第3章电梯控制技术课件

1、 第三章 电梯的电力拖动系统电力拖动系统是电梯的动力来源，它驱动电梯部件完成相应的运动。在电梯中主要有如下两个运动：轿厢的升降运动。轿门及厅门的开关运动。轿厢的运动由曳引电动机产生动力，经曳引传动系统进行减速、改变运动形式（将旋转运动改变为直线运动）来实现驱动，其功率在几千瓦到几十千瓦，是电梯的主驱动。为防止轿厢停止时由于重力而溜车，还必须装设制动器（俗称抱闸）。轿门及厅门的开与关则由开门电动机产生动力，经开门机构进行减速、改变运动形式来实现驱动，其驱动功率较小（通常在200瓦以下），是电梯的辅助驱动。开门机一般安装在轿门上部，驱动轿门的开与关，而厅门则仅当轿厢停靠本层时由轿门的运动带动厅门实

2、现开或关。由于轿厢只有在轿门及所有厅门都关好的情况下才可以运行，因此，没有轿厢停靠的楼层，其厅门应是关闭的。如果由于特殊原因使没有轿厢停靠楼层的厅门打开了，那么，在外力取消后，该厅门由自动关闭系统靠弹簧力或重锤的重力予以关闭 电梯的电力拖动系统的功能电梯的电力拖动系统应具有如下功能：有足够的驱动力和制动力，能够驱动轿厢、轿门及厅门完成必要的运动和可靠的静止。在运动中有正确的速度控制，以保证有良好的舒适性和平层准确度。动作灵活、反应迅速，在特殊情况下能够迅速制停。系统工作效率高，节省能量。运行平稳、安静，噪音小于国标要求。对周围电磁环境无超标的污染。动作可靠，维修量小，寿命长。常见的电力拖动方式

3、随着科学技术的发展，电梯的电力拖动方式也有了很大发展，最先进的电力拖动技术一出现，很快便在电梯中实际应用。电梯作为与人们生活最贴近的建筑设备，不断地向人们展示最新的科技成果，让人们享受科学技术带来的方便与舒适。目前国内生产的电梯主要采用如下一些电力拖动方式。轿厢升降运动的电力拖动方式单相励磁、发电机组供电的直流电机拖动三相励磁、发电机组供电的直流电机拖动晶闸管供电的直流电机拖动斩波控制的直流电机拖动轿厢升降运动的常见电力拖动方式可以表示如下：述各种拖动方式中，发电机组供电的直流电机拖动方式由于能耗大、技术落后已不再生产，只有少量旧梯还在运行。而于20世纪七、八十年代出现的变压变频（）交流异步电

4、机拖动方式由于其优异的性能和逐步降低的价格而大受青睐，占据了新装电梯的大部分。永磁同步电动机拖动方式在近几年开始在快速、高速无齿电梯中应用，是最有发展前途的电梯拖动方式。对于超超高层建筑，其电梯中心区的面积将占大厦总水平投影面积的比例会超过50%，直线电机驱动的无曵引绳电梯将能改变这种状态，Albert.T.P等所著电梯技术发展概况一文中认为直线电机驱动的电梯是一种先进的电梯，它将是未来电梯的发展方向。电梯的速度曲线、舒适感与快速性的矛盾统一电梯的速度曲线对电梯的快速性要求电梯作为一种交通工具，对于快速性的要求是必不可少的。快速可以节省时间，这对于处在快节奏的现代社会中的乘客是很重要的。快速性

5、主要通过如下方法得到： 1提高电梯额定速度电梯的额定速度提高，运行时间缩短，达到为乘客节省时间的目的。现代电梯梯速不断提高，目前超高速电梯额定速度已达20m/s。在提高电梯额定速度的同时应加强安全性、可靠性的措施，因此梯速提高，造价也随之提高。 2集中布置多台电梯，通过电梯台数的增加来节省乘客候梯时间这种方法不是直接提高梯速，但是为乘客节省时间的效果是同样的。当然电梯台数的增加不是无限制的，通常认为，在乘客高峰期间，使乘客的平均候梯时间少于30s即可。尽可能减少电梯起、停过程中加、减速所用时间电梯是一个频繁起、制动的设备，它的加速、减速所用时间往往占运行时间的很大比重，电梯单层运行时，几乎全处

6、在加速、减速运行中，如果加、减速阶段所用时间缩短，便可以为乘客节省时间，达到快速性要求。对电梯的舒适性要求1由加速度引起的不适由于电梯的负载是人，人在加速上升或减速下降时，加速度引起的惯性力叠加到重力之上，使人产生超重感，各器官承受更大的重力；而在加速下降或减速上升时，加速度产生的惯性力抵消了部分重力，使人产生上浮感，感到内脏不适，头晕目眩。考虑到人体生理上对加、减速度的承受能力，电梯技术条件中规定：“电梯的起制动应平稳、迅速。加、减速度最大值不大于1.5 m/s 2。”2由加速度变化率引起的不适实验证明，人体不但对加速度敏感，对加速度的变化率（或称加加速度）也很敏感。我们用a来表示加速度，用

7、来表示加速度变化率，则当加速度变化率较大时，人的大脑感到晕眩、痛苦，其影响比加速度a的影响还严重。我们称加速度变化率为生理系数，在电梯行业一般限制生理系数不超过1.3 m/s 3 。电梯的速度曲线当轿厢静止或匀速升降时，轿厢的加速度、加加速度都是零，乘客不会感到不适；而在轿厢由静止启动到以额定速度匀速运动的加速过程中，或由匀速运动状态制动到静止状态的减速过程中，既要考虑快速性的要求，又要兼顾舒适感的要求。也就是说，在加、减速过程中既不能过猛，也不能过慢：过猛时快速性好了，舒适性变差；过慢时舒适性变好，快速性却变差。因此，有必要设计电梯运行的速度曲线，让轿厢按照这样的速度曲线运行，既能满足快速性

8、的要求，也能满足舒适性的要求，科学、合理地解决快速性与舒适性的矛盾。图3-1中曲线ABCD就是这样的速度曲线。其中AEFB段是由静止起动到匀速运行的加速段速度曲线；BC段是匀速运行段，其梯速为额定梯速；CFED段是由匀速运行制动到静止的减速段速度曲线，通常是一条与起动段对称的曲线。加速段速度曲线AEFB段的AE段是一条抛物线，EF段是一条在E点与抛物线AE相切的直线，而FB段则是一条反抛物线，它与AE段抛物线以EF段直线的中点相对称。设计电梯的速度曲线，主要就是设计起动加速段AEFB段曲线，而CFED曲线与AEFB段镜像对称，很容易由AEFB段的数据推出，BC段为恒速段，其速度为额定速度，无需

9、计算。画出上述速度曲线的加速度、加加速度曲线见图3-2。图3-2中，起动加速段AEFB中各小段的速度曲线、加速度曲线、加加速度曲线的函数表达式分别是：电梯的速度曲线的特点由于乘客对电梯舒适性的要求，使得电梯要兼顾快速性与舒适性，因此电梯的速度曲线与生产机械的速度曲线不同。图3-4给出了龙门刨床的速度曲线、加速度曲线和加加速度曲线。比较图3-2和图3-4可以看出这两条曲线的不同：电梯的速度曲线在转弯处都是圆滑过渡的，处处可导；而龙门刨床的速度曲线在起始点、终了点和转弯处拐硬弯，因而造成在速度曲线转折点加速度a发生突跳，使该点的加加速度为无穷大。这对于没有感官的机床和工件来说不成问题，而对于电梯或

10、者车辆，其中的乘客就会感到头晕脑涨、严重不适。所以在图3-2中电梯的速度曲线的转弯处，专门设计了抛物线曲线段，与其前后的直线段相切，实现平滑过渡，从而加速度曲线是连续的，没有突跳，加加速度则可被控制在允许值之下。加速、减速段的最大加速度数值不同，考虑到人对加速度引起的超重、失重的承受能力，其值不得大于1.5 m/s 2，再加上抛物线阶段的逐渐过渡，使得电梯的加速、减速段时间较长。而龙门刨床在加速、减速段的最大加速度通常可达35 m/s 2，以尽量减少加速、减速段时间。调速电梯在加速、减速段要实施严密的速度闭环控制，保证轿厢按设计的速度曲线运行，不允许出现大的超调和振荡，以保证电梯的舒适性。而龙

11、门刨床在加速、减速段给出的速度指令是阶跃信号，调速系统是在大的速度偏差下以电流截止反馈方式运行，其加速度取决于设定的截止电流值，该电流通常为额定电流的两倍左右。二、抛物线型电梯速度曲线设计（一）速度曲线的要求从前面的分析可以看出，设计电梯的速度曲线重点是设计电梯起动阶段的速度曲线AEFB段，BC段是匀速运行段，速度为常值，无须设计；减速阶段的速度曲线CFED段与BFEA段对称，可按对称原则轻松得到。将相关标准对电梯的舒适性、快速性要求列写如下：我们把起动段速度曲线画在图3-5中，把各段曲线的方程列写如下：三、其它类型的电梯速度曲线从前面的分析可知，要保证电梯有良好的舒适性，设计的速度曲线必须是

12、平滑的，只有这样，加速度曲线才是连续的、没有突跳，加加速度才是有限数值，不会出现无穷大，再适当限制加速度、加加速度的数值，使其符合标准要求（既符合舒适性要求，又符合快速性要求）。图3-9 采用正弦函数曲线设计的电梯起动段速度曲线a) 没有直线段的速度曲线 b) 具有直线段（EF段）的速度曲线满足平滑要求的速度曲线可以有多种类型，前面介绍的抛物线型速度曲线为其一种。也可以采用正弦函数曲线来设计电梯的速度曲线， 图39 b）是带有直线加速段（段）的正弦函数速度曲线。当额定梯速较高时，若仍采用图39）的速度曲线，就势必造成点附近一带的加速度超标，因此需要在点的加速度尚未超标之前，在点处断开，接入一段

13、与正弦曲线相切的直线（其斜率等于正弦曲线在点的导数）。从图39看出，由于正弦函数光滑可导，它的v、 、 均可按要求进行设计，因此正弦函数速度曲线也是一种较好的速度曲线。在一些新型变频器中，为适应电梯曳引驱动的需要，常设计有所谓“”型起动速度曲线供用户选用，可以减轻设计速度曲线的工作量。第三节 电梯的负载机械特性 一、静态负载机械特性 当电梯重载运行时，轿厢的负载系数大于对重的平衡系数KP，即KP，这时电梯的静态负载机械特性由两部分组成：一是由桥厢、对重的重量差引起的位能性转矩（图3-10中的曲线），另一部分是由传动系统的摩擦（超高速梯还有较大的风阻）阻力引起的反抗性转矩（图3-10中的曲线），

14、这两部分转矩之和为电梯重载运行时的静态负载转矩（图3-10中的曲线3）。当电梯轻载运行时，KP，轿厢、对重的重量差为负值，引起的位能性转矩也是负值，如国3-10的1”曲线，加上摩擦力引起的反抗性负载转矩（曲线2）得到轻载运行时电梯的静态负载转矩见图3-10中的曲线” 当电梯半载运行恰使=KP时，由于轿厢侧与对重侧重量相等，位能性负载转矩为零，这时电梯的静态负载转矩只有摩擦力引起的反抗性负载转矩，电梯的静态负载转矩如图3-10中的曲线3（3曲线也就是曲线）。二、动态负载机械特性当电梯起动加速或停车前制动减速时，由于速度的变化将引起动态负载转矩：为了得到较好的舒适感，要求轿厢按预定的速度曲线平滑地

15、改变梯速。又由于电梯设有对重使传动系统的惯性增大（飞轮矩GD2较大），从而使动态转矩增大，通常电梯动态转矩可达最大静态转矩的1.53倍因此在研究电梯运行的动力学问题时，有必要将电梯的动态负载转矩绘制成动态负载机械特性曲线。图311 便是根据图32中的抛物线型速度曲线绘制的电梯动态负载机械特性。图32中速度曲线的EF段是一条直线，其斜率（即加速度）为常数，故相应的动态转矩也是常数，如图311中的EF段。图32中速度曲线的FB段是一条与AE段反对称的抛物线，加速度是一条向右下斜的直线，到B点加速度减小到零， B点的动态转矩也逐渐减小到零，因此FB段的动态转矩曲线与AE段相对称，是一段反抛物线（见图

16、311）。图32中速度曲线的BC段是恒速运行段，其加速度为零，因此动态转矩也为零，在图311中表现为一个点，其M0，n= nN。图32中速度曲线的CFED减速段与BFEA段相对称，因此图311中减速段的动态转矩曲线也与加速段BFEA段相对称。图311中D点与A点重合，此时n=0, M=0, 表明轿厢处在稳定静止状态。图311中封闭曲线AEFBCFED反映了轿厢一次上升运行过程中电梯的动态转矩变化规律。而当轿厢向下运行时，一次下降运行过程中电梯的动态转矩曲线可以通过将图311中的封闭曲线AEFBCFED以“0”点为轴心旋转180后得到。三、电梯的负载机械特性将电梯的静态负载机城特性与动态负载机械

17、特性相叠加得到电梯负载机械特性，见图312。图中曲线1为满载上升时的负载机械特性，曲线2为满载下降时的负载机械特性，曲线3为空载上升时的负载机械特性，曲经4为空载下降时的负载机械特性，曲线5为半载（=KP）上升时的负载机械特性，曲线6为半载下降时的负载机械特性。图中每条曲线在起动初的一段大小为Mj 的水平线表示起动初的静摩擦转矩造成的负载转矩增量。四、调速电梯曳引电动机机械特性与电梯负载机械特性的关系调速电梯要求轿厢能按预定的速度曲线运行，以便得到较好的舒适性。这就要求曳引电动机在选定的调速方式下，电机的转矩总能达到负载转矩的要求，考虑到电源电压的波动造成电动机最大转矩变化、导轨不够平直造成的

18、运动阻力增大等因素，电机的转矩还应留有一定裕度。将电机在调速过程中所能做到的机械特性画在电梯负载机械特性的平面内，电机的机械特性曲线应能全部覆盖负载机械特性，或者说电机的机械特性能够包容负载机械特性。如果满足上述条件，则该电梯在正确的控制下能够按预定的速度曲线运行。否则，在哪一带不能包容，则在不包容区间电梯实际运行的速度曲线将脱离预定速度曲线，从而造成舒适性变差或平层精度变差，严重时可能出现失控现象。图3-13 变频调速电梯电机的机械传性与负载机械特性的包容关系图313表示变频调速电梯电机的机械传性与负载机械特性的包容关系，可以看出，由于变频调速的优越性能，可以很好地满足二者的包容关系，因此变

19、频调速电梯能够得到很好的运行舒适性和平层精确度。第四节 曳引电动机及其功率的确定电梯对曳引电动机的要求曳引电动机是电梯的动力来源，是电梯的关键部件之一。能否正确地选用曳引电动机，关系到电梯能否安全、可靠地工作。因此为了能够正确地选用曳引电动机，首先要了解电梯的拖动特点和电梯对曳引电动机的要求。1.电梯是一个大惯量的拖动系统，要求电动机有较大的过载能力2.电梯是一个频繁起、制动的设备，要求电动机能够承受频繁起停的要求，能承受较高的每小时合闸次数3.电梯的运行属于周期断续工作方式，要求选用周期断续工作制的电动机4.对于交流电梯，要求曳引电动机有足够的起动转矩和尽量小的起动电流普通交流异步电动机起动

20、电流大，可达额定电流的57倍，起动转矩小，一般在额定转矩的0.71.8倍。二 曳引电动机额定功率的粗选根据图312电梯负载机械特性曲线1及动态转矩公式(312)可以画出轿厢一次重载上升运行过程中负载转矩随时间变化曲线，见图315。 图315 轿厢一次重载上升运行过程中负载转矩随时间变化曲线在选用电动机时，应根据工作区间（ABCD段）的等效负载转矩来确定电动机的额定功率，从图中可以看出，起动加速阶段（AEFB段）负载转矩增大，制动减速阶段（CFED段）负载转矩减小，工作区间的平均负载转矩等于匀速运行阶段（BC段）的负载转矩，即静态负载转矩；因此在粗选电动机功率时，可以近似地用平均负载（静态负载）

21、代替等效负载。（一）卷绕式拖动系统电动机额定功率的粗选卷绕式拖动系统是一种无对重系统，它的原理图表示在图316中，在起重机中普遍采用。当该系统以额定速度VN提升额定重量QN的负载（假设该负载就是电梯的轿厢）时，电动机的功率可以按下式粗选：图316 卷绕式拖动系统原理示意图（二）有对重曳引系统电动机额定功率的粗选图317 有对重的曳引系统原理示意图电动机 2-减速机 3-曳引轮 4-曳引钢丝绳5-轿厢 6-对重 7-尾绳三 曳引电动机发热与过载、起动校验按照上面介绍的方法粗选电动机只适合于电梯改造时的粗略估算，在设计开发新型号电梯时，需要更精确地校验电动机的耐热与过载、起动能力。这时需要按如下步

22、骤进行。初选电动机即以上面介绍的方法粗选电动机的额定功率PN，将该电动机作为初选电动机，计算其额定转矩然后再进行下面的发热校验、过载校验和起动校验。进行发热校验（1） 对于直流电梯和变频调速交流电梯，在运行过程中电动机内的磁通量保持额定值不变，可以采用等效转矩法进行发热校验。 图318 办公大楼早晨上班期间电梯轿厢一次往返的负载转矩变化曲线图318 办公大楼早晨上班期间电梯轿厢一次往返的负载转矩变化曲线以办公大楼电梯为例，早晨上班期间电梯工作最为繁重，常常是满载上升、空载下降，上升时负载机械特性如图312中的曲线1，下降时负载机械特性如图312中的曲线4。轿厢的每一次往返，都重复若干个（假设为

23、Ns个）曲线1和若干个（假设为Nx个）曲线4。把轿厢一次往返的负载转矩变化曲线画在图318中，按下式计算负载的等效转矩（2） 对于定子串电阻（电抗）调速和调压调速的交流电梯，在加速和减速阶段电动机内部的磁通减小，要产生所需的转矩，需要更大的电流，因此发热也更为严重，这时需要对各段转矩加以修正，再计算等效转矩。或者采用等效电流法进行校验，其做法与等效转矩法相似：首先根据运行过程中的电流曲线计算等效负载电流 三 对交流电动机进行过载校验和起动校验 第五节 直流电梯电力拖动方式 本节重点介绍晶闸管整流器供电的直流电梯（SCRM拖动方式）20世纪70年代随着晶闸管向大容量的发展，由晶闸管整流器为直流电

24、动机电枢直接供电的直流电梯便开始出现，这种电梯的拖动控制方式主要有如下两种：图320 电枢单向供电、励磁双向供电的SCRM直流电梯一、电枢电路由单向整流桥供电、励磁电路由双向整流桥供电的SCRM直流电梯这种类型的电梯系统构成如图320所示。在该系统中采用一组三相全波可控整流器UC替代GM拖动方式中的发电机组，为直流电动机M 供电。 图320 电枢单向供电、励磁双向供电的SCRM直流电梯图321 整流桥UC的输出电压a)相电压 b)触发脉冲 c)线电压及输出电压由于这样只能产生单方向的电枢电流Ia，而要想适应电梯负载的要求，电机M 必须能灵活地改变电磁转矩的方向， 因此电机的励磁统组WM则由两个

25、反并联的整流桥供电。当正组励磁整流桥UCF工作时，给励磁绕组WM提供正向励磁，使电机内产生正向磁通，这样电机 M 的电枢电流Ia（只有正向电流）在正向磁通的作用下就将产生正向转矩。当反组励磁整流桥UCR工作时，则为励磁绕组WM提供反向励磁电流，使电机产生反向磁通-，于是正向的电枢电流Ia在反向的磁通-作用下，产生反向转矩。控制整流桥UC的晶闸管触发角可以改变整流桥及电动机的工作状态。当90o时，整流桥UC工作在图321 整流桥UC的输出电压a)相电压 b)触发脉冲 c)线电压及输出电压整流状态，输出电压上正下负，其波形见图3-21 c , 向电动机提供直流电，电动机则将电能转变成机械能带动轿厢

26、运动，这时电机工作在电动状态。当90o时，整流桥UC工作在逆变状态，输出电压下正上负，这时如果电动机由于励磁改变了方向（或者电机转向是负的），感应电势也变成了下正上负，而且若数值上大于整流桥UC的逆变电压， 那么电动机M 就将通过整流桥UC向交流电源供电，这时电动机工作在回馈制动状态，实际上是一个发电机了。通过上面的分析知道，改变励磁电流方向就可以改变电机转矩的方向，在正转时改变励磁电流方向同时将UC的触发角推向逆变（即90o ），就将使电机进入回馈制动状态，或者在反转，正向励磁的情况下，使90o，也可以使电机进入回馈制动状态。这些关系如图322 a)所示。图322 整流桥的协调控制与系统工作

27、状态电机四象限运行与整流桥控制的关系 b)三个整流桥的输出电流与转矩指令的关系图322 整流桥的协调控制与系统工作状态电机四象限运行与整流桥控制的关系 b)三个整流桥的输出电流与转矩指令的关系为了使电机得到平滑、准确的控制，需要协调三组整流器的控制，随着所需转矩的大小变化，三个整流器的控制规律可以用图3-22 b）表示。图3-22 b）中规定了一个小转矩区，当转矩小于M0时，控制UC保持电流Ia=Ia0，控制UCF或UCR来改变励磁电流，从而改变磁通，进而改变转矩。当转矩指令大于M。时，则保持励磁电流If 为额定值IfIfN（当要求转矩为负时，则If=-IfN），而通过对UC的控制来改变电枢电

28、流Ia，从而改变电机的转矩。由于转矩与电枢电流、转矩与励磁电流均是线性关系，因此控制规律比较简单，控制精度容易保证。二、电枢电路由两组反并联的三相全波可控整流器供电的SCRM直流电梯图323采用两组反并联晶闸管整流器为电枢供电的直流电梯1-主变压器 2-正组晶闸管 3-反组晶闸管 4-平波电抗器 5-直流电动机6-测速发电机 7-曳引机 8-轿厢 9-对重 10-励磁变压器 11-励磁晶闸管整流器 12-励磁绕组 13-励磁指令及励磁控制器 14-速度指令 15-比较器 16-控制切换开关 17-正组晶闸管触发电路 18-反组晶闸管触发电路直流电动机提供正向电压、电流，电动机正转，曳引轿厢向上

29、运动，电动机把电能变成机械能，工作在正向电动状态，这时将反组晶闸管UCR的触发延迟角控制在90，使其处于待逆变状态。以图325 a）所示的桥厢重载上升机械特性为例，当电机按负载机械特性曲线运行时，在电梯起动加速阶段（AEFB段）、电梯稳速运行阶段（图中的B（C）点）和部分减速阶段（图中的CG段和HD段），系统就工作在上述的状态下。当电梯减速到G点时，正组晶闸管的触发延迟角1刚好增加到90o，整流电压为零，电机电流也为零，转矩也为零。随后将待逆变的反这种拖动方式的特点是在电动机电枢回路中设置了两组晶闸管整流器，它们彼此反向并联，为电枢提供正、反向电流。而励磁回路则只是一个恒定大小、恒定方间的恒流

30、控制，即控制电机的磁通保持额定值。这时电机四个象限运行的控制就靠对正、反两个整流桥的控制来实现。这个电路与工业上通常采用的直流电机可逆运转控制相似，可以做成有环流的，也可以做成逻辑无环流的。在这种系统中，电机的运行状态与正组整流桥UCF、反组整流桥UCR的控制关系表示图325 重载上升过程中正反组整流桥及电机的工作状态 a)机械特性 b)速度曲线图324 电机运行状态与正反组晶闸管控制规律的关系 见图 324。当正组晶闸管UCF的触发角小于90时，UCF工作在整流状态，向图324 电机运行状态与正反组晶闸管控制规律的关系 图325 重载上升过程中正反组整流桥及电机的工作状态 a)机械特性 b)

31、速度曲线组晶闸管的触发延迟角2增大，使之进入逆变状态，而正组晶闸管保持=90o，这时电机就进入第二象限运行，闭环控制系统控制反组晶闸管输出正的逆变电压，随着逆变电压的降低，电机的工作点沿负载特性的GFEH段移动，在这个阶段中电机工作在正向回馈状态。当电机工作点移到H点时，反组晶闸管触发角刚好减小到90，输出电压为零，电机的电流、转矩也均为零。随后处在待整流状态的正组晶闸管的触发角90，进入整流状态，输出正向电压，驱动电动机减速正转，这时电动机又工作在正向电动状态，当电动机转速降为零时，保持这时的输出电压不变，电机的电磁转矩与静态负载转矩相等，电机工作在D点，轿厢处在动态静止状态，接着发出指令抱

32、闸停车，切断电枢回路接触器，将正组晶闸管的触发延迟角置为90，电梯完成一个运行过程 第六节 交流双速电梯拖动方式一、概述我国在20世纪6070年代生产的电梯，绝大部分是交流双速电梯，80年代生产的电梯也有相当数量的双速电梯。在当前运行的电梯中有一定数量是属于这种拖动方式的。交流双速电梯的拖动系统结构简单，技术简单，运行舒适感较差，额定梯速一段在1ms以下。这种电梯通常采用继电器控制，故障率较高，越来越不适应现代社会的需求，目前产量逐年降低，被交流调速电梯替代，今后交流双速拖动方式将主要用于货梯或客货两用梯中，控制部分也将由有触点控制改为无触点控制，提高其运行可靠性。前几年掀起的一股电梯改造热，

33、其主要对象就是这一批交流双速电梯，将其继电器控制部分改造成可编程序控制器控制，以提高其可靠性，将其双速拖动方式改造为调压调速或变频调速拖动方式，以提高其运行舒适感和平层准确度。二、电机变极调速的原理态。从式(329)可以看出，改变极对数p可以改变电机的转速，由于极对数p只能是正整数，因此采用变极调速是不能实现平滑的无级调速的，在改变极对数前后，转速将有一个台阶变化。变极的实现主要有如下两种做法：一是双绕组变极，一是单绕组变极。下面将这两种方法的变极原理简述如下：（一）双绕组变极这种方法比较简单，它是在电机定子槽内嵌入两套定子绕组，它们各自独立，具有不同的极对数，当接入一个绕组时，电机具有一种同

34、步转速，当接入另一个绕组时，电机则具有另一种同步转速。 双绕组变极电机由于两套绕组彼此独立，因此可以分别设计，选用不同截面的导线、各自独立的匝数，独立的节距等等，因此两套绕组都比较合理。但是由于这两套绕组都要嵌放在定子槽内，槽的空间就显得紧张了，往往槽要开得大一些，而槽大了就会减小齿截面，又会影响磁通量，因此也要统筹考虑绕组和铁心的合理参数。实现最佳配合。电梯中常用的一种双绕组变极电机极数为6极24极，接线方式为YY，使用时需要哪种转速就将相应的绕组接入电源即可。但需要注意的是，不能将两套绕组同时接人电源，也不能在一套绕组工作时将另一套绕组短路闭合，否则将造成电机的损坏。（二）单绕组变极电动机

35、这种变极电动机内，只嵌放一套定子绕组，而通过对这套定子绕组的不同接线组合得到不同的极数。与双绕组变极电动机相比，单绕组变极电动机的内部空间相对宽松一些，因为它只需要放一套绕组，用铜量也会少很多。但是由于两种极数要在一套绕组中实现，绕组的跨距就要适合这不同极数，这样一来绕组的布置对每一种极数都不是最佳安排，因此电机的效率、功率因数、谐波等指标都不如普通异步电动机。图326 反向变极法原理示意图（2极/4极）a)四极接法时电机内的磁场 b)四极接法时U相的接线图c)二极接法时电机内的磁场 d)二极接法时U相的接线图单绕组变极可以采用反向法、换相法和变跨距法等多种方法来实现变极。下面介绍最常采用的反

36、向法变极的原理。图326 反向变极法原理示意图（2极/4极）a)四极接法时电机内的磁场 b)四极接法时U相的接线图c)二极接法时电机内的磁场 d)二极接法时U相的接线图我们用最简单的2极/4极变极来说明反向变极法。图326 a）中简略地画出了四极接法时电机定子U相绕组（V、W相绕组未画）的布置、接线情况及产生的磁场情况。这时U相电流由U11U21 绕组的U11端流入，沿线圈边U11向纸内方向流，在铁芯另一端经端接线到线圈边U21，再经U21向纸外流出，然后经连线由U12流入，到另一端经端接线到U22后由U22流出，各线圈边的电流方向见图。在这样的电流作用下就会引起电机内的磁通，其磁力线方向为图

37、中虚线所示，在U11U21间的磁力线由定子指向转子，或说定子向转子发出磁力线，我们在此处定子铁心处标以N极。在U21U12之间的磁力线则是由转子指向定子，我们在此处的定子铁心处标以S极。类似地，U12U22之间为N极，U22U11之间为S极。于是我们看到此时电机内部由U相绕组电流引起的磁场为四个极，根据交流电机旋转磁场理论可以知道，V相、W相绕组的电流也同样会产生四个极，当三相电流是对称交变的时候，它们所产生的合成磁场一定是四极的旋转磁场。当U相电流达到正向最大时，该电机的磁场分布情况就是图326 a）那样。图326 a）的电机断面示意图也可以简略地画成图326 b）那样的展开图来表示，它相当

38、于将a） 图在AA 处切开展平后的情形。图326 b）中叉圈和点圈表示磁力线的方向，进入纸面方向的磁力线是指向转子方向的磁力线，相当于a）中的N极，而磁力线指向纸外的地方则相当于S极。图326 c）则表示了同一台电机A相绕组的联接方式改变后的情况，这时U11U21绕组的终端U21不再与U12 U22绕组的U12相接，而改为U21与U22 相接，此时各线圈边的电流方向为:U11入U21 出，U22入U12出。电动机内的磁场如虚线所示，在U11U21之间的定子铁芯形成N极，而在U12U22之间的定子铁芯则是S极，在U21U12之间和在U22U11之间则不能形成磁极，因此处相邻的电流是同方向的。显然

39、这时电机为二极的。这时也可以简单地画成图3-26d）那样的展开图形式。从上面的分析看出，通过将每一相绕组的一半绕组改变接线顺序从而改变电流方向（使其中电流反向），便可以实现变极，这就是反向法变极的原理。利用相绕组中电流部分地反向来变极的方法，除了可以得到上面所列的倍极比（24极、 48极等）双速电机外，还可以得到非倍极比（例如46极、 68极）的双速电机。图327则表示了一台46极变极的原理。图中a）是四极接法，而在b）中将3、4两个线圈的电流反向了，从而造成了六个极。这六个极的分布是不均匀的，它将造成谐波的增大、效率的降低。三、变极调速电梯主电路（一）双绕组624极变极电机用作电梯曳引电动机

40、的主电路图中电动机M有两套绕组，快速（6极）绕组的引出端为XK1、XK2、XK3，在内部三相接成“Y”形接法；慢速（24极）绕组的引出端为XM1、XM2、XM3，在内部三相也是“Y”形接法。接触器KS是用于接通快速绕组实现快速起动、运行用的，接触器KM1则是用于接通慢速绕组实现减速、慢速运行用的。显然快速接触器KS与慢速接触器KM1不能同时吸合，应该互锁。上升接触器KM和下降接触器KMR是用来改变电机相序实现正反转运行的接触器，当KM接通时电机正转，拖动轿厢向上运动；当KMR接通时，电机反转，拖动轿厢向下运动。显然KM与KMR也应互锁，以防止电源被短路， KR和KR1分别为快速运行热继电器和慢

41、速运行热继电器，是用来保护快速绕组和慢速绕组，防止由于电机过载造成电机绕组过热而损坏的事故。由于电梯运行中有舒适感的要求，因此在升速、降速过程中不应有过大的冲击，速度应尽量平滑过渡，为此在主回路中设置了电感和电阻，通过在定子绕组中串入阻抗来改变电机机械特性，减缓冲击。（二）单绕组624极变速电机用作电梯曳引电机的主电路图332 采用单绕组变极电动机的双速电梯主电路图332是采用单绕组变极电动机作为电梯曳引电动机的双速电梯主电路图。可以看出它与图329的双绕组变极电机电路很相近。图中采用一个快速接触器KS1，当快速（6极）运行时，通过KS1的常开点将电机端子1、2、3短接到一起构成另一个星形点，

42、使电机接成双星形（YY）接法，实现图328 b）的接线。KS是快速接触器，当KS、KS1吸合时，电机以六极YY接法快速运转。KM1是慢速接触器，当KS1、KS断开，而KM1接通时，电机被接成Y接形成24极，同步速为250rmin。KM是上升接触器，KMR是下降接触器。当KM接通时，电机正转，带动轿厢上升；当KMR接通时，电源相序被改变，电机反转，拖动轿厢下降。KA是快速运行接触器，它接通后短路掉快速电阻RK，使快速绕组直接接到电源上，电机在固有特性上转入稳速运行。 KA1，KA2、KA3是慢速运行接触器， KA1、KA2是逐段切除慢速电阻用的，而KA3则使RM全部被切除掉，使电机进入慢速固有特

43、性并转入稳定低速运行。第七节 交流调压调速电梯拖动方式一、交流异步电动机调压调速的基础知识（一）调压调速的基本原理我们知道，改变电源电压，交流异步电动机的机械特性就将改变那样。如果电机拖动一恒转矩负载MZ，那么当电机电压U1=U1N时, 电机将稳定运行在A点，当电压降低到U1时，电机将稳定运行在B点，当电压降低到U1”时，电机将稳定运行在C点。由于V1NV1U1”，因此nAnBnC（见图3-33 a）。可见调压可以调速，这对于需要调节稳定运行速度的生产机械是有用的。从图3-33a）我们可以看出，对于恒转矩负载调压调速只能在最大转矩点P以上的速度范围内调速，否则系统不能稳定运行。这就是说对于恒转

44、矩负载，调压调速稳定运行的范围是 0ssm亦可写作 n1nnP。图333 交流异步电动机调压调速机械特性a）sm1 b）sm1（二）调压电路图334 三相调压电路（三相星形调压）图3-34是目前普遍采用的调压方法。它采用三对彼此反并联的可控硅为星形接法的电机供电。在这种接线方式下，只有一个可控硅被触发是不能构成回路的。也就是说，当一相的正向可控硅被触发时，在另两相中至少得有一个反向的可控硅被触发才能将电源电压加到电机绕组上。图335表示了六个可控硅的触发脉冲与三相电源电压Ua0、Ub0、Uc0的相对关系，图中的1号脉冲被送给图334中的l号可控硅的门极去触发该可控硅，依此类推，26号脉冲分别去

45、触发26号可控硅。这六个触发脉冲彼此间隔60电角度。规定Ua0 的正向过零点为0点，则1号脉冲的前沿与该点的间隔就被称作可控硅的触发角。从图中可以看出，当触发角0 。或180”时，可控硅承受反向电压，不具备导通条件，当150180时，没有任何两个可控硅可以同时导通，因此不会有输出电压，也就不会有电流。可见实际可用的角范围在0150之间（当 90以后，应采用宽脉冲触发或双脉冲触发）。在调压调速电梯中，目前采用较多的是图3-34这种电路，下面针对这种电路分析其输出电压的波形。(三)调压电路的输出电压波形交流调压电路的输出电压中含有较多的高次谐波，这是交流调压方法的一个重要缺点。下面我们针对图334

46、所示电路，分析它的输出电压波形。为了简化问题，假设负载为纯电阻负载，即负载功率因数cos=1，井忽略电机绕组间的互感影响。按常规将电源中性线的电位作为零电位。当=0时，三相电压可以完整地通过可控硅加到电机上，忽略可控硅的管压降，则电机得到额定电压。这种情况与电机直接接到三相电源上是一样的，星形点0的电位与电源中性线N的电位是一样的，都是零电位。下面分析=30时电机的相电压uuo的波形。为了简化问题，假设负载为纯电阻的。这时的16号触发脉冲的位置如图336 a) 中标注的那样，为了形象起见，将触发2、4、6号可控硅的触发脉冲画向下，并且将各触发脉冲所对应可控硅上的正向（对可控硅讲是正向的）电压的

47、半个正弦波分别标以l6号。交流调压电路的输出电压中含有较多的高次谐波，这是交流调压方法的一个重要缺点。下面我们针对图334所示电路，分析它的输出电压波形。为了简化问题，假设负载为纯电阻负载，即负载功率因数cos=1，井忽略电机绕组间的互感影响。按常规将电源中性线的电位作为零电位。当=0时，三相电压可以完整地通过可控硅加到电机上，忽略可控硅的管压降，则电机得到额定电压。这种情况与电机直接接到三相电源上是一样的，星形点0的电位与电源中性线N的电位是一样的，都是零电位。下面分析=30时电机的相电压uuo的波形。为了简化问题，假设负载为纯电阻的。这时的16号触发脉冲的位置如图336 a) 中标注的那样

48、，为了形象起见，将触发2、4、6号可控硅的触发脉冲画向下，并且将各触发脉冲所对应可控硅上的正向（对可控硅讲是正向的）电压的半个正弦波分别标以l6号。首先分析电机星形点O的电位uoo。在030范围内1号可控硅尚未导通，而5号、6号可控硅已经导通，这时0点的电位应为V、W相绕组分压确定。在0时刻,因此uo=0；在30时刻1号可控硅尚未导通时，,，从而可以画出030区间uo波形见图。在3060范围内，1号可控硅由于受到触发而导通，5号、6号可控硅继续导通，这时三相电压都加到电机端，因此星形点O的电位一定是零。在6090范围内，5号可控硅因电压过零变负而关断，反向的2号可控硅尚未触发，因此只有1号、6

49、号可控硅继续导通，U、V两相绕组通电，O点电位由U、V相绕组分压决定，即，在60时刻，因此uo=0；在90时刻，因此，从而可以画出6090区间uo波形。在90120范围内，2号可控硅被触发而导通，1号、6号可控硅继续导通，电动机三相绕组均被接到电源上，因此在90120区间，电动机星形点的电位Uo=0。如此可以逐段分析出O点的电位波形曲线如图3-36 a）那样。 下面分析电动机的相电压波形。以U相绕组为例，在U相可控硅1号、4号未触发导通的030区间和180210区间，uo=0。而在可控硅导通后电动机得到的U相电压应当是U相电源电压uu与星形点电位uO之差，即UuO=uuO-uo按上面两个方法可

50、以画出U相电压uuo的波形如图336 a）中粗实线那样。该曲线表明，在=30时，电机得到的相电压不再是一个正弦波了，而是在正弦波基础上被“挖掉”，或“补上”一些三角波形，它除了基波外，还包含了高次谐波。类似地，也可以画出V相、W相电压uvo、uwo的波形，它们与uuo相似，互差120。当触发角在3060之间变化时，输出相电压波形与图3-36 a）中uuo相似，只是波形跳变沿向前或向后推移了而已。用类似的方法可以分析出=6090时输出相电压波形见图336 b），uuo的波形如图3-36 b）中粗实线所示。从图336 c）看出，当=90120时，输出的电压波形已经与正弦波相差很大了。当触发角在=1

51、20150之间时用细实线画出这个区间的uo，见图336 d），输出的相电压波形就更差了。图336 调压电路的输出相电压波形分析（Y接，cos=1）a) =30 b) =60 c) =90 d) =120 图336 调压电路的输出相电压波形分析（Y接，cos=1）a) =30 b) =60 c) =90 d) =120 随着触发角的增大，这些锯齿的前沿向右移动，锯齿越来越小，到=150时，锯齿已不存在。再增加角也不会再有任何两相同时导通了，因此各相输出电压都将为零。对上述波形进行富立叶分析可以得到各种触发角的情况下各次谐波的情况。由于是星形无中线接法，因此三次谐波及三的倍数次谐波的电流是不会存在

52、的。五次、七次谐波电流有相当的比例，十一次以上谐波相对较小。以0时相电流有效值为基值，各次谐波的标定值随触发角的变化如表35所示。以=60为例，从表中看出五次谐波电流是基波电流的四分之一，七次谐波为基波电流的八分之一稍多些。可见谐波占相当比例。对于电机负载，由于有电感作用，因此电流连续性要比图341所示的电压波形要好，谐波电流也会小些。将上表所列电流与触发角的关系绘制成曲线，如图337所示。图337 三相“Y”接、电阻负载调压电路I*=f()关系图337 三相“Y”接、电阻负载调压电路I*=f()关系二、交流电梯调压调速的特点（一）在电梯中采用调压方法的目的在交流调速电梯中采用调压方法的目的简

53、单地说就是为了实现电梯运行的速度曲线，获得良好的运行舒适感，提高平层精度。具体地讲，主要包含如下两个方面：一个是对电梯稳速运行时实行闭环控制，通过闭环调压，使电梯不论负载轻重、不论运行方向均在额定梯速下运行。这样做一方面可以克服摩擦阻力的波动造成的速度不均和振动，提高稳速运行阶段的舒适感，另一方面可以保证任何运行工况下减速停车前的初始速度都是同一个确定的值（即额定速度），从而提高减速阶段的控制精度，最终提高平层精度。另一个是对电梯加速、减速过程实行闭环控制，通过调压或辅以其它制动手段，使电梯按预定的速度曲线升速或减速，从而获取加减速阶段的良好舒适感，并提高轿厢平层精度。后一点对加、减速阶段的过

54、渡过程实行速度闭环控制是电梯控制与一般生产机械的速度控制所不同的。一般生产机械主要对稳速运行阶段实行速度的闭环控制，而在加速、减速阶段通常采用电流截止反馈使电机在最大允许电流下加速或减速，这样电机及其拖动的生产机械可以得到最大的加、减速度，从而提高劳动生产率。而电梯在加、减速阶段则要进行严格的速度闭环控制，这也就增加了电梯控制的难度。（二）调压调速对电梯曳引电机的要求1.电梯的起动对曳引电机机械特性的要求我们以电梯满载上升的起动过程来考查对曳引电机的要求。图338中曲线1是电梯满载运行时的负载机械特性。如果曳引电动机在电梯运行中能够被控制按这条曲线输出转矩的话，那么电梯就将按顶定的速度曲线运行

55、。为了克服由于制造、安装、调整的不当造成的某些地方阻力的增大，电机的拖动或制动转矩较曲线1还应有一定的富裕。图338 电梯起动时负载机械特性与曳引电机机械特性的关系图338 电梯起动时负载机械特性与曳引电机机械特性的关系在图338中画出了三条电机的机械特性，其中曲线2是普通异步电机机械特性，曲经3是电梯用异步电机机械特性，曲线4是为大范围调压调速而设计的sm1的异步电机机械特性。这三条机械特性的最大转矩都是Mm，比负载的最大转矩Mmz要大一些，有一定的转矩裕量。但是三台电机的sm不同，曲线2的sm大约在0.1左右，曲线3的sm大约在0.5左右，曲线4的sm则大于1。我们知道，异步电机降压机械特

56、性是最大转矩点水平向左移动的一族形状与固有特性相类似的曲线，它们在第一象限里分布在固有特性与纵坐标轴Z间的区域内。在本章第三节中已经指出，选择电梯曳引电机的必要条件就是电机的机械特性能够包容负载的机械特性。从图338可以看出，普通异步电动机的固有机械特性曲线2不能全部包容负载机械特性，在GEH段的负载转矩将是这台电机达不到的。因此从电梯起动到G点时开始，电梯速度将达不到预定速度，不能实现预定的速度曲线。4号曲线也不能包容负载机械传性，在IEFBJ区段，电机的转矩达不到这么大，因此如果用这台电机作电梯曳引电机，那么在电梯起动到I点以后，速度也将开始偏离预定速度，起动过程变慢，甚至到稳定运行时也达

57、不到额定速度，而只能以低于额定速度的nL转速运行。要想使这两类电机带动这部电梯正常运行，就只能提高电机额定功率，而提高额定功率后电机的飞轮矩也将增大，这又反过来增大了负载的动态转矩，使Mmz增大，进入恶性循环。可见单纯地提高电机功率不是最好的解决办法。从图338我们看出，曲线3恰好能够包容负载机械特性，是不需要增大电机功率而能满足电梯曳引要求的较理想曲线。这条曲线的特点是，它的最大转矩点的转差率sm0.5。由上述分析可以得出结论：用于调压调速电梯的曳引电动机，其临界转差率应为0.5左右，即sm0.5。2.电梯减速制动运行对电机的要求从前面的分析及图312的负载机械特性可以看到，电梯运行当中，曳

58、引电机经常要运行在第、象限中，这时电机处在制动状态。对于调压调速电梯，要想使电机运行在制动状态应怎样实现呢？下面以电梯轻载上升运行为例如以讨论。图3-39中曲线l为电梯空载运行的负载机械特性。曲线2、3是电机正向运行机械特性，其中2是固有特性，3是实际可行的调压到最低电压时的机械特性，电压调到其它数值时电机的机械特性处在2、3曲线之间。曲线4、5、6、7是电机反向运行机械特性，其中4为固有特性，7是调压到最低时的机械特性，其它电压时的机械特性在4、7之间，5、6是其中两条。图339 电梯空载采用反接制动时的机械特性图339 电梯空载采用反接制动时的机械特性从图中可以看出，单纯用正向调压是不能实

59、现空载上升时负载特性所要求的制动转矩的因为正向调压的机械特性在第二象限的部分其转速都在电机同步转速nl之上，与负载机械特性不可能相交。那么怎样才能得到第二象限的制动转矩呢？我们来考察如下几种方法。（1）采用反向调压机械特性47在第二象限的部分，这时电机工作在反接制动状态。但是这种方法有一些重大的缺陷影响其实际应用。首先，负载机械特性的HFEG段曲线没有被包容，要想将其包容，就必须提高电机功率，这样将造成投资增大，电动运行时电机功率过于宽裕因而造成效率降低等缺点。再有，若想利用机械特性曲线5使电梯稳速运行在B（C）点是办不到的，因为曲线5在该点具有正斜率，带动恒转矩负载是不能稳定运行的。当然可以

60、通过调压实现转速的闭环控制使电梯运行在该点，但是这种情况下的控制规律与电动运行时恰恰相反：要想减速必须增加电压，这样就增加了控制的复杂性第三，由于这时电机工作在反接制动状态，在减速停车过程中除了要消耗掉系统的动能，还要由电网吸收一部分电能，而这些电能也将消耗在电机中。这样一来增加了能耗降低了电梯运行效率，同时还造成电机过热。由于上述原因，在电梯拖动方式中很少采用反接制动方案。（2）采用能耗制动实现第、象限的运行，其原理可以用图340来分析。图340 采用能耗制动方式实现制动运行图340 采用能耗制动方式实现制动运行图340中曲线1是电梯空载运行时的负载机械特性，曲线2、3是电机正向调压机械持性