饋能制動裝置在自動扶梯上的應(yīng)用研究

周　敏

摘要:自動扶梯作為一種高效,便捷的運(yùn)輸工具被廣泛應(yīng)用于商場,車站,機(jī)場等人流量大的場所。據(jù)統(tǒng)計(jì),每天全球約有數(shù)億人次乘坐自動扶梯。本文以饋能制動裝置在自動扶梯上的應(yīng)用為研究對象,設(shè)計(jì)饋能制動裝置在扶梯上的應(yīng)用方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,帶饋能制動裝置的變頻調(diào)速系統(tǒng)對于常態(tài)運(yùn)行向下的自動扶梯,其節(jié)能效果要明顯優(yōu)于普通的變頻調(diào)速系統(tǒng),具有良好的應(yīng)用前景!

關(guān)鍵詞:饋能制動 變頻器 自動扶梯 節(jié)能

中圖分類號:TP23文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-8937(2009)03-0018-02

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,電力能源需求增長很快,能源供需比較緊張,因此節(jié)約能源在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 交流變頻調(diào)速在自動扶梯應(yīng)用中的研究

普通變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)的原型如下圖所示。根據(jù)圖中要求。調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)主要是:一是根據(jù)控制對象(負(fù)載)選擇電動機(jī)的類型、容量、磁極對數(shù)等;二是 根據(jù)負(fù)載特性,選擇變頻器的類型、容量、型號等;三是決定電動機(jī)與負(fù)載之間的傳動比;四是設(shè)計(jì)主電路,并決定外同選配件的主要規(guī)格;五是設(shè)計(jì)控制電路,并選定外圍所需要的選配件。

1.1 自動扶梯的負(fù)載特性和要求

自動扶梯的負(fù)載特性:自動扶梯曳引機(jī)構(gòu)拖動的負(fù)載是位能負(fù)載,向上時是阻力負(fù)載,向下時多為動力負(fù)載?？蛰d或輕載向下運(yùn)行時是動力負(fù)載還是阻力負(fù)載,由效率以及傳動機(jī)構(gòu)摩擦阻力等因素來確定。

下圖為三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線。電機(jī)運(yùn)行分為四個象限:I,II象限為正轉(zhuǎn)狀態(tài);III,IV象限為反轉(zhuǎn)狀態(tài)。自動扶梯曳引機(jī)構(gòu)向上拖動負(fù)載時,電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩同向(第I象限),電機(jī)帶動負(fù)載上升(即正向電動狀態(tài))。若轉(zhuǎn)子由于某種外力作用速度高于旋轉(zhuǎn)磁場的速度(向上減速),則電機(jī)進(jìn)入第II象限運(yùn)行,電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)(即正向回饋制動狀態(tài));自動扶梯曳引機(jī)構(gòu)向下拖動負(fù)載時,電機(jī)反轉(zhuǎn)且產(chǎn)生反向電磁力矩,并在第III象限運(yùn)行。由于重物的重力產(chǎn)生的外力矩與電磁力矩同向,電機(jī)作加速運(yùn)行,此時轉(zhuǎn)子速度超過旋轉(zhuǎn)磁場的速度(即電機(jī)的同步速度),進(jìn)入第IV象限運(yùn)行,電機(jī)出于發(fā)電狀態(tài),吸收負(fù)載下降釋放的位能(即反向回饋制動狀態(tài))。

因此在整個系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)自動扶梯的負(fù)載有時是動力有時是阻力,速度有正有負(fù),力矩也有正有負(fù),所以其變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)能在四象限運(yùn)行,且運(yùn)行象限的轉(zhuǎn)換應(yīng)自動快速。

1.2 自動扶梯節(jié)能運(yùn)行方式的分析

自動扶梯的負(fù)載由于屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,即在某一負(fù)載下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不隨速度變化。因此其異步電動機(jī)的輸出功率P=Tn/975,其中T為轉(zhuǎn)矩,n為轉(zhuǎn)速。即配備變頻調(diào)速系統(tǒng)的自動扶梯在異步電機(jī)處于電動狀態(tài)時,其消耗的能量與轉(zhuǎn)速成正比。因此我們可以在扶梯空載時,將扶梯的速度調(diào)低,從而達(dá)到節(jié)能的目的,這也是變頻調(diào)速的自動扶梯其節(jié)能的主要來源。

目前使用的自動扶梯變頻節(jié)能模式主要有以下三種:旁路變頻調(diào)速系統(tǒng),能耗制動的全變頻調(diào)速系統(tǒng),饋能制動的全變頻調(diào)速系統(tǒng)。這三種節(jié)能運(yùn)行方式,由于其實(shí)現(xiàn)方式的不同,因此在節(jié)能的效果上有各有不同。

扶梯向上運(yùn)行階段,在全速運(yùn)行段,旁路變頻調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)由電網(wǎng)直接供電,因此在輕載時由于電機(jī)運(yùn)行的效率和功率因數(shù)都很低,所以其損耗很大。而后兩種都由變頻器直接供電,由于變頻器可根據(jù)自動扶梯的負(fù)荷情況自動調(diào)整電壓輸出值,因此在輕載時電機(jī)可以運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)上,其效率和功率因數(shù)都大大提高,降低損耗,以達(dá)到節(jié)能的目的。而在其它階段,三種方式的節(jié)能效果相同。

扶梯向下運(yùn)行階段,在全速運(yùn)行段,能耗制動的全變頻調(diào)速系統(tǒng),將電機(jī)反向回饋制動過程中產(chǎn)生的電能,通過在變頻器的直流環(huán)側(cè)連接制動電阻的方式,將這部分能量消耗掉。而饋能制動的全變頻調(diào)速系統(tǒng),則將電機(jī)反向回饋制動過程中產(chǎn)生的電能,通過饋能裝置將直流電逆變,返回給電網(wǎng)。由于饋能制動的全變頻調(diào)速系統(tǒng),很好的利用了位能負(fù)載在下降過程中傳遞給電機(jī)的機(jī)械能,因此它比能耗制動的全變頻調(diào)速系統(tǒng)有更好的節(jié)能效果。

1.3 變頻器的選型要求

1.3.1變頻器容量的計(jì)算

變頻器容量為:

1.5PCN≥KP/(MCOS)

式中 COS--電機(jī)的功率因數(shù),通常約 0.75

M電機(jī)效率,通常約 0.85

PCN--變頻器容量

K--修正系數(shù),K=1.2

1.3.2安裝環(huán)境和冷卻方式的要求

因?yàn)樽冾l器的主要發(fā)熱量是來自于逆變回路的IGBT,理論的計(jì)算公式就是Q=I2t,實(shí)際工程上都是按3—5%的額定功率來作為變頻器的發(fā)熱量。在選擇變頻器時,我們必須校驗(yàn)實(shí)際安裝空間的大小是否滿足變頻器使用手冊中最小冷卻通風(fēng)空間的要求。

1.4 饋能制動裝置的選型要求

1.4.1制動功率的計(jì)算

假設(shè)扶梯下行滿載時,電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),其曳引機(jī)構(gòu)所拖動的最大負(fù)載為 F 牛頓,速度為S 米/秒,齒輪箱的效率為e,則此時電機(jī)制動產(chǎn)生的功率為:

P_制動=(F * S / 1000)*e,即 P_制動= P_電動*e*e

通常P電動我們就用電機(jī)的額定功率替代,即P_制動=P_額定*e*e

1.4.2安裝環(huán)境和冷卻方式的要求

由于饋能制動裝置的主要發(fā)熱量也來自于逆變回路的IGBT,因此同變頻器一樣,我們必須校驗(yàn)饋能制動裝置實(shí)際安裝空間的大小是否滿足其最小冷卻通風(fēng)空間的要求。

1.4.3饋能制動裝置輸出電能的質(zhì)量

由于全變頻系統(tǒng)中的饋能制動裝置需要將變頻器直流側(cè)的電流逆變?yōu)榻涣麟?并送回電網(wǎng)。因此其輸出的交流電的電能質(zhì)量是否能滿足相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)的要求就顯得非常重要。

2 實(shí)際案例設(shè)計(jì)

在之前的分析中,我們知道饋能制動裝置主要在扶梯向下運(yùn)行階段起作用,因此我們選擇一臺日常運(yùn)行方向向下的公共交通型自動扶梯作為研究對象,以驗(yàn)證帶饋能制動裝置的全變頻調(diào)速系統(tǒng)在自動扶梯中的實(shí)際節(jié)能效果!

自動扶梯參數(shù)如下:

提升高度=5.5m,傾角=30°,運(yùn)行速度=0.5m/s,梯級寬度=1000mm,安裝環(huán)境為室內(nèi)型,原配備的節(jié)能裝置為能耗制動的全變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2.1 節(jié)能效果的實(shí)際測量

將原扶梯改造為帶饋能制動裝置的全變頻調(diào)速扶梯并檢驗(yàn)其實(shí)際節(jié)能效果。

2.1.1改造前電能消耗測量

從車站設(shè)備科查到的歷史記錄顯示,此扶梯前3個月的電能消耗分別為:

798kWh,785kWh,805kWh,均大于理論計(jì)算值:630kWh

2.2.2改造后電能消耗測量

將設(shè)備改造運(yùn)行兩個月后,去車站設(shè)備科調(diào)閱該扶梯電度表的抄表記錄,其消耗的電能分別為:216kWh,234kW時。雖然比理論計(jì)算值高出較多,但與之前三個月的比較,我們?nèi)园l(fā)現(xiàn)其電能消耗較低了近3-4倍。

因此可得出以下結(jié)論:

帶饋能制動裝置的變頻調(diào)速系統(tǒng)對于常態(tài)運(yùn)行向下的自動扶梯,特別是長期處于重載連續(xù)運(yùn)行的公共交通型自動扶梯,其節(jié)能效果要明顯優(yōu)于普通的變頻調(diào)速系統(tǒng)!

2.2 電能質(zhì)量的測量

除了驗(yàn)證節(jié)能效果外,由于饋能裝置是直接將電能反饋給電網(wǎng),因此該裝置對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響也非常重要,通過測量電能質(zhì)量的各項(xiàng)數(shù)據(jù),驗(yàn)證它是否能滿足相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)!

以下為部分測試數(shù)據(jù)值

由上我們可以得出結(jié)論,該饋能裝置輸出電能的質(zhì)量完全符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3饋能制動裝置在自動扶梯應(yīng)用中的近一步展望

由于目前成熟的饋能制動裝置只能由少數(shù)幾家國外公司提供,因此其價格仍相當(dāng)高。因此加速饋能制動裝置的國產(chǎn)化,降低價格,也是我們下一步在公共交通型自動扶梯上推廣使用饋能制動裝置的工作重點(diǎn)。

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