陈宜汇

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510030）

1 现状分析

广州等城市电网容易受夏天雷雨天气的影响而发生电压暂降，每年因电压暂降导致停梯次数可达50多次。对于超大客流的地铁线网，自动扶梯因电压暂降发生停梯，将导致客流出现堆积，严重影响运营安全和效率，已成为地铁运营的一个痛点。

2 方案原理

自动扶梯电源一般由主驱动回路和控制回路组成，主驱动回路通过变频器与电机相连，一般采用380 V；控制回路主要为扶梯的接触器、继电器、电路板等供电，一般采用220 V。半保护机制的原理是在电压暂降事件发生时，针对自动扶梯控制回路设置额外的电源补偿，实现控制回路不断电，目前补偿方式一般有UPS、超级电容、VDC等方案，但现有方案并未根据扶梯运动学参数提出保护参数设定要求，而电压暂降保护参数设定是影响扶梯运行安全的关键因素。为此，本文提出了一种针对控制系统半保护的方案，并结合扶梯动力学参数测试给出电压暂降保护范围建议值。半保护机制原理如图1所示，当扶梯外电源电压正常时，备用保持电源处于非供电模式，由三相电源对控制系统进行供电；在扶梯运行过程中，当电源电压出现短时间异常波动，电源检测模块检测出电压瞬断或暂降时，将备用保持电源切换至供电模式向控制系统供电，确保扶梯电路板、接触器等控制器件在电压暂降发生后短时间内处于正常工作状态，避免因接触器等控制系统相关器件断电引发停梯故障，实现扶梯在电压暂降期间不停梯运行。

图1 电压暂降保持功能框图

半保护机制系统能够实现大部分自动扶梯电压暂降保护功能，相比全保护机制（主驱动回路和控制回路均进行电压补偿）而言，储能元器件减少，成本造价低，经济性高[1]。

3 安全性分析

在上述半保护机制下，当外电源电压出现瞬时掉落时，备用电源发挥作用。虽然备用电源及时对控制回路进行了补偿，但由于能量供给问题，扶梯主驱动回路处于外电源欠压暂降状态，此时扶梯将会在乘客载荷重力及机械阻力的作用下做加速（下行扶梯）或减速（上行扶梯）运动。为保障乘客安全性及扶梯正常运行，需对该过程进行分析，下面通过理论核算及试验验证两方面进行论证。

3.1 理论核算

根据机械原理，上行扶梯出现电压暂降时，乘客载荷的作用方向与扶梯运行方向相反，加速度绝对值最大，为最恶劣工况，因此本文按上行扶梯电压暂降情况下扶梯梯路的加速度进行理论计算。速度变化趋势图如图2所示。

图2 电压暂降时速度变化图

此过程中，加速度的计算与等效链轮直径D、转动惯量GD、乘客扭矩TL、行走阻矩TF等有关，具体计算公式如下：

式中：aDN为下行扶梯加速度；aUP为上行扶梯加速度；GDR为主机惯量；GDLT为上部链轮周边扶梯惯量；η为减速机传动效率；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

代入A品牌自动扶梯设计参数进行计算，得出扶梯以0.65 m/s速度运行时在各种负载率情况下发生电压暂降时的速度变化情况，如表1所示（扶梯上行，暂降时间参考香港机电工程署发布的《升降机及自动梯设计及构造实务守则》按200 ms计算）。

表1 上行扶梯发生电压暂降速度变化表

由以上计算结果可知，电压暂降过程在扶梯负载100%且持续时间200 ms最恶劣情况下，同时考虑变频器重新接入驱动的影响，减速度＜1 m/s2，速度理论上变化百分比小于20%，满足国标GB 16899—2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》对扶梯运行过程做出的以下相关要求[2]：

1）运行速度≤1.2×名义速度（条款5.4.2.3.1）；

2）减速度≤1 m/s2（条款5.4.2.1.3.2、5.4.2.2.2）。

因此，半保护机制下200 ms的暂降时间范围内理论上不会触发扶梯超速保护功能，且减速度也满足规范要求，因此半保护机制下电压暂降持续200 ms内，扶梯可保持相对平稳的运行状态。

3.2 试验验证

本试验模拟自动扶梯电压瞬时跌落的情景，通过示波器对扶梯运行状态进行记录，获取在不同暂降时间范围、不同扶梯负载下运行速度、加/减速度和急动度的数据。以满足上述4个指标为前提，确定自动扶梯的电压暂降保护时间和电压下降阈值的范围，具体的试验数据统计如表2、图3所示。

表2 上行扶梯电压暂降试验数据表

图3 上行扶梯电压暂降试验数据分布图

试验过程中发现，常规自动扶梯变频器由于电容较小，在电压暂降发生后，变频器工作时间仅能支持200 ms左右的工作状态，之后便会报故障导致扶梯停止运行，因此暂降时间变量仅有一组。

由以上图表可知，电压暂降幅值在50%以上时，上行扶梯的速度跌落幅值随电压跌落幅值变化不显著，随着负载的增加而增加，且减速度和急动度测量值均满足运动学指标，可以保证扶梯完成运行。而一旦电压暂降幅值跌落至40%后，急动度（即扶梯运行的加加速度）≥2.5 m/s3[3]，严重影响乘客乘梯舒适性，且变频器母线欠压导致部分接触器触点已经不能维持触点的闭合状态，最终导致故障停梯。

下行扶梯在电压暂降事件发生时理论上要做瞬时的向下加速运动，但由试验数据（表3）来看并非如此。这是因为下行运行状态下自动扶梯变频器的母线电压较高，通常远大于DC600 V[4]，电压暂降发生时，对下行扶梯的变频器影响也会被减弱。

表3 下行扶梯电压暂降试验数据表

同时，扶梯下行相当于是一个发电过程，也会对电路进行一定的补偿，因此下行扶梯在电压暂降时间中表现得比上行扶梯要稳定，但如果电压也跌至40%，扶梯同样会故障制动停止运行。

4 结论及建议

根据以上理论计算和试验数据相结合的分析，建议半保护机制自动扶梯电压暂降保护范围为工作电压剩余40%以上，暂降运行时间不超过200 ms。这一范围能对绝大部分自动扶梯电压暂降时间起到关键的保护作用，解决电压暂降带来的运营安全问题。

自动扶梯作为在轨道交通等公共场所运输人员的重要设备，其安全性、稳定性和可靠性是乘客生命财产安全的重要保障。对电压暂降事件的治理，需要国家电网和电梯设备厂家的共同努力，一方面改善电能输出质量，另一方面优化设备抗扰度设计，提高设备性能，相信在不久的将来，便能极大地提高自动扶梯的服务水平。