自动扶梯节能运行改造方案分析

自动扶梯广泛应用于大型商场、超市、机场、地铁、宾馆等场合。大多数扶梯在客流量大的时候，工作于额定的运行状态，在没有乘客时仍以额定速度运行，具有耗能大、机械磨损严重、使用寿命低等缺点。

由于全国各地百货公司自动扶梯的安装数量众多，对在用自动扶梯进行节能改造以及设计新的扶梯节能方案，势在必行。

1、非节能扶梯的几种控制方式

早期的扶梯很多采用继电器、接触器的控制方式，这种控制方式较为简单，已基本被淘汰。目前的国内品牌的扶梯仍以PLC（可编程控制器）或通用微机板作为主流的控制系统，这种控制系统简单可靠，通过编程功能扩展性较强。而一些国际品牌的扶梯采用自己专有的微机板，需专用的调试器或软件方可调试和进行功能设置。

几种控制方式的对比如下表。

2、几种扶梯节能运行的方案设计

2.1 星三角驱动

这种节能运行方案对原有控制回路改动很小，又可分为“自动重新启动”、“Y-△切换”两种方案。

前一种方案是在无人乘梯时停止自动扶梯的运行，有人乘梯时起动扶梯， 从而达到省电的目的。由于是采用了完全停电的方法， 所以在节约能源方面是显而易见。但是这种方法会导致扶梯频繁启制动，启动时不仅对供电电网有一定的冲击，而且频繁的启停会给抱闸等机械部件带来一定损伤。

后一种方案是当扶梯启动时，就象通常一样按Y接法进行启动，但不再是通过时间原则切换成△接法运行。而是当扶梯上没有乘客的时候，扶梯一直在Y接法下运行；当有乘客的时候扶梯才切换成△接法运行，如此循环往复。上述方法的节能原理和节能的效果很难给出直接的理论的答案，而从理论上对自动扶梯各个部分的机电能耗作详细的分析又是比较复杂和困难的。但是实际测试表明，在空载或接近空载的工况下，虽然扶梯的运行速度并无明显变化，但是Y接法与△接法相比并无明显的节能效果。

2.2 全变频驱动

采用变频器驱动曳引电机，通过变频器来调节曳引电机的转速，在没有乘客使用的时候使扶梯慢速运行或者停止，可很方便实现节能运行。由于扶梯对控制精度要求并不高，变频器可选择不带编码器的开环控制模式。但是变频器功率需大于等于曳引电机功率选用，使得成本较难降低。另外，还需考虑制动电阻在扶梯有限的机房空间的散热问题。

在大提升高度的自动扶梯采用两个或多个曳引机的场所，为了保证多个电机运行的同步性，全变频方案仍是首选。另外，目前有采用永磁同步电机的行星齿轮曳引机应用于扶梯驱动，受目前变频技术实际应用的限制，控制同步电机启动时仍需检测磁极的位置，所以也得采用全变频方案。由于行星齿轮减速传动效率相比传统曳引机的提高，节能效果会更加明显。

2.3旁路变频驱动

扶梯在额定速度运行时， 由50Hz 的工频电源进行供电，变频器不投入运行。当在无人乘梯一定时间后，扶梯将由工频电源控制切换到变频器控制，从而使扶梯进行低速运行或停止，达到节能的目的。当有人再次进入扶梯乘梯时，扶梯将由变频器加速到额定速度，到达额定速度后，扶梯将由变频器控制切换到工频电源控制运行。扶梯将如此周而复始的运行，其运行时序如下图所示。

旁路变频的优点是实现了无人乘梯时低速运行或停止，达到节能、降低噪声、减少设备的磨损。由于采用了变频控制，使系统的调速平稳，对机械系统的冲击较小。由于在高速运行的时候变频并未参与控制，所以变频器的功率可比曳引电机的功率小，具体选型可遵照变频器额定输出电流大于等于曳引电机50%额定电流（扶梯空载运行时的电流）的经验选用。相比全变频而言，还不需要制动电阻，减少了机房发热。

2.4一体化变频驱动

上述几种方案都是在原有控制回路基础上的有限发挥，尤其是在需要快-慢-停循环运行模式的应用场合，需满足国家标准中的相关安全要求。其次，客户设备的更多的人性化的需求如故障提示、远程监控等在原有的基础上均较难实现。

我们公司提供的扶梯万能改造柜很好地解决了上述问题。扶梯万能改造柜采用扶梯一体化变频控制。“一体化”的概念是在原本变频器的基础上有机集成了扶梯所需的控制功能。系统内置了全变频控制、旁路变频控制、星三角驱动控制三种模式，快-慢、快-停、快-慢-停三种循环方式都可通过参数可以选择。不仅可驱动异步电机，还可驱动永磁同步电机并适配U、V、W增量型编码器和Sin/Cos编码器（通过参数选择）。控制系统包含的扶梯主机测速保护、防逆转、扶手带测速、梯级遗失检测等安全防护措施不仅让自动扶梯变得更加安全，更因增加了附加制动器控制、自动加油控制、紧急状态转换等人性化功能使得该系统可适用于目前任何品牌的扶梯节能改造。

为了解决在旁路变频驱动存在的工频控制与变频控制切换的冲击问题，采用一个相序检测器检测跟踪准备切换时的电网的相位和频率，与此同时，将变频器的输出尽量调整到与电网的相位与频率一致，当误差在允许的范围内的时候，进行切换。

在实际改造过程中，仅需将原本扶梯控制柜的逻辑输入信号交由扶梯万能改造柜处理，原控制柜内的一些执行器件如上行接触器、下行接触器等由扶梯万能改造柜来控制。值得一提的是，扶梯万能改造柜还设计了星三角紧急备用运行，当变频驱动部分发生故障的时候，通过紧急备用运行转换开关，系统可实现普通的星三角驱动运行。

3、应用问题分析

自动扶梯的节能运行方案，不单单需实现扶梯在一定时间无人使用后自动慢速或者停止运行，当有乘客需要使用的时候再次自动启动运行；更因自动扶梯属于公共交通运输设备，在以下几个方面更需严格遵守GB16899-1997《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》（以下简称《规范》）的相关要求，以确保乘客安全。

3.1关于触点粘连检测

《规范》第12.4.2条规定“制动器供电的中断至少应有两套独立的电气装置来实现，这些装置可以中断驱动主机的电源。如自动扶梯或自动人行停车以后，这些电气装置中的任一个还没有断开，则重新启动应是不可能的。”第12.8条规定“主机电源应由两个独立的接触器来中断，接触器的触头应串接于供电电路中，如果自动扶梯或自动人行道停止时，接触器的任一主触头未断开，则重新启动应是不可能的。”

在采用变频器节能运行的方案，变频器至电机之间的运行接触器必须设置检测环节。

3.2关于超速保护及防逆转

《规范》第12.5条规定“12.5.1自动扶梯和自动人行道应配备速度限制装置，使其在速度超过额定速度1.2 倍之前自动停车。为此，所用的速度限制装置在速度超过额定速度1.2 倍时，能切断自动扶梯或自动人行道的电源。12.5.2自动扶梯和倾斜式自动人行道应设置一个装置，使其在梯级、踏板或胶带改变规定运行方向时，自动停止运行。” 

目前在用扶梯大多采用传感器测定曳引电机速度信号，交由控制系统处理。并且很多厂家在逻辑控制环节既设定了超速保护，也设定了低速保护。而节能运行的慢速运行环节势必引起控制系统的故障保护。很多节能方案仅是简单地采取手段屏蔽主机测速保护，是有违标准的安全规定的。

自动扶梯发生逆转的过程，也是曳引电机改变运转方向的过程。曳引电机从正转的某个速度到改变方向，必然经历一个低于额定速度的临界点。这时曳引电机低速保护功能起作用，停止扶梯的运行。很多厂家以这种曳引电机的超速低速保护的同时实现防逆转保护，虽然能满足标准的要求，但是远不如硬件检测的安全系数高。

事实上，只要增加一种逆向运行检测开关，曳引电机正转的时候，此开关输出一种信号状态（比如接通），反转的时候输出另一种信号状态（比如断开），交由控制系统与输出的运行方向作比较以后加以判断处理。

3.3关于自启动运行

《规范》第14.2.1.条规定“14.2.1.1由于使用者的经过而自动启动的自动扶梯或自动人行道，应在该使用者走到梳齿相交线之前启动运行。这可通过下列方法来完成，例如：a) 光束，应设置在梳齿相交线之前至少1.3m 处；b) 触点踏垫，其外缘应设置在梳齿相交线之前至少1.8m 处，沿运行方向的触点踏垫长度至少为0.85m。对重量起反应作用的触点踏垫，施加在其表面为25cm2 的任何点上的载荷达150N 之前就应作出响应。建筑结构上的设施，应能防止阻断控制元件。14.2.1.2由使用者通过而自动启动的自动扶梯或自动人行道方向，应预先确定，并清晰可见及有明显的标记。在由使用者通过而自动启动的自动扶梯或自动人行道上，如果使用者能从与预定运行方向相反的方向进入时，那么自动扶梯或自动人行道仍应按预先确定的方向启动并符合14.2.1.1的规定。运行时间应不少于10s。” 

目前有光电对射探头、自启动立柱、漫反射探头、踏垫自启动几种方式可供选择。选择光电探头时，需注意抗强光性以及对深颜色的敏感度。若扶梯选择无人运行的之后最终停下来的模式，则必需满足 “由于使用者的经过而自动启动的自动扶梯或自动人行道，应在该使用者走到梳齿相交线之前启动运行。”漫反射光电探头是最佳选择。

关于“逆向乘梯”的要求的出发点是除了按要求配置“运行方向指示器”给予乘客指示以外，当乘客逆向乘梯时，扶梯仍按预设方向至少运行10s，给予乘客足够的提示。在采用星三角驱动的“自动重新启动”方案中，是较难满足这一要求的。

4、结束语

自动扶梯属于负载率很低的设备，轻载或空载的时间占绝大多数，而满载运行的时间相对来说是很少的，在自动扶梯上采取适当的措施进行节能其效果是非常惊人的。实际使用的节能效果，完全依据现场使用工况来决定。空载工况下最好让自动扶梯停止运行，这样完全没有能耗和磨损；可是在有些情况下由于要保证安全和方便，不允许停止运行，此时可让扶梯慢速运行。

自动扶梯节能运行的改造，不单单需实现“节能”的目的，更应注重符合《规范》中相关的安全要求。综合自动扶梯节能运行几种方案的分析，将扶梯一体化控制柜应用于扶梯梯控制，无论从改造的便捷性、经济性还是安全性等角度衡量，都是扶梯节能改造的最佳选择。