变频技术在电梯设备上的应用

    一、概述

    电梯是一种垂直运输工具，它在运行中不但具有动能，而且具有势能。它经常处在正反转、反复起制动过程中。对于载重大、速度高的电梯来说，提高运行效率、节约电能是重点要解决的问题。

   1949年出现群控电梯；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与软件技术，进入了现代电梯群控系统的发展时期。

    这以后，先进国家出现了变压变频(即VVVT)交流电梯，最高速度可达到12.5 m/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化产品，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。采用发电机一电动机形式驱动，可用于高速电梯，但其体积大、耗电多、效率低、造价高、维护量大。晶闸管直接供电给直流电动机的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。由于电梯轿厢是沿垂直方向做上下直线运动的，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变换机构。

   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U/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。

    二、电梯的工作原理

    如图8-45所示为电梯驱动机构原理。动力来自电动机，一般选11kW或15kW的异步电动机。曳引机的作用有三点：一是调速，二是驱动曳引钢丝绳，三是在电梯停车时实施制动。为了加大载重能力，钢丝绳的一端是轿厢，另一端加装了配重装置，配重的重量随电梯载重量的大小而变化。计算公式如下：配重的重量=载重量×45%+轿厢自重。公式中的45%是平衡系数，一般要求平衡系数在40%~50%之间。这种驱动机构可使电梯的载重能力大为提高，在电梯空载上行或重载下行时，电动机的负载最小，甚至是处在发电状态；而电梯在重载上行和空载下行时，电动机的负载最大，是处在驱动状态，这就要求电动机在四象限内运行。为满足乘客的舒适感和平层精度，要求电动机在各种负载下都有良好的调速性能和准确停车性能。为满足这些要求，采用变频器控制电动机是最合适的。变频器不但可以提供良好的调速性能，能节约大量电能，这是目前电梯大量采用变频控制的主要原因。

    图8-45    电梯驱动机构原理

    下面以目前最典型的正弦输入和正弦输出电压源变频驱动系统为例，来说明VVVF变频电梯电力传动系统的工作原理，见图8-46。

    图8-46    电压源变频电梯电力传动系统框图

    1．系统构成

    主要由以下几部分构成：

   1)整流与再生部分。这部分的功能有两个，一是将电网三相正弦交流电压整流成直流，向逆变部分提供直流电源；二是在减速制动时，有效地控制传动系统能量回馈给电网。主电路器件是IGBT模块或IPM模块。根据系统的运行状态，既可作整流器使用，也可作为有源逆变器使用。在传动系统采用能耗制动方案时，这部分可单独采用二极管整流模块，而无需PWM控制电路等相关部分。

   2)逆变器部分。逆变器部分同样是由IGBT或IPM模块组成，其作为无源逆变器，向交流电动机供电。

   3)平波部分。在电压源系统中，由电解电容器构成平波器。如果是电流源，将由电感器组成。

   4)检测部分。PG作为交流电动机速度与位置传感器，CT作为主电路交流电流检测器，TP作为与三相交流电网同步的信号检测，R为直流母线电压检测器。

   5)控制电路。控制电路一般由微机、DSP、PLC等构成，可选16位或32位微机。控制电路主要完成电力传动系统的指令形成，电流、速度和位置控制，产生PWM控制信号，故障诊断、检测和显示，电梯的控制逻辑管理、通信和群控等任务。

    2．工作原理

    如图8-46所示，电压反馈信号UF与交流电源同步信号US送入PWM1电路产生符合电动机作为电动状态运行的PWM1信号，控制正弦与再生部分中的开关器件，使之只作为二极管整流桥工作。当电动机减速或制动时便产生再生作用，功率开关器件在PWM1信号作用下进入再生状态，电能回馈给交流电网。交流电抗器ACL主要是限制回馈到电网的再生电流，减少对电网的干扰，又能起到保护功率开关器件的作用。

    逆变器将直流电转换成幅值与频率可调的交流电，输入交流电动机驱动电梯运行。实行电流环与速度环的PID控制并产生正弦PWM2信号，输出正弦电流。

    3．系统特点

   1)使用交流感应电动机，结构简单，制造容易，维护少，适于高速运行。

   2)电力传动效率高，节省电能。电梯属于一种位势负载，在运行时具有动能；因此在制动时，将其能量回馈电网具有很大意义。

   3)结构紧凑，体积小，重量轻，占地面积大为减少。

    三、电梯的控制方式

    表8-9所示为电梯控制方式的比较，绳索式电梯通常采用的速度控制方式有很多种，但为了改善性能，正不断改用变频器的控制方式。

    表8-9    电梯控制方式的比较

    中、低速电梯所采用的速度控制方式主要是笼型电动机的晶闸管定子电压控制，这种方式很难实现转矩控制，且低速时由于使用在低效率区，能量损耗大，此外功率因数也很低。

    另外，高速、超高速电梯所采用的晶闸管直流供电方式由于使用直流电动机，增加了维护换向器和电刷等麻烦，而且晶闸管相位控制在低速运行时功率因数较低，采用变频器可克服这些缺点。

    图8-47所示为高速、超高速电梯系统。由于其电动机输出功率大，会产生电动机噪声，因此整流器采用了晶闸管，同时采用PAM控制方式。

    整流器采用晶闸管可逆方式，起到了将负载端产生的再生功率送回电源的作用。对于中、低速电梯，其系统的整流器使用二极管，变频器使用晶体管。

    从电梯的电动机侧看，包括绳索在内的机械系统具有5~10Hz的固有振荡频率。如果电动机产生的转矩波动与该固有频率一致，就会产生谐振，影响乘坐的舒适性，因此应尽量使电动机电流接近正弦波。

    变频器控制超高速电梯的运行特性如图8-48所示。从舒适性考虑，加减速的最大值通常限制在0. 9m/S²以下。

    由于必须使电梯从零速到最高速平滑地变化，变频器的输出频率也应从几乎是零频率开始到额定频率为止平滑地变化。

    对于中、低速电梯，变频方式与通常的定子电压控制相比较，耗电量减少1/2以上，且平均功率因数显著改善，电源设备容量也下降了1/2以上。

    图8-47    高速、超高速电梯变频器控制方式构成图

    对于高速、超高速电梯，就节能而言，由于电动机效率提高，功率因数改善，因此输入电流减少，整流器损耗相应减少。与通常的晶闸管直流供电方式相比，可预期有5%~10%的改善。另外，由于平均功率因数的提高，电梯的电源设备容量可能减少20%~30%。

    图8-48    变频器控制超高速电梯的运行特性

    四、自动扶梯

    自动扶梯和电梯一样是公共场所运送乘客的最典型设备，广泛应用于商厦、机场、地铁、宾馆等场所，但它大多是由商用电源供电，并不进行调速。所以，以节电为目的的变频调速自动扶梯可谓方兴未艾。对自动扶梯单、双向智能变频可节电40%以上，在客流量间歇性较大的场合，节能效果会更加可观。如对扶梯实行有人自动匀加速额定速度运行，无人自动匀减速低速运行，空载节能可高达60%。

    1．自动扶梯变频化的要点

    一般由商用电源供电的自动扶梯是恒速运行的，从早到晚不管有无乘客均连续运行，因此，能量消耗大，传送带磨损严重。而节电的变频自动扶梯则在乘客的上梯和落口处设置专用的传感器，当检测出无乘客时，让驱动电动机从商用电源上断开，使自动扶梯停止运动，达到节电的目的。

    由于自动扶梯是公共场所运送乘客的主要设备，不能简单地像货物传送带一样，任意地从商用电源接入、切出，若处理不当有可能造成设备和人身的事故。所以应注意以下几个问题：

   1)自动扶梯停止时，乘客可能会误解自动扶梯发生故障，造成误判断。

   2)电动机接入电源时，会产生大的起动冲击电流。

   3)对于升降兼用的自动扶梯，不断地进行可逆切换，会损坏机械部件。

    具体的做法是：自动扶梯进入变频调速运行后，当无乘客时并非完全切除交流电源，而是先降频低速节能运行。此外，应用变频调速可以进行电动机软起动，起动效率高，小的起动电流能产生高转矩。结果，使电动机发热减少，且可进行频繁的运转、停止。对于可逆自动扶梯也可利用变频器正反转功能进行柔性切换，不会损伤电动机。

    2．对变频器的要求

    对变频器的要求主要从安全性、舒适性和经济性三个方面来考虑。

   1)安全性：有完善的硬件及其保护功能，使可靠性提高。

   2)舒适性：低速时产生转矩，低噪声，转矩波动小。

   3)经济性：程序控制功能完善（不需再附加外部设备）。变频器系统应含商用电源切换的部件。

    3．自动扶梯变频化的工程实现

    控制的关键是实现无乘客时能自动进入低速运转，如图8-49所示为自动扶梯的控制流程图。

    图8-49    自动扶梯的控制流程图

    图8-50    自动扶梯控制时序图

    图8-50所示为控制时序图。其各阶段对变频器的要求是：

    A阶段：高起动转矩；

    B阶段：根据运行要求可以无级调速；

    C阶段：具有S形加速曲线进行电动机加速；

    D阶段：柔性加速功能；

    E阶段：根据速度传感器检测信号平滑地对变频器进行切换。

    自动扶梯的电动机应按最大乘客数的负荷来选择，但由于电动机已处于变频节能状态下运行，故变频器的容量可以比电动机容量小。