变频器调速自动扶梯工频与低频切换策略分析

白建昌 回晓明 广州市特种机电设备检测研究院

变频器调速自动扶梯工频与低频切换策略分析

白建昌 回晓明 广州市特种机电设备检测研究院

自动扶梯广泛应用于地铁、大型商场、超市、机场、宾馆等公共场合。由于自动扶梯的功率大，负载重，运行时间长，会消耗大量电能。然而，在大多数应用场合，客流量并不是平均分布在自动扶梯的整个运行时段。通过对某地铁站自动扶梯的实地测试发现，每当列车到站后，自动扶梯上的客流高峰只会持续45s左右，若按3min一班地铁计算，扶梯的“持续负载率”仅为25%左右。若在没有乘客时，自动扶梯仍以额定速度运行，将浪费大量电能，并且会产生严重的机械磨损、大幅度降低扶梯的使用寿命。为解决这些问题，变频器在自动扶梯系统中的应用发挥了核心的作用。

在客流量大的时候，自动扶梯直接从电网取电，工作于额定转速工况；而在客流量很少或无人搭乘时，电网通过变频器向自动扶梯提供低频交流电，使其工作于低速状态，以达到节能和减少机械磨损的目的，当自动扶梯检测到客流高峰时，系统又迅速切换到电网直接供电。实现这两种工况间安全、平稳切换的关键就是如何对自由停机状态下电机转速、转向的检测。

1 变频器节能原理分析

1.1 变频器概述

变频器是通过控制电力半导体器件的通断，首先将工频（50Hz/60Hz）交流电转换为直流电，经并联在直流母线上的高压电容滤波后，最终将此直流电转变为频率、幅值可调的交流电。将变频器的输出接到三相异步电动机的进线端，便可以通过调节变频器输出交流电的电压和频率，实现交流异步电机的软起动、变频调速等功能。

1.2 变频器节能原理分析

异步电动机的转速公式为：

式中：n——电机转速，r／min；

f——电源频率，Hz；

p——电机磁极对数；

s——电机转差率。

由式(1)可知，异步电机的转速与电源频率成正比，与磁极对数成反比，与转差率成反比。所以异步电机的调速方式又可以分为变频调速、变极对数调速与变转差率调速。但是，与变频调速相比，另外两种调速方式都无法实现对电机转速连续线性的调节，控制也极为不便，故而变频调速是异步电机调速的首选方式。

异步电动机的相电压的公式为：

式中：E1——异步电机反电势；f1——电源频率；N1——绕组匝数；φm——磁通。

由式(2)可知，如果只改变电源频率，保持电压恒定，电机会出现过励磁现象而发热甚至烧毁，所以为了保证电机的安全运行，变频器输出的电压和频率必须同时调整，且保持电压与频率的比值大致不变。

由于扶梯所带负载为恒转矩负载，所以电机输出功率与转速的变化关系可以通过如下公式表示为：

式中：p——电机的输出功率，W；

n——电机转速，r／min。

由式(3) 可知，若转速降为一半，电机的输出功率也降低一半。综合式(1)、式 (2) 、式 (3)可知，如果自动扶梯能够根据客流的变化进行转速调节，在无客流、少客流时，通过变频器停止运行或者低速运行，在有客流时直接接入电网工频额定转速运行，拖动电机总的能耗将大幅度降低，从而达到节能的目的。又由于电机直接联电网启动的电流是额定电流的几倍，对电网的冲击很大，会严重影响附近电器的正常工作，所以需要变频器的软启动功能实现电机的平滑启动。

2 切换方式分析

2.1 正常运行工况与低速运行工况切换方式

自动扶梯在客流量大的时候，工作于额定工况，一般通过电网（380VAC、50Hz）直接给拖动电机供电；而在流量少或者没人搭乘的时候，一般采用变频器输出低频交流驱动拖动电机工作于低速，以实现节能和减少机械磨损的目的。

自动扶梯一般采用工频、变频的切换来实现高速和低速两种工况的转换，其工作原理如图1所示。电机运行的速度和方向，以便在适当的时机输出适当的三相电以驱动电机运行。

图1 采用变频器的自动扶梯系统

当K2接触器断开，K3接触器闭合，变频器没有输出，电机M工作于自由停车状态，此时电机励磁电流为零，电机处于退磁化过程。根据图2磁化曲线可知，在磁场强度H作用下，该电机铁心将获得M的磁感应强度。当磁场强度逐渐增大时，磁感应强度沿着曲线AB变化，到B点铁磁体的磁感强度达到最大值Ms，当磁场强度H逐渐下降时，铁磁体的磁感应强度M不会沿着之前的磁化曲线退磁，而会沿着图2中BD曲线退磁，在H=0时，其感应磁场M值为Mr，而不是0，该磁场成为剩磁。扶梯用电机在工频三相电驱动下，产生三相电流，该电流将产生一个强大的磁场，电机定子、转子铁芯将被该磁场磁化，而获得相应的磁感应强度。当接触器K2断开，变频器没有输出时，三相电流消失，电机铁心将逐渐退磁，然而即使磁场强度降到零，其感应磁场还大于零，即为电机的剩磁。

图2 铁磁材料磁滞曲线

在客流量大的时候，接触器K1、K2闭合，接触器K3断开，电网电压直接驱动电机M运行于额定转速；当客流量小或者无客流时，需将自动扶梯运行于低速状态时，将K2断开，接着将K3闭合，变频器输出低压低频率的三相电压驱动电机M工作于低速状态，以达到节能和减少机械损耗的目的。然而在K2断开，K3闭合且变频器输出三相电之前，电机M工作于自由停车状态，电机转速在负载和自身摩擦力作用下不断减速，变频器此时输出的三相电频率、相序与电机是否同步，决定着自动扶梯能否平滑从额定运行工况过渡到低速运行工况。

2.2 自由停机状态下电机转速、转向的检测

自动扶梯要实现高低速平滑切换，即工频到变频的平滑切换，变频器需要实时监测K2接触器的状态和

K2接触器断开，且变频器没有输出时，电机M处于自由停车状态，转子在摩擦力的作用下逐渐减速旋转。由于转子存在着剩磁，该感应磁场随着转子旋转，而形成旋转磁场，该旋转磁场切割定子三相绕组，而形成正弦电压波形，其残压为

式中：A —— 残压的幅值；

ω——正弦波角频率；

θ——初始角；

f——正弦波频率；

n——转子转速。要检测电机自由运行时的速度n，可以通过检测频率f。

由于残压为频率的函数，所以可以通过残压的频率来识别自由停车状态下电机的转速，使得变频器输出合适的频率。在获取合适频率后，如果变频器输出转速方向和实际转速方向相反，则变频器将出现过流，而不能实现工频到变频的平滑过渡。电机旋转方向由输入的电流相序决定，由剩磁而产生的三相残压的相序正好反映了电机的转向，所以通过电机的剩磁产生残压的频率与相序，便得知自由停车时电机的转速和转向，很多变频器是利用异步电机的残压特性，控制变频器实现自动扶梯工频到变频的平滑切换。

国内某变频器首先应用运算放大器将高压的三相正弦残压经过多级放小得到0～5V的电压信号，再通过比较器获得方波信号，该方波信号的频率对应电机残压的频率，相序对应残压的相序，通过处理器测量该方波的频率和相序即可得到电机的转速和转向信息，用于变频器产生相应频率和相序的三相电，驱动电机旋转，实现自动扶梯用变频器由工频到变频的平滑切换。

3 结论

通过变频器的应用，自动扶梯能够根据客流变化自动调节拖动电机转速，降低总能耗，减少机械磨损，提高使用寿命。而变频器应用的关键，就是保证自动扶梯在不同工况之间安全、平稳的切换。通过检测自由停机状态下电机的残压的频率与相序，变频器便能够使其输出的三相电的频率与相序与拖动电机同步，实现电机平稳提速，保证自动扶梯工况切换的安全、平稳。利用电机残压检测自由运行时电机的转速和转向，依赖于电机剩磁的特性。因不同电机规格与材料的不同[7]，其剩磁特性各异，产生的残压的幅值和残压维持的时间存在较大差异。所以通过电机残压检测电机转速、转向以实现扶梯工频到变频的平滑切换时，必须考虑不同电机各异的剩磁特性。

1 杜俊明,姜波.森兰SB80C变频器在自动扶梯上的应用.电气时代,2006(11)：78～80

2 王晓萍,徐萍.基于PLC及变频器的自动扶梯调速系统.十堰职业技术学院学报,2009(5)：95～96

3 刘旭明.基于变频器的自动扶梯节能系统设计.制造业自动化,2011(17)：144～147

4 沈玉梅.基于PLC和变频器的自动扶梯节能改造.变频器世界,2011(4)：106～108

5 罗志明.浅谈旁路变频在扶梯变频改造中的应用.企业技术开发,2012(5)：86～87

6 方江辉.广州地铁车站自动扶梯的节能及控制系统设计.广州 华南理工大学,2010

7 史信芳.自动扶梯选用指南.广州华南理工大学出版社,2003

8 胡立峰.自动扶梯原理设计与维修.北京：工业大学出版社,1998

9 洪致育,曾晓东.自动扶梯的节能技术.2002

10 陈丕璋,周明宝,俞鑫昌.电动机节能技术.北京：科技出版社,1989

2013－07－17）