This article introduces several methods of power-saving in escala-tor.The advantage and the defect of these power-saving methods arewidely discussed on paper in this article. At last, the best method is giv-en by the author.
Key words:escalator;power-saving;VF speed regulation
摘要:介绍了自动扶梯常用的几种节能方式,从理论上分析和比较了各自的优缺点从而选择出自动扶梯的最佳节能方案。
关键词:自动扶梯;节能;变频调速
1前言
自动扶梯作为一种方便快捷的运输工具,已经越来越多地出现在众多的公共建筑中,尤其在宾馆、商厦及地铁车站的建设中,扶梯的使用呈现明显上升的趋势。大部分业主出于安全与方便的考虑,总是在每日开始营业时就启动扶梯,直到下班或到规定的时间才停梯。因此,在某一段相当长的时间内,会出现扶梯不断地运行而无人乘用,造成大量电能的浪费及不必要的机械磨损。这在相当多的建筑中都存在此现象。
按照目前的标准,自动扶梯的工作繁忙程度分为普通型控制工程论文下载和公共交通型两种。最典型最常见的公共交通型自动扶梯是设置于地铁站内的出站上行自动扶梯。我们对这种扶梯进行实地测试的结果表明,每当地铁列车到站后,蜂拥的人流在自动扶梯上持续的时间大约为45s左右,如果按每3min 1班列车计算,扶梯的“负载持续率”也仅为25%左右!其余时间扶梯都是在空载或很低的负载下运行的。公共交通型扶梯如此,其余普通型扶梯的情况就更不必说了。因此可以得出结论,自动扶梯只有少数的时间处于满负荷工作状态,而大多数时间是在空载或轻载下运行。从自动扶梯的载荷特点可以看出,传统的不采取节能措施的驱动系统,实际的设计容量有很大的富裕,存在“大马拉小车”的情况。由此看来,对空载和轻载情况下的节能问题,思考余地还是很大的。
本文主要从电气的角度探讨自动扶梯的各种节能技术。
2自动调节电压法
当前我国自动扶梯的驱动几乎都是利用三相异步电动机。自动扶梯在某一负荷下工作所需的实际驱动功率,就是电动机在该运行状态下的输出功率。而电动机的输入功率大于输出功率,多余的部分即为损耗功率。损耗功率作为无用功,在电动机内转变成热而散发掉,同时还使得电动机温度升高。当电动机在额定电压下工作,损耗功率的百分数随负载大小而变化。在负载很轻时(有的效率低至20%),损耗功率可达其实际输出功率的4倍左右,即使接近额定负载时效率达75%~85%,损耗功率也占实际输出功率的20%左右。在不同负载率时效率和功率因数变化曲线如图1所示,而且两者是同时增减的。
三相异步电动机在额定电压和额定输出功率时,各种损耗占总损耗的比例如表1所示。
总损耗中的绕组损耗与电流的平方成正比,即与负载大小有关;机械损耗及铁耗大小与负载大小几乎无关,但铁耗与电压的平方成比例。因此,自动扶梯的负荷低于额定负荷,其效率和功率因数都较低时,可及时降低电动机电压来运行。这样,不但可以减小铁损耗和杂耗,也减少了定子电流中的励磁电流(约为额定电流的30%~40%),从而大大地减少了电损耗,电动机的功率因数和效率都得到提高,使电动机处于最佳运行状态。
应该注意到,电动机的转矩与电压平方成正比(T∝U2),在电压降低后如负载转矩不变则转速会降低,图2所示工作点由A1移到A2;但当电压降低,负载转矩也减小时,如图2中工作点A2,转矩与前一运行点相差不大。可以认为负载转矩减小而降低电压运行,电动机转速基本不变。
可以证明,随着电动机负载减轻,为节能可降低电压运行。只要降压后电动机的功率因数近似等于其在额定运行时的功率因数,电动机的最大转矩必大于此时的负载转矩,而不会造成电动机停转。其具体工作原理是根据电动机负载的大小,自动及时地调节电动机的工作电压,使之能耗最少。新型的节能器是按电量的有效值检测电动机功率因数,而且是应用瞬时检测技术,在电动机全部运行时间内对其各相的电压和电流的大小和相位进行检测,据此来调节电动机端电压,使电动机在不同负载情况下都运行在最佳状态,功率因数和效率都得以提高,能耗最少。节能器结构原理如图3所示。
对电动机电流波和电压波的检测是每相每半周期检测一次。比较这两个波的相位差角,当此差角等于额定运行的功率因数角时,电动机应供额定电压且输出额定功率,属正常工作,信号电压通过整形放大后调节触发电路控制晶闸管的导通角;当检测的相位差角越大,信号电压越强,使晶闸管导通角变小而降低电压,同时也降低了电流和功率。电压降低的程度由检测的相位差角信号与额定运行(效率和功率因数都较高时)电压与电流的相位差角进行比较,使得检测的相位角等于额定运行的相位差角,电压降至此而稳定,电动机在最佳状态下运行,能耗最少。这个过程在电动机运行时会不断进行检测调节,只要电动机负载发生变化,电压与电流相位差角就会偏离额定运行时的功率因数角,都会出现电压向低或向高调节,维持到近似恒功率因数运行。节能的多少因负载的大小而不同,约在20%~50%之间。装置中还设一补偿电路,其作用是防止一旦电动机从零速软启动(启动电流仅为直接启动的50%)或由于某种原因负载突然加大而使电动机停转,给电动机加上最大电压。电路的关键技术是平衡及同步的相位检测,信号处理及晶闸管的脉冲触发器的控制。这种节能器体积小、重量轻、成本低,工作可靠无需维护。
3“自动重新启动”运行模式
“自动重新启动”运行即指自动扶梯在无乘客时自动停止运行,当有乘客时又自动重新启动运行的一种方式。这种运行模式已经被标准所认可,并且在标准中规定了详细的条款来限定这种运行模式的使用方法。由此可见,“自动重新启动”的运行模式已有一定的历史了,事实上采用这种运行模式的自动扶梯一般在飞机场或高级宾馆较为常见。这是因为,这些地方的自动扶梯的载荷情况比一般商场普通型自动扶梯还要轻松。很容易看出,“自动重新启动”的自动扶梯与不采取任何措施的扶梯相比,在能源的节约方面相当可观,当然这取决于停梯时间的长短。另一方面,这种运行模式也使自动扶梯的磨损大大减少,而使用寿命则大大延长。遗憾的是在很多场合中不允许自动扶梯停止运行,这就大大限制了该模式的应用,使得当今大量在用的自动扶梯在空载和轻载的工况下白白地浪费了很多的能源。在自动扶梯不能停止运行的前提下,我们不得不采取其他的节能措施。
4△—Y切换法
这种方法是电机及拖动界讨论的一个经典问题。其基本方法是:当扶梯启动时,就像通常一样按Y接法进行启动,但不再是通过时间原则切换成△接法运行,而是当扶梯上的乘客达到某一数量之前,扶梯一直在Y接法下运行,当乘客达到设定的数量之后,自动扶梯才切换成△接法运行;当乘客减少到设定的数量以下时,自动扶梯又切换成Y接法运行,如此循环往复。
要实现上面的运行方式,可以在普通的自动扶梯进出口处加装光电记数装置,根据扶梯的运行方向,将上下计数器分别设定成递增和递减。当然,根据这种思路,也可以把电机的转速作为切换的条件进行监控,或者把电机的电流作为切换的条件进行监控。总之,切换条件的选择方法各种各样,基本的原则还是“轻载时运行于节能模式,重载时运行于正常模式”,这一原则同样适用于下面分析的各种降压节能方式。上述方法为什么能节能呢?节能的效果又如何呢?应该说对于这两个问题,没有简单明了的答案。直觉的考虑是除了有效功率以外,多余的消耗无非是机械方面的损耗和电器方面的损耗。△—Y切换运行时由于电机转速变化很小,看上去这些损耗特别是机械损耗是基本不变的,似乎节能的效果不大,而且从理论角度对自动扶梯各个部分的基点能耗作较详细的分析又比较复杂和困难,因此很自然地会低估了△—Y切换措施在自动扶梯上的节能效果。
为此我们进行了电能功率消耗的实际测试,测试的对象是1台提升高度为4•5m,额定运行速度0•50m/s,梯级宽度为1m,电机功率为11kW的自动扶梯,测试的结果如表2。
上述测试的工况为轻载和空载,运行方式按电机进线接法分为两种:即Y接法和△接法。两者进行切换的工作方式,其实质是对交流电机的调压,只不过调压是有级别的。从测试结果可见,在空载或接近空载的工况下,虽然扶梯的运行速度并无明显变化,但是Y接法也比△接法显著节能,节能可达20%左右。应该说这是比较可观的,特别在自动扶梯台数很多的情况下节能效果更加显著。另外从测试结果分析,我们认为节省下来的能量主要是电机的各种电损耗。因为运行速度并无明显变化,机械损耗确实不应有大的变化。
5“交—交”变频方式
这种变流方式实际上是变频调速的一种,主要采用晶闸管作为电子开关。在电梯等高性能设备上很少采用这种调速方式,主要是因为其变频的范围太小,一般不超过50%的工频,另外其输出的电压波形也不是太好。在自动扶梯中由于本身就不需要很宽的调速范围和较高的调速性能,恰好可以采用这种调速方式,而且由于要求较低,实际上还可简化其主电路和控制的方式,形成最简单的变频调速装置,使自动扶梯空载时在很低的电源频率下进入节能运行模式。
上述几种电子调速节能方式,在自动扶梯中都有一些应用,并且取得了很好的节能效果。所用的电子变流设备也有现成的产品可供采用,然而它们也都还存在一些缺点。△—Y切换节能方式的主要缺点是自动扶梯的运行速度几乎不变,因此空载情况下节能和降低机械磨
