基于共直流母線供電的自動(dòng)扶梯節(jié)能傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬向華，趙付田，葉銀忠，錢平

（1.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，上海 200235；2.上海西門子工業(yè)自動(dòng)化有限公司，上海 200030）

1 引言

自動(dòng)扶梯作為一種方便快捷的運(yùn)輸工具，已經(jīng)越來越多地出現(xiàn)在眾多的公共建筑中。有分析指出，地鐵電扶梯一直處于高能耗、高磨損、低效率的運(yùn)行狀態(tài)。目前，國內(nèi)安裝的自動(dòng)扶梯多采用單速交流電機(jī)作為主機(jī)，配有剎車電機(jī)或剎車線圈；自動(dòng)扶梯空載時(shí)仍是額定速度運(yùn)行，具有耗能大，機(jī)械磨損大，使用壽命降低等缺點(diǎn)。據(jù)調(diào)查，每當(dāng)?shù)罔F到站后，蜂擁的人流在自動(dòng)扶梯上持續(xù)的時(shí)間大約為45s左右，如果按每3min一列地鐵計(jì)算，扶梯的“負(fù)載持續(xù)率”也僅為25%左右，其余時(shí)間扶梯都是在空載或很低的負(fù)載下運(yùn)行。扶梯經(jīng)常處于空轉(zhuǎn)或低負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，這必將浪費(fèi)大量的電能，同時(shí)也使扶梯部件（如電機(jī)、減速箱、扶手帶等）產(chǎn)生不必要的磨損及疲勞損傷。

目前我國自動(dòng)扶梯的驅(qū)動(dòng)幾乎都是利用三相異步電動(dòng)機(jī)。在電氣方面，采用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)合適當(dāng)?shù)墓?jié)能運(yùn)行控制技術(shù)已經(jīng)是公認(rèn)最好的節(jié)能方式［1－8］。從變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)角度來說，目前自動(dòng)扶梯包括上行扶梯和下行扶梯，多采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，即每臺(tái)自動(dòng)扶梯的驅(qū)動(dòng)由1臺(tái)電機(jī)加1臺(tái)變頻器組成。地鐵站內(nèi)的自動(dòng)扶梯之間相互獨(dú)立，沒有能量上的聯(lián)系。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是存在2個(gè)問題：一是扶梯制動(dòng)時(shí)和下行扶梯載客量較大時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生的能量使變頻器直流環(huán)節(jié)的電壓升高；因扶梯的驅(qū)動(dòng)功率相對(duì)較小，所配置的變頻器的整流部分一般為二極管整流橋，無回饋功能，只能通過制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的工作，以熱能的形式消耗掉，造成了能量的浪費(fèi)；二是制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的存在增加了設(shè)備的體積、維護(hù)量和故障點(diǎn)。

因此，當(dāng)?shù)罔F車站同時(shí)有下行和上行自動(dòng)扶梯時(shí)，在保留傳統(tǒng)自動(dòng)扶梯變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，為了有效利用電機(jī)發(fā)電狀態(tài)下產(chǎn)生的能量，減少地鐵站總體的耗能量，減少設(shè)備體積和維護(hù)量，本文將共直流母線的理論引入到地鐵自動(dòng)扶梯節(jié)能控制設(shè)計(jì)。提出了基于共直流母線供電的地鐵站自動(dòng)扶梯節(jié)能傳動(dòng)系統(tǒng)；研究了控制器的節(jié)能運(yùn)行設(shè)計(jì)思路；分析了與目前地鐵站自動(dòng)扶梯的變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)相比，基于共直流母線供電的地鐵站自動(dòng)扶梯節(jié)能傳動(dòng)系統(tǒng)所具有的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)原理

目前應(yīng)用最廣泛的通用變頻器基本上為電壓型交直交變頻器，它的主電路由整流單元（或稱整流器）、濾波環(huán)節(jié)（或稱濾波器）、逆變單元（或稱逆變器）等3個(gè)部分組成［9］?；诠仓绷髂妇€供電的傳動(dòng)系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上，取消目前各變頻器中的整流單元，保留濾波環(huán)節(jié)和逆變單元（這種沒有整流單元的變頻器一般稱為逆變器，本文中稱為電機(jī)模塊），而由同一個(gè)整流單元或整流回饋單元（本文稱為電源模塊）通過公共直流母線給各個(gè)逆變器供電，如圖1所示。

圖1 基于共直流母線供電的傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Block diagram of drive system based on common－DC－bus

由圖1可知，由多電機(jī)組成的基于共直流母線供電的傳動(dòng)系統(tǒng)的主電路主要由5部分組成，即電源連接模塊（如帶熔斷器的隔離開關(guān)、接觸器等）、濾波模塊（電抗器、EMC濾波器、正弦波濾波器等）、電源模塊、共直流母線和電機(jī)模塊。電源模塊將電網(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后通過共直流母線提供能量給電機(jī)模塊。電機(jī)模塊將直流電壓逆變成可調(diào)壓調(diào)頻的交流電壓，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

基于共直流母線供電的傳動(dòng)系統(tǒng)既可以有效地解決多電機(jī)間電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間的矛盾，又可以回收電機(jī)發(fā)電狀態(tài)下產(chǎn)生的再生能量。目前，在鋼鐵、集裝箱碼頭、造紙、化纖以及船舶等領(lǐng)域的能量雙饋型變頻負(fù)荷集中應(yīng)用的場合，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

3 自動(dòng)扶梯節(jié)能傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于共直流母線供電的傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，為了實(shí)時(shí)利用載客量較大時(shí)下行扶梯的再生能量，本文設(shè)計(jì)了基于共直流母線供電的扶梯節(jié)能傳動(dòng)系統(tǒng)，原理圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由2臺(tái)IGBT構(gòu)成的電源模塊和多臺(tái)電機(jī)模塊和電機(jī)組成。其中，電源模塊既可整流，也可將能量回饋到電網(wǎng)；每臺(tái)自動(dòng)扶梯的驅(qū)動(dòng)由1臺(tái)電機(jī)模塊和1臺(tái)電機(jī)完成。

圖2 基于共直流母線供電的地鐵站自動(dòng)扶梯傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Block diagram of the drive system of subway escalators based on common－DC－bus

采用共直流母線供電的自動(dòng)扶梯傳動(dòng)系統(tǒng)可使自動(dòng)扶梯實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的同時(shí)，實(shí)時(shí)將載客量較大時(shí)，下行扶梯產(chǎn)生的再生能量，或者扶梯制動(dòng)時(shí)的再生能量通過直流母線傳遞給上行扶梯使用，并可通過電源模塊將多余的能量回饋到電網(wǎng)。另外，本設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)可以極大地提高系統(tǒng)的可靠性。由圖2可以看出，由IGBT構(gòu)成的2臺(tái)電源模塊，既可同時(shí)工作構(gòu)成多脈波整流以減少諧波，又可在1臺(tái)電源模塊發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)電源模塊單獨(dú)工作，為所有電機(jī)模塊提供電源。同時(shí)，每臺(tái)電機(jī)模塊和公共直流母線之間未直接連接，而是設(shè)置了接觸器和刀熔開關(guān)，這樣在任何1臺(tái)自動(dòng)扶梯有故障時(shí)，可先控制接觸器斷開本部分的供電回路，再打開刀熔開關(guān)，然后就可以維護(hù)該自動(dòng)扶梯，包括更換電機(jī)及電機(jī)模塊等。

如果地鐵站內(nèi)自動(dòng)扶梯的分布較為分散，此時(shí)采用共直流母線方案會(huì)造成電機(jī)模塊到電機(jī)的電纜較長，因此應(yīng)采取必要的措施以避免由此造成的干擾問題?？伸`活地將彼此靠近的1組或者多組上行扶梯和下行扶梯采用共直流母線方案供電，具體原理圖如圖3所示。

圖3 由一上行扶梯和一下行扶梯組成的傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.3 Block diagram of the drive system with an up－escalator and a down－escalator

3.2 低諧波運(yùn)行設(shè)計(jì)

地鐵站為民用建筑，在設(shè)計(jì)地鐵站自動(dòng)扶梯的傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，需按民用環(huán)境的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在民用環(huán)境中，當(dāng)電氣設(shè)備接至公共電源系統(tǒng)時(shí)，對(duì)噪聲發(fā)射具有嚴(yán)格規(guī)定，但可以要求有較低的抗擾度；這與在工業(yè)環(huán)境中的使用相反。因此進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮變頻器對(duì)環(huán)境的影響，并采取必要的措施降低諧波。

3.2.1 諧波分析及措施

共直流母線傳動(dòng)系統(tǒng)的諧波問題同使用單臺(tái)變頻器時(shí)類似。本文以單臺(tái)變頻器為例，分析產(chǎn)生的原因及相應(yīng)的解決方法。當(dāng)設(shè)備采用變頻調(diào)速時(shí)，在變頻器的電源側(cè)和電機(jī)側(cè)都會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，對(duì)供電電網(wǎng)和變頻器周圍的其他電氣設(shè)備產(chǎn)生EMC干擾。通常變頻器能夠運(yùn)行在一個(gè)可能存在著較高電磁干擾（EMI）的工業(yè)環(huán)境中，此時(shí)它既是噪聲發(fā)射源（或稱干擾源），可能又是噪聲接受器［11］。變頻器作為噪聲發(fā)射源，變頻器輸出電壓U和噪聲電流Is的波形圖如圖4所示。

圖4 變頻器輸出電壓U和噪聲電流Is的波形圖Fig.4 Waves of output voltage Uand noise current Isof frequency converter

圖4中寄生電容Cp存在于電機(jī)電纜和電機(jī)內(nèi)部，因此變頻器的PWM輸出電壓波形的開關(guān)翼部通過寄生電容產(chǎn)生1個(gè)高頻脈波噪聲電流Is，使變頻器成為一個(gè)噪聲源。由于Is的噪聲源是變頻器，因此它一定要流回變頻器。圖4中ZE為大地阻抗，ZN為動(dòng)力電纜與地之間的阻抗。噪聲電流流過此二阻抗所造成的電壓降將影響到同一電網(wǎng)上的其他設(shè)備造成干擾。

此外，變頻器的整流部分也會(huì)產(chǎn)生低頻諧波，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓、電流產(chǎn)生畸變。以1款具有代表性的變頻器處于不同的供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的低頻諧波電流的數(shù)據(jù)為例［10］，如表1所示。

表1 6脈波整流單元典型諧波電流值（進(jìn)線電抗器阻抗為2%）Tab.1 Typical harmonic currents of a 6－pulse rectifier（line reactor resistance＝2%）

表1中，PRSC為相對(duì)短路功率，THD（I）為總諧波電流畸變率，h為諧波的序次，Ih為h次諧波電流相對(duì)百分比（相對(duì)與基波電流的百分比）；該次諧波電流的檢測點(diǎn)在變頻器與供電電網(wǎng)連接處，其位置在進(jìn)線電抗器之前。由表1可知同一臺(tái)變頻器，假定其從電網(wǎng)中獲得基波電流的值為100%，則處于不同容量的供電系統(tǒng)中時(shí)，其產(chǎn)生的各次諧波電流的值是不同的。一般來說，電網(wǎng)容量越大，諧波電流越大。

對(duì)于高頻諧波的干擾，如果高頻噪聲電流Is有一條正確的通道，則高頻噪聲是可以得到抑制的。如果使用非屏蔽電機(jī)電纜，則高頻噪聲電流Is以一個(gè)不確定的路線流回變頻器，并在此回路中產(chǎn)生高頻分量壓降，影響其他設(shè)備。為使Is能沿確定路線流回變頻器，可以采用屏蔽電機(jī)電纜。電纜屏蔽層必須連接到變頻器外殼和電機(jī)外殼上。當(dāng)Is必須流回變頻器時(shí)，屏蔽層形成一條最有效的通道。帶有屏蔽電機(jī)電纜的噪聲電流Is如圖5所示。

圖5 帶有屏蔽電機(jī)電纜的噪聲電流IsFig.5 Noise current Iswhen using shielded motor cable

雖然采用屏蔽電纜后，噪聲電流不會(huì)在ZE上出現(xiàn)壓降，但是在電源阻抗ZN上還會(huì)出現(xiàn)壓降影響其他電氣設(shè)備。因此可在變頻器的電源側(cè)加無線電干擾抑制濾波器（RFI濾波器），以免通過電源線傳導(dǎo)高頻噪聲影響其他設(shè)備。

基于共直流母線供電的傳動(dòng)系統(tǒng)中的各個(gè)電機(jī)模塊的工作和單臺(tái)變頻器的逆變部分工作原理是一樣的，故其高頻噪聲電流的大小和路徑也是一樣的。只是由于省略了大量的小功率的整流單元，而是由1或2個(gè)整流模塊共同供電，這使得只需加1或2臺(tái)RFI濾波器即可有效減少高頻噪聲。這同樣使得低頻諧波電流的抑制更加方便易行，比如可選用采用有源前端技術(shù)的電源模塊（幾乎不產(chǎn)生低頻諧波電流）、采用2臺(tái)電源模塊構(gòu)成12脈波整流回饋回路（見表2的數(shù)據(jù)，對(duì)比表1，THD（I）減小了約70%）或者安裝進(jìn)線諧波濾波裝置。

根據(jù)上文中的分析，為減少共直流母線傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響，可采取以下措施。

1）選擇合適的電源模塊，盡量減少對(duì)電網(wǎng)的污染和對(duì)電網(wǎng)上連接其他設(shè)備的干擾。

表2 12脈波整流單元典型諧波電流值（3繞組整流變壓器）Tab.2 Typical harmonic currents of a 12－pulse rectifier circuits（with a three－winding transformer）

2）確保電網(wǎng)的短路阻抗不要太低，必要時(shí)加進(jìn)線電抗器來抑制低頻干擾；同時(shí)進(jìn)線電抗器也可用于增加電源阻抗，并幫助吸收附近設(shè)備投入工作時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰。

3）對(duì)于網(wǎng)側(cè)的低頻干擾，也可考慮加進(jìn)線諧波濾波器（line harmonics filter，LHF）。

4）為有效地抑制電磁波的輻射和傳導(dǎo)，電機(jī)模塊到電機(jī)的連接電纜必須采用屏蔽電纜；電纜屏蔽層的兩端分別連接在電機(jī)外殼和電機(jī)模塊外殼上；屏蔽層的電導(dǎo)必須至少為每相導(dǎo)線芯電導(dǎo)的1／10。

5）確保傳動(dòng)柜中的所有設(shè)備接地良好，使用短和粗的接地線連接到公共接地點(diǎn)或接地母排上。

6）安裝電源模塊和電機(jī)模塊時(shí)，建議安裝板使用無漆鍍鋅鋼板，以確保變頻器的散熱器和安裝板之間有良好的電氣連接。

7）如果傳動(dòng)機(jī)柜運(yùn)行在一個(gè)對(duì)噪聲敏感的環(huán)境中，可以采用RFI濾波器減小來自變頻器的傳導(dǎo)和輻射干擾。同時(shí)為達(dá)到最優(yōu)的效果，確保濾波器與安裝板之間應(yīng)有良好的接觸。

8）電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其他電纜走線，其最小距離為500mm；同時(shí)應(yīng)避免電機(jī)電纜與其他電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾；如果控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)盡可能使它們按90°角交叉。同時(shí)必須用合適的夾子將電機(jī)電纜和控制電纜的屏蔽層固定到安裝板上。

3.2.2 電源模塊的選擇

目前市場上的電源模塊根據(jù)是否有回饋功能及回饋的方式，可以分成3種，分別為基本型電源模塊、非調(diào)節(jié)型電源模塊、調(diào)節(jié)型電源模塊?；拘碗娫茨K即整流單元，無回饋功能，靠接制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻才能實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)和再生能量的消耗。非調(diào)節(jié)型電源模塊即整流／回饋單元，其直流母線電壓不可調(diào)，但與基本型電源模塊不同的是，能夠向電網(wǎng)反饋再生能量；調(diào)節(jié)型電源模塊為由IGBT構(gòu)成的采用有源前端（AFE）技術(shù)的整流／回饋單元，可以提供電動(dòng)能量并將再生能量返回到供電系統(tǒng)。

根據(jù)地鐵站的自動(dòng)扶梯的運(yùn)行規(guī)律來看，基本型電源模塊不滿足本設(shè)計(jì)需求。非調(diào)節(jié)型電源模塊的主要缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生電網(wǎng)電流諧波。調(diào)節(jié)型電源模塊因產(chǎn)生諧波較少，非常適合于4象限運(yùn)行的場合，對(duì)地鐵站自動(dòng)扶梯共直流母線傳動(dòng)系統(tǒng)而言也是最佳的選擇，因此本文采用調(diào)節(jié)型電源模塊。由調(diào)節(jié)型電源模塊構(gòu)成的共直流母線傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 共直流母線傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of the drive system based on common－DC－bus

采用調(diào)節(jié)型電源模塊的優(yōu)點(diǎn)有以下3點(diǎn)：

1）調(diào)節(jié)型電源模塊能對(duì)直流母線電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，因直流母線電壓可調(diào)節(jié)，故即使電網(wǎng)電壓波動(dòng)，也能保持整流母線電壓的穩(wěn)定；

2）可以實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償；

3）與基本型電源模塊和非調(diào)節(jié)型電源模塊相比，可以從供電系統(tǒng)中提取近似正弦波的電流，其引起電網(wǎng)供電線路中的諧波失真很小。

以一款采用調(diào)節(jié)性電源模塊的具有代表性的變頻器為例，低頻諧波的數(shù)據(jù)如表3所示。與表1相比，對(duì)大中容量的供電系統(tǒng)THD（I）減小了約92%以上，對(duì)小容量的供電系統(tǒng)也減少了約89%。采用調(diào)節(jié)性電源模塊的共直流母線供電的傳動(dòng)系統(tǒng)，其造成的單次諧波電流和電壓均小于1%的電源模塊的額定電流和電壓，故能滿足各種有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 調(diào)節(jié)型電源模塊的電網(wǎng)側(cè)諧波值Tab.3 Typical harmonic currents of a supply system with active infeed（AFE technology）

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)降直流母線電壓運(yùn)行

在變頻調(diào)速的過程中，為保持電機(jī)磁通的恒定，則電動(dòng)機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢E1的大小和頻率f1與磁通ΦM的乘積成正比，即

式中：KE1為和電動(dòng)機(jī)繞組有關(guān)的常數(shù)；U1為電機(jī)定子繞組電壓。

采用空間矢量調(diào)制方法的電機(jī)模塊輸出的最大（基波）電壓峰值VSVMmax取決于直流母線的電壓VDC，從理論上講為

實(shí)際上考慮到現(xiàn)實(shí)的因素，電機(jī)模塊的輸出電壓范圍為0～0.67VDC。

從式（1）、式（2）可以推斷，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓只要大于共直流母線傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的所有電機(jī)中的最高電壓的1.5倍（VDCmin＝VMmax／0.67≈1.5VMmax），即可保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作。

由于電機(jī)模塊（電壓源型逆變器）主開關(guān)器件（IGBT）關(guān)斷時(shí)，相應(yīng)反并聯(lián)二極管在電感作用下導(dǎo)通續(xù)流；當(dāng)主開關(guān)再次開通時(shí)，相應(yīng)二極管將承受反壓并經(jīng)歷反向恢復(fù)過程而關(guān)斷。反向恢復(fù)時(shí)，不僅給二極管帶來自身關(guān)斷損耗，而且也將大大增加相應(yīng)主開關(guān)管的開通損耗。在器件一定的前提下，該損耗與反向恢復(fù)電壓值（VDC）、二極管正向電流以及二極管電流變化率相關(guān)。因此降低直流母線電壓能降低電機(jī)模塊的能耗。

另外，根據(jù)3.1節(jié)對(duì)高頻噪聲電流Is產(chǎn)生原因的分析可知，Is的大小和直流母線電壓VDC有關(guān)。電機(jī)模塊PWM輸出電壓波形的幅值等于VDC，如脈波的幅值降低，則寄生電容Cp的充放電電流Is也會(huì)降低。因此降低直流母線電壓，能減少高頻噪聲干擾。

可調(diào)節(jié)型電源模塊的出現(xiàn)，使得共直流母線傳動(dòng)系統(tǒng)的降直流電壓運(yùn)行成為可能。以地鐵站自動(dòng)扶梯為例，在非客運(yùn)高峰時(shí)，乘扶梯的人很少或無人，此時(shí)整個(gè)地鐵站的自動(dòng)扶梯可以全部以低速運(yùn)行。如果此時(shí)降低直流母線電壓，則在不影響自動(dòng)扶梯使用的情況下，減少了電機(jī)模塊的能耗和高頻噪聲的干擾。

4 控制器節(jié)能運(yùn)行模式設(shè)計(jì)思路

扶梯的控制應(yīng)以人為本，因此扶梯上有乘客時(shí)不應(yīng)大范圍提速或減速，只能在預(yù)置速度的基礎(chǔ)上微調(diào)。目前較為普遍的做法根據(jù)乘坐扶梯的人數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)扶梯的速度則相對(duì)不妥。本文提出了一周運(yùn)行曲線的概念，則有效地解決了這個(gè)問題?；舅悸肥牵好颗_(tái)扶梯根據(jù)客流量周曲線設(shè)置各自的周速度運(yùn)行曲線，在不同時(shí)間以不同速度運(yùn)行，并根據(jù)客流量微調(diào)；扶梯空載時(shí)（無人乘梯）以節(jié)能速度運(yùn)行（比如20%額定速度），當(dāng)檢測到即將有乘客踏上扶梯時(shí)，感應(yīng)裝置向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，在乘客到達(dá)扶梯前，加速至默認(rèn)速度（這一過程應(yīng)在變頻器控制下逐漸地、平穩(wěn)地完成）；在一段時(shí)間內(nèi)，無乘客使用時(shí)，系統(tǒng)控制扶梯自動(dòng)地減速至節(jié)能速度。扶梯按周運(yùn)行曲線設(shè)定運(yùn)行速度，配合變頻器的節(jié)能運(yùn)行模式，從減小輸出功率和降低損耗兩方面著手，進(jìn)一步提高節(jié)能的空間，可以達(dá)到理論上的最佳節(jié)能效果。

以上海軌道交通一號(hào)線為例，自動(dòng)扶梯的載客量相對(duì)有規(guī)律，可以以周為單位來劃分。工作日期間，早上7點(diǎn)到9點(diǎn)之間以及下午5點(diǎn)到7點(diǎn)之間是載客高峰期，這時(shí)需要扶梯的全速運(yùn)行；中午時(shí)段有1個(gè)小高峰，乘坐扶梯的乘客相對(duì)較多，但較早晚高峰期乘客要少；其他時(shí)間段乘客較少，沒有規(guī)律。周六周日則有所變化，高峰期主要出現(xiàn)在9點(diǎn)到11點(diǎn)之間或者晚上7點(diǎn)到10點(diǎn)之間。為了既滿足乘客出行的需要又達(dá)到節(jié)能的目的，可以按照以上描述的載客量的規(guī)律設(shè)置自動(dòng)扶梯每天的基本運(yùn)行速度曲線，模擬曲線如圖7所示。

圖7 自動(dòng)扶梯一天中有人乘梯時(shí)的速度運(yùn)行曲線Fig.7 Running speed curve of escalator when there are passengers within a day

由圖7可以看出，在早晚高峰期間，扶梯以額定速度運(yùn)行，中午時(shí)段以中速運(yùn)行。因?yàn)樽詣?dòng)扶梯不能突然加速或減速，可以看出，從早上班時(shí)段到中午時(shí)段，扶梯速度是從額定速度緩慢下降到低速（不低于額定速度的50%），然后緩慢上升到中速運(yùn)行。對(duì)于晚高峰時(shí)段同樣如此。這樣可以避免對(duì)扶梯運(yùn)行速度進(jìn)行頻繁的調(diào)節(jié)。以該曲線為基礎(chǔ)，借鑒外部因素（如天氣，季節(jié)等）建立數(shù)據(jù)模型，獲得自動(dòng)扶梯一周載客量曲線，得出自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)的給定速度曲線（以一周為周期），作為變頻運(yùn)行的速度給定基準(zhǔn)。

扶梯速度的設(shè)置應(yīng)盡量符合實(shí)際乘坐扶梯的人數(shù)。除高峰期相對(duì)固定以外，其他時(shí)間段期間，乘客量具有隨機(jī)性的特點(diǎn)。因此，變頻器預(yù)先設(shè)置的速度可能與實(shí)際情況不符。比如在客流量低谷期有大批客人乘坐扶梯時(shí)，而此時(shí)扶梯的預(yù)置速度可能是較低速度。為此，扶梯的運(yùn)行速度應(yīng)不斷地與客流量反饋信號(hào)進(jìn)行比較，在保證乘坐的舒適性、安全性以及設(shè)備可靠性的基礎(chǔ)上，對(duì)其他時(shí)間段扶梯的運(yùn)行速度進(jìn)行不斷的微調(diào)。實(shí)現(xiàn)的方法是在扶梯入口1m處安裝光電傳感器，光電傳感器將檢測到的乘客數(shù)實(shí)時(shí)傳輸給控制器，控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)窗口中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以當(dāng)前載客量的變化作為速度微調(diào)的輸入。

5 優(yōu)缺點(diǎn)分析

由上文的分析可知，與傳統(tǒng)地鐵站內(nèi)的變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)相比，共直流母線供電的傳動(dòng)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）相比于各個(gè)變頻器的整流環(huán)節(jié)分散整流供電而言，使得消耗在交流轉(zhuǎn)換為直流環(huán)節(jié)上的能量大為減少，節(jié)省了能量的消耗；

2）可以實(shí)時(shí)將載客量較大時(shí)下行扶梯產(chǎn)生的能量，通過直流母線傳遞給上行扶梯使用，并可通過電源模塊將多余的能量回饋到電網(wǎng)；

3）省掉了各個(gè)變頻器的進(jìn)線電抗器、整流環(huán)節(jié)、制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻等設(shè)備，只增加了1～2個(gè)較大的電源模塊，總體上節(jié)省了投資，減少了占地面積、設(shè)備的維護(hù)量及設(shè)備故障點(diǎn)，提高了設(shè)備的整體控制水平；

4）集中供電使得所有電機(jī)模塊的直流母線電壓一樣，而且由于母線容量更大，直流電壓比單臺(tái)變頻器的直流環(huán)節(jié)電壓更穩(wěn)定，使傳動(dòng)系統(tǒng)的抗干擾性能提高；

5）考慮到電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前采用IGBT構(gòu)成的可調(diào)節(jié)型電源模塊已被廣泛應(yīng)用，這種電源模塊產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的共直流母線電壓，避免了電源電壓波動(dòng)所造成的影響，提高了供電的可靠性；

6）由IGBT構(gòu)成的、采用有源前端技術(shù)的可調(diào)節(jié)型電源模塊也可從供電系統(tǒng)中提取近似正弦波電流，并基本不會(huì)引起電網(wǎng)供電線路中的電流諧波失真，使地鐵站的傳動(dòng)系統(tǒng)的諧波得到有效控制。從而改善了地鐵站的供電品質(zhì)，使其他用電設(shè)備的使用壽命和可靠性增加；

7）采用共直流母線方案為降直流母線電壓運(yùn)行提供了可能性。

同時(shí)，與傳統(tǒng)地鐵站內(nèi)的變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)相比，共直流母線供電的傳動(dòng)系統(tǒng)也具有以下缺點(diǎn)：

1）通常，只有載客量較大時(shí)，下行扶梯才處于發(fā)電狀態(tài)。在空載時(shí)，下行扶梯仍需要電網(wǎng)饋電。因此對(duì)于比較偏僻，客流量較少的地鐵站，相對(duì)于傳統(tǒng)的變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)而言，節(jié)能效果可能并不顯著；

2）采用共直流母線方案會(huì)造成部分電機(jī)的電纜較長，因此應(yīng)采取必要的措施以避免由此造成的干擾問題；

3）采用共直流母線方案一般需要電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置集中放置，不如各個(gè)變頻器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電機(jī)靈活、簡單。

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及可再生能源發(fā)電的興起，直流配電技術(shù)再次受到人們的關(guān)注［9－10］?？煽紤]將電機(jī)模塊靠近電機(jī)放置，通過直流限流電抗器和較長的電纜連接到直流母線，這樣就可消除電機(jī)電纜較長和不夠靈活、簡單的缺點(diǎn)。此尚有待研究。

6 結(jié)論

將公共直流母線供電技術(shù)引入扶梯節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)扶梯上行和下行的統(tǒng)一控制，下行扶梯的再生能量被上行扶梯實(shí)時(shí)利用或者將多余的能量反饋到電網(wǎng)。一周節(jié)能運(yùn)行模式可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯的平滑、穩(wěn)定運(yùn)行以及能量的充分利用，在傳統(tǒng)變頻調(diào)速節(jié)能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升了節(jié)能空間，達(dá)到理論上最大節(jié)能運(yùn)行效果。這一技術(shù)將在地鐵站自動(dòng)扶梯的控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

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