红外系统和变频器在自动扶梯中的应用

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1 引言
          随着近年来房地产行业的高速发展以及城市地铁、高铁建设快速推进，自动扶梯的使用率越来越高。因此如何采用高效节能的电梯控制技术，成为自动扶梯商家及其用户十分关注的话题。
           
          国家质检总局统计显示，截至2010年底，中国在用电梯总数达到162.8万台，并以每年20%左右的速度高速增长。每年新增的电梯数在30万台以上， 占全球每年新增电梯总量的一半以上。目前，国内安装的自动扶梯多采用单速交流电机作为主机，梯级额定速度大多为0.5m/s。这种扶梯即使在无乘客使用时 仍以额定速度运行，具有耗能大、机械磨损严重、使用寿命短等缺点，对其进行改造势在必行。
           
          2 自动扶梯节能改造的常用控制方式
          在不影响扶梯正常使用的前提下，我们对扶梯进行节能改造。自动扶梯节能改造后，控制器根据红外传感器产生的信号来控制自动扶梯的运行速度。在有人乘坐 时，扶梯以工频速率运行；当无人时，扶梯减至低速率或停止运行。同时，改造后自动扶梯应具备以下功能，当节电器出现故障时，扶梯能自动切换到工频模式运 行，确保扶梯正常运行。自动扶梯的电路改造外观如图1所示。
         
          目前，对自动扶梯进行节能改造，常见有如下两种控制方式：
           
          一种方式为高速-低速运行方式。设置主频率（低速）、多段速频率（高速）两种运行频率；在电梯首尾处各安装一对红外传感器开关，乘客通过电梯时，红外传感器开关被触发并输出开关信号至变频器； 有客流时，红外传感开关被触发，变频器立即加速到多段速频率，并使电梯高速运行；电梯高速运行时，变频器内置计时器开始计时，若在设定的时间段内再无乘客 通过电梯，计时结束后变频器将自动切换到主频率，扶梯低速运行；若在计时器计时期间，有乘客重新触发红外传感器开关，计时器将重新计时。对电梯上行和下 行，外围控制采用开关互锁，保证扶梯系统的正常工作。为消耗扶梯下行或者制动过程产生的多余能量，需在变频器上加装制动电阻。
           
          另一种方 式为工频-停止运行方式。设置主频率（50hz）运行、停止两种状态。同样在电梯首尾处各安装一对红外传感器开关，乘客通过电梯时，红外传感器开关被触发 并输出开关信号至变频器；有客流时，红外传感器开关被触发，变频器立即加速到主频率，并使电梯以工频运行；电梯工频运行时，变频控制器内置计时器开始计 时，若在给定的时间段内再无乘客通过电梯，计时结束后变频器将自动停止，电梯不再运行，直到再一次检测到红外触发信号；若在计时器计时期间，有乘客重新触 发红外传感器开关，计时器将重新计时。为消耗扶梯下行或者制动过程产生的多余能量，需在变频控制器上加装制动电阻。另外在扶梯上下两端应加装上下行标识， 必要时，还应安装语音提示系统。这种工频-停止的控制方式节能效果十分显著，因为在无人时扶梯已完全停止，基本不耗电。
           
          3 自动扶梯改造方案
          3.1扶梯的外部改造
          这里以三菱自动扶梯和四方变频器为例进行改造说明。客户要求对扶梯进行改造后，不改变扶梯原有的安全检测系统，保留扶梯原有的启停控制方式，尽可能的保持原线路的完整性。针对客户的要求，我们采用以下改造方案：
           
          在扶梯上下两端各装一对立杆，此杆用来安装固定红外感应开关和扶梯上下行指示标识。另外在扶梯上端对杆上还要安装一对钥匙开关，一个是节电和市 电模式切换开关，另一个是上行、停止、下行模式选择开关（曳引机安装在扶梯上端电井内，故开关就近选择安装）。当节电/市电切换开关选择市电时，自动扶梯 开、停、上下行方式与未改造前一致。当节电/市电开关选择节电时，扶梯自带启动开关、上下行开关无效，此时扶梯运行方向由安装在立杆上的上行/停止/下行 开关来选择控制。扶梯由红处感应开关启动。当有人走上扶梯时，首先会触发红外传感器开关。当系统检测到红外传感器开关信号时，电梯就会被启动，并开始计 时。在计时期间，如果有第二个人走上扶梯，系统会重新计时，直到设定时间结束，电梯便会自动停机。这样实现了“人来自启，人去自停”的运行模式，使扶梯显 得更加人性化。
           
          还有很重要的一点必须指出，在安装对杆时，电梯无论是上行还是下行，上下两端都必须安装红外传感器开关。因为当有一端没 有安装对杆时，客人走上扶梯，扶梯也不会启动；如果客人选择错误方向时，扶梯因没有检测到红外传感器开关信号而不会启动，此时如果有人从相反方向走上扶 梯，扶梯就会被触发启动，导致让错误方向先行的客人摔跤。当两端都安装对杆时，即使客人走错了方向，扶梯会反向运行，提醒客人逆行了，很大程度上保证客人 的安全。如果此时安装了语音提示系统，在红外传感器开关被触发的同时语音会提醒客人行错了方向。
           
          3.2自动扶梯的电路改造
          （1）自动扶梯的关键控制元件是电机（曳引机），我们改造也从电机开始。图2是扶梯的主回路改造图。图2中接触器80为运行接触器，接触器1，2为电机 正反转切换接触器，当接触器1动作时电机正转，接触器2动作时电机反转，对应的电梯就上下运行。为了保留电机的原有控制方式，我们将变频器串接在正反转接 触器前端，这样做的目的也是为了不让电机因转向问题而使系统报错保护而停止。改造电路中还有旁路回路，这样设计的目的是为了防止变频器出现故障时，电梯能 正常恢复工作。其中，接触器1km与接触器2km互锁，旁路投入时，接触器2km一定要断开，这样控制的目的是为了保护变频器。p+，pb两端子串接制动 电阻消耗电梯下行时产生的多余的能量。
           
          （2）控制回路的改造。扶梯的大部分保护电路都在控制回路。如果在改造中去掉了原有的部分保护电路或者改动了原有保护方式，都会影响扶梯的正常工作，甚至造成扶梯报故障。考虑到该因素，在改造过程中，不能改变原有保护电路，仅仅选择了两个点进行改造，如图3所示。
         
         
           
          图3中，80为串接安全回路后的控制线路，只要有安全开关动作时，此回路为断开状态。只有故障排除，开关复位，此回路才恢复为闭合状态。扶梯上下行启动 都是通过钥匙控制，当钥匙旋至上行位置停留3秒然后松手，电梯便启动了。在这3秒钟，电梯从停止到运行，完成检测和启动过程。u/s是速度控制器，当检测 到一定速度就会动作，电梯启动时就是通过此控制器的辅助触点实现了自保持。在改造回路时，为了实现以上功能，我们设计了一个模拟电路来替代旋转钥匙的动 作。在改造点1（up）与80，改造点2（dn）与80之间并联一个回路（图二中虚线框内回路），取代原钥匙开关。当需要上行时，先将上下行选择开关旋至 上行位置，当有红外传感器开关信号时，开关k1就会闭合，延时3秒后断开，这就完成了一个上行旋转钥匙的模拟动作。下行同理。整个启动过程不影响原系统的 各种安全检测。
           
          （3）扶梯安装改造的外围控制电路（如图4所示）。
          图4的左图主要是实现节电模式与旁路模式的切换功能；右图主要是红外传感 器开关电路。在处理红外传感器开关信号时，我们用中间继电器进行了防干扰处理。红外传感器开关在被触发后，输出的是开关信号，如果直接传送给控制器易产生 干扰信号导致扶梯误动作（从红外传感器开关触发点到控制器距离比较远，而且在途中线路复杂）。因此，将开关信号转化为控制中间继电器，在终端再转化为开关 量信号，很大程度上降低了干扰对扶梯的影响。
           
         
           
          （4）变频器控制设置
          变频器控制回路如图1所示，初始设置如附表所示。
         
          当有红外传感器开关输入信号时端子x1、oc1、cm与fwd组成三线模式，当f6.0设定的内部定时器定时时间到时，oc1输出0.5s的断开信号， 变频器停止运行。当有人再次触发红外传感器开关信号时，变频器又被启动。当在设置的时间内，红外传感器开关信号再次被触发时，定时器重新计时，保证乘坐扶 梯的人能到达目的地，只到无人时扶梯停止。扶梯从一端到另一端的时间通常为40秒左右，这里我们设定为40秒，此参数可根据现场实际情况来设定。
           
          4 自动扶梯改造实例
          深圳市五洲宾馆共有六台自动扶梯。a座楼有四台（1#，2#，3#，4#），b座有二台（5#，6#）。我们对六台扶梯都进行节能改造。节能控制方式均采用“人来自启，人去自停”，节能效果明显。扶梯进行节能改造后，有很多优点，收到了广泛的社会效应。
           
          5 结束语
          自动扶梯进行红外传感器和变频器节能改造后，由于电机低速或者停止，使扶梯机械部件的磨损大大下降和扶梯维护费用减少。用电环境得到了净化，降低了噪音。还可以大幅度降低电机的温升，使电机的工作更加安全可靠。
           
          变频技术的采用，大大降低了扶梯启动时对电网的冲击，每次启动时，变频器可充当软启动器。变频器的使用可有效改善电网的功率因数，降低无功损耗。
           
          节能改造过程中采用了旁路功能，确保节能系统故障时不影响扶梯的正常使用。改造中未改变自动扶梯原系统的安全条件，变频器投入后使得改造后的扶梯系统更安全、更可靠。