自动扶梯制动电阻箱匹配问题分析

自动扶梯制动电阻箱匹配问题分析
佚名
【摘要】结合深圳地铁部分自动扶梯在运行中出现的制动电阻箱表面温度过高问题，对制动电阻的作用、高温问题产生的原因以及相应的整改措施进行了详细地阐述，并给出了制动电阻阻值与功率进行匹配的计算方法，将电阻箱整改后的散热效果进行了验证，为自动扶梯制动电阻箱匹配问题提供了参考与借鉴。

【期刊名称】《技术与市场》
【年(卷),期】2013(000)007
【总页数】2页(P70-71)
【关键词】自动扶梯;制动电阻;匹配;计算
【正文语种】中文
0 引言
近年来,深圳地铁客流量较大的老街站、少年宫站、布吉客运站等站点的自动扶梯都出现了电阻箱高温冒烟的现象,最高的电阻箱表面温度甚至达到130 ℃。

这种现象不仅引起了乘梯者的恐慌,也成为了引发火灾的安全隐患之一。

自动扶梯电阻箱高温问题在全国都普遍存在,因此,必须要对扶梯制动电阻箱进行整改,做好制动电阻箱的匹配问题,以降低电阻箱表面温度,消除潜在高温引起火灾的危险,保障人们的出行安全。

1 制动电阻的作用
制动电阻可以将电机产生的电能以热能的形式消耗掉。

在电力工程中,主要使用的
波纹电阻和铝壳电阻。

波纹电阻是以陶瓷管作骨架,用波纹状的合金电阻丝绕在骨
架上而成,表面有耐高温的涂层,散热性好,电阻丝不易被氧化,使用寿命相对较长;而
铝壳电阻是用镍铁等合金电阻线绕在无碱性耐热瓷件上,表面有散热沟槽,而且铝壳
能较好地散热冷却电阻。

制动电阻主要有两个作用。

1.1 保护变频器
电机在快速停车过程中会产生大量的再生电能,如果这部分电能不能及时被消耗,变
频器的直流电路就会受其影响,导致变频器发生故障甚至损坏。

而制动电阻则可以
用来消耗掉这部分电能,对变频器起到一定的保护作用。

1.2 保证电源网络正常运行
制动电阻可以把电机制动产生的电能转化为热能形式消耗掉,从而避免了电能作用
到电源网络中,能够有效防止电网电压的波动,起到了保证电源网络正常运行的作用。

2 制动电阻箱表面温度过高的原因与整改措施
从制动电阻的作用中可以看出,制动电阻将电能转化为热能,必然会引起温度的升高,像深圳地铁中的自动扶梯电阻箱达到130 ℃的高温,必然有其内在的原因。

下面对制动电阻箱表面温度过高的原因进行分析,并提出相应的改善措施。

2.1 制动电阻箱表面温度过高的原因
①由于扶梯在满载下行时电机处于制动发电的状态,电机产生的再生电能不能直接
由变频器反馈回供电电网,而是以热能的形式消耗在制动电阻上。

②制动电阻箱一
般为波纹电阻,IP 防护等级较高,加上扶梯空间有限,制动电阻箱不能做得很大,因此,
散热性能较差。

当扶梯客流量较大下行时,制动电阻由于长时间大功率发热,产生的
热量无法及时散发,热量的积累使得电阻表面温度过高,燃烧电阻表面油漆,产生冒烟现象。

③扶梯制动电阻的通风散热措施较少,致使电阻箱散热较慢,热量逐渐累积而
使表面温度不断升高。

2.2 整改措施
2.2.1 改变电阻本身防护等级
改变电阻的防护等级可以有效地改变电阻箱的散热性能。

比如可以将波纹电阻改为铝壳电阻,利用铝壳电阻表面具有散热沟槽、体积小、功率大以及耐高温的特性来防止电阻箱表面温度过高,而且铝壳电阻与波纹电阻在散热程度上相比有一定的优势,铝壳电阻中的铝有冷却的作用,可以在一定程度上为电阻箱降温。

2.2.2 加大电阻功率,扩大散热面积
通过加大电阻的功率,达到扩大散热面积从而加快散热的目的。

加大制动电阻的功率,实际上是增加了电阻的数量,当电机产生相同的热量时,分配到每条电阻的功率就相对较低,也就是通过增加制动电阻的散热面积来加强散热,从而有效地控制制动电阻及电阻表面温度的上升。

2.2.3 强制通风散热措施
①安装小型对流风扇进行换气,迫使电阻箱快速散热和降温,但要注意确保风扇的散热良好,以免影响散热效果;②直接在电阻箱表面打孔,增加散热,但要注意加强防尘防水工作;③通过改变制动电阻所在的位置来加强散热,比如将制动电阻由上机舱更改至扶梯梯路中间的倾斜段,以便热量有效扩散。

2011年7 月深圳地铁老街站两台提升高度12.2 m的下行扶梯的制动电阻按上述方案更改了位置之后,人流高峰时观测未出现电阻冒烟现象,可见强制通风措施的效果也较为明显。

3 制动电阻阻值与功率的匹配问题
参考丹佛斯变频器应用手册,通过计算来对制动电阻阻值与功率进行匹配,制动电阻选型设计的计算如下：
3.1 制动电阻的计算
根据地铁特殊情况的应用,制动电阻的选择按照额定制动转矩100%时持续制动的方式,并且考虑到过载的情况。

制动电阻阻值的大小决定了该变频器的制动转矩的大小,当母线制动电压一定时,电阻的大小决定了制动电流的大小,因此,决定了制动转
矩的大小。

所以,制动电阻阻值的计算非常重要。

根据电工学定律,同样可以计算出制动电阻的阻值,公式
如下：
其中：
Rbr为制动电阻
UDC为直流电压380×1.732=658.16 V
Pbr为制动功率,以变频器100%额定输出轴功率
η为综合效率,一般取0.9
以30 KW 变频器为例：
Rbr=(UDC)2/(Pbr×η)=433175/(30000×0.9)=16Ω
理论计算结果和丹佛斯推荐的制动电阻值与计算公式完全吻合。

根据丹佛斯提供的计算公式：
其中Ppeak=Pmotor×Mbr×ηmotor×ηVLT[W]
ηmotor一般取0.9,ηVLT一般取0.98
同样可以计算制动阻值的大小,但该计算方法首先要了解制动电压,这里的制动电压与上面的直流母线电压不同,需要制动时,母线电压偏高才能制动,丹佛斯的取值是778 V,如表1 所示。

表1 不同规格变频器的制动电压表
同样以30 kW 计算制动电阻：
因此,按照丹佛斯的推荐值,30 KW 选用15Ω制动电阻。

3.2 制动电阻功率的计算
根据公式Ppeak=Pmotor×Mbr×ηmotor×ηVLT[W]
以30 kW 为例：
30000×0.4×0.9×0.98=10.58(kW)
考虑到扶梯的特殊工作环境和连续工作制,给一定的放大倍数,将制动电阻的阻值不变,功率放大50%：
10.58 ×(1+50%)=15.9(kW)
计算结果也与丹佛斯推荐的电阻功率值相吻合。

因此,可以完全采用丹佛斯推荐的电阻配置表中的阻值与功率进行匹配。

4 整改后电阻箱的散热效果验证
为加强散热,我们对电阻箱进行整改,使用电阻等距离间隔排放,从而扩大散热面积与散热效率。

以30 KW 变频器配置的电阻箱为例,电阻选用15Ω16 kW IP54 制动电阻,由8个7.5Ω/2 kW 电阻组合而成。

单个制动电阻长度为700 mm,且为带有散热片的高效散热电阻。

单个制动电阻表面积为0.34 m2,总面积为2.72 m2,如图1 所示。

图1 整改后电阻箱示意图
制动电阻散热有两种方式,即对流散热和辐射散热。

在选择对流换热系数时,要选择强制对流的下限,同时要高于大空间自然对流换热系数的上限,我们选择(30
W/ ℃m2)。

根据对流换热计算公式：
其中：
Q 为需要散出的热量
h 为换热系数
A 为散热面积
Th为制动电阻的表面温度
Tc为制动电阻箱的温度(实际为对流后空气的温度)
根据实际要求,电阻箱的表面温度不超过85 ℃,每只电阻的实际散热面积为0.34 m2,则8 只电阻总散热面积为2.72 m2。

将数值代入公式：16000 =30×2.72×(Th-85)
同时制动电阻还有一部分热量由辐射方式散发。

由斯蒂芬-波尔兹曼定律可知电阻块的热辐射能力为：
E =C0(T/100)4
其中C0为黑体辐射系数,C0=5.67 W2/(m2×K4)
代入公式：
取制动电阻黑度为0.4,总面积为2.72m2,可计算辐射热量为：
由以上两个公式可以计算出电阻的表面温度：
16000 -E =81.6 ×(Th-85)解得Th=231.8 ℃
当全额满负荷下降时,制动电阻的表面温度可达到231.8 ℃,制动电阻箱表面温度为85 ℃;如果制动功率小,温度可进一步下降。

【相关文献】
[1]连鹏飞.深圳地铁2号线制动电阻设置浅析[J].城市轨道交通,2007(3).
[2]曲海波.通用变频器外接制动电阻的参数选择[J].电气应用,2008(27).
[3]于春梅.电梯制动电阻功率和电阻的计算及应用[J].东方企业文化,2012(18).
[4]周晓非.一种新颖的制动电阻过热保护装置[J].电力电子,2005(5).。