地鐵車站自動扶梯主控制電路原理分析

楊永奇

摘 要：自動扶梯是地鐵車站重要的機電設備，其運行狀態的穩定與否直接關系乘客的人身安全和地鐵的運營秩序。現代地鐵車站使用的自動扶梯都是采用直接供電與變頻器供電兩種控制方式，其主電路的控制方式既要滿足自動扶梯的正常情況下運行要求，又要滿足特殊控制條件下的使用要求。因此，對其主控制電路的設計要求非常嚴格。本文按照這樣的要求，探討了典型的地鐵車站自動扶梯的主控制電路的設計和控制原理。

關鍵詞：地鐵車站 自動扶梯 變頻器 工頻控制

一、自動扶梯的控制要求

地鐵車站的自動扶梯是地鐵車站最為重要的機電設備，其運行的穩定與否直接關系乘客的人身安全和地鐵車站的運營秩序。車站的自動扶梯一般設置在車站的地面層與站廳層非付費區和付費區的站廳層與站臺層之間。自動扶梯正常情況下實現運送乘客的功能，而在車站發生火災等異常情況下，還擔負快速疏散乘客的功能。因此，在自動扶梯的控制系統基本的控制功能包括正常控制模式和異常控制模式。正常控制模式要求自動扶梯可以實現正常與慢速的速度控制功能，而當發生異常情況時，自動扶梯應該按照其最大允許速度快速運行，以達到快速疏散乘客的目的。

根據相關國家標準的規范，自動扶梯的速度控制要求包括自動扶梯傾斜角α不大于30°時，其運行速度不應超過0.75m/s，自動扶梯傾斜角α大于30°，但不大于35°時，其運行速度不應超過0.5m/s，踏板或膠帶的寬度不超過1.1m時，自動人行道的運行速度最大允許達到0.9m/s，當無人使用自動扶梯時，其運行速度為節能速度0.13m/s。

根據以上的控制要求，其主回路應該配置相關的設備和控制模式，滿足自動扶梯的控制要求。

二、典型自動扶梯主電路結構

典型地鐵車站自動扶梯主電路結構為變頻器與PLC相結合的VVVF自動扶梯變頻調速系統，驅動電機采用Y/△啟動方式。隨著變頻（VVVF）交流調速技術的日臻成熟，采用VVVF控制方式的自動扶梯已成為自動扶梯控制的主流。VVVF技術控制使電梯具有節能、高效、可靠、噪聲低和舒適等優點。該控制系統包括的主要設備有如下幾部分。

1.變頻器

變頻器是自動扶梯控制的核心設備。自動扶梯所應用的變頻器選擇范圍較廣，目前市場主流的變頻器都可以應用于自動扶梯的控制。較為典型的如Danfoss VLT2900 變頻器，如圖1所示。其主要應用于0.55 ～ 18.5 kW（AC380V）的交流電動機，輸出頻率一般在 0 ～ 1000 Hz 之間可變輸出，電壓等級一般為 380 ～ 480 VAC（-20/+10%）。該變頻器具有自動電動機整定功能，可以自動測量電動機參數，以確保變頻器和電動機的最佳匹配，從而提高變頻器的應用性能。此外，該變頻器還具有 PID 控制器，可以實現對自動扶梯最優的閉環控制。

2.交流電動機

自動扶梯的驅動電機一般選用三相交流異步電動機。目前市場上常見的三相交流異步電動機都可以作為自動扶梯的驅動電梯，都能滿足自動扶梯控制所要求的啟動力矩大，運行穩定，堅固耐用，維修保養方便，調速方便等優點。且非常容易與變頻器結合，實現VVVF控制。

三、主控制回路控制功能和原理分析

根據自動扶梯的控制要求，驅動電機的控制方式包括工頻控制和變頻控制兩種方式，可根據地鐵車站實際的運營狀況自動切換。當車站處于正常的運營狀態時，可以采用變頻運行模式，且可以實現節能控制。當較長時間沒有乘客進入自動扶梯時，自動扶梯自動切換至慢速節能運行狀態，當檢測即將有乘客進入自動扶梯時，則控制系統自動將自動扶梯切換至正常運行速度控制。如車站發生異常狀況，則可以直接將控制方式切換至工頻控制模式，讓電梯處于快速運行狀態，且不受變頻器控制，以免給地鐵的運營帶來新的不利影響。下面，我們結合典型的自動扶梯主回路控制電路，來具體分析自動扶梯的運行及控制過程。

1.工頻控制

工頻控制模式下，電梯轉速不可調整，只有運行和停止兩種狀態。

（1）啟動控制。當電機工頻運行接觸器K01，電梯上行接觸器K11或者電梯下行接觸器K12，電機星型啟動接觸器K21得電動作，電機得電，定子繞組以Y型接法，則自動扶梯進入啟動過程。

（2）正常運行控制。電機啟動過程持續約10s，待電機轉速達到額定轉速60% ～70%，電機星型啟動接觸器K21斷電，電機三角型運行接觸器K22得電動作，將電機的定子繞組接線方式改為△接法，此時，電機進入在工頻電源供電下的正常運行模式。

2.變頻控制

變頻控制模式下，電梯轉速可以根據不同的控制模式進行運行速度的控制，在滿足地鐵車站正常運營條件下，自動扶梯處于一種節能運行狀態。變頻器主供電接觸器K02與電機工頻運行接觸器K01之間仍然進行有效連鎖，電機工頻運行接觸器K01必須處于斷電狀態。同時，電機星型啟動接觸器K21和電機三角型運行接觸器K22必須處于斷電狀態，以滿足電機由變頻器控制的需要。

變頻器主供電接觸器K02得電動作，變頻器主電源接通得電。電機變頻運行接觸器K03得電動作，將變頻器輸出電源接到電梯上行接觸器K11和電梯下行接觸器K12主觸點的上端子。

需要說明的是，在變頻控制模式下，電機的正反轉控制是由變頻器來實現的，電機電梯下行接觸器K12處于斷電狀態，不參與電機正反轉控制。

（1）上行控制。在自動扶梯變頻器變頻控制模式下，電梯上行接觸器K11得電動作。電梯上行繼電器K13受PLC控制，得電動作，其一對常開觸點閉合，輸出電梯上行指令，將變頻器12號端子輸出的24VDC返回變頻器18號端子。此時，變頻器按照預設頻率輸出交流電壓，自動扶梯上行運動。

（2）下行控制。與自動扶梯上行相似，在自動扶梯變頻器變頻控制模式下，電梯上行接觸器K11得電動作。電梯下行繼電器K14受PLC控制，得電動作，其一對常開觸點閉合，輸出電梯下行指令，將變頻器12號端子輸出的24VDC返回變頻器18號端子。此時，變頻器按照預設頻率輸出交流電壓，自動扶梯下行運動。

（3）快慢速控制。自動扶梯的快慢速控制是由變頻器來實現的。當自動扶梯的工作狀態處于非檢修狀態，即正常運行狀態時，與變頻運行快慢速控制繼電器K19常開觸點和常閉觸點串聯的檢修開關S43處于斷開位置，此時，沒有信號輸出到變頻器32和33號端子，變頻器以預設的正常頻率輸出，自動扶梯以正常速度運行。

當操作檢修開關S43處于自動扶梯檢修狀態時，與變頻運行快慢速控制繼電器K19常開觸點和常閉觸點串聯的檢修開關S43處于閉合位置，此時，有信號輸出到變頻器32和33號端子，變頻器以預設的慢速頻率輸出，自動扶梯以慢速速度運行。

3.制動控制

為了實現電梯在異常狀態下的快速停止，在變頻器上設置有制動單元，接線端子為R+和R-，制動單元連接制動電阻，將電機制動時產生的電能轉化成熱能釋放。制動電阻的主要功能有以下兩點。

（1）保護變頻器。電機在快速停車過程中，由于慣性作用，會產生大量的再生電能，如果不及時消耗掉這部分再生電能，就會直接作用于變頻器的直流電路部分，輕者，變頻器會報故障，重者會損害變頻器。制動電阻的出現，很好地解決了這個問題，保護變頻器不受電機再生電能的危害。

（2）保證電網穩定。制動電阻將電機快速制動過程中的再生電能直接轉化為熱能，這樣再生電能就不會反饋到電源電網絡中，不會造成電網電壓波動，從而起到了保證電源網絡的平穩運行的作用。

4.重要的聯鎖控制

由于地鐵車站自動扶梯控制的特殊性，除了常規的控制以外，主回路中還設計了一些重要的聯鎖控制，以保證自動扶梯穩定安全的運行。

自動扶梯變頻器主供電接觸器K02和電機變頻運行接觸器K03與電機工頻運行接觸器K01之間的聯鎖，二者不能同時得電動作。

自動扶梯電機工頻運行狀態下，電梯上行接觸器K11和電梯下行接觸器K12之間的連鎖，二者不能同時得電動作。

自動扶梯電機變頻控制模式下，電梯上行接觸器K11和電機星型啟動接觸器K21和電機三角型運行接觸器K22之間的連鎖。此時，在電梯上行接觸器K11得電條件下，電機星型啟動接觸器K21和電機三角型運行接觸器K22不能得電動作。

電梯上行繼電器K13和電梯下行繼電器K14之間的連鎖，兩個信號不能同時輸出給變頻器。

四、小結

地鐵車站的自動扶梯雖然只是地鐵機電系統的一部分，但在這些系統中它是較為重要的。為了達到地鐵車站整體安全運營對自動扶梯的要求，自動扶梯在控制上必須采取更為合理，且安全性更高的控制技術，特別是在電氣主回路的設計上，必須兼顧高效、穩定、便捷的綜合性要求。除此以外，隨著節能環保概念的不斷深入人心，耗能大戶的自動扶梯也必然要在控制系統上來實現穩定運行前提下的最大化的節能要求。正是由于有這些要求，典型的自動扶梯控制主回路的設計才得以完整實現。以變頻器、PLC為核心的自動扶梯控制系統必將為地鐵車站的高效運營創造一定的基礎，實現滿足乘客需求和安全、穩定、節能的多重目標。

（作者單位：北京市工業技師學院）