西安地铁自动扶梯变频改造及节能分析

【摘 要】通过对变频技术的介绍，分析了西安地铁自动扶梯进行变频改造的优点，并对具体的改造措施进行了描述，最后对变频改造后的节能效果进行了简单分析。

【关键词】变频技术；变频器；自动扶梯；西安地铁；节能

前言

随着现代社会的发展，电梯在各种建筑中的应用越来越广泛。但随之而来的是关于电梯的各种故障报道也层出不穷，给社会带来一定的负面影响。尤其是地铁、商场或者购物中心等这样的大型公共场所，人流量巨大，电梯或者自动扶梯的使用频率高、载重量大，于是各种重载型电梯应运而生。但是如果长时间的保持这样的重载自动扶梯持续运行的话，经济上不划算，对自动扶梯的寿命也有很大的影响。随着变频技术的出现，困扰自动扶梯经济安全运行的难题迎刃而解。

国外有资料报道，电梯要比自动扶梯安全。韩国的电梯事故中大部分是由自动扶梯造成的，美国的自动扶梯事故是电梯事故的几十倍。但是由于自动扶梯输送的人流量比较大，现实生活中我们在许多场所还是经常采用自动扶梯。有资料显示：自动扶梯出现故障大多数的原因在于两个方面：自动扶梯的变频器和开关。变频器决定自动扶梯的速度，自动扶梯在通常情况下以一定的速度匀速运行，如果变频器出现故障，就会改变自动扶梯的运行速度甚至运行方向，导致自动扶梯出现事故。对于自动扶梯的开关，乘客一般不容易接触到，它是由专门人员控制的。因此，变频器对地铁自动扶梯经济安全运行至关重要。

1 变频技术

既然变频器对地铁自动扶梯如此重要，那么我们有必要首先了解一下什么是变频技术。变频技术就是能够改变电信号的频率，进而对具体电路运行方式进行变换的应用型技术。变频技术包括整流、斩波、逆变和移相技术。变频器就是改变电源频率的电气设备。变频器的主要作用包括调速、节能和软启动三项。随着科学技术的发展，变频器的应用范围变得非常广泛，不管是普通的家用电器还是重要的工业设备上都会经常使用到变频器。可以这么说，变频器的存在与三相异步电动机密不可分。一般一套完整的变频器包括控制主板、继电器或接触器、逆变模块、整流桥等几大部分。在现实生活中所使用的与变频器有关的大部分电机均为感应式交流电机，下面简称电机。电机的旋转速度与电机的极数和频率有关，它们之间的关系可以用以下公式表示：

（1）

式（1）中：n表示同步速度，f表示电源频率，p表示电机极数。

由电机的工作原理可知：电机的极数相对固定，它一般为2的整数倍，因此我们并不能通过改变极数来调整电机的转速。那么就只有通过改变电源的频率来改变电机的转速了。而且，电源频率是能够在外面调节的，调节完后再供给电机使用，这样一来电机的转速就可以轻松的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是作为电机调速设备的优选设备。

2 西安地铁自动扶梯变频改造需求及措施

地铁是现代社会交通发展的必然产物，尤其是在中国这样人口众多的国家，许多城市都面临着交通拥堵的难题。西安这座古老的城市也不例外，在交通的巨大压力之下，西安也开始大规模的修建地铁，其首条线路已于2011年投入运营。

目前在许多地方投入运营的自动扶梯一般都是恒速运行，其在空载时也是以额定速度运行。这样的设计显然不够科学，而且自动扶梯长时间恒速运行的话，将带来一系列问题，比如机械磨损过大、使用寿命降低等，经济上也不划算。有人做过统计：自动扶梯每天空闲的时间累计长达数小时。如果自动扶梯在空闲时以较低速度运行的话，将大大减少用电量。而且由于自动扶梯减少了运行时间，也使得机械磨损相应降低，自动扶梯的寿命也随之延长。如何才能控制或者改变自动扶梯的运行速度呢？只需要将自动扶梯进行变频改造即可，即在自动扶梯的控制线路中加装变频器。自动扶梯经过变频改造后，在空闲状态时，自动扶梯由额定运行速度转变为低速运行；当乘客走近时，自动扶梯启动以正常速度运行；乘客离开后，自动扶梯减速变为低速运行，等待下一位乘客。只要有乘客，自动扶梯就会连续以正常速度运行，直至进入空闲状态。

自动扶梯变频改造后具有以下优点：一、降低设备的机械磨损。因为在无人乘梯时电机是以较低的速度运转，因此从驱动部分到传动部分的机械磨损都降低了，相应的维修费用也少了。二、减少电费支出。因为自动扶梯在无人乘坐时是以低速运行的，耗电量比正常速度运行要低许多，这样自动扶梯空闲的时间越多节约的电能也越多。三、加装变频器使各种保护功能更加完善。当发生过热、过载等故障时，变频器会自动闭锁，电机会停止运行。四、维护方便。安装变频器后，自动扶梯将具有两种控制方式，一旦发生故障，就可以立刻在两种方式之间进行切换，。五、性能可靠，启动更方便。加装变频器后，电机启动时不会产生过载等问题，而且由于启动电流小而转矩不变，故电机的启动变得更方便。

既然自动扶梯变频改造后具有如此多的优点，那么在具体的改造过程中需要注意些什么呢？我们以西安地铁自动扶梯变频改造为例，介绍其改造措施如下。需要说明的是，由于西安地体自动扶梯已经应用有变频器，这里我们进行变频改造的主要目的是如何更高效的节能。

（1）在自动扶梯上下侧的入口处分别安装一个红外感应器，红外感应器连接到变频器的信号输入端，用来实现变频器外部端子自动控制功能。有人到达自动扶梯入口处通过传感器，变频器就会接收到信号，自动扶梯就从低速状态逐渐上升到正常状态，达到正常速度运行。

（2）在自动扶梯的控制线路中加装变频器，即将变频器的电源输入输出端分别接在主电路的相应位置。

（3）在主电源的输出端分成两个支路，一路接在变频器的输入端，另一路接多极转换开关，多极转换开关的另一侧接变频器的输出端。一旦变频器发生故障，可以切除变频器回路改由原运行方式运行。

（4）变频器的设置。变频器接收到信号，频率从低速状态逐渐上升到正常状态运行，在此期间若连续有信号输入，一个人设计成一个信号，每接收到一个信号，频率就会上升一个级别，直到接收到5个以上信号后自动扶梯将回复到正常状态运行，此后只要信号不减少自动扶梯就连续运行直至最后一位乘客下梯，变频器再从正常状态转到低速状态运行，再接收到信号时又从低速状态逐渐转入正常状态运行。

（5）自动扶梯上、下、停开关继续用于正反转接触器的启动、停止，自动扶梯的各种保护功能不变，都作用于接触器控制回路。

3 节能效果分析

相比于已有的恒速自动扶梯，加装变频器后其节能效果如何？这与诸多因素有关，比如自动扶梯原有的使用频率、人流量以及空闲时间等，在此我们作个简单分析。

根据电机学理论，交流电动机的转速公式为：

式（2）中：U表示电压，f表示电压频率，W表示绕组匝数，k是电机常数。

根据电机拖动原理，电机的功率输出与电压成正比，而电压与频率的比值是一定的，频率的变化又与转速一致，所以电机转速的变化将带来电机功率的变化。假设电机正常运行的额定电压为380V，频率为50Hz。经过变频器改变频率后，假设频率变为原来的30%即15Hz时，送到电机的电压则相应变成原来电压的30%即114V，因而电机所耗费的电功率相应地也变为原来的30%。加装变频器后，如果每天低速运行的时间为全天所有时间的一半的话，那么全天节省的电能相当于原来的 ，效果还是十分可观的。西安地铁自动扶梯进行前面所述的变频改造后节能效果更佳，但具体的效果则要根据人流的密度、自动扶梯的数量和使用频率等因素共同决定。

4 结束语

上述分析表明：西安地铁自动扶梯进行变频改造是可行的，如果控制得好的话节能可达35%以上，所产生的经济效益和社会效益也是十分可观的。

参考文献：

[1]张燕宾.变频器调速应用实践[M].2001.

[2]牟晓光，公利滨.变频器在电梯控制中的应用[J].应用能源技术，2004（06）.

[3]吕汀，石红梅.变频技术原理与应用[M].2005.

[4]黄柏成.基于矩阵变频器的电梯节能控制系统[J].自动化与信息工程，2007（01）.