基于半保護機制自動扶梯電壓暫降保護策略研究

陳宜匯

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510030）

1 現狀分析

廣州等城市電網容易受夏天雷雨天氣的影響而發生電壓暫降，每年因電壓暫降導致停梯次數可達50多次。對于超大客流的地鐵線網，自動扶梯因電壓暫降發生停梯，將導致客流出現堆積，嚴重影響運營安全和效率，已成為地鐵運營的一個痛點。

2 方案原理

自動扶梯電源一般由主驅動回路和控制回路組成，主驅動回路通過變頻器與電機相連，一般采用380 V；控制回路主要為扶梯的接觸器、繼電器、電路板等供電，一般采用220 V。半保護機制的原理是在電壓暫降事件發生時，針對自動扶梯控制回路設置額外的電源補償，實現控制回路不斷電，目前補償方式一般有UPS、超級電容、VDC等方案，但現有方案并未根據扶梯運動學參數提出保護參數設定要求，而電壓暫降保護參數設定是影響扶梯運行安全的關鍵因素。為此，本文提出了一種針對控制系統半保護的方案，并結合扶梯動力學參數測試給出電壓暫降保護范圍建議值。半保護機制原理如圖1所示，當扶梯外電源電壓正常時，備用保持電源處于非供電模式，由三相電源對控制系統進行供電；在扶梯運行過程中，當電源電壓出現短時間異常波動，電源檢測模塊檢測出電壓瞬斷或暫降時，將備用保持電源切換至供電模式向控制系統供電，確保扶梯電路板、接觸器等控制器件在電壓暫降發生后短時間內處于正常工作狀態，避免因接觸器等控制系統相關器件斷電引發停梯故障，實現扶梯在電壓暫降期間不停梯運行。

圖1 電壓暫降保持功能框圖

半保護機制系統能夠實現大部分自動扶梯電壓暫降保護功能，相比全保護機制（主驅動回路和控制回路均進行電壓補償）而言，儲能元器件減少，成本造價低，經濟性高[1]。

3 安全性分析

在上述半保護機制下，當外電源電壓出現瞬時掉落時，備用電源發揮作用。雖然備用電源及時對控制回路進行了補償，但由于能量供給問題，扶梯主驅動回路處于外電源欠壓暫降狀態，此時扶梯將會在乘客載荷重力及機械阻力的作用下做加速（下行扶梯）或減速（上行扶梯）運動。為保障乘客安全性及扶梯正常運行，需對該過程進行分析，下面通過理論核算及試驗驗證兩方面進行論證。

3.1 理論核算

根據機械原理，上行扶梯出現電壓暫降時，乘客載荷的作用方向與扶梯運行方向相反，加速度絕對值最大，為最惡劣工況，因此本文按上行扶梯電壓暫降情況下扶梯梯路的加速度進行理論計算。速度變化趨勢圖如圖2所示。

圖2 電壓暫降時速度變化圖

此過程中，加速度的計算與等效鏈輪直徑D、轉動慣量GD、乘客扭矩TL、行走阻矩TF等有關，具體計算公式如下：

式中：aDN為下行扶梯加速度；aUP為上行扶梯加速度；GDR為主機慣量；GDLT為上部鏈輪周邊扶梯慣量；η為減速機傳動效率；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

代入A品牌自動扶梯設計參數進行計算，得出扶梯以0.65 m/s速度運行時在各種負載率情況下發生電壓暫降時的速度變化情況，如表1所示（扶梯上行，暫降時間參考香港機電工程署發布的《升降機及自動梯設計及構造實務守則》按200 ms計算）。

表1 上行扶梯發生電壓暫降速度變化表

由以上計算結果可知，電壓暫降過程在扶梯負載100%且持續時間200 ms最惡劣情況下，同時考慮變頻器重新接入驅動的影響，減速度＜1 m/s2，速度理論上變化百分比小于20%，滿足國標GB 16899—2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》對扶梯運行過程做出的以下相關要求[2]：

1）運行速度≤1.2×名義速度（條款5.4.2.3.1）；

2）減速度≤1 m/s2（條款5.4.2.1.3.2、5.4.2.2.2）。

因此，半保護機制下200 ms的暫降時間范圍內理論上不會觸發扶梯超速保護功能，且減速度也滿足規范要求，因此半保護機制下電壓暫降持續200 ms內，扶梯可保持相對平穩的運行狀態。

3.2 試驗驗證

本試驗模擬自動扶梯電壓瞬時跌落的情景，通過示波器對扶梯運行狀態進行記錄，獲取在不同暫降時間范圍、不同扶梯負載下運行速度、加/減速度和急動度的數據。以滿足上述4個指標為前提，確定自動扶梯的電壓暫降保護時間和電壓下降閾值的范圍，具體的試驗數據統計如表2、圖3所示。

表2 上行扶梯電壓暫降試驗數據表

圖3 上行扶梯電壓暫降試驗數據分布圖

試驗過程中發現，常規自動扶梯變頻器由于電容較小，在電壓暫降發生后，變頻器工作時間僅能支持200 ms左右的工作狀態，之后便會報故障導致扶梯停止運行，因此暫降時間變量僅有一組。

由以上圖表可知，電壓暫降幅值在50%以上時，上行扶梯的速度跌落幅值隨電壓跌落幅值變化不顯著，隨著負載的增加而增加，且減速度和急動度測量值均滿足運動學指標，可以保證扶梯完成運行。而一旦電壓暫降幅值跌落至40%后，急動度（即扶梯運行的加加速度）≥2.5 m/s3[3]，嚴重影響乘客乘梯舒適性，且變頻器母線欠壓導致部分接觸器觸點已經不能維持觸點的閉合狀態，最終導致故障停梯。

下行扶梯在電壓暫降事件發生時理論上要做瞬時的向下加速運動，但由試驗數據（表3）來看并非如此。這是因為下行運行狀態下自動扶梯變頻器的母線電壓較高，通常遠大于DC600 V[4]，電壓暫降發生時，對下行扶梯的變頻器影響也會被減弱。

表3 下行扶梯電壓暫降試驗數據表

同時，扶梯下行相當于是一個發電過程，也會對電路進行一定的補償，因此下行扶梯在電壓暫降時間中表現得比上行扶梯要穩定，但如果電壓也跌至40%，扶梯同樣會故障制動停止運行。

4 結論及建議

根據以上理論計算和試驗數據相結合的分析，建議半保護機制自動扶梯電壓暫降保護范圍為工作電壓剩余40%以上，暫降運行時間不超過200 ms。這一范圍能對絕大部分自動扶梯電壓暫降時間起到關鍵的保護作用，解決電壓暫降帶來的運營安全問題。

自動扶梯作為在軌道交通等公共場所運輸人員的重要設備，其安全性、穩定性和可靠性是乘客生命財產安全的重要保障。對電壓暫降事件的治理，需要國家電網和電梯設備廠家的共同努力，一方面改善電能輸出質量，另一方面優化設備抗擾度設計，提高設備性能，相信在不久的將來，便能極大地提高自動扶梯的服務水平。