地铁车站自动扶梯主控制电路原理分析

杨永奇

摘 要：自动扶梯是地铁车站重要的机电设备，其运行状态的稳定与否直接关系乘客的人身安全和地铁的运营秩序。现代地铁车站使用的自动扶梯都是采用直接供电与变频器供电两种控制方式，其主电路的控制方式既要满足自动扶梯的正常情况下运行要求，又要满足特殊控制条件下的使用要求。因此，对其主控制电路的设计要求非常严格。本文按照这样的要求，探讨了典型的地铁车站自动扶梯的主控制电路的设计和控制原理。

关键词：地铁车站 自动扶梯 变频器 工频控制

一、自动扶梯的控制要求

地铁车站的自动扶梯是地铁车站最为重要的机电设备，其运行的稳定与否直接关系乘客的人身安全和地铁车站的运营秩序。车站的自动扶梯一般设置在车站的地面层与站厅层非付费区和付费区的站厅层与站台层之间。自动扶梯正常情况下实现运送乘客的功能，而在车站发生火灾等异常情况下，还担负快速疏散乘客的功能。因此，在自动扶梯的控制系统基本的控制功能包括正常控制模式和异常控制模式。正常控制模式要求自动扶梯可以实现正常与慢速的速度控制功能，而当发生异常情况时，自动扶梯应该按照其最大允许速度快速运行，以达到快速疏散乘客的目的。

根据相关国家标准的规范，自动扶梯的速度控制要求包括自动扶梯倾斜角α不大于30°时，其运行速度不应超过0.75m/s，自动扶梯倾斜角α大于30°，但不大于35°时，其运行速度不应超过0.5m/s，踏板或胶带的宽度不超过1.1m时，自动人行道的运行速度最大允许达到0.9m/s，当无人使用自动扶梯时，其运行速度为节能速度0.13m/s。

根据以上的控制要求，其主回路应该配置相关的设备和控制模式，满足自动扶梯的控制要求。

二、典型自动扶梯主电路结构

典型地铁车站自动扶梯主电路结构为变频器与PLC相结合的VVVF自动扶梯变频调速系统，驱动电机采用Y/△启动方式。随着变频（VVVF）交流调速技术的日臻成熟，采用VVVF控制方式的自动扶梯已成为自动扶梯控制的主流。VVVF技术控制使电梯具有节能、高效、可靠、噪声低和舒适等优点。该控制系统包括的主要设备有如下几部分。

1.变频器

变频器是自动扶梯控制的核心设备。自动扶梯所应用的变频器选择范围较广，目前市场主流的变频器都可以应用于自动扶梯的控制。较为典型的如Danfoss VLT2900 变频器，如图1所示。其主要应用于0.55 ～ 18.5 kW（AC380V）的交流电动机，输出频率一般在 0 ～ 1000 Hz 之间可变输出，电压等级一般为 380 ～ 480 VAC（-20/+10%）。该变频器具有自动电动机整定功能，可以自动测量电动机参数，以确保变频器和电动机的最佳匹配，从而提高变频器的应用性能。此外，该变频器还具有 PID 控制器，可以实现对自动扶梯最优的闭环控制。

2.交流电动机

自动扶梯的驱动电机一般选用三相交流异步电动机。目前市场上常见的三相交流异步电动机都可以作为自动扶梯的驱动电梯，都能满足自动扶梯控制所要求的启动力矩大，运行稳定，坚固耐用，维修保养方便，调速方便等优点。且非常容易与变频器结合，实现VVVF控制。

三、主控制回路控制功能和原理分析

根据自动扶梯的控制要求，驱动电机的控制方式包括工频控制和变频控制两种方式，可根据地铁车站实际的运营状况自动切换。当车站处于正常的运营状态时，可以采用变频运行模式，且可以实现节能控制。当较长时间没有乘客进入自动扶梯时，自动扶梯自动切换至慢速节能运行状态，当检测即将有乘客进入自动扶梯时，则控制系统自动将自动扶梯切换至正常运行速度控制。如车站发生异常状况，则可以直接将控制方式切换至工频控制模式，让电梯处于快速运行状态，且不受变频器控制，以免给地铁的运营带来新的不利影响。下面，我们结合典型的自动扶梯主回路控制电路，来具体分析自动扶梯的运行及控制过程。

1.工频控制

工频控制模式下，电梯转速不可调整，只有运行和停止两种状态。

（1）启动控制。当电机工频运行接触器K01，电梯上行接触器K11或者电梯下行接触器K12，电机星型启动接触器K21得电动作，电机得电，定子绕组以Y型接法，则自动扶梯进入启动过程。

（2）正常运行控制。电机启动过程持续约10s，待电机转速达到额定转速60% ～70%，电机星型启动接触器K21断电，电机三角型运行接触器K22得电动作，将电机的定子绕组接线方式改为△接法，此时，电机进入在工频电源供电下的正常运行模式。

2.变频控制

变频控制模式下，电梯转速可以根据不同的控制模式进行运行速度的控制，在满足地铁车站正常运营条件下，自动扶梯处于一种节能运行状态。变频器主供电接触器K02与电机工频运行接触器K01之间仍然进行有效连锁，电机工频运行接触器K01必须处于断电状态。同时，电机星型启动接触器K21和电机三角型运行接触器K22必须处于断电状态，以满足电机由变频器控制的需要。

变频器主供电接触器K02得电动作，变频器主电源接通得电。电机变频运行接触器K03得电动作，将变频器输出电源接到电梯上行接触器K11和电梯下行接触器K12主触点的上端子。

需要说明的是，在变频控制模式下，电机的正反转控制是由变频器来实现的，电机电梯下行接触器K12处于断电状态，不参与电机正反转控制。

（1）上行控制。在自动扶梯变频器变频控制模式下，电梯上行接触器K11得电动作。电梯上行继电器K13受PLC控制，得电动作，其一对常开触点闭合，输出电梯上行指令，将变频器12号端子输出的24VDC返回变频器18号端子。此时，变频器按照预设频率输出交流电压，自动扶梯上行运动。

（2）下行控制。与自动扶梯上行相似，在自动扶梯变频器变频控制模式下，电梯上行接触器K11得电动作。电梯下行继电器K14受PLC控制，得电动作，其一对常开触点闭合，输出电梯下行指令，将变频器12号端子输出的24VDC返回变频器18号端子。此时，变频器按照预设频率输出交流电压，自动扶梯下行运动。

（3）快慢速控制。自动扶梯的快慢速控制是由变频器来实现的。当自动扶梯的工作状态处于非检修状态，即正常运行状态时，与变频运行快慢速控制继电器K19常开触点和常闭触点串联的检修开关S43处于断开位置，此时，没有信号输出到变频器32和33号端子，变频器以预设的正常频率输出，自动扶梯以正常速度运行。

当操作检修开关S43处于自动扶梯检修状态时，与变频运行快慢速控制继电器K19常开触点和常闭触点串联的检修开关S43处于闭合位置，此时，有信号输出到变频器32和33号端子，变频器以预设的慢速频率输出，自动扶梯以慢速速度运行。

3.制动控制

为了实现电梯在异常状态下的快速停止，在变频器上设置有制动单元，接线端子为R+和R-，制动单元连接制动电阻，将电机制动时产生的电能转化成热能释放。制动电阻的主要功能有以下两点。

（1）保护变频器。电机在快速停车过程中，由于惯性作用，会产生大量的再生电能，如果不及时消耗掉这部分再生电能，就会直接作用于变频器的直流电路部分，轻者，变频器会报故障，重者会损害变频器。制动电阻的出现，很好地解决了这个问题，保护变频器不受电机再生电能的危害。

（2）保证电网稳定。制动电阻将电机快速制动过程中的再生电能直接转化为热能，这样再生电能就不会反馈到电源电网络中，不会造成电网电压波动，从而起到了保证电源网络的平稳运行的作用。

4.重要的联锁控制

由于地铁车站自动扶梯控制的特殊性，除了常规的控制以外，主回路中还设计了一些重要的联锁控制，以保证自动扶梯稳定安全的运行。

自动扶梯变频器主供电接触器K02和电机变频运行接触器K03与电机工频运行接触器K01之间的联锁，二者不能同时得电动作。

自动扶梯电机工频运行状态下，电梯上行接触器K11和电梯下行接触器K12之间的连锁，二者不能同时得电动作。

自动扶梯电机变频控制模式下，电梯上行接触器K11和电机星型启动接触器K21和电机三角型运行接触器K22之间的连锁。此时，在电梯上行接触器K11得电条件下，电机星型启动接触器K21和电机三角型运行接触器K22不能得电动作。

电梯上行继电器K13和电梯下行继电器K14之间的连锁，两个信号不能同时输出给变频器。

四、小结

地铁车站的自动扶梯虽然只是地铁机电系统的一部分，但在这些系统中它是较为重要的。为了达到地铁车站整体安全运营对自动扶梯的要求，自动扶梯在控制上必须采取更为合理，且安全性更高的控制技术，特别是在电气主回路的设计上，必须兼顾高效、稳定、便捷的综合性要求。除此以外，随着节能环保概念的不断深入人心，耗能大户的自动扶梯也必然要在控制系统上来实现稳定运行前提下的最大化的节能要求。正是由于有这些要求，典型的自动扶梯控制主回路的设计才得以完整实现。以变频器、PLC为核心的自动扶梯控制系统必将为地铁车站的高效运营创造一定的基础，实现满足乘客需求和安全、稳定、节能的多重目标。

（作者单位：北京市工业技师学院）