地鐵作為城市的主要公共交通設施，是城市現(xiàn)代化的重要標志之一。隨著人民生活水平的不斷提高，人們對出行的環(huán)境、質(zhì)量和舒適度有著越來越高的要求，作為地鐵客運服務重要設施的自動扶梯，在地下鐵道的建設和運營中越來越受到人們的關注。北京地鐵一期工程和環(huán)線開始投入運營時，只有18臺自動扶梯，從早上6：00至12：00，下午13：00至21：00投入運行，每天運行14小時。近幾年來，地鐵總公司為方便乘客乘坐地鐵，在地鐵車站有預留安裝扶梯位置的出入口，按照客流分布及資金情況，先后增設了數(shù)十臺自動扶梯，隨著地鐵復八線工程建成通車，計劃到2001年底，北京地鐵將有近百臺自動扶梯投入運行使用。 2000年開始，為不斷提高地鐵客運服務質(zhì)量，地鐵總公司將自動扶梯運行時間調(diào)整為與地鐵運營時間同步，從早晨5：00至晚上23：30，每天連續(xù)運行近19個小時。北京地鐵現(xiàn)投入運行的近百臺自動扶梯基本都是公共交通型重載扶梯，按照地鐵沿線車站的埋深不同，扶梯的垂直提升高度從4.5米至16米不等，近70％以上的扶梯垂直提升高度在8米以上。根據(jù)不同的提升高度，扶梯相應配置的電機功率從11Kw至40Kw不等。北京地鐵現(xiàn)有運營線路2條，運營里程54公里，設有39座車站（含2個換乘站），138個出入口。其中23座車站有55個出入口安裝自動扶梯72部（大部分出入口設置一臺上行扶梯，設置兩臺扶梯的出入口采用一上一下的運行方式）。 2000年地鐵日平均客運量為130萬人次，平均每個出入口每日出站乘客為9420人，僅為扶梯滿載輸送能力的5.4%（單臺扶梯理論輸送能力按9100人/小時考慮）。北京地鐵現(xiàn)有的扶梯主要安裝在環(huán)線和復八線上，若按高于平均日客流2倍估計（約占地鐵日平均客運量的80%），環(huán)線和復八線平均每個出入口每小時出站乘客平均為991人，也只達扶梯滿載能力的10.9%。北京地鐵高峰小時列車運行間隔為3分鐘，日開行列車在400列以上，日平均列車運行間隔為6分鐘，即每3分鐘便有一列列車進站。若考慮現(xiàn)有扶梯平均提升高度為10米，扶梯運送每列列車的乘客出站僅為80秒（按每個梯級站1個人考慮），有50%以上的時間扶梯為空載運行，再加上列車進站間隔交錯不等，低峰時，列車間隔達6-8分鐘，實際上扶梯空載運行時間可能會更長。這樣不僅浪費了大量的電能，也增加了扶梯的損耗，長期采用這種運行方式既不合理也不經(jīng)濟。因此地鐵扶梯的運行應根據(jù)地鐵運營的特點，采用相應的運行方式，以確保自動扶梯的運行更加經(jīng)濟合理。 自動扶梯的控制系統(tǒng)已開始采用微電腦控制，理論上講可采用的扶梯節(jié)能運行方式有多種，但實際應用在扶梯控制上的主要有三種方式。 1.自動運行方式：在扶梯上下口處安裝傳感器（傳感器可用光電、壓力等多種形式），一旦傳感器檢測到有乘客進入扶梯（距梳齒板1.3米左右），扶梯開始啟動運行，如乘客繼續(xù)進入扶梯，扶梯將一直以額定速度正常運行。如在預先設定的時間內(nèi)沒再檢測到有乘客進入扶梯或扶梯出口側(cè)傳感器檢測到最后一個乘客離開扶梯后，在預先設定的時間內(nèi)也沒有檢測到有乘客進入扶梯，則扶梯將自動停梯。待有乘客進入扶梯時，扶梯再投入運行。 2.Y－Δ運行方式（ECO方式）：利用扶梯Y－Δ啟動裝置，在扶梯投入運行后，當扶梯處于空載或輕載時，控制系統(tǒng)將驅(qū)動電機從Δ型運行自動切換到Y型運行來節(jié)約能耗。當扶梯負載增加后，扶梯再自動轉(zhuǎn)成Δ型運行。 3.變頻運行方式（VVVF方式）：在扶梯上增設變頻裝置，扶梯開始運行時通過變頻器啟動，當扶梯達到100%（0.5m/s）額定速度運行后，如無乘客乘梯，扶梯由100%額定速度自動降為20%（0.1m/s）速度爬行（如扶梯在20%速度下運行很長一段時間仍無人乘梯，則扶梯會自動平緩地停梯待命，該功能可自行設定）。如安裝在扶梯出入口處的傳感器檢測到有乘客乘梯，則扶梯速度馬上平緩地升至100%額定速度，如乘客繼續(xù)進入扶梯，扶梯將一直以額定速度正常運行。如在預先設定的時間內(nèi)扶梯入口處的傳感器沒再檢測到有乘客進入扶梯，則扶梯將自動轉(zhuǎn)至爬行速度運行。 比較三種節(jié)能運行方式，自動運行方式節(jié)能效果突出，控制方式簡單可靠，但會造成扶梯頻繁啟停，嚴重影響扶梯使用壽命；Y－Δ運行方式有節(jié)能效果（理論上可節(jié)電30%左右），但扶梯啟動后，一直以額定速度連續(xù)運行，增加了扶梯的耗損；VVVF運行方式節(jié)電效果明顯（理論上可節(jié)電60%左右，尖峰電流比無變頻器扶梯減小可達80%左右），與自動運行方式相比沒有頻繁啟動問題，扶梯磨損小，并且爬行速度運行時可提示乘客乘梯方向。 假設用兩臺同型號自動扶梯（H=4.5m；V=0.5m/s；θ=30°；W=1000mm），一臺采用Y－Δ運行方式，一臺采用VVVF運行方式，在下述情況作比較： —扶梯向上運行。 —地鐵列車間隔6分鐘。 —扶梯額定速度運行時間2.8分鐘（輸送乘客時間為2.8分鐘）。 —扶梯空載時間為3.2分鐘（無乘客乘梯時間為3.2分鐘）。 —每天連續(xù)運行20小時，年中無休息（以365天計）。 兩臺扶梯在上述情況下的運行狀態(tài)： Y－Δ運行扶梯：地鐵到站后，乘客登梯，扶梯以Δ型方式運行2.8分鐘，該批乘客輸送完后，扶梯轉(zhuǎn)成Y型方式運行。3.2分鐘后，下一批乘客登梯。 VVVF運行扶梯：地鐵到站后，乘客登梯，扶梯速度上升至100%，輸送乘客2.8分鐘，該批乘客輸送完后，扶梯速度降為20%額定速度運行待命。3.2分鐘后，下一批乘客登梯。 由于在輸送乘客的2.8分鐘時間內(nèi)，無論是Δ型運行，還是VVVF運行，都是以100%額定速度運行，其能耗比較接近，因此我們只討論在3.2分鐘空載情況下Y型運行狀態(tài)和20%額定速度的VVVF運行狀態(tài)時的功耗。 從對比試驗表中可以看出： —Y型空載額定速度運行，其功率為： 1.95Kw + 1.61Kw + 1.88Kw = 5.44Kw 全年的耗電量（kwh）為: 5.44Kw×3.2min/6min×20hr×365day = 21180（kwh） —VVVF型空載20%額定速度運行，其功率為： 0.35Kw + 0.5Kw + 0.3Kw = 1.15Kw 全年的耗電量（kwh）為: 1.15Kw×3.2min/6min×20hr×365day = 4477 （kwh） 可以看出VVVF運行方式與Y－Δ運行方式相比, 節(jié)能效果十分明顯,一年可節(jié)能（理論上）: 21180（kwh） – 4477 （kwh） = 16703（kwh） 以0.52元/kwh計算,一年節(jié)約電費（元）: 16703（kwh）×0.52元/（kwh） =8686 元 所以自動扶梯采用VVVF變頻控制運行方式，具有良好的節(jié)能經(jīng)濟效益。 由此可見，變頻運行方式除采用變頻啟動，避免了普通Y－Δ啟動產(chǎn)生很大的啟動電流問題，保證了扶梯啟動的平滑、舒適。另外在無人乘梯，扶梯以爬行速度運行時，一方面節(jié)約了電能，減小了扶梯損耗；另一方面也為即將進入扶梯的乘客明確了扶梯運行方向，對地鐵客流早晚高峰和低峰變化較為明顯且長時間連續(xù)使用扶梯的場合較為適用。而自動運行方式由于控制方式簡單，再考慮增設軟啟動裝置，較適合于老扶梯的節(jié)能改造。 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，變頻 調(diào)速器以其優(yōu)越的性能在眾多領域獲得了廣泛的應用，特別是節(jié)能效果越來越多的被人們認識。在電梯系統(tǒng)中也是如此，VVVF型變頻調(diào)速電梯已開始取代繼電器控制、交流調(diào)速電梯。VVVF型變頻調(diào)速電梯基本控制原理如下： 根據(jù)電機學理論，交流電動機的轉(zhuǎn)速公式為：n=60×f×（1-s）/p （式中：f為定子的電源頻率；p為極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率；n 為轉(zhuǎn)速）。 －改變電機極對數(shù)p可以改變電機轉(zhuǎn)速，這是交流雙速梯采用的調(diào)速方法。 －通過調(diào)整定子繞組電壓大小來改變轉(zhuǎn)差率s ，已達到調(diào)速目的，這是交流調(diào)速梯采用的調(diào)速方法。 －改變定子電源頻率f 也可達到調(diào)速目的，但f 最大不能超過電機額定頻率，電梯作為恒轉(zhuǎn)距負載，調(diào)速時為保持最大轉(zhuǎn)距不變，根據(jù)轉(zhuǎn)距公式：M=CmφIcosφ（式中：Cm為電機常數(shù)；I為轉(zhuǎn)子電流；φ為電機氣隙磁通；cosφ為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)），必須保持φ恒定。又根據(jù)電壓公式：U＝4.44 f Wkφ（式中：U 為定子電壓；f為定子電壓頻率；W為定子繞組匝數(shù)；k為電機常數(shù)），必須保持U / f 為常數(shù)，即：變頻器必須兼?zhèn)渥儔骸⒆冾l兩種功能，簡稱為VVVF（Vary Voltage Vary Frequency）型變頻器，這就是VVVF型電梯的基本控制原理。 同樣在扶梯行業(yè)中，隨著扶梯進一步向著高科技、節(jié)能、智能化的方向發(fā)展，變頻器在扶梯領域也被廣泛地應用。以迅達公司生產(chǎn)的自動扶梯為例，自動扶梯自動變速驅(qū)動有三種方式，即相控調(diào)速GPH，標準變頻器GFU和變頻器GFU加。 —相控調(diào)速GPH: 具有軟啟動, 正常運行速度, 檢修運行速度（以50%額定速度運行）功能。但檢修運行速度使用有一定限制（每運行5分鐘，須停10分鐘）。 —標準變頻器GFU：該裝置僅在扶梯負載60%額定功率以下時工作，除具有相控調(diào)速GPH功能外，還有慢速（爬行）運行（以20%額定速度運行），檢修運行速度功能，檢修運行無限制。 —變頻器GFU加：扶梯開始運行，該裝置一直投入工作，除具有標準變頻器GFU功能外，還有附加運行速度（高峰時，扶梯以最大速度運行）功能。但需附加控制屏。 由于在大多數(shù)情況下，扶梯較多地運行于2/3額定載客量以下，如果以100%電機功率配置變頻器，當扶梯以100%滿負載運行時，變頻器相當于在短路狀態(tài)，并不起多大的作用。因此可將變頻電路設計成旁路變頻，即按60%電機額定功率來配置變頻器。如果電機額定功率為11Kw，則變頻器的功率為7.5Kw。當扶梯運行于負載的60%額定功率以下時，電機通過變頻器工作；當負載增加至100%時，控制系統(tǒng)就將電機切換至工頻電網(wǎng)供電。這樣可大大降低變頻器的初期投資成本，價格增加約為整機的9%，所以這種配置方式具有較好的性能價格比。一般公共交通型扶梯運行環(huán)境比較差，變頻器又通常安裝于扶梯上機房，運行環(huán)境比較惡劣，考慮到防水防塵的要求，地鐵自動扶梯配置的變頻器均要求采用IP54防護等級（防水防塵型），其工作壽命約為10萬小時，工作環(huán)境溫度為-40℃～+60℃，相對濕度95%。自動扶梯安裝標準GFU變頻系統(tǒng)后的工作原理如下： 當扶梯開啟后，扶梯在變頻器的驅(qū)動下平緩啟動并加速到額定運行速度0.5m/s。當乘客不斷增加達到負載的60%額定功率時，扶梯切入至電網(wǎng)直接供電。 如扶梯在電網(wǎng)直接供電以額定速度運行的情況下，當扶梯負載下降至負載的60%額定功率以下時，則扶梯將被切換到變頻器供電，如在預先設定的時間內(nèi)扶梯入口處的掃描傳感器未檢測到有乘客進入扶梯，則扶梯將平緩地轉(zhuǎn)入爬行速度0.1m/s運行。 當扶梯入口處的掃描傳感器檢測到有乘客進入扶梯時，扶梯將加速到0.5m/s速度運行。扶梯處于上行狀態(tài)時，隨著乘客不斷增加，致使負載達到60%額定功率時，驅(qū)動電機切入至電網(wǎng)直接供電，此時電機不受變頻器驅(qū)動；扶梯處于下行狀態(tài)時，隨著乘客不斷增加，負載增加到一定程度時，電機進入發(fā)電狀態(tài)被連接到電網(wǎng)電源，此時電機不受變頻器控制。如乘客繼續(xù)進入扶梯，則扶梯將以0.5m/s的速度穩(wěn)定運行且始終不受變頻器控制。 如在預先設定的時間段內(nèi)沒再檢測到有乘客進入扶梯，那么扶梯將被接入到變頻器驅(qū)動，減速到爬行速度運行。 在實際運行中也可以針對不同的列車間隔，決定扶梯是否在電網(wǎng)下直接運行。如早7：00-9：30 ，下午16：00-19：00（列車間隔為3-4分鐘），扶梯可以在電網(wǎng)下直接運行，以減少變頻器的空載損耗；其它時間扶梯采用變頻器控制，起到節(jié)能作用。 另外，一旦變頻器發(fā)生故障，則可以通過控制系統(tǒng)修改參數(shù)將變頻器短接，使驅(qū)動電機直接連到電網(wǎng)下運行，從而保證扶梯繼續(xù)運行使用。 雖然扶梯采用變頻器運行控制方式后，達到了節(jié)能運行的目的，但同時應注意到變頻器控制系統(tǒng)也有一定的負面影響，如運行時產(chǎn)生的噪音比直接驅(qū)動略大，需加長桁架以增加機房空間，對散熱也有相應要求（18Kw變頻器的散熱量約為2Kw）等等。因此應針對扶梯采用變頻控制運行后的特點要求，采取相應的措施，以確保扶梯的正常使用。 參考文獻： [1]自動化博覽 2000年第6期 [2]迅達扶梯有關資料 信息來源于：中國城市軌道交通網(wǎng)