紅外系統(tǒng)和變頻器在自動(dòng)扶梯中的應(yīng)用

1 引言

隨著近年來(lái)房地產(chǎn)行業(yè)的高速發(fā)展以及城市地鐵、高鐵建設(shè)快速推進(jìn)，自動(dòng)扶梯的使用率越來(lái)越高。因此如何采用高效節(jié)能的電梯控制技術(shù)，成為自動(dòng)扶梯商家及其用戶十分關(guān)注的話題。

國(guó)家質(zhì)檢總局統(tǒng)計(jì)顯示，截至2010年底，中國(guó)在用電梯總數(shù)達(dá)到162.8萬(wàn)臺(tái)，并以每年20%左右的速度高速增長(zhǎng)。每年新增的電梯數(shù)在30萬(wàn)臺(tái)以上， 占全球每年新增電梯總量的一半以上。目前，國(guó)內(nèi)安裝的自動(dòng)扶梯多采用單速交流電機(jī)作為主機(jī)，梯級(jí)額定速度大多為0.5m/s。這種扶梯即使在無(wú)乘客使用時(shí) 仍以額定速度運(yùn)行，具有耗能大、機(jī)械磨損嚴(yán)重、使用壽命短等缺點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行改造勢(shì)在必行。

2 自動(dòng)扶梯節(jié)能改造的常用控制方式

在不影響扶梯正常使用的前提下，我們對(duì)扶梯進(jìn)行節(jié)能改造。自動(dòng)扶梯節(jié)能改造后，控制器根據(jù)紅外傳感器產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)控制自動(dòng)扶梯的運(yùn)行速度。在有人乘坐 時(shí)，扶梯以工頻速率運(yùn)行;當(dāng)無(wú)人時(shí)，扶梯減至低速率或停止運(yùn)行。同時(shí)，改造后自動(dòng)扶梯應(yīng)具備以下功能，當(dāng)節(jié)電器出現(xiàn)故障時(shí)，扶梯能自動(dòng)切換到工頻模式運(yùn) 行，確保扶梯正常運(yùn)行。自動(dòng)扶梯的電路改造外觀如圖1所示。

目前，對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行節(jié)能改造，常見有如下兩種控制方式：

一種方式為高速-低速運(yùn)行方式。設(shè)置主頻率(低速)、多段速頻率(高速)兩種運(yùn)行頻率;在電梯首尾處各安裝一對(duì)紅外傳感器開關(guān)，乘客通過(guò)電梯時(shí)，紅外傳感器開關(guān)被觸發(fā)并輸出開關(guān)信號(hào)至變頻器; 有客流時(shí)，紅外傳感開關(guān)被觸發(fā)，變頻器立即加速到多段速頻率，并使電梯高速運(yùn)行;電梯高速運(yùn)行時(shí)，變頻器內(nèi)置計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，若在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)再無(wú)乘客 通過(guò)電梯，計(jì)時(shí)結(jié)束后變頻器將自動(dòng)切換到主頻率，扶梯低速運(yùn)行;若在計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)期間，有乘客重新觸發(fā)紅外傳感器開關(guān)，計(jì)時(shí)器將重新計(jì)時(shí)。對(duì)電梯上行和下 行，外圍控制采用開關(guān)互鎖，保證扶梯系統(tǒng)的正常工作。為消耗扶梯下行或者制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的多余能量，需在變頻器上加裝制動(dòng)電阻。

另一種方 式為工頻-停止運(yùn)行方式。設(shè)置主頻率(50hz)運(yùn)行、停止兩種狀態(tài)。同樣在電梯首尾處各安裝一對(duì)紅外傳感器開關(guān)，乘客通過(guò)電梯時(shí)，紅外傳感器開關(guān)被觸發(fā) 并輸出開關(guān)信號(hào)至變頻器;有客流時(shí)，紅外傳感器開關(guān)被觸發(fā)，變頻器立即加速到主頻率，并使電梯以工頻運(yùn)行;電梯工頻運(yùn)行時(shí)，變頻控制器內(nèi)置計(jì)時(shí)器開始計(jì) 時(shí)，若在給定的時(shí)間段內(nèi)再無(wú)乘客通過(guò)電梯，計(jì)時(shí)結(jié)束后變頻器將自動(dòng)停止，電梯不再運(yùn)行，直到再一次檢測(cè)到紅外觸發(fā)信號(hào);若在計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)期間，有乘客重新觸 發(fā)紅外傳感器開關(guān)，計(jì)時(shí)器將重新計(jì)時(shí)。為消耗扶梯下行或者制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的多余能量，需在變頻控制器上加裝制動(dòng)電阻。另外在扶梯上下兩端應(yīng)加裝上下行標(biāo)識(shí)， 必要時(shí)，還應(yīng)安裝語(yǔ)音提示系統(tǒng)。這種工頻-停止的控制方式節(jié)能效果十分顯著，因?yàn)樵跓o(wú)人時(shí)扶梯已完全停止，基本不耗電。

3 自動(dòng)扶梯改造方案

3.1扶梯的外部改造

這里以三菱自動(dòng)扶梯和四方變頻器為例進(jìn)行改造說(shuō)明?？蛻粢髮?duì)扶梯進(jìn)行改造后，不改變扶梯原有的安全檢測(cè)系統(tǒng)，保留扶梯原有的啟停控制方式，盡可能的保持原線路的完整性。針對(duì)客戶的要求，我們采用以下改造方案：

在扶梯上下兩端各裝一對(duì)立桿，此桿用來(lái)安裝固定紅外感應(yīng)開關(guān)和扶梯上下行指示標(biāo)識(shí)。另外在扶梯上端對(duì)桿上還要安裝一對(duì)鑰匙開關(guān)，一個(gè)是節(jié)電和市 電模式切換開關(guān)，另一個(gè)是上行、停止、下行模式選擇開關(guān)(曳引機(jī)安裝在扶梯上端電井內(nèi)，故開關(guān)就近選擇安裝)。當(dāng)節(jié)電/市電切換開關(guān)選擇市電時(shí)，自動(dòng)扶梯 開、停、上下行方式與未改造前一致。當(dāng)節(jié)電/市電開關(guān)選擇節(jié)電時(shí)，扶梯自帶啟動(dòng)開關(guān)、上下行開關(guān)無(wú)效，此時(shí)扶梯運(yùn)行方向由安裝在立桿上的上行/停止/下行 開關(guān)來(lái)選擇控制。扶梯由紅處感應(yīng)開關(guān)啟動(dòng)。當(dāng)有人走上扶梯時(shí)，首先會(huì)觸發(fā)紅外傳感器開關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到紅外傳感器開關(guān)信號(hào)時(shí)，電梯就會(huì)被啟動(dòng)，并開始計(jì) 時(shí)。在計(jì)時(shí)期間，如果有第二個(gè)人走上扶梯，系統(tǒng)會(huì)重新計(jì)時(shí)，直到設(shè)定時(shí)間結(jié)束，電梯便會(huì)自動(dòng)停機(jī)。這樣實(shí)現(xiàn)了“人來(lái)自啟，人去自停”的運(yùn)行模式，使扶梯顯 得更加人性化。

還有很重要的一點(diǎn)必須指出，在安裝對(duì)桿時(shí)，電梯無(wú)論是上行還是下行，上下兩端都必須安裝紅外傳感器開關(guān)。因?yàn)楫?dāng)有一端沒 有安裝對(duì)桿時(shí)，客人走上扶梯，扶梯也不會(huì)啟動(dòng);如果客人選擇錯(cuò)誤方向時(shí)，扶梯因沒有檢測(cè)到紅外傳感器開關(guān)信號(hào)而不會(huì)啟動(dòng)，此時(shí)如果有人從相反方向走上扶 梯，扶梯就會(huì)被觸發(fā)啟動(dòng)，導(dǎo)致讓錯(cuò)誤方向先行的客人摔跤。當(dāng)兩端都安裝對(duì)桿時(shí)，即使客人走錯(cuò)了方向，扶梯會(huì)反向運(yùn)行，提醒客人逆行了，很大程度上保證客人 的安全。如果此時(shí)安裝了語(yǔ)音提示系統(tǒng)，在紅外傳感器開關(guān)被觸發(fā)的同時(shí)語(yǔ)音會(huì)提醒客人行錯(cuò)了方向。

3.2自動(dòng)扶梯的電路改造

(1)自動(dòng)扶梯的關(guān)鍵控制元件是電機(jī)(曳引機(jī))，我們改造也從電機(jī)開始。圖2是扶梯的主回路改造圖。圖2中接觸器80為運(yùn)行接觸器，接觸器1，2為電機(jī) 正反轉(zhuǎn)切換接觸器，當(dāng)接觸器1動(dòng)作時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，接觸器2動(dòng)作時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的電梯就上下運(yùn)行。為了保留電機(jī)的原有控制方式，我們將變頻器串接在正反轉(zhuǎn)接 觸器前端，這樣做的目的也是為了不讓電機(jī)因轉(zhuǎn)向問(wèn)題而使系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)保護(hù)而停止。改造電路中還有旁路回路，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了防止變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，電梯能 正常恢復(fù)工作。其中，接觸器1km與接觸器2km互鎖，旁路投入時(shí)，接觸器2km一定要斷開，這樣控制的目的是為了保護(hù)變頻器。p+，pb兩端子串接制動(dòng) 電阻消耗電梯下行時(shí)產(chǎn)生的多余的能量。

(2)控制回路的改造。扶梯的大部分保護(hù)電路都在控制回路。如果在改造中去掉了原有的部分保護(hù)電路或者改動(dòng)了原有保護(hù)方式，都會(huì)影響扶梯的正常工作，甚至造成扶梯報(bào)故障?？紤]到該因素，在改造過(guò)程中，不能改變?cè)斜Ｗo(hù)電路，僅僅選擇了兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行改造，如圖3所示。

圖3中，80為串接安全回路后的控制線路，只要有安全開關(guān)動(dòng)作時(shí)，此回路為斷開狀態(tài)。只有故障排除，開關(guān)復(fù)位，此回路才恢復(fù)為閉合狀態(tài)。扶梯上下行啟動(dòng) 都是通過(guò)鑰匙控制，當(dāng)鑰匙旋至上行位置停留3秒然后松手，電梯便啟動(dòng)了。在這3秒鐘，電梯從停止到運(yùn)行，完成檢測(cè)和啟動(dòng)過(guò)程。u/s是速度控制器，當(dāng)檢測(cè) 到一定速度就會(huì)動(dòng)作，電梯啟動(dòng)時(shí)就是通過(guò)此控制器的輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了自保持。在改造回路時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)以上功能，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)模擬電路來(lái)替代旋轉(zhuǎn)鑰匙的動(dòng) 作。在改造點(diǎn)1(up)與80，改造點(diǎn)2(dn)與80之間并聯(lián)一個(gè)回路(圖二中虛線框內(nèi)回路)，取代原鑰匙開關(guān)。當(dāng)需要上行時(shí)，先將上下行選擇開關(guān)旋至 上行位置，當(dāng)有紅外傳感器開關(guān)信號(hào)時(shí)，開關(guān)k1就會(huì)閉合，延時(shí)3秒后斷開，這就完成了一個(gè)上行旋轉(zhuǎn)鑰匙的模擬動(dòng)作。下行同理。整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程不影響原系統(tǒng)的 各種安全檢測(cè)。

(3)扶梯安裝改造的外圍控制電路(如圖4所示)。

圖4的左圖主要是實(shí)現(xiàn)節(jié)電模式與旁路模式的切換功能;右圖主要是紅外傳感 器開關(guān)電路。在處理紅外傳感器開關(guān)信號(hào)時(shí)，我們用中間繼電器進(jìn)行了防干擾處理。紅外傳感器開關(guān)在被觸發(fā)后，輸出的是開關(guān)信號(hào)，如果直接傳送給控制器易產(chǎn)生 干擾信號(hào)導(dǎo)致扶梯誤動(dòng)作(從紅外傳感器開關(guān)觸發(fā)點(diǎn)到控制器距離比較遠(yuǎn)，而且在途中線路復(fù)雜)。因此，將開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制中間繼電器，在終端再轉(zhuǎn)化為開關(guān) 量信號(hào)，很大程度上降低了干擾對(duì)扶梯的影響。

(4)變頻器控制設(shè)置

變頻器控制回路如圖1所示，初始設(shè)置如附表所示。

當(dāng)有紅外傳感器開關(guān)輸入信號(hào)時(shí)端子x1、oc1、cm與fwd組成三線模式，當(dāng)f6.0設(shè)定的內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到時(shí)，oc1輸出0.5s的斷開信號(hào)， 變頻器停止運(yùn)行。當(dāng)有人再次觸發(fā)紅外傳感器開關(guān)信號(hào)時(shí)，變頻器又被啟動(dòng)。當(dāng)在設(shè)置的時(shí)間內(nèi)，紅外傳感器開關(guān)信號(hào)再次被觸發(fā)時(shí)，定時(shí)器重新計(jì)時(shí)，保證乘坐扶 梯的人能到達(dá)目的地，只到無(wú)人時(shí)扶梯停止。扶梯從一端到另一端的時(shí)間通常為40秒左右，這里我們?cè)O(shè)定為40秒，此參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)設(shè)定。

4 自動(dòng)扶梯改造實(shí)例

深圳市五洲賓館共有六臺(tái)自動(dòng)扶梯。a座樓有四臺(tái)(1#，2#，3#，4#)，b座有二臺(tái)(5#，6#)。我們對(duì)六臺(tái)扶梯都進(jìn)行節(jié)能改造。節(jié)能控制方式均采用“人來(lái)自啟，人去自停”，節(jié)能效果明顯。扶梯進(jìn)行節(jié)能改造后，有很多優(yōu)點(diǎn)，收到了廣泛的社會(huì)效應(yīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)扶梯進(jìn)行紅外傳感器和變頻器節(jié)能改造后，由于電機(jī)低速或者停止，使扶梯機(jī)械部件的磨損大大下降和扶梯維護(hù)費(fèi)用減少。用電環(huán)境得到了凈化，降低了噪音。還可以大幅度降低電機(jī)的溫升，使電機(jī)的工作更加安全可靠。

變頻技術(shù)的采用，大大降低了扶梯啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，每次啟動(dòng)時(shí)，變頻器可充當(dāng)軟啟動(dòng)器。變頻器的使用可有效改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低無(wú)功損耗。

節(jié)能改造過(guò)程中采用了旁路功能，確保節(jié)能系統(tǒng)故障時(shí)不影響扶梯的正常使用。改造中未改變自動(dòng)扶梯原系統(tǒng)的安全條件，變頻器投入后使得改造后的扶梯系統(tǒng)更安全、更可靠。