PWM变频调速技术在电梯上应用实施方案.docx

1、PWM变频调速技术在电梯上应用实施方案摘要.引言11 概述21.1PWM的概述21.1.1 PWM的基本概念21.1.2 PWM的原理21.1.3 PWM的特点32 电梯系统综述32.1电梯的基本结构32.1.1曳引系统52.1.2导向系统52.1.3 门系统52.1.4 轿厢62.1.5重量平衡系统62.1.6 电力拖动系统62.1.7电气控制系统62.1.8 安全保护系统72.2 电梯工作原理73 变压变频调速（VVVF）电梯电力拖动系统73.1 VVVF电梯拖动控制系统的原理83.2 VVVF电梯拖动系统的结构93.3 PWM变频器113.3.1变频器的基本构成113.3.2 PWM变频

2、器113.4电梯理想速度曲线的设计133.4.1现有速度曲线的分析133.4.2改进后速度曲线的确定143.4.3函数分析过程143.5 VVVF电梯曳引电动机及其功率确定163.5.1电梯对曳引机的要求163.5.2 曳引电动机额定功率的粗选163.5.3曳引电动机过载、起动校验173.6变频器类型选择及其设计参数183.6.1变频器的选择183.6.2 VS-616G5型通用变频器电梯调速系统203.6.3 VS-616G5变频器的参数选择213.6.4变频器容量计算223.6.5变频器制动电阻参数的计算23总结4参考文献23致谢2摘要电梯是一种用于电力拖动的特殊升降设备，是现代城市生活中

3、必不可少，且应用最广泛的垂直交通运输工具。随着社会的不断发展，电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展十分迅速。变频调速电梯使用了先进的PWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能；调速范围广、控制精度高、动态性能好、舒适、安静、快捷，几乎可与直流电机媲美。同时明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能显著。引言随着现代城市的发展，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。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

4、的性能，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。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。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，成功地解决了电梯运行的舒适感问题。过去，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。因为这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

5、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，输人功率因数也低，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。本设计内容具有一定的广泛性，讨论了可靠性设计有关问题等。根据当前电梯的发展趋势，注重反映新的PWM技术，将其融合到电梯控制中。使本设计更加接近当今控制技术，力求具有实用性、先进性和系统性。在本次毕业设计中，存在了不少的困难。但在老师和同学们的帮助和支持下，特别是本次毕业设计指导教师孙炳海老

6、师的热情辅导，及时更正了设计中出现的错误和不妥之处，深表感谢！1概述本章介绍关于PWM概念、特点及原理，电梯的基础知识，以及电梯的分类和发展前景等内容。1.1PWM的概述1.1.1PWM的基本概念PWM（Pulse Width Modulation）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

7、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。1.1.2PWM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

8、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1-1 a)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1-1 b)。可以看出

9、，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。1.1.3 PWM的特点PWM变频电路

10、具有以下特点：可以得到相当接近正弦波的输出电压整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数电路结构简单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。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-

11、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

12、、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

13、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

14、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。

15、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

16、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

17、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。3变压变频调速（VVVF）电梯电力拖动系统交流变压变频调速电梯简称为VVVF电梯，即V(Vary) V (Voltage)V (Vary) F(Frequency)调速电梯。在电梯传动系统中，VVVF电梯传动系统无论在结构上还是在性能上都明显地超过了其他形式的传动机构，几乎可以和直流传动相媲

18、美。更由于三相交流电动机，尤其是三相交流异步电动机本身所特有的优点，使VVVF传动系统在电梯上的应用已经非它莫属。由于VVVF调速具备优异的调速性能和节能潜力，目前国内外均已研制生产出电梯专用变频器。所以，电梯拖动调速方式以调频调速为主流，PLC+变频器的电梯控制系统应用非常广泛。控制系统中，PLC主要完成逻辑控制，变频器主要完成曳引拖动的调速控制。这种控制形式在旧电梯的改造中也得到广泛应用。3.1VVVF电梯拖动控制系统的原理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

19、: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M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，s1，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

20、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，只需同步地改变使/=常值，然而，绕组中的感应电势是难以直接控制的，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=。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，和都较小，定子绕组的漏磁阻抗压降不能忽略，

21、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。3.2 VVVF电梯拖动系统的结构VVVF电梯拖动调速系统的实质就是采用交流异步电动机驱动。来自电源的三相交流电经过二极管模块组成的整流器作全波整流

22、，并经电路滤波，取得近似于直流的电压值，再经大功率三极管模块组成的逆变器逆变成为可变电压、可变频率的三相交流电，供给曳引电动机，同时采用PWM控制使逆变器输出的交流电压接近于正弦波，减少了高次谐波，因而降低了噪声，减少了电动机发热损耗，并使电梯运行平稳。电梯拖动结构如图3-1所示。对图3-1中几个主要环节的分析如下:一、该控制系统中的整流器采用3块二极管模块(每个模块有2只二极管)组成三相桥式全波整流电路，输出恒定直流电压。二极管模块是目前最先进的功率半导体器件，该器件的一致性好，且具有耐浪涌电压、电流、结点温度高等特点。二、逆变器采用6只大功率晶体管(GiantT ransistor,GTR

23、)模块，每个模块上的GTR均反并联一个续流二极管，以便联结感应电动机负载。大功率晶体管导通时，相当于起1个开关的作用。三、目前的VVVF调速系统均采用脉宽调制控制器PWM，它按一定的规律控制逆变器中的功率开关元件的通与断，从而在逆变器的输出端获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形来近似等效于正弦电压波。改变正弦调制波的角频率可改变输出等效正弦波的频率，达到变频变压的目的。四、本系统的数字控制电路是由主微机和副微机组成。主微机负责对副微机的信号进行控制，副微机则主要用来进行速度控制计算。数控电路将给定速度与速度的反馈信号进行比较，然后经D/A和其它变换，最后输出正弦波电压指令并将其送入正弦波PWM控

24、制电路。图3-1 VVVF系统控制原理框图图3-2 VVVF电梯主电路及系统结构3.3PWM变频器3.3.1变频器的基本构成感应电动机常用的变频器是交-直-交变频器，它先把工频交流电源的电压通过整流器变成直流电压，然后再由逆变器把直流电压变成频率可变的交流电压输出，如图3-3所示。图中整流器、中间直流环节和逆变器构成变频器的主电路。整流器是由可控晶闸管或不可控二极管构成的三相桥式整流电路。逆变器通常由六只半导体主开关器件和六只反向并联的续流二极管组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制主开关器件的开通和关断，就可以得到任意频率的三相交流电压输出。中间直流环节由大电容或大电感作为滤波元件，并用来缓冲

25、负载的无功功率需求。图3-3变频器主电路3.3.2 PWM变频器PWM变频器是靠脉冲宽度的调制实现输出电压幅值的调节，改变调制周期实现输出电压频率的调节。输出电压的幅值及频率的调节都在变频器中的逆变器内完成。逆变器中的开关元件，由控制线路按一定规律控制其通断，从而在逆变器输出端获得一组不等宽的矩形脉冲波形。为说明PWM变频器的工作原理，以三角波（载波）与正弦波（参考波）相交的方法来确定各分段矩形脉冲的宽度。参考信号为正弦波的脉冲调制称为正弦波脉冲调制（SPWM）。利用等幅三角波与正弦波相交点发出通断功率元件的触发脉冲。在正弦波值大于三角波值时，控制逆变器的大功率晶体管导通；在正弦波值小于三角波

26、值时，控制逆变器的大功率晶体管截止。而逆变器输入恒定不变的直流电压，这样就可以在逆变器的输出端得到一组幅值与逆变器直流电压大小相等，宽度按正弦波规律变化的一组矩形脉冲序列，它等效于正弦曲线。这样改变正弦调制波幅值，实现变压；改变调制波的频率，就可以改变PWM输出等效正弦波的频率，实现变频。图3-4表示了单相脉宽调制波。图3-4 单相正弦波脉宽调制波形对于三相逆变器，必须产生互差120的三相调制波，载频三角波可以共用，但必须有一个三相可变频、变幅的正弦波发生器，产生可变频、变幅的三相正弦参考信号，然后分别于三角波产生三相脉冲调制波。由上述分析可见，PWM变频器依靠恰当的调制方法，使其逆变器的输出

27、电压的大小与频率可调。因此PWM变频器实际上就是一种新型的交流电源，而且是电压大小与频率均可调的等效正弦交流电源。图3-5 PWM变频器主电路3.4电梯理想速度曲线的设计电梯调速控制的目的是对电梯从启动到平层整个过程中速度的变化规律进行控制，减轻人们在乘坐电梯时由于启、制动过程中加、减速产生的不舒适感（上浮、下沉感），并保证平层停车准确可靠。电梯的运行可分为启动、稳速、制动三个阶段。稳速运行时考虑到节能和对电网的干扰，系统采用开环控制，而启、制动运行时为使运行速度跟随给定理想速度运行，采用闭环控制。理想速度运行运行综合了舒适感（满足人体对加速度及加速度变化率要求）、运行效率及电动机调速性能，按

28、位置原则存储于程序存储器中。3.4.1现有速度曲线的分析乘客对电梯的需要包括生理需求和心理需求，从生理和心理上满足乘客需要是设计电梯转速的基本出发点。生理需求是指乘客对其在垂直平面内的运行方式提出的要求。人们在垂直平面内乘坐电梯承受加速度或减速度时，会引起体内器官的相对运动，从而产生不舒服的感觉，这就是重力加速度效应。根据专家经验，电梯的加、减速度应限制在1.5m/s2以内，且加速度变化率应限制在2.0m/s3以内。以往的速度控制曲线往往如下图3-6所示，在A、B、C、D处加速度变化率为正、负无穷大，其它时刻则为0。在VS-616G5变频器中有15种速度曲线可供选择，但多数均为如图3-6所示的

29、线性，即使少数几种S型，也不能满足客户对电梯性能的要求（加、减速时间为1.5s，额定转速为1m/s），针对以上的情况，在本文中设计了一种新型的速度控制曲线。如下图3-7所示。图3-6常规的速度控制曲线 图3-7改进后的速度控制曲线3.4.2改进后速度曲线的确定在AE、FB、CG、HD四段选用抛物线平滑地完成加速、减速，EF、GH两段选用曲线的切线来完成调速过程。由系统实际要求所知：电梯的额定转速为1m/s，加、减速所用时间为1.5s，人体所能承受的最大加速度为amax=1.5m/s2，max =2 m/s3，根据上述要求所用的速度曲线模型如下所示AE：V=0.9t2 t0,0.667EF: V

30、=1.2t-0.4004 t0.667,0.833 FB: V=1-0.9(1.5-t)2 t0.833,1.5CG：V=1-0.9(tc-t)2 tc=1.5+T0 t1.5+T0,2.167+T0GH：V=0.6-1.2(t-2.167-T0) t2.167+T0,2.334+T0HD: V=0.9(t-3-T0)2 t2.334+T0,3+T0其中T0是电梯以额定转速运行的时间3.4.3函数分析过程曲线的选择根据系统的快速性和舒适性以及加、减速时间和额定转速进行以下分析：加速曲线AE ：V=kt2 则可知此段aAE =2kt、AE=2k加速切线EF ：V=VE+2ktE(t-tE)则可知

31、此段 aEF=2ktE、E=0设计中考虑到加速的快速性、选择加速曲线FB 与AE 对称，即tE=tB-tF；匀速运行时电梯的额定转速是1m/s，这要求B点加速度及加速度变化率均须为0，由此选择匀速曲线BC： V=VN，a=0，=0 根据以上分析可知：VE=Kt2=am2/2m选择am=1.2m/s21.5m/s2=amax；m=1.8m/s32m/s3=max由tE = am/m=1.2/1.8=0.667s由 VE=Kt2=am2/2m=1.22/21.8=0.4m/s由于设定AE 与FB 对称则有VFB=VE=0.4m/s ；tFB=tE=0.667sVEF=VN-2VE=1-20.4=1-0.8=0.2m/stEF=VEF/am=0.2/1.2=0.167s 并得各点参数入下所示：