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电梯vvvf电机控制系统概述

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发表于 2021-3-29 21:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

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随着生产的发展和城市的崛起,电梯越来越接近我们的工作和生活。电梯作为一种垂直方向上的运输工具,广泛地进入了宾馆、仓库、住宅等场合,现代电梯在可靠性、速度、舒适、豪华等方面的要求越来越高。电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著,因此必须努力提高电梯系统的性能,保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。  

1949年出现了群控电梯;1962年美国出现了半导体逻辑控制电梯;1967年晶闸管应用于电梯,使电梯拖动系统大为简化,性能得到提高;1971年集成电路用于电梯;1975年出现了电子计算机控制的电梯,电梯控制技术真正使用了微电子技术和软件技术,进入了现代电梯群控系统的发展时期。  

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名词解释:晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称,又可称做可控硅整流器,以前被简称为可控硅;1957年美国通用电器公司开发出世界上第一晶闸管产品,并于1958年使其商业化;晶闸管是PNPN四层半导体结构,它有三个极:阳极,阴极和门极;晶闸管工作条件为:加正向电压且门极有触发电流;其派生器件有:快速晶闸管,双向晶闸管,逆导晶闸管,光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件,在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示(旧标准中用字母“SCR”表示)。晶闸管具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

晶闸管是由四层P型和n型材料交替构成的固态半导体器件。它仅作为一个双稳态开关,当栅极接收到电流触发器时导电,并继续导电,直到整个器件的电压反向偏置,或直到电压消除为止。

在这以后,发达国家出现了变压(即VVVF)交流电梯,最高速度可达到12.5m/s以上,从而开辟了电梯电力拖动的新领域,结束了直流电梯占主导地位的局面。  电梯发展到今天,已经成为一个典型的变频系统工程和机电一体话产品,并复合了多种先进技术。直流电动机由于其调速性能好,很早就用于电梯拖动上。采用发电机—电动机形式驱动,可用于高速电梯,但其体积大、耗电大、效率低、造价高、维护量大。晶闸管直接供电给直流电动机系统在电梯上应用较晚,需要解决低速段的舒适感问题。与机组形式的直流电梯相比,可以节省占地面积35%,重量减轻40%,节能20%~30%。世界上最高速度10m/s的电梯就是采用这种驱动系统,其调速比达1:1200。  1983年第一台变压变频电梯诞生,性能完全达到直流电梯的水平。它具有体积小、重量轻、效率高、节省电能等一系列优点,是现代化电梯理想的电力驱动系统。由于电梯桥箱是沿垂直方向作上下直线运动,更理想的驱动方案是交流直线电动机驱动系统,从而省去了由旋转运动变为直线运动的交换机构。  

1989年诞生了第一台交流直线电动机变频驱动电梯,它取消了电梯的机房,对电梯的传统技术作了重大的革新,使电梯技术进入了一个崭新的时期。由于晶闸管调压调速装置的一些固有缺点,使其调速范围不够宽,调节不够平滑,特别是在低速段时不平稳,舒适感与平层精度不够理想,难以实现再生制动等。如果均匀地改变定子供电电源的频率,则可平滑地改变交流电动机的同步转速。在调速时,为了保持电动机的最大转矩不变,需要维持气隙磁通恒定,这就要求定子电压也随之作相应调节,通常是保持v/f=常数。

   因此要求向电动机供电的同时要兼有调压与调频两种功能,通常简称VVVF型变频器,用于电梯时常称为VVVF型电梯,简称变频电梯。  我国电梯控制系统主要有三种方式:继电器控制系统、微机控制系统和PLC控制系统。其中PLC控制系统以其显著的优点成为电梯控制系统的主流。八十年代初投入使用的电梯大部分采用继电器控制、交流调速方式,这类电梯普遍存在起动电流大、调速性能差、结构复杂、舒适感差、能耗大等问题,加之使用年限较长、电梯零部件残旧老化、故障频繁、配件缺乏等原因,我们提出了采用VVVF变频调速器将该类电梯改造成VVVF型电梯。从一九九七年底至一九九八年底,利用可编程控制器(PLC)与VVVF变频器结合, PLC控制系统主要有双速电梯系统和变压变频调速系统,后者通过改变电机供电的电压和频率,平滑调节电梯速度,可以获得更好的乘坐舒适感,它平层精度高,并具有显著的节能效果,保障了电梯的可靠性。  为了充分发挥PLC的内部资和功能,应尽量减少其输入信号的点数,简化硬件线路,提高电梯运行的可靠性。在电梯运行的关键问题是如何检测电梯在井道中的相对位置,以往都采用在井道中不同的位置设置干簧感应器来检测减速、平层位置。这样不但使PLC的输入点数增加,而且还增加了在井道中的安装作业强度。而利用旋转编码器将电梯的运动位置转化为脉冲,PLC对此脉冲进行高速计数,通过相应的计算自动生成电梯位置的有关数据,控制电梯的减速、平层,对于层站数越多的电梯,越能体现出利用旋转编码器的优点。  

在对中、低速电梯主要采用拖动系统来构成其曳引系统,应用变极方式实现电机的调速。因为种系统只能实现有级调速,无法对电机的转速和加、减速进行准确的控制,所以此方式的舒适感和平层精度都较差。后来又采用交流调压调速控制的电梯,进行速度闭环控制,其舒适感和平层精度都有较大提高,但它却很难实现精确控制,并且能耗大,输入功率因数也低,影响了系统的整体性能。对于高速电梯,过去主要采用晶闸管直流调速系统,存在维护难等问题,并且调速系统的功率因数也不高。与前述方式相比较,变频调速则是各种调速方法中效率、性能均较好的一种。因此,简化电梯的硬件电路,提高电梯运行的可靠性,彻底解决了原电梯存在的各种问题,达到了预期目的。


1.1 电梯的基本结构简介 电梯是机与电紧密结合的复杂产品,其基本组成包括机械部份和电气部份,从空间上一般划分为以下几部份:  

机房部分  包括电源开关、曳引机、控制柜(屏)、选层器、导向轮、减速器、限速器、极限开关、制动抱闸装置、机座等。 井道部分  包括导轨、导轨支架、对重装置、缓冲器、限速器张紧装置、补偿链、随行电缆、底坑及井道照明等。  

层站部分  包括层门(厅门)、呼梯装置(召唤盒)、门锁装置、层站开关门装置、层楼显示装置等。  

轿厢部分  包括轿厢、轿厢门、安全钳装置、平层装置、安全窗、导靴、开门机、轿内操纵箱、指层灯、通讯及报警装置等。  

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1.2  采用电梯曳引机方案 电梯的核心部分是它的传动系统。电梯曳引驱动系统对电梯的起动加速、稳速运行和制动减速起着控制作用,其性能直接影响电梯的起动、制动、加减速度、平层精度和乘坐舒适性等指标。目前电梯曳引电动机以感应电动机为主,其驱动技术经历了从继电器控制的双速驱动到可编程序控制的调压调速驱动,进而到微机控制的调频调压及矢量控制驱动。电梯曳引机作为驱动电梯的动力源,主要采用电机配以减速器的传动方式。   曳引驱动是采用曳引轮作为驱动部件。钢丝绳悬挂在曳引轮上,一端悬吊轿箱,另一 端悬吊对重装置,由钢丝绳和曳引轮之间的摩擦产生曳引力驱动轿厢作上下运行。  电梯曳引机的主要组成部分有:曳引轮、曳引绳、导向轮、反绳轮等。  

1.2.1  曳引机  曳引机是电梯的主要拖动机械,它驱动电梯的轿厢和对重装置作上、下运动。其组成部分主要有:曳引机动机、制动器、减速箱、曳引轮和底座。根据需要,有的曳引机还装有冷却风机、速度反馈装置(光码盘)、惯性轮等。根据电动机与曳引轮之间是否有减速箱,可分为有齿曳引机和无齿曳引机 曳引机具有以下主要性能:  (1) 具有能重复短时工作、频繁起、制动及正、反转运转的特性。  (2) 具有能适应一定的电源电压波动,有足够的起动力矩,能满足轿箱满负荷起动, 加速迅速的特性。 (3) 具有起动电流小的特性。  (4) 具有发电制动的特性,能由电动机本身的性质来控制电梯在满载下行或空载上 行时的速度。  (5) 具有较硬的机械特性,不会因电梯运行时负荷的变化造成电梯运行速度的变 化。  (6) 有良好的调速性能。  (7) 运转平稳、工作可靠、噪音小及维护简单。  

1.2.2  减速器  对于有齿轮曳引机,在曳引电动机转轴和曳引轮轴之间安装减速器(箱),目的是将电动机轴输出的较大转速降低到曳引轮所需的较低转速,同时得到较大的曳引轮矩,以适应电梯运行的要求。  减速器多采用蜗轮蜗杆传动,根据减速器的不同结构,按传动方式分为蜗轮蜗杆传动和斜齿传动,按蜗杆蜗轮的相对装配位置分为蜗杆上置式和蜗杆下置式。  

1.2.3  曳引轮  曳引轮是嵌挂曳引钢丝绳的轮子,也称曳引绳轮或驱绳轮,绳的两端分别与轿厢和对重装置联接。对于有齿轮曳引机,它安装在减速器中的蜗轮轴上,而对于无齿轮曳引机,则装在制动器的旁侧,与电动机轴、制动器轴在同一轴线上。  当曳引轮转动时,通过曳引绳和曳引轮之间的摩擦力(也叫曳引力),驱动轿厢和对重装置上下运动。它是电梯赖以运行的主要部件之一。  

1.2.4  提高曳引能力的措施   (1) 改变绳槽形状及绳槽材料,提高摩擦系数 (2) 增大包角   (3) 增加轿厢自重    (4)钢丝绳在曳引轮槽中的比压计算   (5) 钢丝绳在绳槽中的摩擦系数  (6) 曳引轮绳槽磨损的原因   1.2.5  影响钢丝绳寿命的因素  一般也同样影响曳引轮的寿命,有如下几方面的因素:    (1) 曳引轮本身   (2) 钢丝绳的构造,材质及其物理性能   (3) 轿厢运行高度   (4) 载荷  (5)曳引机和其它部件的技术参数  (6) 环境和保养   

1.2.6  制动器  制动器是电梯的一个重要安全装置,对主动转轴起制动作用。除了安全钳以外,只有它能使工作中的电梯轿厢停止运行,另外它还对轿厢与厅门地坎平层时的准确度起着重要作用。  对于有齿轮曳引机,制动器安装在电动机的旁边,即在电动机轴与蜗轮轴相联的制动轮处;若是无齿轮曳引机,则安装在电动机与曳引轮之间。  电梯制动器应能产生足够的制动力矩,而且制动力矩大小应与曳引机的转向无关;制动时对曳引电动机的轴和减速箱的蜗杆轴不应产生任何附加载荷;当制动器松闸或合闸时,既要保证速度快,有要求平稳,而且能满足频繁起、制动的工作要求;制动器的零件应有足够的刚性和强度;制动器应具有较高的耐磨性和耐热性;结构简单、紧凑、易于调整;应有人工松闸装置;噪音小。  当电梯动力电源失电时,制动器能自动进行制动。  

当轿厢载有125%额定载荷并以额定速度运行时,制动器应能使曳引机停止运转。 电梯正常运行时,制动器应在持续通电情况下保持松开状态,断开制动器的释放电路后,电梯应无附加延迟地被有效制动。  切断制动器的电流,至少应用两个独立的电气装置来实现。电梯停止时,如果其中一个接触器的主触点未打开,最迟到下一次运行方向改变时,应防止电梯再运行。  装有手动盘车手轮的电梯曳引机,应能用手松开制动器并需要一持续力去保持其松开状态。 制动器的工作原理是:当电梯处于静止状态时,曳引电动机、电磁制动器的线圈中无电流通过,这时因制动电磁铁的铁心之间没有吸引力,制动瓦块在制动弹簧的压力作用下,将制动轮抱紧,保证了电梯处于不工作的静止状态;当曳引电动机通电旋转的瞬间,制动电磁铁中的线圈也同时通上电流,电磁铁心迅速磁化吸合的同时,带动制动动臂克服制动弹簧的作用力,使制动瓦块张开,与制动轮完全脱离,从而使电梯在无制动力的情况下得以运行;当电梯轿厢到达所需层站停车时,曳引电动机失电,制动电磁铁中的线圈也同时失电,电磁铁心中的磁力迅速消失,铁心在制动弹簧的作用下通过制动臂复位,使制动瓦块再次将制动轮抱住,则电梯停止。  电梯在制停过程中,电梯运动部件的动能因摩擦制动而转化为制动轮上的热量,若闸瓦表面温度过高,会降低制动轮与闸瓦的摩擦系数,以致降低制动力矩。   对大多数电梯来说,不必进行制动器的热性能计算。特别是近几年来,对于所有交通流量密集的乘客电梯,其拖动控制系统中都采用了零速抱闸制动技术,使机械摩擦制动过程减少到极限状态。对交通流量较少的乘客电梯和载货电梯,每小时的起动次数较少,因而,每小时吸收的动能也较少。但对于平层速度较高或运动部件惯性较大的电梯,对其热性能应进行分析计算。   


1.3  电梯曳引驱动系统的现状及发展前景      电梯曳引机作为驱动电梯的动力源,主要采用电机配以减速器的传动方式。这种方式有许多不足,系统的整体传动效率低;产生机械噪音;曳引机必须整体安装;需较高的精度要求。  由于电梯传统驱动方式的不足,诸多的电梯公司都在寻求取消减速机构的直接驱动方式。永磁同步电动机以其特有的优势而倍受重视。  电梯曳引机在运行过程中需频繁的起动、制动,而且荷负变化大,需要专用的电动机。对曳引电动机有如下的技术性能要求:  (1)电动机为短时重复工作制,应能频繁起动、制动及正反转运行;  (2)能适应一定的电源电压波动,有足够起动力矩,能满足轿厢满足负荷起动、加速的要求;  (3)起动电流要小;  (4)要有较硬的机械特性,不会因电梯载重的变化而引起电梯运行速度的过大变化; (5)要有良好的调速性能,尤其在低速时,转矩不能下降太大,避免造成电机步进; (6)应运行平稳、工作可靠、噪音小且维护简单。  

2.2.3  变压变频调速系统  改变定子电源频率f亦可达到调速目的,但f最大不能超过电机额定频率,电梯作为恒转矩负载,调速时为保持最大转矩不变,根据转矩公式: M=CmIΦcosΦ (式中Cm为电机常数,I为转子电流,Φ为电机气隙磁通,cosΦ为转子功率因数),必须保持恒定。又根据电压公式: U=4.44fWK(式中U为定子电压,f为定子电压频率,W为定子绕组匝数,K为电机常数)。必须保持U/f为常数,即:变频器必需兼备变压、变频两种功能,简称为VVVF型变频器,这亦就是VVVF型电梯的基本控制原理(VVVF———Vary Voltage Vary Frequency)。  交流异步电动机的转速是施加于定子绕组上的交流电源频率的函数,均匀且连续地改变定子绕组的供电频率,可平滑地改变电机的同步转速。但是根据电机和电梯为恒转矩负载的要求,在变频调速时需保持电机的最大转矩不变,维持磁通恒定。这就要求定子绕组供电电压要作相应的调节。因此,其电动机的供电电源的驱动系统应能同时改变电压和频率。即对电动机供电的变频器要求有调压和调频两种功能。使用这种变频器的电梯常称为VVVF型电梯
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