

下图为三相异步电动机的机械特性曲线。电机运行分为四个象限：I，II象限为正转状态；III，IV象限为反转状态。自动扶梯曳引机构向上拖动负载时，电机的转速和电机产生的电磁力矩同向（第I象限），电机带动负载上升（即正向电动状态）。若转子由于某种外力作用速度高于旋转磁场的速度（向上减速），则电机进入第II象限运行，电机处于发电状态（即正向回馈制动状态）；自动扶梯曳引机构向下拖动负载时，电机反转且产生反向电磁力矩，并在第III象限运行。由于重物的重力产生的外力矩与电磁力矩同向，电机作加速运行，此时转子速度超过旋转磁场的速度（即电机的同步速度），进入第IV象限运行，电机出于发电状态，吸收负载下降释放的位能（即反向回馈制动状态）。

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因此在整个系统运行周期内自动扶梯的负载有时是动力有时是阻力，速度有正有负，力矩也有正有负，所以其变频调速系统应能在四象限运行，且运行象限的转换应自动快速。

（二）自动扶梯节能运行方式的分析

自动扶梯的负载由于属于恒转矩负载，即在某一负载下的负载转矩不随速度变化。因此其异步电动机的输出功率P=Tn/975，其中T为转矩，n为转速。即配备变频调速系统的自动扶梯在异步电机处于电动状态时，其消耗的能量与转速成正比。因此我们可以在扶梯空载时，将扶梯的速度调低，从而达到节能的目的，这也是变频调速的自动扶梯其节能的主要来源。

目前使用的自动扶梯变频节能模式主要有以下三种：旁路变频调速系统，能耗制动的全变频调速系统，馈能制动的全变频调速系统。这三种节能运行方式，由于其实现方式的不同，因此在节能的效果上有各有不同。

扶梯向上运行阶段，在全速运行段，旁路变频调速系统的电机由电网直接供电，因此在轻载时由于电机运行的效率和功率因数都很低，所以其损耗很大。而后两种都由变频器直接供电，由于变频器可根据自动扶梯的负荷情况自动调整电压输出值，因此在轻载时电机可以运行在最佳工作点上，其效率和功率因数都大大提高，降低损耗，以达到节能的目的。而在其它阶段，三种方式的节能效果相同。

扶梯向下运行阶段，在全速运行段，能耗制动的全变频调速系统，将电机反向回馈制动过程中产生的电能，通过在变频器的直流环侧连接制动电阻的方式，将这部分能量消耗掉。而馈能制动的全变频调速系统，则将电机反向回馈制动过程中产生的电能，通过馈能装置将直流电逆变，返回给电网。由于馈能制动的全变频调速系统，很好的利用了位能负载在下降过程中传递给电机的机械能，因此它比能耗制动的全变频调速系统有更好的节能效果。

（三）变频器的选型要求

1．变频器容量的计算

变频器容量为：

1.5PCN≥KP/(COS

式中COS--电机的功率因数，通常约0.75

--电机效率，通常约0.85

PCN--变频器容量

K--修正系数，K=1.2

2．安装环境和冷却方式的要求

因为变频器的主要发热量是来自于逆变回路的IGBT，理论的计算公式就是Q=I2t，实际工程上都是按3—5%的额定功率来作为变频器的发热量。在选择变频器时，我们必须校验实际安装空间的大小是否满足变频器使用手册中最小冷却通风空间的要求。

（四）馈能制动装置的选型要求

1．制动功率的计算

假设扶梯下行满载时，电机处于发电状态，其曳引机构所拖动的最大负载为F牛顿，速度为S米/秒，齿轮箱的效率为e，则此时电机制动产生的功率为：

P制动=(F*S/1000)*e，即P制动=P电动*e*e

通常P电动我们就用电机的额定功率替代，即P制动=P额定*e*e

2．安装环境和冷却方式的要求

由于馈能制动装置的主要发热量也来自于逆变回路的IGBT，因此同变频器一样，我们必须校验馈能制动装置实际安装空间的大小是否满足其最小冷却通风空间的要求。

3．馈能制动装置输出电能的质量

由于全变频系统中的馈能制动装置需要将变频器直流侧的电流逆变为交流电，并送回电网。因此其输出的交流电的电能质量是否能满足相应的国家标准的要求就显得非常重要。

二、实际案例设计

在之前的分析中，我们知道馈能制动装置主要在扶梯向下运行阶段起作用，因此我们选择一台日常运行方向向下的公共交通型自动扶梯作为研究对象，以验证带馈能制动装置的全变频调速系统在自动扶梯中的实际节能效果!

自动扶梯参数如下：

提升高度=5.5m，倾角=30°，运行速度=0.5m/s，梯级宽度=1000mm，安装环境为室内型，原配备的节能装置为能耗制动的全变频调速系统。

（一）节能效果的实际测量

将原扶梯改造为带馈能制动装置的全变频调速扶梯并检验其实际节能效果！

1．改造前电能消耗测量

从车站设备科查到的历史记录显示，此扶梯前3个月的电能消耗分别为：

798kWh，785kWh，805kWh，均大于理论计算值：630kWh

2．改造后电能消耗测量

将设备改造运行两个月后，去车站设备科调阅该扶梯电度表的抄表记录，其消耗的电能分别为：216kWh，234kW时。虽然比理论计算值高出较多，但与之前三个月的比较，我们仍发现其电能消耗较低了近3-4倍。

因此可得出以下结论：

带馈能制动装置的变频调速系统对于常态运行向下的自动扶梯，特别是长期处于重载连续运行的公共交通型自动扶梯，其节能效果要明显优于普通的变频调速系统！

（二）电能质量的测量

除了验证节能效果外，由于馈能装置是直接将电能反馈给电网，因此该装置对电网电能质量的影响也非常重要，通过测量电能质量的各项数据，验证它是否能满足相关的国家标准！

以下为部分测试数据值

由上我们可以得出结论，该馈能装置输出电能的质量完全符合国家相关标准！

三、馈能制动装置在自动扶梯应用中的近一步展望

由于目前成熟的馈能制动装置只能由少数几家国外公司提供，因此其价格仍相当高。因此加速馈能制动装置的国产化，降低价格，也是我们下一步在公共交通型自动扶梯上推广使用馈能制动装置的工作重点！

参考文献：

[1]吴忠智，吴加林主编．变频器应用手册(第2版)［M］．机械工业出版社，2004．

[2]程浩忠，艾芊，张志刚，朱子述．电能质量［M］．清华大学出版社，2006．

[3]窦国珍，黄念慈，张志钊，贺明智．带能量回馈的电动车交流驱动系统［J］．电工技术．2003，（3）．