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電梯vvvf電機控制系統概述

作者:www.belynews.com 日期:2018-5-24 17:28:54 標簽:電梯技術 電梯電氣系統 VVVF
導讀:1949年出現了群控電梯;1962年美國出現了半導體邏輯控制電梯;1967年晶閘管應用于電梯,使電梯拖動系統大為簡化,性能得到提高;1971年集成電路用于電梯;1975年出現了
     隨著生產的發展和城市的崛起,電梯越來越接近我們的工作和生活。電梯作為一種垂直方向上的運輸工具,廣泛地進入了賓館、倉庫、住宅等場合,現代電梯在可靠性、速度、舒適、豪華等方面的要求越來越高。電梯性能的好壞對人們生活的影響越來越顯著,因此必須努力提高電梯系統的性能,保證電梯的運行既高效節能又安全可靠。 

1949年出現了群控電梯;1962年美國出現了半導體邏輯控制電梯;1967年晶閘管應用于電梯,使電梯拖動系統大為簡化,性能得到提高;1971年集成電路用于電梯;1975年出現了電子計算機控制的電梯,電梯控制技術真正使用了微電子技術和軟件技術,進入了現代電梯群控系統的發展時期。 



名詞解釋:晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡稱,又可稱做可控硅整流器,以前被簡稱為可控硅;1957年美國通用電器公司開發出世界上第一晶閘管產品,并于1958年使其商業化;晶閘管是PNPN四層半導體結構,它有三個極:陽極,陰極和門極;晶閘管工作條件為:加正向電壓且門極有觸發電流;其派生器件有:快速晶閘管,雙向晶閘管,逆導晶閘管,光控晶閘管等。它是一種大功率開關型半導體器件,在電路中用文字符號為“V”、“VT”表示(舊標準中用字母“SCR”表示)。晶閘管具有硅整流器件的特性,能在高電壓、大電流條件下工作,且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。

晶閘管是由四層P型和n型材料交替構成的固態半導體器件。它僅作為一個雙穩態開關,當柵極接收到電流觸發器時導電,并繼續導電,直到整個器件的電壓反向偏置,或直到電壓消除為止。

在這以后,發達國家出現了變壓(即VVVF)交流電梯,最高速度可達到12.5m/s以上,從而開辟了電梯電力拖動的新領域,結束了直流電梯占主導地位的局面。 
電梯發展到今天,已經成為一個典型的變頻系統工程和機電一體話產品,并復合了多種先進技術。直流電動機由于其調速性能好,很早就用于電梯拖動上。采用發電機—電動機形式驅動,可用于高速電梯,但其體積大、耗電大、效率低、造價高、維護量大。晶閘管直接供電給直流電動機系統在電梯上應用較晚,需要解決低速段的舒適感問題。與機組形式的直流電梯相比,可以節省占地面積35%,重量減輕40%,節能20%~30%。世界上最高速度10m/s的電梯就是采用這種驅動系統,其調速比達1:1200。 
1983年第一臺變壓變頻電梯誕生,性能完全達到直流電梯的水平。它具有體積小、重量輕、效率高、節省電能等一系列優點,是現代化電梯理想的電力驅動系統。由于電梯橋箱是沿垂直方向作上下直線運動,更理想的驅動方案是交流直線電動機驅動系統,從而省去了由旋轉運動變為直線運動的交換機構。 

1989年誕生了第一臺交流直線電動機變頻驅動電梯,它取消了電梯的機房,對電梯的傳統技術作了重大的革新,使電梯技術進入了一個嶄新的時期。由于晶閘管調壓調速裝置的一些固有缺點,使其調速范圍不夠寬,調節不夠平滑,特別是在低速段時不平穩,舒適感與平層精度不夠理想,難以實現再生制動等。如果均勻地改變定子供電電源的頻率,則可平滑地改變交流電動機的同步轉速。在調速時,為了保持電動機的最大轉矩不變,需要維持氣隙磁通恒定,這就要求定子電壓也隨之作相應調節,通常是保持v/f=常數。

  因此要求向電動機供電的同時要兼有調壓與調頻兩種功能,通常簡稱VVVF型變頻器,用于電梯時常稱為VVVF型電梯,簡稱變頻電梯。 
我國電梯控制系統主要有三種方式:繼電器控制系統、微機控制系統和PLC控制系統。其中PLC控制系統以其顯著的優點成為電梯控制系統的主流。八十年代初投入使用的電梯大部分采用繼電器控制、交流調速方式,這類電梯普遍存在起動電流大、調速性能差、結構復雜、舒適感差、能耗大等問題,加之使用年限較長、電梯零部件殘舊老化、故障頻繁、配件缺乏等原因,我們提出了采用VVVF變頻調速器將該類電梯改造成VVVF型電梯。從一九九七年底至一九九八年底,利用可編程控制器(PLC)與VVVF變頻器結合, PLC控制系統主要有雙速電梯系統和變壓變頻調速系統,后者通過改變電機供電的電壓和頻率,平滑調節電梯速度,可以獲得更好的乘坐舒適感,它平層精度高,并具有顯著的節能效果,保障了電梯的可靠性。 
為了充分發揮PLC的內部資和功能,應盡量減少其輸入信號的點數,簡化硬件線路,提高電梯運行的可靠性。在電梯運行的關鍵問題是如何檢測電梯在井道中的相對位置,以往都采用在井道中不同的位置設置干簧感應器來檢測減速、平層位置。這樣不但使PLC的輸入點數增加,而且還增加了在井道中的安裝作業強度。而利用旋轉編碼器將電梯的運動位置轉化為脈沖,PLC對此脈沖進行高速計數,通過相應的計算自動生成電梯位置的有關數據,控制電梯的減速、平層,對于層站數越多的電梯,越能體現出利用旋轉編碼器的優點。 

在對中、低速電梯主要采用拖動系統來構成其曳引系統,應用變極方式實現電機的調速。因為種系統只能實現有級調速,無法對電機的轉速和加、減速進行準確的控制,所以此方式的舒適感和平層精度都較差。后來又采用交流調壓調速控制的電梯,進行速度閉環控制,其舒適感和平層精度都有較大提高,但它卻很難實現精確控制,并且能耗大,輸入功率因數也低,影響了系統的整體性能。對于高速電梯,過去主要采用晶閘管直流調速系統,存在維護難等問題,并且調速系統的功率因數也不高。與前述方式相比較,變頻調速則是各種調速方法中效率、性能均較好的一種。因此,簡化電梯的硬件電路,提高電梯運行的可靠性,徹底解決了原電梯存在的各種問題,達到了預期目的。

1.1 電梯的基本結構簡介 
電梯是機與電緊密結合的復雜產品,其基本組成包括機械部份和電氣部份,從空間上一般劃分為以下幾部份: 

機房部分  包括電源開關、曳引機、控制柜(屏)、選層器、導向輪、減速器、限速器、極限開關、制動抱閘裝置、機座等。
井道部分  包括導軌、導軌支架、對重裝置、緩沖器、限速器張緊裝置、補償鏈、隨行電纜、底坑及井道照明等。 

層站部分  包括層門(廳門)、呼梯裝置(召喚盒)、門鎖裝置、層站開關門裝置、層樓顯示裝置等。 

轎廂部分  包括轎廂、轎廂門、安全鉗裝置、平層裝置、安全窗、導靴、開門機、轎內操縱箱、指層燈、通訊及報警裝置等。 

電梯基本結構


1.2  采用電梯曳引機方案 
電梯的核心部分是它的傳動系統。電梯曳引驅動系統對電梯的起動加速、穩速運行和制動減速起著控制作用,其性能直接影響電梯的起動、制動、加減速度、平層精度和乘坐舒適性等指標。目前電梯曳引電動機以感應電動機為主,其驅動技術經歷了從繼電器控制的雙速驅動到可編程序控制的調壓調速驅動,進而到微機控制的調頻調壓及矢量控制驅動。電梯曳引機作為驅動電梯的動力源,主要采用電機配以減速器的傳動方式。 
 曳引驅動是采用曳引輪作為驅動部件。鋼絲繩懸掛在曳引輪上,一端懸吊轎箱,另一
端懸吊對重裝置,由鋼絲繩和曳引輪之間的摩擦產生曳引力驅動轎廂作上下運行。 
電梯曳引機的主要組成部分有:曳引輪、曳引繩、導向輪、反繩輪等。 

1.2.1  曳引機 
曳引機是電梯的主要拖動機械,它驅動電梯的轎廂和對重裝置作上、下運動。其組成部分主要有:曳引機動機、制動器、減速箱、曳引輪和底座。根據需要,有的曳引機還裝有冷卻風機、速度反饋裝置(光碼盤)、慣性輪等。根據電動機與曳引輪之間是否有減速箱,可分為有齒曳引機和無齒曳引機
曳引機具有以下主要性能: 
(1) 具有能重復短時工作、頻繁起、制動及正、反轉運轉的特性。 
(2) 具有能適應一定的電源電壓波動,有足夠的起動力矩,能滿足轎箱滿負荷起動,
加速迅速的特性。 (3) 具有起動電流小的特性。 
(4) 具有發電制動的特性,能由電動機本身的性質來控制電梯在滿載下行或空載上
行時的速度。 
(5) 具有較硬的機械特性,不會因電梯運行時負荷的變化造成電梯運行速度的變
化。 
(6) 有良好的調速性能。 
(7) 運轉平穩、工作可靠、噪音小及維護簡單。 

1.2.2  減速器 
對于有齒輪曳引機,在曳引電動機轉軸和曳引輪軸之間安裝減速器(箱),目的是將電動機軸輸出的較大轉速降低到曳引輪所需的較低轉速,同時得到較大的曳引輪矩,以適應電梯運行的要求。 
減速器多采用蝸輪蝸桿傳動,根據減速器的不同結構,按傳動方式分為蝸輪蝸桿傳動和斜齒傳動,按蝸桿蝸輪的相對裝配位置分為蝸桿上置式和蝸桿下置式。 

1.2.3  曳引輪 
曳引輪是嵌掛曳引鋼絲繩的輪子,也稱曳引繩輪或驅繩輪,繩的兩端分別與轎廂和對重裝置聯接。對于有齒輪曳引機,它安裝在減速器中的蝸輪軸上,而對于無齒輪曳引機,則裝在制動器的旁側,與電動機軸、制動器軸在同一軸線上。 
當曳引輪轉動時,通過曳引繩和曳引輪之間的摩擦力(也叫曳引力),驅動轎廂和對重裝置上下運動。它是電梯賴以運行的主要部件之一。 

1.2.4  提高曳引能力的措施  
(1) 改變繩槽形狀及繩槽材料,提高摩擦系數
(2) 增大包角  
(3) 增加轎廂自重   
(4)鋼絲繩在曳引輪槽中的比壓計算  
(5) 鋼絲繩在繩槽中的摩擦系數 
(6) 曳引輪繩槽磨損的原因  
1.2.5  影響鋼絲繩壽命的因素 
一般也同樣影響曳引輪的壽命,有如下幾方面的因素:  
 (1) 曳引輪本身  
(2) 鋼絲繩的構造,材質及其物理性能  
(3) 轎廂運行高度  
(4) 載荷 
(5)曳引機和其它部件的技術參數 
(6) 環境和保養  

1.2.6  制動器 
制動器是電梯的一個重要安全裝置,對主動轉軸起制動作用。除了安全鉗以外,只有它能使工作中的電梯轎廂停止運行,另外它還對轎廂與廳門地坎平層時的準確度起著重要作用。 
對于有齒輪曳引機,制動器安裝在電動機的旁邊,即在電動機軸與蝸輪軸相聯的制動輪處;若是無齒輪曳引機,則安裝在電動機與曳引輪之間。 
電梯制動器應能產生足夠的制動力矩,而且制動力矩大小應與曳引機的轉向無關;制動時對曳引電動機的軸和減速箱的蝸桿軸不應產生任何附加載荷;當制動器松閘或合閘時,既要保證速度快,有要求平穩,而且能滿足頻繁起、制動的工作要求;制動器的零件應有足夠的剛性和強度;制動器應具有較高的耐磨性和耐熱性;結構簡單、緊湊、易于調整;應有人工松閘裝置;噪音小。 
當電梯動力電源失電時,制動器能自動進行制動。 

當轎廂載有125%額定載荷并以額定速度運行時,制動器應能使曳引機停止運轉。 電梯正常運行時,制動器應在持續通電情況下保持松開狀態,斷開制動器的釋放電路后,電梯應無附加延遲地被有效制動。 
切斷制動器的電流,至少應用兩個獨立的電氣裝置來實現。電梯停止時,如果其中一個接觸器的主觸點未打開,最遲到下一次運行方向改變時,應防止電梯再運行。 
裝有手動盤車手輪的電梯曳引機,應能用手松開制動器并需要一持續力去保持其松開狀態。
制動器的工作原理是:當電梯處于靜止狀態時,曳引電動機、電磁制動器的線圈中無電流通過,這時因制動電磁鐵的鐵心之間沒有吸引力,制動瓦塊在制動彈簧的壓力作用下,將制動輪抱緊,保證了電梯處于不工作的靜止狀態;當曳引電動機通電旋轉的瞬間,制動電磁鐵中的線圈也同時通上電流,電磁鐵心迅速磁化吸合的同時,帶動制動動臂克服制動彈簧的作用力,使制動瓦塊張開,與制動輪完全脫離,從而使電梯在無制動力的情況下得以運行;當電梯轎廂到達所需層站停車時,曳引電動機失電,制動電磁鐵中的線圈也同時失電,電磁鐵心中的磁力迅速消失,鐵心在制動彈簧的作用下通過制動臂復位,使制動瓦塊再次將制動輪抱住,則電梯停止。 
電梯在制停過程中,電梯運動部件的動能因摩擦制動而轉化為制動輪上的熱量,若閘瓦表面溫度過高,會降低制動輪與閘瓦的摩擦系數,以致降低制動力矩。  
對大多數電梯來說,不必進行制動器的熱性能計算。特別是近幾年來,對于所有交通流量密集的乘客電梯,其拖動控制系統中都采用了零速抱閘制動技術,使機械摩擦制動過程減少到極限狀態。對交通流量較少的乘客電梯和載貨電梯,每小時的起動次數較少,因而,每小時吸收的動能也較少。但對于平層速度較高或運動部件慣性較大的電梯,對其熱性能應進行分析計算。  

1.3  電梯曳引驅動系統的現狀及發展前景 
    電梯曳引機作為驅動電梯的動力源,主要采用電機配以減速器的傳動方式。這種方式有許多不足,系統的整體傳動效率低;產生機械噪音;曳引機必須整體安裝;需較高的精度要求。 
由于電梯傳統驅動方式的不足,諸多的電梯公司都在尋求取消減速機構的直接驅動方式。永磁同步電動機以其特有的優勢而倍受重視。 
電梯曳引機在運行過程中需頻繁的起動、制動,而且荷負變化大,需要專用的電動機。對曳引電動機有如下的技術性能要求: 
(1)電動機為短時重復工作制,應能頻繁起動、制動及正反轉運行; 
(2)能適應一定的電源電壓波動,有足夠起動力矩,能滿足轎廂滿足負荷起動、加速的要求; 
(3)起動電流要??; 
(4)要有較硬的機械特性,不會因電梯載重的變化而引起電梯運行速度的過大變化;
(5)要有良好的調速性能,尤其在低速時,轉矩不能下降太大,避免造成電機步進;
(6)應運行平穩、工作可靠、噪音小且維護簡單。 

2.2.3  變壓變頻調速系統 
改變定子電源頻率f亦可達到調速目的,但f最大不能超過電機額定頻率,電梯作為恒轉矩負載,調速時為保持最大轉矩不變,根據轉矩公式: M=CmIΦcosΦ (式中Cm為電機常數,I為轉子電流,Φ為電機氣隙磁通,cosΦ為轉子功率因數),必須保持恒定。又根據電壓公式: U=4.44fWK(式中U為定子電壓,f為定子電壓頻率,W為定子繞組匝數,K為電機常數)。必須保持U/f為常數,即:變頻器必需兼備變壓、變頻兩種功能,簡稱為VVVF型變頻器,這亦就是VVVF型電梯的基本控制原理(VVVF———Vary Voltage Vary Frequency)。 
交流異步電動機的轉速是施加于定子繞組上的交流電源頻率的函數,均勻且連續地改變定子繞組的供電頻率,可平滑地改變電機的同步轉速。但是根據電機和電梯為恒轉矩負載的要求,在變頻調速時需保持電機的最大轉矩不變,維持磁通恒定。這就要求定子繞組供電電壓要作相應的調節。因此,其電動機的供電電源的驅動系統應能同時改變電壓和頻率。即對電動機供電的變頻器要求有調壓和調頻兩種功能。使用這種變頻器的電梯常稱為VVVF型電梯

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