变频调速技术在电梯上的应用.docx

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变频调速技术在电梯上的应用

摘要

随着经济的发展，现代城市中的高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。

而电梯性能的好坏，除了电机等硬件以外，电梯控制系统是其核心因素。

PLC（Programmablelogiccontroller）因其简单易用、可靠性高、维修养护方便和抗干扰能力强等优点，在电梯控制领域应用极为广泛。

除此之外变频器在电梯中的应用能很好地解决电梯在运行当中对速度变换的要求，能提高电梯的舒适度，提高运行速度。

此外还用到了不间断电源UPS电源，电梯在断电的紧急情况下使电梯可以安全的停靠在指定的安全位置。

本文以三菱FX2N系列PLC与安川变频器结合为例，以五层电梯为设计对象，分别从电梯控制系统的构成及工作原理，变频调速的原理，系统PLC配置方案，PLC软件设计，PLC软件的调试仿真和电梯硬件选取等方面，详细的阐述了PLC在电梯控制系统中的应用，形成了以PLC为控制系统的完整的电梯模型，使电梯在更精确、更可靠、更快速的控制平台上运行。

并且

关键词：

电梯控制，PLC，变频调速，UPS

Abstract

Withthedevelopmentofeconomy,anincreasingnumberofhigh-risebuildingsinmoderncities,elevatorsbecomeanindispensablemeansoftransportofdailylife.Thecoreofelevator’sfunctioniscontrolsystembesideshardware.PLC（Programmablelogiccontroller）havewideuseforitsmanyadvantages,suchasconvenience,highreliabilityandstronganti-interferenceability.Inadditiontotheapplicationofthisinverterinelevatorcansolvetherequirementoftransformelevatorrunningwell,wecanimprovethecomfort,improvetheoperatingspeed.Inaddition,theuninterruptiblepowersupply,UPSpowersupply,emergencypowerliftintheliftcansafelystopinsafepositionspecified.ThisarticletakingJapaneseMitsubishiFX2NseriesPLCforexample,fifthfloorelevatorasthedesign,detailstheplc’sapplicationintheelevatorcontrolsystem,throughthereferenceandworkingmechanismofelevatorcontrolsystem,configurationprogramofPLC,softwaredesigningofPLC,emulationsoftwareofPLCandhardwarechoosingtheelevator.ThispaperworksoutacompletemodeloftheelevatorcontrolledbyPLC.ThisPLCcontrolsystemcanmakeelevatorrunninginaaccurate,credibleandfastway.

Keyword:

elevatorcontrol,PLC,frequencycontrol,UPS

1绪论

1.1PWM的基本概念

PWM（PulseWidthModulation）脉冲宽度调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。

而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。

这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，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需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。

利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。

加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。

1.2PWM的原理

脉宽调制（PWM），控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。

也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。

冲量既指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同。

是指该环节的输出响应波形基本相同。

如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。

根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。

例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。

如图1.1a）所示。

这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形,如图1.1b）。

可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。

根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

图1.1PWM原理说明图

在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交－直－交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。

根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。

按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。

1.3PWM的特点

PWM变频电路具有以下特点：

①可以得到相当接近正弦波的输出电压

②整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数

③电路结构简单

④通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应。

1.4低、中速VVVF电梯拖动控制系统

图1.2是一个中低速电梯拖动控制系统的结构原理图。

其VVVF拖动部分由3个部分组成：

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电流进行运算，产生出电流指令运算信号；第二单元是将经数/模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。

主回路控制部分由一下几部分组成：

将三相交流电变换成直流的整流器部分。

平滑该直流电压的电解电容器。

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。

图1.2PWM原理说明图

当电梯减速时以及电梯在较重的负荷下（如空载上行或重载下行）运行时，电动机将有再生电能返回逆变器，然后通过电阻将其消耗掉，这就是电阻耗能式再生电处理装置，因为其再生能力大，若用电阻消耗能量的办法处理，势必使再生电处理装置变得更庞大。

基极驱动电路的作用是将正弦波PWM控制电路送来的脉冲列信号放大，再输送至逆变器的大功率晶体管的基极，使其导通。

另外还具有在减速再生控制时，将主回路大电容的电压和充电回路输送出电压与基极驱动电路比较后，经信号放大，来驱动再生回路中大功率晶体管的导通以及主回路部分的安全回路检测功能。

2电梯系统综述

2.1电梯的基本结构

1-减速箱　　　　　2-曳引轮

3-曳引机底座　　　4-导向轮

5-限速器　　　　　6-机座

7-导轨支架　　　　8-曳引钢丝绳

9-开关碰铁　　　　10-紧急终端开关

11-导靴　　　　　　12-轿架

13-轿门　　　　　　14-安全钳

15-导轨　　　　　16-绳头组合

17-对重　　　　　18-补偿链

19-补偿链导轮　　20-张紧装置

21-缓冲器　　　　22-底坑

23-层门　　　　　　24-呼梯盒

25-层楼指示灯　　26-随行电缆

27-轿壁　　　　　28-轿内操纵箱

29-开门机　　　　30-井道传感器

31-电源开关　　　32-控制柜

33-曳引电机　　　　34-制动器

图2.1电梯的基本结构剖视图

2.1电梯的基本结构

电梯是机、电一体化产品。

其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。

各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。

尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳曳引式结构，图2.1所示是电梯的基本结构剖视图。

从电梯空间位置使用看，由四个部分组成：

依附建筑物的机房、井道；运载乘客或货物的空间——轿厢；乘客或货物出入轿厢的地点——层站。

即机房、井道、轿厢、层站。

从电梯各构件部分的功能上看，可分为八个部分：

曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统和安全保护系统。

2.1.1曳引系统

曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。

其作用是输出与传递动力，驱动电梯运行。

曳引机由电动机、联轴器、制动器、减速箱、机座、曳引轮等组成，它是电梯的动力源。

曳引钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重（或者两端固定在机房上），依靠钢丝绳与曳引轮绳槽之间的摩擦力来驱动轿厢升降。

导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型时还可增加曳引能力。

导向轮安装在曳引机架上或承重梁上。

当钢丝绳的绕绳比大于1时，在轿厢顶和对重架上应增设反绳轮。

反绳轮的个数可以是1个、2个甚至3个，这与曳引比有关。

2.1.2导向系统

导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。

它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁联接。

导靴装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。

2.1.3门系统

门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。

轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。

层门设在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴、门锁装置及应急开锁装置组成。

开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。

2.1.4轿厢

轿厢用以运送乘客或货物的电梯组件。

它是由轿厢架和轿厢体组成。

轿厢架是轿厢体的承重构架，由横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成。

轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮板等组成。

轿厢体空间的大小由额定载重量或额定载客人数决定。

2.1.5重量平衡系统

重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。

对重由对重架和对重块组成。

对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重。

重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。

2.1.6电力拖动系统

电力拖动系统由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，对电梯实行速度控制。

曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或直流电机。

供电系统是为电机提供电源的装置。

速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号。

一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电机相联。

调速装置对曳引电机实行调速控制。

2.1.7电气控制系统

电气控制系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成,它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。

操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。

控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件组成，是电梯实行电气控制的集中组件。

位置显示是指轿内和层站的指层灯。

层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站。

选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。

2.1.8安全保护系统

安全保护系统包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯安全使用。

机械方面的有：

限速器和安全钳起超速保护作用；缓冲器起冲顶和撞底保护作用；还有切断总电源的极限保护等。

电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节都有。

2.2电梯工作原理

现以乘客曳引电梯为例介绍其工作原理：

曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。

固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物上井道墙壁上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运动中偏斜或摆动。

常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，工人员或货物出入。

轿厢运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。

补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。

电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层、测速、照明工作。

指示呼叫系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。

安全保护装置保证电梯运行安全。

2.3电梯控制系统组成

电梯控制系统可分为电力拖动系统和电气控制系统两个主要部分。

电力拖动系统主要包括电梯垂直方向主拖动电路和轿箱开关电路。

二者均采用易于控制的直流电动机作为拖动动力源。

主拖动电路采用PWM调试方式，达到了无级调速的目的。

而开关门电路上电机仅需一种速度进行运动。

电气控制系统则由众多呼叫按钮、传感器、控制用继电器、指示灯、LED七段数码管和控制部分的核心器件（PLC）等组成。

PLC集信号采集、信号输出及逻辑控制于一体，与电梯电力拖动系统一起实现了电梯控制的所有功能。

图2.2电梯控制系统硬件结构框图如下：

图2.2电梯控制系统硬件结构框图

3异步电动机变频调速的控制原则

交流异步电动机的转速公式为：

（3-1）

式中，f为定子的供电频率，P为电动机极对数，s为电动机转差率。

从上式可以看出，要调节异步电动机的转速，可以从改变下列三个参数入手:

改变异步电动机定子绕组的磁极数--即变极调速;改变异步电动机的转差率--即改变转差率调速;改变供电电源的频率--即变频调速。

VVVF电梯，采用交流单速电动机，通过对交流电动机调节供电电压、供电频率来调节电动机的转速达到线性化，将交流电动机转速运行曲线线性段区域扩大。

由于系统采用微机全数字化控制，使电梯平层精度达到毫米级，并且绝对保证电动机零速下闸，舒适感非常好。

交流变压变频调速的基本原理：

由式（3-1）可知当转差率s变化不大时，s<<1，异步电动机的转速n基本上正比于f。

所以，要改变交流电动机转速，只需改变定子频率f即可。

但是，在改变转速的同时，希望励磁电流和功率因数基本保持不变。

磁通太弱，则没有充分利用铁芯，电机容许的输出转速下降，电机的功率得不到充分利用而浪费;若增大磁通，将引起磁路过分饱和而使励磁电流增加，功率因数降低，严重时会因绕组过热而损坏电机。

交流异步电动机中:

（3.2）

式中，

--定子每相的气隙磁通感应电势有效值

--定子频率；

--定子每相绕组串联匝数；

--基波绕组系数；

--每极气隙磁通量。

对于固定电机，

为常量，因此，要想在改变

的时候磁通

保持不变，

只需同步地改变Eg使Eg/f1=常值，然而，绕组中的感应电势Eg是难以直接控制的，当电势较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，此时定子相电压

=Eg。

从而我们认为当

/

=常值时，

基本恒定，即

和

成正比例函数。

但是，当频率较低时，

和Eg都较小，定子绕组的漏磁阻抗压降不能忽略，此时可以简单地把电压

适当抬高，以便近似地补偿定子压降。

在电梯的变频调速系统中，电机的实际最大转速为其额定转速，因此，电梯的变频调速属“恒转矩调速”。

从上面的分析可看出，只有同时改变电源的电压和频率，才能满足变频调速的要求。

这样的装置统称为变压变频装置，即VVVF装置。

VVVF电梯与其他拖动控制方式电梯比较，应用在位能负载条件下，节能约40%，可以最佳地利用电网能量。

同时VVVF系统还可以提高功率因数，降低电梯线路设备的容量和电动机的容量20%以上。

3.1PLC外部接线及主电路设计

根据上述硬件的选择，将各硬件按照控制系统的电气主接线图与PLC外部接线图相互连接就可以得到整个控制系统的硬件部分。

3.1.1PLC的外部接线

图3.1为PLC的外部接线图，

图3.1PLC的外部接线

3.1.2主电路电气原理图

图3.2电气主接线图

电气主接线图中有两个电机，一个为曳引机的牵引电机，为交流异步电机；另一个为开关门电机，为直流电机。

KM2与KM3的切换，可以实现直流电机的正反转，即控制电梯的开关门。

电梯的制动靠制动器来实现，制动器就是刹车，是使机械中的运动件停止或减速的机械零件，是电梯重要的安全装置，它的安全、可靠是保证电梯安全运行的重要因素之一。

制动器的作用可以归纳为下面两条：

1）能够使运行中的电梯在切断电源时自动把轿厢制停。

2）电梯停止运行时，制动器应能保证在125%的额定载荷情况下，使轿厢保持静止，位置不变。

从PLC的外部接线图（图3-1）上可以看到，制动输出和抱闸输出分别接KM4和KM5，继电器KM4和KM5分别控制制动器的制动和抱闸。

当KM4接通时，制动器开始制动，按程序设计，制动1s后KM4接通，制动器实施抱闸，使轿厢保持静止，位置不变。

3.2电梯运行曲线

电梯运行速度曲线如图3.3所示：

电梯的运行过程可分为5个阶段：

加速段、高速运行段、减速段1、爬行运行段和减速段2。

电梯在有门联锁信号后启动运行经加速后速度升至50Hz高速运行（0～A），然后保持高速运行，在靠近目标楼层一段距离即换速点B时，PLC向变频器发出爬行信号，电梯经减速后速度降至6Hz开始爬行运行（C点），一段时间后进入平层区，PLC发出平层信号，电梯进行减速平层过程，当高速计数器数值与门区脉冲数相等时，PLC发出平层停车信号，使变频器停止输出，延时后抱闸。

图3.3电梯运行速度曲线

高速计数器用来累计比CPU扫描速率更快的事件。

FX2n各个高速计数器计数频率高达30kHz。

FX2n各个高速计数器有32位带符号整数计数器的当前值。

若要存取高速计数器的值，则必须给出高速计数器的地址，即高速计数器的编号。

第二层脉冲计算如图3.3所示：

楼层计数采用相对计数方式。

运行前通过自学习方式，用高速计数器（HSC0）测出相应楼层高度脉冲数，对应5层电梯的位置信息如换速点位置、平层点位置、制动停车点位置等所对应的脉冲数，分别存入相应的存储单元。

在电梯运行过程中，通过旋转编码器检测、实时计算以下信号:

电梯所在层楼位置、换速点位置、平层点位置，从而进行楼层计数、发出换速信号和平层信号。

楼层计数器（C48）为一双向增/减计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加1或减1计数。

运行中，高速计数器累计值实时与楼层计数点对应的脉冲数进行比较，相等时发出楼层计数信号，上行加1，下行减1。

为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计数信号上沿触发楼层计数。

如采用600P的电梯编码器，电动机每转一圈旋转编码器向高速计数器发出600个脉冲，电动机转速960r/min即16转每秒，则每秒脉冲数为

。

设电梯每层运行5秒，即每层相隔

个脉冲，提前1s减速爬行，即提前9600个脉冲。

以第二层为例，电梯上行在38400或电梯下行在57600个脉冲时开始减速到6Hz频率爬行。

电梯首次运行时以及每次下行到一层停车后必须给高速计数器复位，以避免曳引钢丝绳打滑等硬件导致的计数器误差累计。

3.3变频器的选择

随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。

目前有为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但价格相对较贵。

因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。

这是本设计的特点之一。

目前，市场流行的通用变频器的种类繁多，而电梯行业中使用的变频器的品牌也不少，其控制系统的结构也不尽相同，但其总的控制思想却是大同小异。

3.3.1变频器的分类

变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类:

（1）按变换频率的方法分交─直─交变频器

交─交变频器

（2）按主电路工作方式分电压型变频器

电流型变频器

（3）按变频器调压方法的不同分PAM变频器

PWM变频器

（4）按工作原理分类U/f控制变频器

VC控制变频器

SF控制变频器

（5）按照用途分类通用变频器

高性能专用变频器

高频变频器

3.3.2变频器的结构　

①主电路

给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。

图3.4示出了典型的电压逆变器的例子。

其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的整流器，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的平波回路，以及将直流功率变换为交流功率的逆变器。

另外，异步电动机需要制动时，有时要附加制动回路。

图3.4变频器主电路示意图

1）整流器

最近大量使用的是二极管的变流器，如图3.4所示，它把工频电源变换为直流电源。

也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

2）平波回路

在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。

为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。

装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

3）逆变器

同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

4）制动回路

异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量存于平波回路电容器中，使直流电压升高。

一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积累的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用可逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。

5）异步电动机的四象限运行

根据负载种类，所需要的异步电动机旋转方向和转矩方向是不同的，必须根据负载构成适当的主电路图。

在Ⅰ、Ⅲ象限异步电动机的转矩方向与旋转方向一致，为电动状态。

Ⅰ象限是正转的电动运转，Ⅲ象限是反转的电动运转。

在Ⅱ，Ⅳ象限器转矩方向与旋转方向相反，为再生状态。

Ⅱ象限为正转的再生运转，Ⅳ象限为反转的再生运转。

电动运转时，则只需由电