变频调速技术在电梯上的应用(已处理)

1、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(Programmable logic controller)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

2、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,UPSAbstract With the development of economy, an increasing number of high-rise buildings in modern cities, elevators become an indispensable m

3、eans of transport of daily life. The core of elevators function is control system besides hardware. PLC(Programmable logic controller)have wide use for its many advantages, such as convenience, high reliability and strong anti-interference ability. In addition to the application of this inverter in

4、elevator can solve the requirement of transform elevator running well, we can improve the comfort, improve the operating speed. In addition, the uninterruptible power supply, UPS power supply, emergency power lift in the lift can safely stop in safe position specified. This article taking Japanese M

5、itsubishi FX2N series PLC for example, fifth floor elevator as the design, details the plcs application in the elevator control system, through the reference and working mechanism of elevator control system, configuration program of PLC, software designing of PLC, emulation software of PLC and hardw

6、are choosing the elevator. This paper works out a complete model of the elevator controlled by PLC. This PLC control system can make elevator running in a accurate, credible and fast way. Keyword: elevator control, PLC, frequency control ,UPS目录摘 要IAbstractII目录III1 绪论41.1PWM的基本概念11.2PWM的原理11.3PWM的特点2

7、1.4低、中速VVVF电梯拖动控制系统22 电梯系统综述52.1电梯的基本结构52.1电梯的基本结构52.1.1曳引系统62.1.2导向系统62.1.3 门系统62.1.4 轿厢62.1.5重量平衡系统72.1.6 电力拖动系统72.1.7电气控制系统72.1.8 安全保护系统72.2 电梯工作原理72.3 电梯控制系统组成83异步电动机变频调速的控制原则93.1 PLC外部接线及主电路设计103.1.1 PLC的外部接线103.1.2主电路电气原理图123.2 电梯运行曲线133.3 变频器的选择143.3.1 变频器的分类143.3.2变频器的结构153.3.2 VS-616G5型通用变频

8、器173.3.3 变频器的参数设置193.3.4变频器自学习功能的应用方法203.3.4变频器的功率计算214 硬件的设计与选择224.1 PLC的硬件选择224.2 其它硬件的选择234.2.1 轿厢位置检测装置选择234.2.2 牵引电机的选择244.2.3 开关门电机的选择244.2.4 继电器的选择254.2.5 熔断器的选择264.2.6 对重装置274.3 电梯的UPS应急电源274.3.1 UPS电源系统274.3.2 UPS原理285 系统软件的设计305.1 控制系统的工作流程305.2 控制系统的功能要求315.2.2 电梯运行状态的分析315.2.3 电梯的控制要求325

9、.3 系统信号的确定以及软元件的选取335.4 系统梯形图的设计375.4.1 开门环节375.4.2 关门环节385.4.3 楼层显示环节385.4.4 内呼信号的登记与消除环节405.4.5 外呼信号的登记与消除环节415.4.6 定向环节425.4.7 启动环节455.4.8 减速制动环节455.4.9 抱闸环节475.4.10 UPS不间断电源环节476仿真软件的介绍与调试运行496.1 仿真软件的介绍496.2 软件中梯形图程序的编写方法496.3 软件调试方法516.4 梯形图程序仿真537 总结56参考文献57致谢58附录A 电梯控制系统原理图591 绪论PWM的基本概念 PWM

10、(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。PWM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

11、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

12、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,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1.1 PWM原理说明图 在PWM波形中,各脉冲的幅值是相等的

13、,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。 PWM的特点 PWM变频电路具有以下特点: 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。 1.4低、中速VVVF电梯拖

14、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1.2 PWM原理说明图 当电梯减速时以及电梯在较重的负荷

15、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

16、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

17、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

18、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、

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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

26、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

27、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。 3.1 PLC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。3.1.1 PLC的外部接线 图3.1为PLC的外部接线图,图3.1 PLC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

28、,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

29、: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0A,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

30、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位置,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

31、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

32、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

33、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 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

34、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

35、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、象限异步电动机的转矩方向与旋转方向一致,为电动状态。象限是正转的电动运转,象限是反转的电动运转。在,象限器转矩方向与旋转方向相反,为再生状态。象限为正转的再生运转,象限为反转的再生运转。电动运转时,则只需由电源向异步电动机供给功率,可使用不可逆变流器。对于减速时需要制动

36、力的负载,功率就必须从异步电动机向逆变器流传,可附加制动回路以便能在,象限使用。另外,对于需要急加减速并且加减速频繁的场所(例如电梯),或者对于制动为主要目的的场合,可以采用可逆变流器,实现-的象限运转。此时,能量向电源反馈而节能。控制电路 给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,称为控制电路。如图3.5所示,控制电路由以下电路组成 :频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路,电动机的速度检测电路,将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路,以及逆变器和电动机的保护电路 。 在图3.5点划线内,无速度检测电路,为开环控制。在控制电路增加了速度检测电路,即增加速度指令,

37、可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。 图3.5 变频器控制电路示意图 1)运算电路 将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。 2)电压、电流检测电路 与主回路电位隔离检测电压、电流等。 3)驱动电路 为驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 4)I/0输入输出电路 了变频器更好人机交互,变频器具有多种输入信号的输入(比如运行、多段速度运行等)信号,还有各种内部参数的输出(比如电流、频率、保护动作驱动等)信号。 5)速度检测电路 以装在异步电动轴机上的速度检测器(TG、PLG等)的信号为速度信号,送入运算回路

38、,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 6)保护电路 检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为了防止逆变器和异步电动机损坏,使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 逆变器控制电路中的保护电路,可分为逆变器保护和异步电动机保护两种。3.3.2 VS-616G5型通用变频器 电梯的调度要求除了一般工业控制的静态、动态性能外,他的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容。本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行,以改善电梯运行的舒适感;另外,由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例,因此,电梯节约用电日益受到重视。 考虑以上各种因素,本设计选用安川VS

39、-616G5型全数字变频器。它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能,可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率,同时降低了电机运行损耗,特别适合电梯类负载频繁变化的场合。 另外,VS-616G5变频器的启动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点,配以高精度的旋转编码器,控制精度可达0. 010. 02%使得电梯运行舒适感好,零速抱闸,平层精度高。无须配专用电机,可自学习所配电机的各个参数,精确控制任何品牌的电机。采用高性能IGBT,载波频率20KHZ,从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形,使电机始终运行于静噪音状态。 VS-616G5型变频器是安川电

40、机公司面向世界推出的21世纪通用型变频器。这种变频器不仅考虑了V/f控制,而且还实现了矢量控制,通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制,很容易得到高起动转矩与较高的调速围。 VS-616G5变频器的特点如下: 1 包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。 2 有丰富的内藏与选择功能。 3 由于采用了最新式的硬件,因此,功能全、体积小。 4 保护功能完善、维修性能好。 5 通过LCD操作装置,可提高操作性能。 VS-616G5型变频器的标准规格如表3.1所示。表3.1 VS-616G5型变频器的标准规格220V级输出特性最大输出电压3相,200/208/220/230V对应

41、于输入电压额定输出频率最大400Hz额定输入电压和频率3 相,200/208/220V 50Hz200/208/220/230V 60Hz电源允许电压波动+10%,-15%允许频率波动±5%400V级输出特性最大输出电压3相,380/400/415/440/460V对应于输入电压额定输出频率最大400Hz额定输入电压和频率3相,380/400/415/440/460V 50-60Hz电源允许电压波动+10%,-15%允许频率波动±5%控制特性控制方式正弦波PWM V/f控制、带PG反馈的V/F控制、开环矢量、闭环矢量控制4种控制方式任选性启动力矩150%/1Hz带PG, 1

42、50%/Ormin速度控制范围1:100带PG, 1:1000速度控制精度±0. 2%带PG,±0. 02%速度响应5Hz带PG, 30Hz力矩限制可采用参数设定:4级可变力矩精度±5%力矩响应20Hz带PG, 40Hz频率控制范围0. 1400Hz频率控制精度数字指令:0. 01% -10 0C+40 模拟指令:0.1% 250±10 3.3.3 变频器的参数设置 由于采用PLC作为逻辑控制部件,故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。 1 VS-616G5变频器的参数616G5变频器共有9组参数,每一组参数的设定都具有特定的含义。常用参数如表3

43、.2所示。表3.2 VS-616G5变频器的参数参数功用A组B组C组D组E组F组G组确定控制模式选择运行功能确定加减速时间及转矩补偿时间选择频率确定运行压频曲线保护设置确定偏差标准 2 参数设计的原则: 减小启动冲击及增加调速的舒适感,其速度环比例系数宜小些,而积分时间常数宜大些。 提高了运行效率,快车频率应选为工频,而爬行频率要尽可能低些,以减小停车击。 零速一般设计为0Hz,速抱闸功能将影响舒适感。 变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入,具体的设置如表3.3安川616G5变频器主要参数设置表表3.3 安川616G5变频器主要参数设置参数名称设定值说明A1-02控制方式选择

44、2不带PG矢量控制方式B1-01频率指令选择1B1-02运行指令选择1B1-03停止方法选择0 表3.3 安川616G5变频器主要参数设置续表1B1-04反转禁止选择0B2-01零速电平选择0.1HzB2-04停止时直流制动时间1.0SC1-03加速时间22.0SC1-04减速时间22.0SC2-01加速开始时s型曲线时间0.6SC2-02加速完了时s型曲线时间0.6SC2-03减速开始时s型曲线时间0.6SC2-04减速完了时s型曲线时间0.6SC5-01ASR比例增益15C5-02ASR积分时间13SD1-09检修速度200rpmE1-01输入电压设置380E1-04最高输出频率50HzE

45、1-05最大电压380E1-06额定电压频率50HzE1-09最低输出频率电压0VE2-01电机额定电流按电机铭牌设置E2-02电机额定滑差按电机铭牌设置E2-03电机空载电流按电机铭牌设置E2-04电机极数按电机铭牌设置F1-01PG常数根据旋转编码器铭牌设置F1-02PG断线检测时的动作选择0F1-03超速时的动作选择0F1-04超度偏差过大时的动作选择0F1-05PG分频比根据电机极数设置3.3.4变频器自学习功能的应用方法 为了使变频器工作在最佳状态,在完成参数设置后,需使变频器对所驱动的电动机进行自学习,而61665就具有曳引机参数自学习的功能,其方法是:将曳引机制动轮与电机轴脱离,

46、使电动机处于空载状态,然后启动电动机,让变频器自动识别并存储电动机有关参数,变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。显然,这一组自学习到的参数,是和变频器匹配的最佳参数,使变频器能对该电动机进行最佳控制。3.3.4变频器的功率计算 变频器容量的计算 变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。设电梯曳引机电机功率为P1,电梯运行速度为v,电梯自重为W1,电梯载重为W2,配重为W3,重力加速度为g,变频器功率为P。在最大载重下,电梯上升所需曳引功率为P2, P2W1 +W2-W3g+F1v 3-3 其中F1KW1+W2-W3g+f为摩擦力,f可忽略不计。 电

47、机功率P1,变频器功率P应接近于电机功率P1,相对于P2留有安全裕量,可取P1.5P215KW 变频器制动电阻参数的计算 由于电梯为位能负载,电梯运行过程中产生再生能量,所以变频调速装置应具有制动功能。带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网,但成本太高。采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上,成本较低而且具有良好的使用效果。能耗制动电阻Rz的大小应使制动电流Iz的值不超过变频器额定电流的一半,即 IZUD/RZIN/2 3-4 其中UD为额定情况下变频器的直流母线电压。由于制动电阻的工作不是连续长期工作,因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。4 硬件的

48、设计与选择4.1 PLC的硬件选择 考虑到本次设计的电梯系统有五层,且开关量居多,模拟量较少;对于开关量控制为主的系统而言,一般PLC的响应速度足以满足控制的要求,在小型PLC中整体式比模块式的价格便宜,体积也小,综合考虑后,系统选择了日本三菱公司生产的 FX2N系统PLC。 FX2N系统PLC具有以下几方面的优点: FX2N配置灵活,除主机单元外,还可扩展I/O模块,A/D模块,D/A模块和其它特殊功能模块。 FX2N指令功能丰富,有各种指令 107 条,且指令执行速度快。 FX2N可用内部辅助继电器M,状态继电器S,定时器T,寄存器D,计数器 C的功能和数量满足了系统控制要求的需要。 FX

49、2N的编程可用编程器,也可以在 PC 机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSE MEDOC来进行。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是可用 PC 机对系统实时进行监控。为调试和维护提供了极大的方便。 经过分析,本五层电梯控制系统中共需40个输入量、40个输出量,因此选择三菱FX2N系列中的FX2N-80MR-001型PLC。PLC参数见表4.1和图4.1。表4.1 PLC参数PLC型号输入电源输出类型输入点数输出点数FX2N-80MR-001AC电源 DC24V继电器输出4040图4.1 FX2N-80MR-001外观图4.2 其它硬件的选择4.2.1 轿厢位置检测装置选择 轿厢位置检测装置俗

50、称选层器,它检测电梯轿厢运行状态,所处位置,及时向控制系统发出所需要的信号。其主要功能是:根据登记的内选与外呼信号和轿厢的位置关系,确定运行方向;当电梯将要到达所需停站的楼层时,给曳引电动机减速信号,使其换速;当平层停车后,发出信号以消去已应答的选层、呼梯信号,并指示轿厢当前位置,选层器种类较多,通常分为三大类,即机械选层器、继电器选层器和微机选层器。其中机械选层器与继电器选层器将随着继电器控制电梯的逐步淘汰而淘汰。 位置检测方法主要有如下几种: 用于簧管磁感应器或其它位置开关。这种方法直观、简单,但由于每层需使用一个或几个磁感应器,当楼层较高时,会占用PLC太多的输入点。 利用稳态磁保开关。这种方法需对磁保开关的不同状态进行编码,在各种编码方式中适合电梯控制的只有格雷变形码,进行运算时需采用PLC指令译码,比较麻烦,软件译码也使程序变的庞大。 由于本文是五层电梯的控