饋能制動裝置在自動扶梯上的應用研究

周　敏

摘要:自動扶梯作為一種高效,便捷的運輸工具被廣泛應用于商場,車站,機場等人流量大的場所。據統計,每天全球約有數億人次乘坐自動扶梯。本文以饋能制動裝置在自動扶梯上的應用為研究對象,設計饋能制動裝置在扶梯上的應用方案。實驗結果表明,帶饋能制動裝置的變頻調速系統對于常態運行向下的自動扶梯,其節能效果要明顯優于普通的變頻調速系統,具有良好的應用前景!

關鍵詞:饋能制動 變頻器 自動扶梯 節能

中圖分類號:TP23文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)03-0018-02

隨著我國經濟的發展,電力能源需求增長很快,能源供需比較緊張,因此節約能源在我國經濟建設中具有重要的現實意義。

1 交流變頻調速在自動扶梯應用中的研究

普通變頻調速拖動系統的原型如下圖所示。根據圖中要求。調速系統的設計任務主要是:一是根據控制對象(負載)選擇電動機的類型、容量、磁極對數等;二是 根據負載特性,選擇變頻器的類型、容量、型號等;三是決定電動機與負載之間的傳動比;四是設計主電路,并決定外同選配件的主要規格;五是設計控制電路,并選定外圍所需要的選配件。

1.1 自動扶梯的負載特性和要求

自動扶梯的負載特性:自動扶梯曳引機構拖動的負載是位能負載,向上時是阻力負載,向下時多為動力負載。空載或輕載向下運行時是動力負載還是阻力負載,由效率以及傳動機構摩擦阻力等因素來確定。

下圖為三相異步電動機的機械特性曲線。電機運行分為四個象限:I,II象限為正轉狀態;III,IV象限為反轉狀態。自動扶梯曳引機構向上拖動負載時,電機的轉速和電機產生的電磁力矩同向(第I象限),電機帶動負載上升(即正向電動狀態)。若轉子由于某種外力作用速度高于旋轉磁場的速度(向上減速),則電機進入第II象限運行,電機處于發電狀態(即正向回饋制動狀態);自動扶梯曳引機構向下拖動負載時,電機反轉且產生反向電磁力矩,并在第III象限運行。由于重物的重力產生的外力矩與電磁力矩同向,電機作加速運行,此時轉子速度超過旋轉磁場的速度(即電機的同步速度),進入第IV象限運行,電機出于發電狀態,吸收負載下降釋放的位能(即反向回饋制動狀態)。

因此在整個系統運行周期內自動扶梯的負載有時是動力有時是阻力,速度有正有負,力矩也有正有負,所以其變頻調速系統應能在四象限運行,且運行象限的轉換應自動快速。

1.2 自動扶梯節能運行方式的分析

自動扶梯的負載由于屬于恒轉矩負載,即在某一負載下的負載轉矩不隨速度變化。因此其異步電動機的輸出功率P=Tn/975,其中T為轉矩,n為轉速。即配備變頻調速系統的自動扶梯在異步電機處于電動狀態時,其消耗的能量與轉速成正比。因此我們可以在扶梯空載時,將扶梯的速度調低,從而達到節能的目的,這也是變頻調速的自動扶梯其節能的主要來源。

目前使用的自動扶梯變頻節能模式主要有以下三種:旁路變頻調速系統,能耗制動的全變頻調速系統,饋能制動的全變頻調速系統。這三種節能運行方式,由于其實現方式的不同,因此在節能的效果上有各有不同。

扶梯向上運行階段,在全速運行段,旁路變頻調速系統的電機由電網直接供電,因此在輕載時由于電機運行的效率和功率因數都很低,所以其損耗很大。而后兩種都由變頻器直接供電,由于變頻器可根據自動扶梯的負荷情況自動調整電壓輸出值,因此在輕載時電機可以運行在最佳工作點上,其效率和功率因數都大大提高,降低損耗,以達到節能的目的。而在其它階段,三種方式的節能效果相同。

扶梯向下運行階段,在全速運行段,能耗制動的全變頻調速系統,將電機反向回饋制動過程中產生的電能,通過在變頻器的直流環側連接制動電阻的方式,將這部分能量消耗掉。而饋能制動的全變頻調速系統,則將電機反向回饋制動過程中產生的電能,通過饋能裝置將直流電逆變,返回給電網。由于饋能制動的全變頻調速系統,很好的利用了位能負載在下降過程中傳遞給電機的機械能,因此它比能耗制動的全變頻調速系統有更好的節能效果。

1.3 變頻器的選型要求

1.3.1變頻器容量的計算

變頻器容量為:

1.5PCN≥KP/(MCOS)

式中 COS--電機的功率因數,通常約 0.75

M電機效率,通常約 0.85

PCN--變頻器容量

K--修正系數,K=1.2

1.3.2安裝環境和冷卻方式的要求

因為變頻器的主要發熱量是來自于逆變回路的IGBT,理論的計算公式就是Q=I2t,實際工程上都是按3—5%的額定功率來作為變頻器的發熱量。在選擇變頻器時,我們必須校驗實際安裝空間的大小是否滿足變頻器使用手冊中最小冷卻通風空間的要求。

1.4 饋能制動裝置的選型要求

1.4.1制動功率的計算

假設扶梯下行滿載時,電機處于發電狀態,其曳引機構所拖動的最大負載為 F 牛頓,速度為S 米/秒,齒輪箱的效率為e,則此時電機制動產生的功率為:

P_制動=(F * S / 1000)*e,即 P_制動= P_電動*e*e

通常P電動我們就用電機的額定功率替代,即P_制動=P_額定*e*e

1.4.2安裝環境和冷卻方式的要求

由于饋能制動裝置的主要發熱量也來自于逆變回路的IGBT,因此同變頻器一樣,我們必須校驗饋能制動裝置實際安裝空間的大小是否滿足其最小冷卻通風空間的要求。

1.4.3饋能制動裝置輸出電能的質量

由于全變頻系統中的饋能制動裝置需要將變頻器直流側的電流逆變為交流電,并送回電網。因此其輸出的交流電的電能質量是否能滿足相應的國家標準的要求就顯得非常重要。

2 實際案例設計

在之前的分析中,我們知道饋能制動裝置主要在扶梯向下運行階段起作用,因此我們選擇一臺日常運行方向向下的公共交通型自動扶梯作為研究對象,以驗證帶饋能制動裝置的全變頻調速系統在自動扶梯中的實際節能效果!

自動扶梯參數如下:

提升高度=5.5m,傾角=30°,運行速度=0.5m/s,梯級寬度=1000mm,安裝環境為室內型,原配備的節能裝置為能耗制動的全變頻調速系統。

2.1 節能效果的實際測量

將原扶梯改造為帶饋能制動裝置的全變頻調速扶梯并檢驗其實際節能效果。

2.1.1改造前電能消耗測量

從車站設備科查到的歷史記錄顯示,此扶梯前3個月的電能消耗分別為:

798kWh,785kWh,805kWh,均大于理論計算值:630kWh

2.2.2改造后電能消耗測量

將設備改造運行兩個月后,去車站設備科調閱該扶梯電度表的抄表記錄,其消耗的電能分別為:216kWh,234kW時。雖然比理論計算值高出較多,但與之前三個月的比較,我們仍發現其電能消耗較低了近3-4倍。

因此可得出以下結論:

帶饋能制動裝置的變頻調速系統對于常態運行向下的自動扶梯,特別是長期處于重載連續運行的公共交通型自動扶梯,其節能效果要明顯優于普通的變頻調速系統!

2.2 電能質量的測量

除了驗證節能效果外,由于饋能裝置是直接將電能反饋給電網,因此該裝置對電網電能質量的影響也非常重要,通過測量電能質量的各項數據,驗證它是否能滿足相關的國家標準!

以下為部分測試數據值

由上我們可以得出結論,該饋能裝置輸出電能的質量完全符合國家相關標準。

3饋能制動裝置在自動扶梯應用中的近一步展望

由于目前成熟的饋能制動裝置只能由少數幾家國外公司提供,因此其價格仍相當高。因此加速饋能制動裝置的國產化,降低價格,也是我們下一步在公共交通型自動扶梯上推廣使用饋能制動裝置的工作重點。

參考文獻:

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