基于共直流母线供电的自动扶梯节能传动系统设计

马向华，赵付田，叶银忠，钱平

（1.上海应用技术学院 电气与电子工程学院，上海 200235；2.上海西门子工业自动化有限公司，上海 200030）

1 引言

自动扶梯作为一种方便快捷的运输工具，已经越来越多地出现在众多的公共建筑中。有分析指出，地铁电扶梯一直处于高能耗、高磨损、低效率的运行状态。目前，国内安装的自动扶梯多采用单速交流电机作为主机，配有刹车电机或刹车线圈；自动扶梯空载时仍是额定速度运行，具有耗能大，机械磨损大，使用寿命降低等缺点。据调查，每当地铁到站后，蜂拥的人流在自动扶梯上持续的时间大约为45s左右，如果按每3min一列地铁计算，扶梯的“负载持续率”也仅为25%左右，其余时间扶梯都是在空载或很低的负载下运行。扶梯经常处于空转或低负载的运行状态，这必将浪费大量的电能，同时也使扶梯部件（如电机、减速箱、扶手带等）产生不必要的磨损及疲劳损伤。

目前我国自动扶梯的驱动几乎都是利用三相异步电动机。在电气方面，采用变频器驱动电机结合适当的节能运行控制技术已经是公认最好的节能方式［1－8］。从变频调速传动系统的硬件结构角度来说，目前自动扶梯包括上行扶梯和下行扶梯，多采用独立驱动方式，即每台自动扶梯的驱动由1台电机加1台变频器组成。地铁站内的自动扶梯之间相互独立，没有能量上的联系。这种方式结构简单，容易实现，但是存在2个问题：一是扶梯制动时和下行扶梯载客量较大时，电机处于发电状态，产生的能量使变频器直流环节的电压升高；因扶梯的驱动功率相对较小，所配置的变频器的整流部分一般为二极管整流桥，无回馈功能，只能通过制动单元和制动电阻的工作，以热能的形式消耗掉，造成了能量的浪费；二是制动单元和制动电阻的存在增加了设备的体积、维护量和故障点。

因此，当地铁车站同时有下行和上行自动扶梯时，在保留传统自动扶梯变频调速传动系统优点的同时，为了有效利用电机发电状态下产生的能量，减少地铁站总体的耗能量，减少设备体积和维护量，本文将共直流母线的理论引入到地铁自动扶梯节能控制设计。提出了基于共直流母线供电的地铁站自动扶梯节能传动系统；研究了控制器的节能运行设计思路；分析了与目前地铁站自动扶梯的变频调速传动系统相比，基于共直流母线供电的地铁站自动扶梯节能传动系统所具有的优缺点。

2 传动系统原理

目前应用最广泛的通用变频器基本上为电压型交直交变频器，它的主电路由整流单元（或称整流器）、滤波环节（或称滤波器）、逆变单元（或称逆变器）等3个部分组成［9］。基于共直流母线供电的传动系统在硬件结构上，取消目前各变频器中的整流单元，保留滤波环节和逆变单元（这种没有整流单元的变频器一般称为逆变器，本文中称为电机模块），而由同一个整流单元或整流回馈单元（本文称为电源模块）通过公共直流母线给各个逆变器供电，如图1所示。

图1 基于共直流母线供电的传动系统原理图Fig.1 Block diagram of drive system based on common－DC－bus

由图1可知，由多电机组成的基于共直流母线供电的传动系统的主电路主要由5部分组成，即电源连接模块（如带熔断器的隔离开关、接触器等）、滤波模块（电抗器、EMC滤波器、正弦波滤波器等）、电源模块、共直流母线和电机模块。电源模块将电网交流电压转换为直流电压，然后通过共直流母线提供能量给电机模块。电机模块将直流电压逆变成可调压调频的交流电压，驱动电机。

基于共直流母线供电的传动系统既可以有效地解决多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾，又可以回收电机发电状态下产生的再生能量。目前，在钢铁、集装箱码头、造纸、化纤以及船舶等领域的能量双馈型变频负荷集中应用的场合，已经得到广泛应用。

3 自动扶梯节能传动系统设计

3.1 传动系统的硬件结构设计

鉴于共直流母线供电的传动系统的优点，为了实时利用载客量较大时下行扶梯的再生能量，本文设计了基于共直流母线供电的扶梯节能传动系统，原理图如图2所示。该系统主要由2台IGBT构成的电源模块和多台电机模块和电机组成。其中，电源模块既可整流，也可将能量回馈到电网；每台自动扶梯的驱动由1台电机模块和1台电机完成。

图2 基于共直流母线供电的地铁站自动扶梯传动系统原理图Fig.2 Block diagram of the drive system of subway escalators based on common－DC－bus

采用共直流母线供电的自动扶梯传动系统可使自动扶梯实现变频调速的同时，实时将载客量较大时，下行扶梯产生的再生能量，或者扶梯制动时的再生能量通过直流母线传递给上行扶梯使用，并可通过电源模块将多余的能量回馈到电网。另外，本设计的硬件结构可以极大地提高系统的可靠性。由图2可以看出，由IGBT构成的2台电源模块，既可同时工作构成多脉波整流以减少谐波，又可在1台电源模块发生故障时，另一台电源模块单独工作，为所有电机模块提供电源。同时，每台电机模块和公共直流母线之间未直接连接，而是设置了接触器和刀熔开关，这样在任何1台自动扶梯有故障时，可先控制接触器断开本部分的供电回路，再打开刀熔开关，然后就可以维护该自动扶梯，包括更换电机及电机模块等。

如果地铁站内自动扶梯的分布较为分散，此时采用共直流母线方案会造成电机模块到电机的电缆较长，因此应采取必要的措施以避免由此造成的干扰问题。可灵活地将彼此靠近的1组或者多组上行扶梯和下行扶梯采用共直流母线方案供电，具体原理图如图3所示。

图3 由一上行扶梯和一下行扶梯组成的传动系统原理图Fig.3 Block diagram of the drive system with an up－escalator and a down－escalator

3.2 低谐波运行设计

地铁站为民用建筑，在设计地铁站自动扶梯的传动系统时，需按民用环境的要求进行设计。在民用环境中，当电气设备接至公共电源系统时，对噪声发射具有严格规定，但可以要求有较低的抗扰度；这与在工业环境中的使用相反。因此进行工程设计时，应考虑变频器对环境的影响，并采取必要的措施降低谐波。

3.2.1 谐波分析及措施

共直流母线传动系统的谐波问题同使用单台变频器时类似。本文以单台变频器为例，分析产生的原因及相应的解决方法。当设备采用变频调速时，在变频器的电源侧和电机侧都会产生谐波干扰，对供电电网和变频器周围的其他电气设备产生EMC干扰。通常变频器能够运行在一个可能存在着较高电磁干扰（EMI）的工业环境中，此时它既是噪声发射源（或称干扰源），可能又是噪声接受器［11］。变频器作为噪声发射源，变频器输出电压U和噪声电流Is的波形图如图4所示。

图4 变频器输出电压U和噪声电流Is的波形图Fig.4 Waves of output voltage Uand noise current Isof frequency converter

图4中寄生电容Cp存在于电机电缆和电机内部，因此变频器的PWM输出电压波形的开关翼部通过寄生电容产生1个高频脉波噪声电流Is，使变频器成为一个噪声源。由于Is的噪声源是变频器，因此它一定要流回变频器。图4中ZE为大地阻抗，ZN为动力电缆与地之间的阻抗。噪声电流流过此二阻抗所造成的电压降将影响到同一电网上的其他设备造成干扰。

此外，变频器的整流部分也会产生低频谐波，导致电网电压、电流产生畸变。以1款具有代表性的变频器处于不同的供电系统中产生的低频谐波电流的数据为例［10］，如表1所示。

表1 6脉波整流单元典型谐波电流值（进线电抗器阻抗为2%）Tab.1 Typical harmonic currents of a 6－pulse rectifier（line reactor resistance＝2%）

表1中，PRSC为相对短路功率，THD（I）为总谐波电流畸变率，h为谐波的序次，Ih为h次谐波电流相对百分比（相对与基波电流的百分比）；该次谐波电流的检测点在变频器与供电电网连接处，其位置在进线电抗器之前。由表1可知同一台变频器，假定其从电网中获得基波电流的值为100%，则处于不同容量的供电系统中时，其产生的各次谐波电流的值是不同的。一般来说，电网容量越大，谐波电流越大。

对于高频谐波的干扰，如果高频噪声电流Is有一条正确的通道，则高频噪声是可以得到抑制的。如果使用非屏蔽电机电缆，则高频噪声电流Is以一个不确定的路线流回变频器，并在此回路中产生高频分量压降，影响其他设备。为使Is能沿确定路线流回变频器，可以采用屏蔽电机电缆。电缆屏蔽层必须连接到变频器外壳和电机外壳上。当Is必须流回变频器时，屏蔽层形成一条最有效的通道。带有屏蔽电机电缆的噪声电流Is如图5所示。

图5 带有屏蔽电机电缆的噪声电流IsFig.5 Noise current Iswhen using shielded motor cable

虽然采用屏蔽电缆后，噪声电流不会在ZE上出现压降，但是在电源阻抗ZN上还会出现压降影响其他电气设备。因此可在变频器的电源侧加无线电干扰抑制滤波器（RFI滤波器），以免通过电源线传导高频噪声影响其他设备。

基于共直流母线供电的传动系统中的各个电机模块的工作和单台变频器的逆变部分工作原理是一样的，故其高频噪声电流的大小和路径也是一样的。只是由于省略了大量的小功率的整流单元，而是由1或2个整流模块共同供电，这使得只需加1或2台RFI滤波器即可有效减少高频噪声。这同样使得低频谐波电流的抑制更加方便易行，比如可选用采用有源前端技术的电源模块（几乎不产生低频谐波电流）、采用2台电源模块构成12脉波整流回馈回路（见表2的数据，对比表1，THD（I）减小了约70%）或者安装进线谐波滤波装置。

根据上文中的分析，为减少共直流母线传动系统对环境的影响，可采取以下措施。

1）选择合适的电源模块，尽量减少对电网的污染和对电网上连接其他设备的干扰。

表2 12脉波整流单元典型谐波电流值（3绕组整流变压器）Tab.2 Typical harmonic currents of a 12－pulse rectifier circuits（with a three－winding transformer）

2）确保电网的短路阻抗不要太低，必要时加进线电抗器来抑制低频干扰；同时进线电抗器也可用于增加电源阻抗，并帮助吸收附近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的电压尖峰。

3）对于网侧的低频干扰，也可考虑加进线谐波滤波器（line harmonics filter，LHF）。

4）为有效地抑制电磁波的辐射和传导，电机模块到电机的连接电缆必须采用屏蔽电缆；电缆屏蔽层的两端分别连接在电机外壳和电机模块外壳上；屏蔽层的电导必须至少为每相导线芯电导的1／10。

5）确保传动柜中的所有设备接地良好，使用短和粗的接地线连接到公共接地点或接地母排上。

6）安装电源模块和电机模块时，建议安装板使用无漆镀锌钢板，以确保变频器的散热器和安装板之间有良好的电气连接。

7）如果传动机柜运行在一个对噪声敏感的环境中，可以采用RFI滤波器减小来自变频器的传导和辐射干扰。同时为达到最优的效果，确保滤波器与安装板之间应有良好的接触。

8）电机电缆应独立于其他电缆走线，其最小距离为500mm；同时应避免电机电缆与其他电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰；如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90°角交叉。同时必须用合适的夹子将电机电缆和控制电缆的屏蔽层固定到安装板上。

3.2.2 电源模块的选择

目前市场上的电源模块根据是否有回馈功能及回馈的方式，可以分成3种，分别为基本型电源模块、非调节型电源模块、调节型电源模块。基本型电源模块即整流单元，无回馈功能，靠接制动单元和制动电阻才能实现快速制动和再生能量的消耗。非调节型电源模块即整流／回馈单元，其直流母线电压不可调，但与基本型电源模块不同的是，能够向电网反馈再生能量；调节型电源模块为由IGBT构成的采用有源前端（AFE）技术的整流／回馈单元，可以提供电动能量并将再生能量返回到供电系统。

根据地铁站的自动扶梯的运行规律来看，基本型电源模块不满足本设计需求。非调节型电源模块的主要缺点是容易产生电网电流谐波。调节型电源模块因产生谐波较少，非常适合于4象限运行的场合，对地铁站自动扶梯共直流母线传动系统而言也是最佳的选择，因此本文采用调节型电源模块。由调节型电源模块构成的共直流母线传动系统结构框图如图6所示。

图6 共直流母线传动系统结构框图Fig.6 Block diagram of the drive system based on common－DC－bus

采用调节型电源模块的优点有以下3点：

1）调节型电源模块能对直流母线电压进行闭环控制，因直流母线电压可调节，故即使电网电压波动，也能保持整流母线电压的稳定；

2）可以实现无功补偿；

3）与基本型电源模块和非调节型电源模块相比，可以从供电系统中提取近似正弦波的电流，其引起电网供电线路中的谐波失真很小。

以一款采用调节性电源模块的具有代表性的变频器为例，低频谐波的数据如表3所示。与表1相比，对大中容量的供电系统THD（I）减小了约92%以上，对小容量的供电系统也减少了约89%。采用调节性电源模块的共直流母线供电的传动系统，其造成的单次谐波电流和电压均小于1%的电源模块的额定电流和电压，故能满足各种有关标准的要求。

表3 调节型电源模块的电网侧谐波值Tab.3 Typical harmonic currents of a supply system with active infeed（AFE technology）

3.3 传动系统降直流母线电压运行

在变频调速的过程中，为保持电机磁通的恒定，则电动机定子绕组的感应电动势E1的大小和频率f1与磁通ΦM的乘积成正比，即

式中：KE1为和电动机绕组有关的常数；U1为电机定子绕组电压。

采用空间矢量调制方法的电机模块输出的最大（基波）电压峰值VSVMmax取决于直流母线的电压VDC，从理论上讲为

实际上考虑到现实的因素，电机模块的输出电压范围为0～0.67VDC。

从式（1）、式（2）可以推断，在电机低速运行时，直流母线电压只要大于共直流母线传动系统内运行的所有电机中的最高电压的1.5倍（VDCmin＝VMmax／0.67≈1.5VMmax），即可保证系统正常稳定工作。

由于电机模块（电压源型逆变器）主开关器件（IGBT）关断时，相应反并联二极管在电感作用下导通续流；当主开关再次开通时，相应二极管将承受反压并经历反向恢复过程而关断。反向恢复时，不仅给二极管带来自身关断损耗，而且也将大大增加相应主开关管的开通损耗。在器件一定的前提下，该损耗与反向恢复电压值（VDC）、二极管正向电流以及二极管电流变化率相关。因此降低直流母线电压能降低电机模块的能耗。

另外，根据3.1节对高频噪声电流Is产生原因的分析可知，Is的大小和直流母线电压VDC有关。电机模块PWM输出电压波形的幅值等于VDC，如脉波的幅值降低，则寄生电容Cp的充放电电流Is也会降低。因此降低直流母线电压，能减少高频噪声干扰。

可调节型电源模块的出现，使得共直流母线传动系统的降直流电压运行成为可能。以地铁站自动扶梯为例，在非客运高峰时，乘扶梯的人很少或无人，此时整个地铁站的自动扶梯可以全部以低速运行。如果此时降低直流母线电压，则在不影响自动扶梯使用的情况下，减少了电机模块的能耗和高频噪声的干扰。

4 控制器节能运行模式设计思路

扶梯的控制应以人为本，因此扶梯上有乘客时不应大范围提速或减速，只能在预置速度的基础上微调。目前较为普遍的做法根据乘坐扶梯的人数实时调节扶梯的速度则相对不妥。本文提出了一周运行曲线的概念，则有效地解决了这个问题。基本思路是：每台扶梯根据客流量周曲线设置各自的周速度运行曲线，在不同时间以不同速度运行，并根据客流量微调；扶梯空载时（无人乘梯）以节能速度运行（比如20%额定速度），当检测到即将有乘客踏上扶梯时，感应装置向控制系统发出信号，在乘客到达扶梯前，加速至默认速度（这一过程应在变频器控制下逐渐地、平稳地完成）；在一段时间内，无乘客使用时，系统控制扶梯自动地减速至节能速度。扶梯按周运行曲线设定运行速度，配合变频器的节能运行模式，从减小输出功率和降低损耗两方面着手，进一步提高节能的空间，可以达到理论上的最佳节能效果。

以上海轨道交通一号线为例，自动扶梯的载客量相对有规律，可以以周为单位来划分。工作日期间，早上7点到9点之间以及下午5点到7点之间是载客高峰期，这时需要扶梯的全速运行；中午时段有1个小高峰，乘坐扶梯的乘客相对较多，但较早晚高峰期乘客要少；其他时间段乘客较少，没有规律。周六周日则有所变化，高峰期主要出现在9点到11点之间或者晚上7点到10点之间。为了既满足乘客出行的需要又达到节能的目的，可以按照以上描述的载客量的规律设置自动扶梯每天的基本运行速度曲线，模拟曲线如图7所示。

图7 自动扶梯一天中有人乘梯时的速度运行曲线Fig.7 Running speed curve of escalator when there are passengers within a day

由图7可以看出，在早晚高峰期间，扶梯以额定速度运行，中午时段以中速运行。因为自动扶梯不能突然加速或减速，可以看出，从早上班时段到中午时段，扶梯速度是从额定速度缓慢下降到低速（不低于额定速度的50%），然后缓慢上升到中速运行。对于晚高峰时段同样如此。这样可以避免对扶梯运行速度进行频繁的调节。以该曲线为基础，借鉴外部因素（如天气，季节等）建立数据模型，获得自动扶梯一周载客量曲线，得出自动扶梯驱动电机的给定速度曲线（以一周为周期），作为变频运行的速度给定基准。

扶梯速度的设置应尽量符合实际乘坐扶梯的人数。除高峰期相对固定以外，其他时间段期间，乘客量具有随机性的特点。因此，变频器预先设置的速度可能与实际情况不符。比如在客流量低谷期有大批客人乘坐扶梯时，而此时扶梯的预置速度可能是较低速度。为此，扶梯的运行速度应不断地与客流量反馈信号进行比较，在保证乘坐的舒适性、安全性以及设备可靠性的基础上，对其他时间段扶梯的运行速度进行不断的微调。实现的方法是在扶梯入口1m处安装光电传感器，光电传感器将检测到的乘客数实时传输给控制器，控制器根据接收到的数据与当前数据窗口中的数据进行对比，以当前载客量的变化作为速度微调的输入。

5 优缺点分析

由上文的分析可知，与传统地铁站内的变频调速传动系统相比，共直流母线供电的传动系统具有以下优点：

1）相比于各个变频器的整流环节分散整流供电而言，使得消耗在交流转换为直流环节上的能量大为减少，节省了能量的消耗；

2）可以实时将载客量较大时下行扶梯产生的能量，通过直流母线传递给上行扶梯使用，并可通过电源模块将多余的能量回馈到电网；

3）省掉了各个变频器的进线电抗器、整流环节、制动单元和制动电阻等设备，只增加了1～2个较大的电源模块，总体上节省了投资，减少了占地面积、设备的维护量及设备故障点，提高了设备的整体控制水平；

4）集中供电使得所有电机模块的直流母线电压一样，而且由于母线容量更大，直流电压比单台变频器的直流环节电压更稳定，使传动系统的抗干扰性能提高；

5）考虑到电力电子技术的发展，目前采用IGBT构成的可调节型电源模块已被广泛应用，这种电源模块产生可调节的共直流母线电压，避免了电源电压波动所造成的影响，提高了供电的可靠性；

6）由IGBT构成的、采用有源前端技术的可调节型电源模块也可从供电系统中提取近似正弦波电流，并基本不会引起电网供电线路中的电流谐波失真，使地铁站的传动系统的谐波得到有效控制。从而改善了地铁站的供电品质，使其他用电设备的使用寿命和可靠性增加；

7）采用共直流母线方案为降直流母线电压运行提供了可能性。

同时，与传统地铁站内的变频调速传动系统相比，共直流母线供电的传动系统也具有以下缺点：

1）通常，只有载客量较大时，下行扶梯才处于发电状态。在空载时，下行扶梯仍需要电网馈电。因此对于比较偏僻，客流量较少的地铁站，相对于传统的变频调速传动系统而言，节能效果可能并不显著；

2）采用共直流母线方案会造成部分电机的电缆较长，因此应采取必要的措施以避免由此造成的干扰问题；

3）采用共直流母线方案一般需要电机的驱动装置集中放置，不如各个变频器独立驱动电机灵活、简单。

随着电力电子技术的飞速发展以及可再生能源发电的兴起，直流配电技术再次受到人们的关注［9－10］。可考虑将电机模块靠近电机放置，通过直流限流电抗器和较长的电缆连接到直流母线，这样就可消除电机电缆较长和不够灵活、简单的缺点。此尚有待研究。

6 结论

将公共直流母线供电技术引入扶梯节能控制系统设计，可以实现扶梯上行和下行的统一控制，下行扶梯的再生能量被上行扶梯实时利用或者将多余的能量反馈到电网。一周节能运行模式可实现自动扶梯的平滑、稳定运行以及能量的充分利用，在传统变频调速节能的基础上进一步提升了节能空间，达到理论上最大节能运行效果。这一技术将在地铁站自动扶梯的控制领域有广阔的应用前景。

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