变频器调速自动扶梯工频与低频切换对策分析

变频器调速自动扶梯工频与低频切换对策分析

赵昭

哈尔滨地铁集团有限公司运营分公司，黑龙江 哈尔滨 150000

摘要：自动扶梯广泛应用于地铁、商场、超市、机场、酒店等公共场所。由于自动扶梯功率大、负载重、运行时间长，会消耗大量电能。然而，在大多数应用中，自动扶梯在运行期间的客流分布并不均匀。

关键词：自动扶梯；变频器；节能运行模式；

当客流较大时，自动扶梯可直接从电网取电，并以额定速度运行。当客流较小或无人乘坐时，电网通过变频器向扶梯提供低频交流电，使扶梯低速运行，节约能源，减少机械磨损。当自动扶梯检测到客流高峰时，系统会迅速切换到电网直接供电。实现两种工况之间安全平稳切换的关键是如何检测电机转速和自由停车状态下的转向。

一、传感检测装置

传感检测装置是节能控制系统中非常重要的一个环节，如果检测装置状态不良，可能导致PLC无法准确获取乘客进出状态，自动扶梯无法正常投入运行，同时会对乘客造成一定的危险。通过在自动扶梯入口处设置光电检测传感器，可实时监测自动扶梯入口处乘客动态，及时调整自动扶梯运行状态。光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制，主要由发送器、接收器和检测电路3个部分组成。自动扶梯采用三维漫反射式光电传感器，安装于扶手带入口处下方，可根据自动扶梯类型和使用场所的不同，通过调整角度值，在自动扶梯入口处形成有效的扇形检测区域，以满足检测需要。在无乘客进入时，发光器发出的光收光器无法收到，当乘客通过并把部分光反射回来，收光器则接收到光信号，此时输出一个开关信号，光电开关被触发动作。由于黑色或深色衣物对光的吸收较强，同时会在围裙板底部加装对射式光电传感器，以起到辅助检测的作用，提高检测的灵敏度和可靠性。

二、变频器节能原理分析

异步电动机的转速公式为：

（1）

式中：n——电机转速，r／min；

f——电源频率，Hz；p

——电机磁极对数；

s——电机转差率。

由式(1)可知，异步电机的转速与电源频率成正比，与磁极对数成反比，与转差率成反比。所以异步电机的调速方式又可以分为变频调速、变极对数调速与变转差率调速。但是，与变频调速相比，另外两种调速方式都无法实现对电机转速连续线性的调节，控制也极为不便，故而变频调速是异步电机调速的首选方式。

异步电动机的相电压的公式为：

E 1＝4.44f ₁N ₁φm (2)

式中：E 1——异步电机反电势；

f1——电源频率；

N1——绕组匝数；

φ_m——磁通。

由式(2)可知，如果只改变电源频率，保持电压恒定，电机会出现过励磁现象而发热甚至烧毁，所以为了保证电机的安全运行，变频器输出的电压和频率必须同时调整，且保持电压与频率的比值大致不变。由于扶梯所带负载为恒转矩负载，所以电机输出功率与转速的变化关系可以通过如下公式表示为：

p 2/p 1＝n 2/n 1 (3)

式中：p——电机的输出功率，W；

n——电机转速，r／min。

由式(3)可知，若转速降为一半，电机的输出功率也降低一半。综合式(1)、式(2)、式(3)可知如果自动扶梯能够根据客流的变化进行转速调节，在无客流、少客流时，通过变频器停止运行或者低速运行，在有客流时直接接入电网工频额定转速运行，拖动电机总的能耗将大幅度降低，从而达到节能的目的。又由于电机直接联电网启动的电流是额定电流的几倍，对电网的冲击很大，会严重影响附近电器的正常工作，所以需要变频器的软启动功能实现电机的平滑启动。

三、切换方式分析

1.正常运行工况与低速运行工况切换方式。自动扶梯在客流量大的时候，工作于额定工况，一般通过电网（380VAC、50Hz）直接给拖动电机供电；而在流量少或者没人搭乘的时候，一般采用变频器输出低频交流驱动拖动电机工作于低速，以实现节能和减少机械磨损的目的。自动扶梯一般采用工频、变频的切换来实现高速和低速两种工况的转换，其工作原理如图1所示。

图1采用变频器的自动扶梯系统

在客流量大的时候，接触器K1、K2闭合，接触器K3断开，电网电压直接驱动电机M运行于额定转速；当客流量小或者无客流时，需将自动扶梯运行于低速状态时，将K2断开，接着将K3闭合，变频器输出低压低频率的三相电压驱动电机M工作于低速状态，以达到节能和减少机械损耗的目的。然而在K2断开，K3闭合且变频器输出三相电之前，电机M工作于自由停车状态，电机转速在负载和自身摩擦力作用下不断减速，变频器此时输出的三相电频率、相序与电机是否同步，决定着自动扶梯能否平滑从额定运行工况过渡到低速运行工况。

自由停机状态下电机转速、转向的检测。自动扶梯要实现高低速平滑切换，即工频到变频的平滑切换，变频器需要实时监测K2接触器的状态和电机运行的速度和方向，以便在适当的时机输出适当的三相电以驱动电机运行。当K2接触器断开，K3接触器闭合，变频器没有输出，电机M工作于自由停车状态，此时电机励磁电流为零，电机处于退磁化过程。根据图2磁化曲线可知，

图2铁磁材料磁滞曲线

在磁场强度H作用下，该电机铁心将获得M的磁感应强度。当磁场强度逐渐增大时，磁感应强度沿着曲线AB变化，到B点铁磁体的磁感强度达到最大值M s，当磁场强度H逐渐下降时，铁磁体的磁感应强度M不会沿着之前的磁化曲线退磁，而会沿着图2中BD曲线退磁，在H=0时，其感应磁场M值为M r，而不是0，该磁场成为剩磁。扶梯用电机在工频三相电驱动下，产生三相电流，该电流将产生一个强大的磁场，电机定子、转子铁芯将被该磁场磁化，而获得相应的磁感应强度。当接触器K2断开，变频器没有输出时，三相电流消失，电机铁心将逐渐退磁，然而即使磁场强度降到零，其感应磁场还大于零，即为电机的剩磁。K2接触器断开，且变频器没有输出时，电机M处于自由停车状态，转子在摩擦力的作用下逐渐减速旋转。由于转子存在着剩磁，该感应磁场随着转子旋转，而形成旋转磁场，该旋转磁场切割定子三相绕组，而形成正弦电压波形，其残压为

（4）

式中：A——残压的幅值；

ω——正弦波角频率；

θ——初始角；

f——正弦波频率；

n——转子转速。要检测电机自由运行时的速度

n，可以通过检测频率f。

由于残压为频率的函数，所以可以通过残压的频率来识别自由停车状态下电机的转速，使得变频器输出合适的频率。在获取合适频率后，如果变频器输出转速方向和实际转速方向相反，则变频器将出现过流，而不能实现工频到变频的平滑过渡。电机旋转方向由输入的电流相序决定，由剩磁而产生的三相残压的相序正好反映了电机的转向，所以通过电机的剩磁产生残压的频率与相序，便得知自由停车时电机的转速和转向，很多变频器是利用异步电机的残压特性，控制变频器实现自动扶梯工频到变频的平滑切换。国内某变频器首先应用运算放大器将高压的三相正弦残压经过多级放小得到0～5V的电压信号，再通过比较器获得方波信号，该方波信号的频率对应电机残压的频率，相序对应残压的相序，通过处理器测量该方波的频率和相序即可得到电机的转速和转向信息，用于变频器产生相应频率和相序的三相电，驱动电机旋转，实现自动扶梯用变频器由工频到变频的平滑切换。

总之，通过变频器的应用，自动扶梯能够根据客流变自动调节拖动电机转速，降低总能耗，减少机械磨损，提高使用寿命。而变频器应用的关键，就是保证自动扶梯在不同工况之间安全、平稳的切换。而变频器应用的关键，就是保证自动扶梯在不同工况之间安全、平稳的切换。通过检测自由停机状态下电机的残压的频率与相序，变频器便能够使其输出的三相电的频率与相序与拖动电机同步，实现电机平稳提速，保证自动扶梯工况切换的安全、平稳。

参考文献：

[1]刘盼盼，变频器调速自动扶梯工频与低频切换策略分析.2018.

[2]张海生，浅谈变频器调速自动扶梯工频与低频切换对策分析.2018.