游乐设施常用电气基础知识
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游乐设施常用电气基础知识
游乐设施的电气设备和控制系统是设备的动力能源和指挥控制中心，直接关系到游乐设备能否安全、正常、可靠的运行，游乐设备制造单位、经营管理人员和检验人员都应对此予以足够的重视。游乐设施运行中，一旦其电气设备或控制控制部分发生故障，将直接影响到游乐设备及整个游乐园的设备运行，甚至发生对乘客人身安全与健康造成危害，对整个游乐园的经营都将产生不良影响。所以，游乐设备的电气设备和控制必须能够保证游乐设备安全、正常、可靠的运行。
游乐设施的工作环境一般在户外游乐场，经常在高温、低温、多尘、风、霜、雨、雪等条件下运行或放置，工作状况又是断续的，时开时停，电动机经常处于频繁起动、制动、反转工作状态，节假日与平日乘客人数相差很大，负载变化也较大，时而轻载、偏载、满载，有时也会承受超载（一般不超过15%满载），连续运行时间有时也会很长，因此游乐设施的电气设备和控制系统的设计与配置必须考虑适应上述工作特点。作为一名检验员必须了解一些基本的电气知识。
1、正弦交流电
图2-150 正弦交流电
（1）正弦交流电的电流电压
我们平时用的工业用电大部分是正弦交流电，如图2-150所示，其可表达为
i(t)=Imsin(ωt+ψ)，式中i(t)表示电流的瞬间值，Im为电流的最大值（幅值）；ω为电流变化的角频率；ψ为初相位。正弦交流电变化一个循环所需时间称为周期T，单位（s）。电流每秒钟变化的次数称为频率f，单位为赫兹（Hz）。周期与频率互为倒数。正弦量的角频率ω=2π/T=2πf。
周期性电压、电流的有效值是根据（或功率）等效的概念来定义的。电流有效值为
(2-1)
式（4-1）中有效值I等于瞬时值的二次方在一周期内的平均值再取平方根，故有效值又称方均根值。同理，周期性变化的电压有效值为
(2-2)
当周期性电压、电流为正弦变化时，I=Im，U=Um/。电气工程上的正弦电压、电流值均指其有效值。
（2）正弦交流电的功率
一周期内电路吸收的平均功率，也称为有功功率，其值为
= (2-3)
式(4-3)中U、I为负载端电压和电流的有效值；为端电压与电流在关联方向下的相位差；称为功率因数，也成为功率因素角。
电路吸收的无功功率为
(2-4)
无功功率单位为伏安，简称乏（var）。
额定电压和额定电流的乘积称作视在功率，其定义为S=UI，视在功率的单位为（V.A）或千伏安（kVA）。
有功功率、无功功率和视在功率之间的关系为
； (2-5)
2、负荷电流计算
（1）常规电路
计算常规负载的负载公式为
(4-6)
式中：P是有功功率（W）；
k是系数，其数值为：
1，当为单相系统或直流系统时；
，当为三相系统时；
Ur是额定电流（V）（对于三相系统，它是线电压，对于单箱系统，它 是相电压）；
是功率因素。
（2）照明电路
由照明系统吸收的电流可以从照明设备样本中得到，或使用下列公式近似计算：
(4-7)
式中 PL是灯的功率（W）；
nL 是每相灯的数量；
kB是系数，其数值为：
1，当灯无需任何辅助启动器时；
1.25，当灯需要辅助启动器；
kN是系数，其数值为；
1，当为星形连结的灯时；
，当为三角形连结的灯时；
UrL是灯的额定电压；
是功率因素，其数值为：
0.4，当灯无补偿时；
0.9，当灯有补偿时；
3、供配电系统
（1）负荷分级及供电要求
A负荷分级
根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成的损失或影响的程度，电力负荷分为三级。
一级负荷：
中断供电将造成人身伤亡的负荷。
中断供电将造成重大政治、经济损失的负荷。例如重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、有害物质溢出严重污染环境、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等。
中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位正常工作的负荷。例如重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场、经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。
在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。例如在工业生产中正常电源中断时处理安全生产所必须的应急照明、通信系统、保证安全停产的自动控制装置等，民用建筑中大型金融中心的关键电子计算机系统和防盗报警系统、大型国际比赛场（馆）的记分系统及监控系统等。
二级负荷：
中断供电将在政治、经济上造成较大损失的负荷。例如主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。
中断供电将影响重要用电单位正常工作的负荷。如交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱的负荷。
三级负荷：
不属于一级和二级的电力负荷。
由于各行业的一级负荷、二级负荷很多，规范只能对负荷分级作原则性规定，具体划分需在行业标准中规定。
B、负荷对供电电源的要求
一级负荷对供电电源的要求：
一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。
一级负荷容量较大或有高压用电设备时，应采用两路高压电源。一级负荷容量不大时，可采用从电力系统取得第二低压电源，亦可采用柴油发电机组等，以维持继续供电。
一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源
二级负荷对供电电源的要求：
二级负荷应由两个电源供电，即应由两回线路供电，供电变压器亦应有两台（两台变压器不一定在同一变电所）。做到当发生电力变压器故障或电力线路常见故障（不包括铁塔倾倒或龙卷风引起的极少见的故障）时，不致中断供电或中断后能迅速恢复。在负荷较小或地区供电条件困难时，可由一路6kV及以上专用架空线供电；当采用电缆线路时，应采用两根电缆组成的电缆段某某，其每根电缆应能承受100%的二级负荷；为了解决线路和变配电设备的检修以及突然停电后，设备能安全停产问题，设备可用小容量柴油发电站，其容量由实际需要确定。
（2）供配电系统设计要则
供配电系统设计应根据工程特点、规模和发展规划正确处理近期和远期发展的关系，做到远近期结合，以近期为主，适当考虑发展的可能，按照负荷的性质、用电容量、地区供电条件，合理确定设计方案。
根据负荷分级、用电容量和地区供电条件，选择供电电源、确定供电回路数。
符合下列情况之一时用电单位宜设置自备电源。
需要设置自备电源作为一级负荷中特别重要负荷的应急电源时，或 第二电源不能满足一级负荷要求的条件时。
设置自备电源较从电力系统取得第二电源经济合理时。
常年稳定余热、压差、废气可供发电，技术经济合理时。
所在地区偏僻或远离电力系统，设置自备电源经济合理时。
应急电源与正常电源之间必须采取防止并列运行措施（机械连锁、电气连锁）。目的在保证应急电源的专用性，更重要的是防止向系统反送电。
在设计供配电系统时，除一级负荷中特别重要负荷外，不应考虑电源系统检修或故障的同时，另一电源又发生故障。
需要两路电源线路的用电单位，宜采用同级电压供电。但根据各级负荷的不同需要及地区供电条件，亦可采用不同级电压供电。
有一级负荷的用电单位难以从地区电力网取得两个电源而有可能从临近单位取得第二电源时，宜从该单位取得第二电源。
同时供电的两回及以上供配电线路中，一回路中断供电时，其余线路应能满足全部一级负荷及二级负荷的用电需要。供电系统应简单可靠，便于操作管理。同一电压供电系统的变配电级数不宜多于两级。
总变电所和配变电所宜靠近负荷中心。当配电电压为35kV时，且用电负荷均为低压又较集中，亦可将35KV直降至220/380V配电电压。
为提高供电可靠性和符合节约用电、检修用电的需要，在用电单位内部邻近的变电所之间宜设置低压联络线。
小负荷的一般用电单位宜纳入地区低压电网。
对冲击性负荷 ( 电弧炉、弧焊机、电焊机组等 ) 的供电需要降低冲击性负荷引起的电网电压波动和电压闪变 ( 不包括电动机起动时允许的电压下降 ) 时，宜采取下列措施：
采用专线供电。
与对电压不敏感的其他负荷共用配电线路，以加大导体截面、降低线路阻抗。
较大功率的冲击性负荷或冲击性负荷群与对电压波动、闪变敏感的负荷分别由不同的变压器供电。
j)控制各类非线性用电设备 ( 整流器等 ) 所产生的谐波引起的电网电压正弦波形畸变率，宜采取下列措施 :
各类大功率非线性用电设备变压器由短路容量较大的电网供电。
对大功率静止整流器，应采取提高整流变压器二次侧的相数和增加整流器的整流脉冲数的措施。多台相数相同的整流装置，应使整流变压器的二次侧有适当的相角差。
按谐波次数装设分流滤波器。
低压配电系统
a、电压选择
50Hz 交流低压设备的额定电压和系统标称电压见下表
名 称
电 压（AC V）
三相受电设备的额定电压和系统标称电压
36 42 100 127 220/380 380/660
三相供电设备的额定电压
36 42 100 133 230/400 400/690
单相受电设备的额定电压
6 12 24 36 48 100 127 220 380
单相供电设备的额定电压
6 12 24 36 48 100 130 230 400
50Hz 主流低压设备的额定电压和系统标称电压
b、带电导体系统的型式选择
带电导体系统的分类带电导体是指正常通过工作电流的导体，包括相线和中性线（N线及PEN线），但不包括PE线。带电导体系统根据相数和带电导体根数来分类。我国常用的带电导体系统的型式有三相四线制、三相三线制和单相两线制，有时也用两相三线制；此外，在 IEC 标准中还有单相三线、三相五线制等。
接地系统的分类
接地系统分类的根据是电源点的对地关系和负荷侧电气装置的外露导电部分的对地关系。电气装置是指所有的电气设备及其间相互连接的线路的组合。外露导电部分是指电气设备的金属外壳、线路的金属支架、套管及电缆的金属铠装等。
接地系统的型式有TN、TT、IT三种系统。TN系统按 N 线 ( 中性线 ) 与 PE 线 ( 保护 线 ) 的组合情况还分 TN-S、TN-C-S和IN-C 三种系统。
c、低压电力配电系统
基本属则
低压电力配电系统应根据工程性质、规模、负荷容量等因素综合考虑。应满足生产和使用所需的供电可靠性和电能质量的要求 , 同时应注意接线简单 , 操作方便安全 , 具有一 定灵活性 , 能适应生产和使用上的变化及设备检修的需要。
自变压器二次侧至用电设备之间的低压配电级数不宜超过三级。
在正常环境的车间或建筑物内 , 当大部分用电设备容量不很大 , 又无特殊要求时 , 宜采用树干式配电。
当用电设备容量大，或负荷性质重要，或在潮湿、腐蚀性环境的车间、建筑内 , 宜采用放射式配电。
当一些容量很小的次要用电设备距供电点较远 , 而彼此相距很近时 , 可采用链式配 电。但每一回路链接设备不宜超过 5 台、总容量不超过 1OKW 。当供电给小容量用电设备的 插座时 , 每一回路的链接设备数量可适当增加。
d、应急电源
应急电源种类
独立于正常电源的发电机组：包括应急燃气轮机发电机组、应急柴油发电机组。快速自起动的发电机组适用于允许中断供电时间为 15s 以上的供电。
UPS 不间断电源。适用于允许中断供电时间为毫秒级的负荷。
EPS 应急电源。一种把蓄电池的直流电能逆变成交流电能的应急电源。适用于允许中断供电时间为 0.25s 以上的负荷。
有自动投入装置的有效地独立于正常电源的专用馈电线路。适用于允许中断供电时间 1.5s 或 0.6s以上的负荷。
蓄电池。适用于容量不大的特别重要负荷，有可能采用直流电源者。
4、电线电流的估算
为了正确计算电缆的尺寸，必须：根据环境选择电缆类型和安装方法；根据负载电流选择截面积；验证电压降。
未埋地安装：按电缆载流能力和安装方式来选择截面积。使用下列公式获得未埋地电缆的载流能力：
Iz=I0K1K2=I0Ktot
式中：I0是单根导线在参考环境温度为30℃时的载流能力；
K1是环境温度不等于30℃时的校正系数；
K2是束装或层状安装的电缆校正系数或安装在多个支架上单侧电缆的校正系数
直埋安装：按电缆载流能力和安装方式来选择截面积。使用下列公式获得未埋地电缆的载流能力：
Iz=I0K1K2K3=I0Ktot
式中：I0是单根导线在参考环境温度为20℃时的载流能力；
K1是环境温度不等于20℃时的校正系数；
K2是相邻电缆的校正系数；
K3是土壤热阻系数与不同于参考（2.5km/W）时的校正系数。
（三）电气控制系统与控制模式
1、电气控制系统的发展现状
作为游乐设施的一部分，电气控制系统好像整个设备的大脑，在游乐设施的运行过程中，由它来“指挥”其他部件“做什么”、“什么时候做”、“怎么做”。电气控制系统和控制模式的先进与否直接关系了游乐设备的舒适、安全，进而影响到***在市场上的竞争力。
国际上先进的游乐***，例如瑞士的Intamin、荷兰的Vekoma、德国的Huss、美国的S&S等，已经采用了自动化程度很高的控制系统，不但是用了PC机对设备进行控制，还有些设备还通过互联网被连接到厂家的服务器上，这样厂家可以实时采集运行数据，并对其进行分析处理。相比之下，国内很多厂家所采用的控制系统还是非常初级的，大多是由操作员进行全程操作，很少涉及自动控制，更没有形成网络化。由于国内一些厂家起点低、技术底子薄，又多生产小型、低级别游乐设施，这种现状还是很难在短时间内改善的。
2、电气控制模式
（1）全人工控制
此类游戏机多为电气结构比较简单。控制面板上只有“电源”、“启动”、“停止”等基本功能，且完全由操作员手动操作或定时控制方式，没有任何电气装置介入到控制过程中。由于这样的模式控制精度低，人为造成的事故可能性大，因此只能应用于低级别、运行形式单一的游乐设施。
图2-188 电气控制流程图
（2）监控电路辅助人工控制
国内大部分游乐设施所采用的控制模式。在结构较复杂、危险程度较高的大型游乐设施上加装接近开关和限位开关，通过它们的逻辑关系来提示或/和限制操作员进行下一步操作。这样可以提高操作精度，进而有效地避免由于操作失误引起的事故，也能减少操作人员的劳动强度。而且从厂家角度来看，这些低压电器并不会增加太多制造成本。
图2-189表示了一个基本的监控电路辅助人工控制模式流程图。监控电路通过各类开关、传感器接收来自游乐设施各关键部位及各关键运行环节的信号，再由此电路的逻辑关系向操作员发出提示，同时如果操作员进行了误操作，此电路还可以通过连锁装置对错误信号进行屏蔽。
图2-189 人工控制模式流程图
（3）PLC电路/PC自动控制
虽然在监控电路辅助人工控制模式中，电气元件和逻辑控制已经得到了应用，但是归根结底还是有人来主导。随着科技的发展，电子技术的广泛应用，国外很多先进的设计方案已经将人员监控电脑自动控制采用到游乐设施中，尤其是高速度、高危险系数的设备，如大型多车过山车等。电脑在这些设备中可以完全操控设施的正常运转、故障检测、故障代码提示；而操作员只需要对设备及电脑的运行情况进行检测、对故障进行检修即可。
近年来更为先进的自动控制概念已经引入到游乐设备设计中，图2-190中的控制模式采用了控制+监控的结构。相同的设备运行状态信号分别传送到两个PLC或PC中，其中一个自控模块负责根据所采集的信号发出控制指令来控制游乐设施；另一个自控模块是验证这个指令是否正确，并决定是否向设施发出此指令。当遇到故障时，自控模块会尽可能短时间内停止设备运行同时向操作人员进行报警并分析故障、显示故障代码。通常情况下，控制模块和监控模块分别采用不同频率的CPU，这样可以有效避免干扰信号对整个控制系统的影响。
图2-190
出于节约成本和技术成熟角度的考虑，国内大多数厂家还尚未采用先进的控制模式；然而当面对强大的国际竞争对手和广阔的国际市场的时候，我们的企业应该生产出高质量、高科技含量、高产品附加值的设备。如何提高控制系统的自动化程度就成了一个需要迫切解决的问题。
(五)、其它事项
游乐设施是一种机电一体化的产物，跟其他机电设备一样，科学极大促进了高新技术的进步，其特点是科技含量提高，成某某、电、光、液等多种技术集成的复杂的机械系统。
设备的系统安全是指从人的需要出发，在使用的全过程的各种状态下，使人的身心免受外界因素危害的存在状态和保障的条件。游乐设备安全性是指额定的使用条件下，执行其预定的功能时，在任何状态下，不产生损伤或危害健康的能力。
1、游乐设备的组成规律和工作原理
了解设备的组成规律和实现使用功能的工作原理，是搜集设备基础信息程序的要求，这些信息对于确定设备作业的危险区，分析工艺过程中人员暴露危险作业区的时间和频次，以及作业人员介入的操作方式和性质，从而进行危险的识别、安全风险评价，以及采取针对性安全管理措施和提出技术改进建议都是极为重要的，这也是安全工作者的专业技能基本功之一。
虽然游乐设备不同的种类系列，它们的组成结构差别很大，但是我们必须从机械的最基本的特征入手，把握游乐设备的组成的基本规律。其组成结构图2-191如下：
图2-191 机械组成结构图
2、实现游乐设备安全的途径与电气控制措施的原则
（1）采取本质安全技术
本质安全技术是指利用该技术进行设备预定功能的设计和制造，不需采用其他安全防护措施，就可以在预定的条件下执行设备预定功能，满足设备自身的安全要求。
游乐设备本质安全应包括：
a、理结构形式；
b、制机械应力以保证足够的抗破坏能力；
c、采用本质安全工艺过程和动力源；
d、控制系统的安全设计；
e、材料和物质的安全性
（2）实现游乐设备安全的途径
游乐设备是一种典型的机电一体化系统（产品），应该从整体系统出发，一方面要求设计机械系统时，应选择好与控制系统的电气参数相匹配的机械参数，同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有参数来选择和确定电气参数，使二者紧密结合、相互协调、相互补充、充分体现机电一体化的优越性。特别是对于那些由于结构或制造工艺无法用机械手段完全保证设备安全的系统，可以通过电气检测、控制，使设备达到本质安全。
（3）游乐设备本质安全技术中电气与控制
a、设施采用安全电源
电气部分应符合有关电气安全标准要求，例如：具有最大额定电压或失效情况下的最大电流与具有较高电压的电路分开或隔离；具有保护电路或漏电保护装置；加强带电体的绝缘；游客手动控制或容易接触的部分，采用特低电压等级；预防电击、短路、过载XX电的危险。
b、 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 制功能）
机电传动控制系统的核心是信息处理与控制。机电传动控制系统的各个部分必须以控制论为指导，由控制器（继电器、可编程控制器、微处理器、单片机、计算机等）实现协调与匹配，使整体处于最优工况，实现相应的功能。在现代机电一体化产品中，机电传动系统中控制部分的成本已占总成本的50%，特别是近年来微电子技术、计算机技术的迅速发展，目前，越来越多的控制器使用具有微处理器、计算机的控制系统输入/输出、通信功能越来越强大。
从机电一体化系统功能来看，人体是机电一体化系统最完美的参照物，其对应关系如表
机电一体化系统装置
功能
人体构成要素
控制器（计算机等）
控制（信息存储、处理、传递）
头脑
传感器
检测（信息收集与变换）
感官
执行部件
驱动（操作）
四肢
动力源
提供动力（能量）
内脏
机械本体
支撑与连接
躯干
构成要素与人体构成要素的对应关系表
从设备机电一体化系统5个组成部分在工作时相互协调，共同完成所规定的目的功能。在结构上，各组成部分通过各种接口及其相应的软件有机地结合在一起，构成一个内部匹配合理、外部效能最佳的产品。
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