电梯的运动控制(4)

电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制

直流电压Ud，然后Ud经开关元件1，3和2，4轮流切换导通，则负载R就可以获得幅值和频率均可变化的交流输出电压Uc,其幅值由整流器输出的直流电压Ud所决定，其频率由逆变器的开关元件的切换频率所决定。

图7交直交变频器工作原理

在电梯的变频调速系统中，变频器的负载是三相交流异步电动机，其负载电流是滞后的，因此在直流环节和负载之间需设置储能元件，以缓冲无功分量。根据无功分量的处理方式，变频器又可分为电压源型和电流源型两种，这样前面所述的两种变频器就可转变为4种：交-直-交的电压源型、交-直-交的电流源型、交-交的电压源型、交-交的电流源型。

在电梯传动系统中广泛采用的是交-直-交电压源型变频器。20世纪70年代后期，变频器的开发与应用已经取得了十分可喜的成果，各种新颖、高性能、大容量的变频器先后投入市场。脉宽调制（PWM）交流变频器就是一个典型的例子。

4.4 VVVF电梯的特点

VVVF电梯的成功设计与应用，充分体现了电梯的优越性。

（1）VVVF电梯使用的驱动电机是三相交流电动机。众所周知，交流电机与同容量的直流电机相比具有体积小、重量轻、可靠性高、维护方便及造价低廉的等特点。

（2）VVVF电梯从设计到制造，广泛采用先进技术与先进设备，为电梯的运输与安装带来了极大的方便。特别是电梯本身结构精巧、配合机械传动中的改进，与直流曳引机相比较，可缩小体积50%，减轻建筑物的承重及缩小机房占地面积、造型美观大方、舒适豪华，

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深得用户的青睐。

（3）VVVF电梯采用先进的PWM变换技术与矢量变换技术，是电梯运行质量及控制性能都有了明显改善，电梯的调速范围变宽、控制精度提高、动态特性好，舒适、安静、几乎可以和直流电梯相媲美。

（4）VVVF电梯采用了较多的有效措施抑制能量的损耗，制动过程中产生的再生制动能量回馈给电网，为电梯的节能运行创造了良好条件。电梯的电源设备容量减低20%，可容纳24人的240M/MIN共计12台电梯的电源容量时，供电变压器容量最小设计为70KVA，而在停电时的备用发电机容量可减少20%以上。

（5）VVVF电梯溶入先进的微机控制技术，使其集选控制高度微机化，因此VVVF电梯可实现电梯的并联控制、群控程序以及智能控制等。通过实验证明，这种系统最佳地利用了电机的力矩、逆变器的功率和电网能量，具有良好的动态响应、动态品质和抗负荷干扰能力。

（6）VVVF电梯以舒适、高效、节能著称，是世界领先水平的先进电梯。它的研制与应用是先进理论和先进技术的融合，进一步完善、开发VVVF电梯电气控制，是全微机化电梯的迫切需要。

5、VVVF电梯拖动系统

VVVF电梯的驱动部分是其核心，也是与定子调压控制方式的主要区别之处。为了提高拖动系统的动态品质、减少电动机发热、节约能源和提高效率，在拖动系统中应用了矢量变换控制和PWM调制技术。

根据变频器中供给逆变器的直流电压幅值是否可调，PWM变频器又分为变频PWM变频器和幅值PWM变频器，因此可以形成两种形式的VVVF拖动系统。一般情况下，对于高速或超高速电梯常采用变幅PWM变频器调速；而对于中、低速电梯（v?2.0m/s）由于运行速度较低，载重量小（载重量不大于1000KG），曳引电机容量小，所以通常采用恒幅PWM变频调速。

5.1 中、低速VVVF电梯拖动系统

中、低速VVVF电梯拖动系统采用的是恒幅PWM变频器，由二极管构成的整流器负责交/直流的转换，且整流输出直流电压幅值不可调（恒幅）。由功率晶体管构成的逆变器完成直/交流的转换，其输出电压波形为等幅不等宽的脉冲序列（等效正弦波形）。

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系统具有结构简单、控制方便、功率因素高等优点。图8是中、低速电梯传动系统的结构图。VVVF拖动系统由3个单元构成：第一单元是根据来自速度控制部分的转矩指令信号，对应该供给电动机的直流进行运算，产生出电流指令运算信号；第二单元是将经数/摸转换后的电流指令和实际流向电动机的电流进行比较，从而控制主回路转换器的PWM控制器；第三单元是将来自PWM控制部分的指令电流供给电动机的主回路控制部分。主回路由下列部分组成：

图8中、低速VVVF电梯拖动系统结构图

（1）将三相交流电变换成直流的整流器部分。 （2）平滑该直流电压的电解电容器。

（3）电动机制动时，再生发电的处理装置以及将直流转变成交流的大功率逆变器部分。 系统中的PWM变频器内，由频率可调的参考波（正弦波）与载波（三角波）相比较形成的功率晶体管基极驱动信号使逆变器中开关元件的接通频率得以改变。从而实现逆变器输出电压的频率可调。同时在PWM变频器内，由速度给定与电流反馈形成参考波的幅值调节，协调参考波的频率调节实现逆变器输出电压幅值与频率的协调控制。下面就系统中的典型环节加以介绍。

1） 数字控制器。图中虚框部分是数字控制器的基本结构。现代电梯都使用了数字控制

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器来完成速度控制运算及电流指令运算。

数字控制器主要是指微处理器，它将速度给定信号与速度反馈信号比较后，经速度控制运算器运算形成转矩指令。电流指令运算器将速度控制运算器输出的转矩指令与速度反馈信号比较，经电流指令运算器运算形成电流指令，再经数/模转换和其他变换后，即可作为频率可调的正弦波电压指令，送入PWM变换器。

2） PWM控制器。PWM变换器生成逆变器中电子开关的控制信号，采用了正弦波（参考波）与三角波（载波）相比较的方法，因此也称做SPWM控制器。由PWM控制信号控制的变频器称做PWM型变频器，其输出电压为等幅而不等宽的矩形脉冲，即等效正弦波电压。

PWM变频器的主电路如图9示，由图可知，PWM逆变器的主电路就是基本逆变电路，区别在于PWM控制技术。当采用PWM方法控制逆变器功率开关的通、断时，即可获得一组等幅不等宽的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可以改变输出电压幅值，改变调制周期可以改变输出频率，这样，调压和调频同在逆变器内部完成，二者始终配合一致，而且与中间支流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能；由于输出等幅脉冲只须恒定直流电源供电，可用不控整流取代相控整流，这使电网侧的功率因数大为改善；采用PWM逆变器，能够抑制或消除低次谐波，加上使用自关断器件，开关频率的大幅度提高，输出波形可以非常逼近正弦波。

图9PWM变频器的主电路原理

目前，PWM技术被广泛应用于电气传动、不间断电源和有源滤波器等，正在得到越来越深入的研究，已经不限于逆变技术，也覆盖了整流技术。在整流电路中采用自关断器件，

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进行PWM控制，可使电网侧的输入电流接近正弦波，并且功率因数达到1，可望彻底解决对电网的污染问题，特别值得一提的是，由PWM整流器和PWM逆变器组成的电压型变频器，无须增加任何附加电路，就可以允许能量传送，实现四象限运行。

3） 整流回路。整流器采用三块二极管模块（没块模块有两只二极管）组成的三相桥式全波整流电路。晶闸管的导通角由正弦波PAM控制，输出可调直流电压。事实上电梯在加速，恒速运行时，晶闸管的输出电压是恒定的，仅在减速时，晶闸管模块作为由电动机侧来的再生能量反馈电网时的通路，此时其输出电压是连续变化的。整流回路中采用的二极管模块、晶闸管模块，是目前最先进的功率半导体器件。这种器件的一致性好，并且具有耐浪涌电压、电流、结点温度高等特点。

4）充电器回路。在电梯的实际电路中，为避免当整流开始工作时形成较大冲击电流而导致二极管模块损坏，所以在整流器输出侧并联一大电容。为使整流器工作之前对大电容预先充电，需设置必要的充电回路。充电回路结构如图10

图10充电回路框图

充电器回路中的变压器（与基极驱动回路使用同一只）采用升压变压器，升压比为1∶1.1,当主电源和上时，电源电压输入为U，则充电回路的整流器输出Ud= 1.1u.ud的主回路整流器直流侧的大容量电解电容器C充电到u时,给控制微处理器发出充电完毕信号。然后由控 制微处理器发出电梯可以启动信号。

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