电梯拖动课程设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业摘要电梯的拖动控制系统起到为电梯设备提供能源，拖动和控制负载运行的重要作用，因此为提高电梯的运行性能，对电梯拖动控制系统的研究和设计具有重要意义。 本文在电梯拖动控制系统的研究和设计方面主要做了以下工作首先，本文分析了一般电力拖动系统运动规律，在此基础上建了电梯拖动系统模型，通过对此模型的分析总结出电梯拖动运行的特点和设计要求。其次，分析了电梯调速的原理和电路设计，得出了电梯的拖动控制方式的设计应以系统机械特性为基础来进行的结论。在此研究的基础上，分析出不同的电梯拖动控

2、制类型的应用范围。再次，深入分析了当今电梯调速中普遍使用的变频器的基本原理，并结合工程实际使用的变频器，研究了脉宽调制技术、矢量控制技术和再生反馈技术在变频器设计中的设计方案和应用方法，同时进行了变频调速电梯的系统设计。 本文通过以上的研究工作，得出的结论和成果包括如下几方面:首先，电梯作为载人垂直运输的设备，对运行的安全、舒适和效率性要求较高，为满足这些性能要求，本文对电梯的速度曲线、负载结构和可靠性电路方面的特殊设计进行了探讨。其次，电梯的调速是通过改变电气参数，从而改变系统机械特性而实现的，因此电梯调速方式的设计要建立在对系统机械特性的理论分析和研究的基础上。再次，变频器设计应考虑脉宽调

3、制功能、速度曲线、结构和接口、系统应用等方面。电梯拖动控制系统的设计需要经过运算选择合适的电动机和变频器，使系统配置的整体性能最优，它是电梯整机设计的重要环节。 结合对电梯拖动控制系统的研究和分析，本文论述了对奥的斯电梯公司新型电梯的设计和实验，其实验结果符合电梯拖动控制系统的原理和规律，同时也验证了本文的研究结论。关键词:电梯拖动控制 电动机 调速 机械特性 变频器 脉宽调制第1章 绪论1.1研究意义 电梯的拖动和控制系统是连接电网和电梯机电设备，传送和转化电网电能，拖动和控制电梯运行的系统。它通常包括电动机，反馈单兀和控制电动机的电路部件。电梯的拖动和控制系统是电梯整梯系统的重要组成部分，

4、研究电梯拖动和控制技术具有深远的意义，主要表现在以下几个方面: (1)电梯拖动和控制系统是电梯的能源中枢，它向电梯提供电力能源，控制和带动机械负载运行，没有拖动控制系统，电梯将不能很好地运行。 (2)电梯拖动和控制系统对十电梯运行性能的表现也起到关键的作用。电梯作为载人设备，它的性能指标主要应达到安全、稳定、准确、舒适和效率性。电梯拖动和控制系统在拖动负载运行的同时，也在控制和改变着电气参数，使电梯可靠的运行，同时实现平滑的调节运行速度，因此，它对电梯性能的表现起到非常重要的作用。 (3)电梯拖动和控制系统既是电梯的能源心脏，又是达到电梯运行性能目标的重要保证，因此为了提高电梯的系统性能，研究

5、其拖动和控制系统原理，开发拖动和控制技术将具有非常重要的意义。1.2研究背景和目的 现代工业中广泛使用电力拖动技术，形成了较系统的电力拖动研究领域。电梯的拖动系统也是属十一般电力拖动系统的范围内。一般电力拖动技术的研究通常包括电动机的原理、调速的手段、控制的实现等多方面。在电动机技术方面，目前的研究建立在直流、交流、同步或异步的不同类型的电动机原理的基础上。在调速的手段方面，一般电力拖动系统遵循着系统运动基本方程式，建立了改变负载转矩(负载特性曲线)和电动机转矩(机械特性曲线)的稳定交点，通过平行移动人为机械特性曲线进行调速的原则。在控制的实现方面，一般电力拖动控制技术目前也普遍应用晶闸管变流

6、电路，或者能实现更复杂控制功能的变频器来实现。 电梯的拖动和控制技术继承了一般电力拖动技术的研究成果，具有一般拖动技术的共性，但也具备自己的特点。电梯拖动和控制系统的研究是基于一般电力拖动技术的基础上，针对电梯拖动运行的特殊性，进行了在电梯中应用相应技术的分析、研究和设计。本文着重分析了电梯拖动运行的特点，并研究如何针对电梯的特点设计其相应的拖动控制系统。 电梯的发展已经历了一百多年，其拖动和控制系统经历了比较多的发展阶段，在当今的电梯上使用的类型也比较多。本文通过分析各种电梯拖动系统的机械特性和其控制系统的调速原理，旨在为不同规格的电梯设计出最适合的拖动控制方式。1.3本文主要研究内容和方法

7、 本文首先阐述了一般电力拖动技术原理，然后通过建立电梯拖动模型的方法，分析了电梯的负载特性和拖动运行的特点。针对电梯运行对舒适性和安全性的要求，说明了电梯速度曲线的设计方法;针对电梯垂直运输和负载可变的特点，设计了用对重平衡轿厢负载的系统结构;针对电梯运行对稳定性、可靠性和效率性的要求，总结出电梯拖动系统的设计需要采用速度反馈的闭环控制，以及采用比例积分环节控制。 电梯依据速度曲线运行，则控制系统必须能够带动电动机进行稳定的调速。本文在一般电力拖动系统调速原理的基础上，首先分析了电梯实现调速的硬件手段是采用变流电路，研究了几种基本变流电路的原理和功能，其中着重研究了整流电路和逆变电路的原理和功

8、能。 然后，本文研究如何为不同规格类型的电梯设计最适合的拖动控制方式。主要从两个方面对这个问题进行研究。一方面，电动机作为电梯拖动系统的执行部件，要使其按所希一望的方式运转起来，就必须从电动机的基本特性“机械特性”出发进行研究，本文对直流电梯、交流电梯等的电动机的机械特性分别进行了分析。另一方面，本文研究了不同拖动控制系统的调速原理，比如变压调速、变转差率调速、恒压频比调速等，并分析了它们各自的应用范围。基十以上两方面的工作，对十不同的规格和类型的电梯，建立了与其相适应的拖动系统的调速和控制方式，比如采用晶闸管电路、或者采用变频器。 变频器是目前电梯上最先进和最广泛使用的调速方式，也是变频调速

9、电梯的拖动控制系统中的核心。本文分析了变频器的原理，论述了脉宽调制技术是实现变频变压的理论基础;矢量控制技术通过矢量变换，模拟直流调速原理，以提高系统的动态性能;再生反馈技术通过改变逆变器结构设计，实现将负载带动电动机发出的能量反馈回电网，具有经济效益。根据对变频调速电梯的变频器原理的分析，本文结合奥的斯电梯公司的OVF系列变频器的设计实例，研究了脉宽调制技术、矢量控制技术和再生反馈技术在实际变频器设计中的设计方案和应用方法;同时进行了变频调速系统的系统计算和设计。 本文在研究原理和规律的基础上，分析了奥的斯公司的GEN2 CN-MRL电梯的系统设计，通过电梯专用实验设备PMT对其进行运行实验

10、，得到速度、加速度、距离等性能指标随时间变化的曲线，实验结果验证了电梯拖动系统的设计要求和运行规律。同时通过傅立叶变换(FFT)方法，将测试得到的时域函数曲线转化为频域函数曲线，方便十分析系统中具体部件的性能问题，从Ifu改进系统设计，提高系统性能。另外，通过对GEN2 CN-MRL电梯的拖动系统和变频器的设计实例，总结出电梯拖动控制系统设计方法，论证了进行运行实验对十系统设计的重要性，验证了变频器的再生反馈等技术的优越性。第2章 电梯拖动系统的模型和设计2.1一般电力拖动系统模型电力拖动系统的运动部分，通常由电动机的转子、机械减速机构以及负载的运动部分组成。电力拖动系统运动模型的合转矩为电磁

11、转矩与负载转矩之差，可以用下式表示式中各参数的含义为:ME一电磁转矩,ML一系统总净阻力矩,J一转动惯量。一电动机轴旋转角加速度，在电力拖动系统中习惯采用系统总飞轮惯量GDZ和转速n来分析和进行计算，则式(2-1)可改写为 (2-2) 上式是电力拖动系统的基本运动方程式，由基本运动方程式可以看出，当MEML时，系统处十加速运动状态;当ME=ML时，系统处十恒速或静止状态;当MEML时，系统处十减速运动状态。电力拖动系统的一个重要参数是负载特性，负载特性指的是负载转矩对转速的函数。电力拖动系统的负载类型比较多，图2-1为位能性恒转矩负载和反抗性恒转矩负载的特性曲线。从图上可以看出，负载特性曲线的

12、基本走势是纵向的，也就是转矩在对应十整个转速范围内，都只在一定范围内变化，这说明负载特性有对系统的转矩特征起主导作用的特点。负载特性最重要的特征是:负载的转矩-转速关系由其机械特征和运行特点决定，不受系统电气参数控制。 电动机的转矩一转速关系特性称为电动机的机械特性。图2 -2为直流电动机、交流异步电动机的机械特性。从图上也可以看出，电动机的机械特性在其工作段基本走势都是横向的，它们的转速在对应十整个允许输出的转矩范围时，都只在一定的范围变化，这说明电动机机械特性有对系统的转速起主导作用的特点。电动机机械特性最重要的特征是:电动机的转矩一转速关系只由电动机特征、参数以及电源参数决定，不受负载类

13、型影响。一般把在额定参数下作出的机械特性称为固有机械特性，把参数变化后改变了的机械特性称为人为机械特性。 电力拖动系统要达到稳定运行，那么运动方程式应达到平衡。如果能够持续地保持转速不变，即加速度为零时，根据式(2-2)，系统的合转矩为零，系统能稳定地保持这个状态，把负载特性和电动机的机械特性合并在一起的图形，是系统的转矩图，如图2-3所示。两条曲线的交点可能是稳定的交点，也可能是不稳定的交点，系统只有在稳定交点处才能达到稳定运行，稳定交点一般满足下面的条件：在交点以上，负载特性曲线在机械特性曲线的右边，在交点以下，负载特性曲线在机械特性曲线的左边。 在工程实际中，电力拖动系统的运行需要经过调

14、速过程，而调速过程一般遵循着速度变化曲线，经历着二个阶段:加速阶段、匀速运行阶段、减速阶段。理想的电力拖动系统在运行中应能动态地跟随速度曲线，提高系统的运行性能。2.2电梯拖动系统的模型的建立2.2.1电梯的速度曲线 电梯是一种交通工具，它具有频繁启动加速和制动减速过程，因此它的拖动系统应提高运行效率。同时，作为垂直升降的运输设备，人对电梯运行速度的变化非常敏感，因此电梯的拖动系统还应满足人们的舒适感的要求。为此，需要给出既能提高运行效率，又能改善乘坐舒适感的电梯运行速度曲线，以使电梯按照预先给定的速度特性运行。电梯的快速性和舒适性均与加速度a (m/s)和加加速度P (m/s)有关。加速度和

15、加加速度不能过大，否则会使人有严重不适的感觉，p在电梯技术中还被称为生理系数，国家标准规定了。和p的最大值。同时a和p也不能过小，否则会影响电梯的运行效率。根据舒适性要求，电梯的速度曲线还具有转弯处为圆滑过渡的特点。电梯在楼层间频繁启动和停车，而且具有正常运行、检修运行等多种操作，因此对运行精度要求也较高。 基于以上的分析，电梯的运行速度曲线可以采用抛物线一直线型、抛物线型或正弦型等曲线。 抛物线一直线型速度曲线是一种较理想和常用的速度曲线，适合十电梯正常运行时采用。如图2-4中的曲线1所示，其v,a、p的函数表达式为:由以上公式可以看出，AE和FB段为抛物线，EF段为直线。在整个电梯的一个运

16、行周期中，AEFB为启动加速段，BC为匀速运行段，CFED为减速制停段。图2-4电梯速度曲线抛物线型速度曲线没有中间的直线段，较适合短行程运行。短行程速度曲线是指在运行距离较短，例如电梯由某层运行到相邻层时，所采用的速度曲线，它比正常运行速度曲线的周期短，如图2-4中的曲线2所示。正弦函数曲线光滑可导，正弦速度曲线也是一种理想的速度曲线。2.2.2电梯的负载特性 电梯拖动系统符合一般电力拖动系统的运动规律，即按照公式 (2-2)的基本运动方程式运行。因为电梯拖动控制系统大部分使用交流异步电动机驱动，其运动系统是由曳引电动机、减速装置、曳引轮、导向轮组成的多轴旋转系统和由轿厢、对重等组成的平移运

17、动系统组成，所以电梯拖动系统的负载和机械特性也有自己的特点。 电梯的负载特性包括静态负载特性和动态负载特性，当轿厢静止或匀速运动时，负载特性为静态负载特性;当电梯加减速运动时，由十加速度造成的惯性转矩部分为动态负载特性。 电梯的静态负载转矩由两部分组成:一是由轿厢、对重的重量差引起的位能性转矩(见图2-5中的曲线1)，二是由传动系统的摩擦阻力引起的反抗性转矩(曲线2)。 当电梯重载运行时，轿厢的负载系数大于对重平衡系数Kp,即 Kp,这两部分转矩之和为重载时电梯的静态负载转矩(曲线3)。当电梯轻载运行时，nBnC，因此，通过改变定子端电压和电动机转差率，实现了平滑调速。图3-6交流调压调速电梯

18、电动机的机械特性3.5.2交流调压调速电梯的调速方式-变转差率调速根据公式,当频率f1和极对数P不变时，改变转差率s也可以改变转速n，从而进行调速。当负载转矩不变时，s是定子端电压、定子电阻、转子电阻的函数、交流调压调速电梯是通过改变定子端电压U1，从而改变转差率s，进而改变转速n进行调速的。3.5.3交流调压调速电梯的拖动控制方式的设计 交流调压调速电梯采用交流调压电路，其电路原理在3.2.3节中进行了分析，按照交流调压原理，电梯的拖动电路可以采用大功率可控电子开关兀件，使控制电路能通过控制电子开关的导通角的大小，控制输出电压的有效值的大小，从而实现调压。另外可以采用速度反馈的闭环控制提高系

19、统稳定性。 在设计交流调压调速电梯的拖动控制系统时，控制电路可以采用模拟电路实现，也可以采用计算机实现数字控制，数字控制能够使系统紧凑、可靠性提高、增加灵活性和通用性，而且提高了速度给定的精度、平层准确度和控制质量。 设计电梯的数字控制电路可以采用两种设计方法: 一种是直接离散化设计方法，它是将电梯拖动控制系统的传递函数离散化，用离散系统理论直接设计控制系统的数字控制器，这是基十离散控制理论的离散化系统。 另一种是模拟控制公式数字化，它是将模拟控制器离散化成数字控制器，这种方法主要用在对控制器的动态性能要求不太高的场合。3.6变频调速电梯的调速和控制方式的设计变频调速电梯是指在变频的同时，相协

20、调的变压，从而实现调速的电梯。根据电机学公式可知，交流异步电动机的转速是施加于定子绕组上的交流电源频率的函数，均匀且连续地改变定子绕组的供电频率，可平滑地改变电动机的同步转速。但是根据电梯为恒转矩负载的要求，在变频调速时需保持电动机的最大转矩不变，维持磁通恒定，这就要求定子绕组供电电压也要作相应的调节。因此，变频调速电梯电动机的供电电源的驱动系统应能同时改变电压和频率，通常称这种控制为VVVF(Vary Voltage Vary Frequency)，它的意思是变压变频控制。3.6.1变频调速电梯电动机的机械特性 变频调速电梯控制频率和电压进行调速，在频率低于额定频率时保持电动机的磁通不变，类

21、似于直流电动机的恒磁通调压调速，属于恒转矩调速类型，它的机械特性是一组互相平行的近似直线，如图3-7所示。从图上可以分析出，随着电气参数的改变，变频调速电梯能在相当宽的转矩范围内达到转速的有规律的改变，调速性能优秀。图3-7变频调速电梯电动机的机械特性3.6.2变频调速电梯的调速方式-U/f控制 交流异步电动机的磁化特性曲线如图3-8所示，由于铁心材料的非线性，造成磁化曲线在磁通较大时进入饱和。在设计电动机时，希望磁通尽量大，因为电动机的电磁转矩与磁通成正比，较大的磁通将产生较大的转矩，但是磁通又不能无限制增大。图3-8交流异步电动机的磁化特性曲线 从磁化曲线可以看出，磁通过大将使铁心进入过饱

22、和区，这将导致励磁电流Im的大大增加。因此在设计电动机时都将磁通选择在磁化曲线刚开始进入饱和的转弯处，这一点的磁通称为额定磁通，此时的励磁电流近似等于电动机的空载电流。中小型异步电动机的空载电流为额定电流的1/31/2。 如果要将磁通增大10% ,励磁电流就要增大23倍，此时空载电流将接近额定电流，如果磁通继续增大至20%，空载电流将超过额定电流数倍，这时电动机尚未带负载做功，就已过热损坏了。因此，磁通应保持恒定。 交流异步电动机定子绕组感应电动势公式为由于定子绕组的匝数W1和绕组系数Kw1是常数，上式可写作从式(3-6)可以看出，为了使磁通保持为，在变频调速改变频率厂时， 必须同时改变定子绕

23、组电动势E,，使得因此，可推导出如下公式 根据式(3-8)，当频率降低时，应相应地将电动机定子电动势成比例地降低，从而保持电动机的磁通为恒定值，当频率升高时，也应将电动机电动势相应地升高。但是当频率高于电动机额定频率时，电动机的电动势也相应的高于额定电动势，电动势高于额定值对电动机的绝缘造成威胁，是不允许的，因此只能保持电动机的电动势为电动机允许的最高电动势，即额定电动势，根据式(3-6)可以看出，这时电动机的磁通与频率成反比随着频率的升高，磁通在减小。因此，异步电动机的变频调速的控制原则如下:（1）当频率低十额定频率时，即f1 f1N时，应保持应保持E = E1N不变。上述原则用坐标图表示，

24、如图3-9所示。图3-9变频调速的控制原则U , E=f(f1)曲线异步电动机在实际运行时，定子电动势E难十检测和直接控制，图3-10的a)图是异步电动机等效电路图: 图3-10异步电动机等值电路及相量图根据a)图可以推导出下面的公式: 上述关系用相量图表示，就是图3-10的b)图。忽略与相量间的相位差，则U1、E1、I1 Z1之间的数值关系可以近似地表示为 由于定子端电压U1易十检测和控制，因此实际变频调速采用了控制定子端电压U1和电源频率f1的做法，即变频调速电梯在基频(电动机额定频率)以下调速时，必须与变频相协调的变压，通常是使U/f为常数，这样可以使电动机的磁通保持恒定，在较宽的调速范

25、围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降，所以这种控制方式称为恒压频比控制方式。3.6.3变频调速电梯的拖动控制方式的设计变频调速电梯因为调速性能优秀，是当今最广泛使用的电梯类型。变频调速电梯主要通过变频器达到变压变频的控制要求，并实现平滑的调速。变频器是由组合变流电路构成，电网电能经过变频器完成了交流一直流一交流的变换，在这个变换过程中，变频器采用了脉宽调制等技术改变频率和电压，达到对电动机转速的控制。变频器的结构和功能比较复杂，为了实现更优秀的调速性能，如何设计出性能更优的变频器是一项在电梯拖动控制研究领域的很有意义的课题。本篇论文在下一章对变频器的原理和设计进行了分析和探讨。3.7 GE

26、N2 CN-MRL电梯实验的傅立叶分析 一台电梯的运行需要有多个旋转部件，比如电动机的曳引轮、井道内的滚轮等。电梯调速运行时，这些旋转部件有不同的直径、转速，因此会产生不同的频率。由2.4节的分析，用PMT测试得到的电梯运行曲线是时间的函数，经过快速傅立叶变换(FFT)，可以将时域函数转化为频域函数。利用FFT方法在频域里分析电梯的振幅、舒适性等指标，更为方便和有效。 附录是1000Kg, 1.75m/s的GEN2 CN-MRL电梯经FFT转换后的函数曲线。在时域里，ISO Z方向上，电梯运行到23秒左右时的振幅为最大值，将此时间段的曲线用FFT转化为频域曲线，得出在2.75Hz时，振幅最大，

27、为2.593millig。 如果电梯的振动超出允许值，需要找出引起电梯振动的部件，并有针对性地进行改进时，首先用FFT工具得出产生最大振幅的频率值，然后计算系统内各旋转部件的频率，当某个旋转部件的频率与产生最大振幅的频率值匹配时，即可判断该部件为振动源，从而进一步改进设计。 因此，电梯拖动控制系统的调速性能的优劣，需要综合考虑电动机、控制电路以及整个电梯系统里各个部件的设计，通过实验方法分析运行性能，有针对性地进行调试和改进。3.8小结 电梯经历了l00多年的发展，具有直流电梯、交流双速、交流调压调速、变频调速电梯等多种类型。它们采用直流电动机、交流异步电动机、永磁同步电动机等，具有不同的机械

28、特性曲线，它们的拖动控制系统的调速方式则是遵循着这些电动机的特性规律，通过改变电气参数或电动机参数实现的。本章通过对各种电梯类型的机械特性、调速方式的分析，找到了与其相适应的控制方式，同时总结出各种电梯比较适合在哪种情况下应用。最后，通过GEN2 CN-MRL电梯的系统实验，阐述了如何利用傅立叶分析方法改进系统的运行性能。本章的论述主要得到如下结论:（1）根据调速原理，电梯可以通过改变人为机械特性，来改变系统转矩曲线的稳定运行点，从而改变系统稳定转速;当连续的改变电气参数，构成连续的人为机械机械特性簇时，能实现平滑调速。电梯调速的硬件实现手段是采用变流电路，进行电气参数的转换。 (2)直流电梯

29、的调速方式是变压调速，可以采用晶闸管变流装置实现变压的拖动控制。直流电梯调速性能较好，但成本较高，在高性能的调速电梯中仍有应用。 (3)交流双速电梯的调速方式是变极调速，通过改变电动机的极对数来改变速度，不能实现平滑调速。它结构简单，成本较低，目前应用已经较少。 (4)交流调压调速电梯的调速方式是变转差率调速，通过改变电枢电压，进一步改变转差率实现调速。它可采用交流调压电路进行拖动控制。交流调压调速电梯的调速性能比变频调速电梯的调速性能差一些，在变频调速电梯已广泛应用的今天，它将主要应用在低成本、低性能要求的电梯中。 (5)变频调速电梯是通过恒压频比原理进行调速，它的拖动控制方式可以采用变频器

30、。变频器是一种交一直一交变流电路，应用脉宽调制技术，能灵活的调节电压和频率，从而控制电动机转速，因此变频调速电梯是当今电梯最广泛使用的电梯类型。变频器控制技术比较复杂，发展也较快，是一个值得深入研究的领域。 (6)利用PMT进行系统运行实验，可以通过FFT方法，将时域函数转化为频域函数，方便十分析系统中具体部件的性能问题，从而改进系统设计，提高系统性能。第4章 变频器设计变频器的基本结构由整流器、制动电路和逆变器组成，用恒压频比控制方式，起到变压变频，调节电动机转速的作用。变频器设计中主要应用到的技术包括脉宽调制技术、再生反馈技术和矢量控制技术等。 OVF系列变频器是奥的斯电梯公司应用在多种产

31、品中的一种变频器，包括OVF20, OVFR, OVF20V等种类，它们都采用脉宽调制技术，其中OVF20是能耗制动变频器，OVFR具备再生反馈功能，OVF20V具备矢量控制功能。4.1 PWM脉宽调制技术的设计 PWM （ Pulse Width Modulation)的意思是脉宽调制，PWM技术通过改变电信号的波形来调频、调压，是变频器的核心控制技术。因此，PWM的原理和应用是变频器设计中的首要问题。4.1.1 PWM脉宽调制技术原理 PWM脉宽调制技术的理论基础是采样控制理论的一个重要的结论:冲量相等且形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量是指窄脉冲的面积，效果基本

32、相同的意思是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，它们非常接近，只在输出波形的高频段略有差异。这个原理称为面积等效原理。SPWM （ Sinusoidal Pulse Width Modulation)是正弦脉宽调制方式，是常用的一种PWM调制方式。逆变器的开关器件输出的是等幅脉冲列，但VVVF控制原则要求逆变器应该输出正弦波形的交流信号供给电动机，因此应使脉冲列与正弦波等效。如图4-1的a)所示，将正弦波形分成N等份，令正弦波的每一等份的中心线与相应的矩形脉冲波形的中心线相重合，并使矩形脉冲波的面积与对应等份的局部正弦波面积相等，则得到等幅但不等宽的矩形脉冲列，此矩

33、形脉冲列的各个矩形分段平均值的包络线与正弦波等效，如图4-1的b)所示。根据以上的分析，使逆变器的开关器件驱动后产生的信号波形是这种等幅不等宽的矩形脉冲列，输出效果将和对应的正弦波形相似，并且开关器件通断的工作频率越高，输出就越逼近对应的正弦波形。图4-1与正弦波等效的等幅脉冲列SPWM变换是通过调制的方法实现的，将所期望的正弦波形作为调制波，而将等腰三角形波作为被调制的载波，利用三角波形变化的上升沿、下降沿与连续变化的正弦曲线的交点时刻，来控制逆变器开关器件的导通与截止。此时，正弦波与三角波进行比较，当正弦波幅值大于三角波幅值时，输出正脉冲，使逆变器中的开关器件导通，反之，开关器件截止。因此

34、，SPWM的输出脉冲系列的平均值近似于正弦波，并且三角波的频率越高，脉冲系列的平均值越逼近于正弦波。 由于PWM的控制作用，在逆变器的输出端得到一组幅值等于整流电路的输出电压Ud，宽度按正弦波规律变化的矩形脉冲列。提高Ud和提高正弦调制波的幅值就可提高输出矩形波的宽度，从而提高输出等效正弦波的幅值;改变正弦调制波的角频率，就可以改变输出等效正弦波的频率。PWM技术就是通过以上方式实现了变压变频。 采用PWM进行VVVF控制的电梯拖动控制系统的原理框图如图4-2所示。图4-2 VVV F电梯拖动控制系统原理4.1.2 OVF20变频器的设计 在变频器的设计中，为实现PWM功能，通常要进行速度曲线

35、、结构、接口、系统应用等方面的设计，本文对OVF20变频器在这几方面所作的设计工作进行了分析和探讨。 (1) OVF20变频器速度曲线的设计 在第2章的分析中，电梯速度曲线一般包括正常运行和短行程运行两种，OVF20变频器的速度曲线类型更加全面，它为电梯每种运行状态都给出特定的速度曲线，包括正常运行、短行程运行、检修运行、再平层运行、救援操作运行等。 正常运行速度曲线在电梯运行中最经常使用到，图4-3是OVF20的正常运行速度曲线。图4-3 OVF20正常运行速度曲线速度曲线的变化由控制系统中的参数和信号指令决定，而这些参数和信号指令与电梯的运行状态密切相关，因此在设计速度曲线时，重点需要考虑

36、如何设置速度曲线的控制点，以及如何准确的生成信号指令。 由图4-3所示，OVF20变频器的信号指令设置了IP, LV, vlv4等，它们各自具有不同的作用。 IP信号是来自井道里轿厢位置传感器反馈的信号，它是系统经过计算产生的停止控制信号。当OVF20的产生速度曲线的电路检测到这个信号后，将把速度减小到预先调整好的低速值。 1LV和2LV信号是检测轿厢到达门区的信号，当控制系统检测到LV信号后，速度减为零。 v1v4是系统经过计算产生的速度曲线控制信号，它是四位二进制编码，不同的“0”，“1”组合代表着速度曲线变化的不同的控制点。(2) OVF20变频器的结构设计根据第3章中对组合变流电路的分

37、析，变频器的基本结构包括整流器、制动电路和逆变器，在实际的应用中，OVF20变频器为实现复杂的控制功能，还具备控制电路和一些附加的功能设计。图4-4是OVF20变频器的结构设计方案。图4-4 OVF20变频器结构的设计 OVF20变频器结构由电源转换部分和控制部分组成。在电源转换部分，包括滤波器、整流器、带电容直流电路和逆变器。在控制部分，包括PDB （ PowerDriver Board)品闸管驱动板、MCB （Motion Control Board)运动控制板。其中，MCB运动控制板包括速度曲线产生电路, PWM控制电路、逻辑电路、接口电路等，它起到与电梯主逻辑控制电路板通信、和编码器等

38、接口、产生速度曲线和PWM控制信号的作用。 OVF20变频器的能耗电阻由热触点控制，放在变频器外边。 此外，OVF20的附加功能包括滤波器，过流和短路断路器以及制动电阻过热保护等。(3) OVF20变频器的接口设计 OVF20变频器起到转换电能和控制电梯运行的作用，它必然要与电网、电动机、电梯控制系统、以及电梯运行状态信号等进行接口，因此，OVF20的接口设计一应综合考虑这些因素。 如图4-4所示，OVF20变频器的电源转换部分包括整流器、逆变器等，它与电网的三相电源、电动机进行接口。三相交流电源经整流器整流后变为直流电，其电信号经过控制电路的脉宽调制转换后，由逆变器输出可变电压U1和可变频率

39、F1到电动机，起到变频调速的功能。 OVF20变频器的控制部分主要是指MCBII运动控制板，它与电梯的MCS220等逻辑控制板、井道信号、编码器速度反馈信号接口，控制逆变器工作。MCBII板首先与MCS220等逻辑抓制板通信，传递着v1-v4、 DS 1-DS5、UIB、DIB等信号。其中，v1 -v4是速度曲线控制信号，DS1-DS5是变频器状态信号，UIB 、DIB是井道中关于安全信息的信号。MCBII同时接受来自井道的轿厢位置信号，经过计算生成了合适的速度曲线。然后根据这个速度曲线、以及编码器反馈的速度信号和电机侧电流Iu、Iv的大小决定了可变电压U1和可变频率F1的大小，并将其输出到逆

40、变器。(4)系统应用设计 在一台电梯的载重、速度等基本参数要求确定后，如何设计出高效、可靠、稳定的拖动控制系统，使拖动控制系统和电梯其它的机电设备最匹配，是电梯新产品开发中非常重要的环节，其设计过程分为以下几个步骤: 首先，根据电梯轿厢负载、对重负载、绳比等参数，计算出系统负载力矩。 第二步，根据电动机齿轮比、电梯速度和计算出的负载力矩等参数，进一步计算出电动机的输出转矩和转速。 第三步，将计算出的电动机输出转矩和转速相乘，得出电动机的功率。再根据功率算出电流。 最后，由计算出的电动机的基本数据，选择与之匹配的变频器的电流、功率、速度曲线等参数。将经过计算后选择的电动机和变频器组合起来，就构了

41、电梯的拖动控制系统。 本章4.4节将利用上述方法对GEN2 CN-MRL电梯进行拖动控制系统的设计。4.2能耗制动和再生反馈技术的设计 电梯属于位能性负载，可以处于电动和发电状态，当处于发电状态时，传统的电梯变频器采用能耗制动的方式处理负载侧产生的能量，但目前新出现了可以将负载产生的能量反馈回电网的变频器，即再生反馈变频器，因为它比较节能和环保，所以成为变频器设计领域的热点。本节主要对能耗制动和再生反馈的原理进行了分析，然后结合OVFR再生反馈变频器进行了设计方法的阐述。4.2.1能耗制动和再生反馈的原理 当异步电动机工作在发电状态时，比如轿厢满载下降和空载上升时，电动机产生的能量会反馈到交一

42、直一交变频器的直流端，对这部分能量有两种处理方式:一是在直流侧增加电阻，采用直流侧能耗的方法;二是将直流侧的电能反馈回电网，实现再生反馈。 能耗制动方式如图4-5所示，在中间直流电容两端并联一个晶体管Vo和能耗电阻Ro，当直流侧电压由于电动机回馈造成升高，并达到一定数值时，令大功率晶体管Vo导通，把从负载反馈的能量消耗在电阻Ro上，当直流侧电压低于某一数值时，Vo关断，停止耗能。图4-5能耗制动变频器当电梯为大吨位和高速时，电动机处于发电状态时产生的能量较多，这时采用再生反馈的方式将电动机产生的电能反馈回电网，经济效益较好。 再生反馈的实现方法可以有以下几种: 对于电流型变频器，当电动机制动时

43、，中间直流电路的电流方向不能改变，要实现再生制动，只需调节可控整流电路的触发角，使中间直流电压反极性即可，图4-6是电流型变频器的回馈原理。图4-6实现再生反馈的电流型变频器 对于电压型变频器，由于它的直流侧有大电容，其电压不能突变，需要在整流电路侧增加一套与其反并联的可控晶闸管，当负载回馈能量时，中间直流电压上升，增加的可控晶闸管工作十有源逆变状态，中间直流电压极性不变，而电流反向，图4-7是电压型变频器的回馈原理。图4-7实现再生反馈的电压型变频器电压型和电流性变频器都可采用双PWM电路，其电路原理如图4-8所示。它的整流电路和逆变电路的构成完全相同，都采用PWM控制，电动机既可以工作在电

44、动运行状态，又可以工作在再生制动状态，而且可正转或反转。图4-8整流和逆变均为PWM控制的变频器4.2.2 OVFR变频器的设计 OVFR变频器具备再生反馈、驱动和调节永磁同步电动机、与RS422和CAN通信等先进功能。它通过向电网反馈回负载侧发出的能量，节省了能源，而且对电网的电磁干扰小，是一种先进、经济、环保的变频器。图4-9 OVFR再生反馈变频器的设计 图4-9是OVFR变频器的再生反馈功能的设计方案，变频器在整流器端和逆变器端都采用PWM正弦电流调制，因此，可以方便的实现整流和逆变的状态的改变，当正向时电动机带动轿厢运行，反向时电动机侧的能量传递回电网。再生反馈方式的调节目标是让直流

45、电压稳定，OVFR变频器的PWM逆变器能够实现这一目标，即控制直流侧的电压保持在恒定值。同时，OVFR变频器还设计一了保护功能，电网电压由PWM整流器转换为直流电压，PX继电器控制着直流电路端电容的预充电，当短路发生时MX和PX继电器能够将整流器和电网电压隔开。再生反馈制动单兀功率的计算是再生反馈变频器设计中的一项重要工作。反馈制动单兀的平均功率与能耗制动的电阻功率的选择原则是一样的。4.3矢量控制技术的设计 矢量控制是变频器的一项先进的控制技术，它通过反复的坐标变换，对交流异步电动机实施控制，使其达到直流电动机的调速性能。4.3.1矢量控制的原理在直流电动机的转矩方程中，励磁磁通和电枢电流皆

46、可独立地进行控制，因而只要在保证其中一个量不变的情况下调节另一个量即可方便地调节输出转矩。而在交流电动机中，转矩方程为，电磁转矩不仅和磁通、转子电流有效值有关，而且和变量功率因数有关，同时这三个变量都不能独立地进行变化，它们不仅相互影响，而且还受其它一些变量例如转速的影响。要想在保留交流电动机结构的前提下达到直流电动机的调速性能，需要将交流电动机的电磁变量关系通过一定的转换方式变成直流电动机的控制模型，矢量控制较好的解决了这个问题。 如图4-10的a)图所示，当异步电动机的U1U2、V1V2、W1W2三相定子绕组中流过三相对称电流iu、iv、iw时，就会产生旋转磁场，其转速为Uo，方向定为逆时

47、针。经过矢量变换的等效电动机如图 4-l0的b图，其定子由MM、 TT两个绕组组成，两个绕组中分别流过Im、 It直流电，在同一瞬间M绕组的轴线方向与图中的磁通的方向一致，并且MM、TT两个绕组以n。的转速逆时针旋转，将转子绕组也做等效的转换。这时定子电流Im与转子电流Im2共同产生的磁通与图a)中的磁通大小相等。因此，图b)中的电动机是图a)中的电动机由U、 V、W状态空间向M、T状态空间的等效变换。可以证明，变换后的电流是产生电动机磁场的，其作用相当于直流电动机的励磁电流，而则是产生转矩的，其作用相当十直流电动机的电枢电流，因此，在新的M、T坐标系中，变换后的电动机类似于一台直流电动机，可

48、以像控制直流电动机那样实施控制。图4-10交流异步电动机的等效转换由于MM、 TT绕组是假想的绕组，实际控制还是要对U、V、W三相绕组实施。实际控制的做法是:将三相绕组的电压、电流检测后转换到M、 T坐标系中，在M、T坐标系中进行控制的运算，计算出最佳的等物理量，再把它们转换回U、 V、 W坐标系，按折算回来的实施控制，从而使电动机达到预期的性能。 矢量变换通常分三步实现:首先是三相/两相变换，是指将三相交流矢量改变成两相交流矢量，将U, V, W三相转换成两相。然后是矢量旋转变换，它是指在两相绕组和直流M、 T绕组之间的变换，将静止的坐标系变换成旋转的坐标系。最后，是直角坐标/极坐标转换，在

49、实际的矢量控制中，通常是通过控制模和相角来控制矢量独立变化，因此需要进行直角坐标/极坐标转换。 根据以上分析，矢量控制原理实际上是对直流调速原理的模仿，通过矢量变换分离和合成励磁及转矩电流矢量，实现了磁链和转速的近似解祸，具备了控制转矩的手段。矢量控制的各种软测量算法模型和数学计算模型，都来自异步电动机动态数学模型，因此，其控制原理比起基于电动机稳态模型的U/f控制，能够大大改善动态运行性能。4.3.2 OVF20V变频器的设计OVF20V变频器的矢量控制系统可以设计为如图4-11所示图4-11 OVF20V矢量控制变频器的设计 根据上图，OVF20V矢量控制功能的实现方法是，矢量控制系统的输

50、入信号来自MCBII板产生的速度曲线、磁通设定值、以及电机侧的反馈信号，然后矢量控制系统按照上节所描述的三相/两相变换、矢量旋转变换、直角坐标/极坐标转换等步骤，计算出等效直流电机的控制量。电机侧的反馈回路是按照矢量变换的逆向变换，将反馈的磁通和电流信号送到前向通道进行比较的。控制信号,通过Vector Modulation(矢量调制)单元还原成三相坐标系下的控制信号，然后将其供给逆变器。 由以上的分析，OVF20V变频器在OVF20变频器的基础上增加了矢量控制功能，在控制性能上比OVF20变频器更加精确。它主要包括的功能有:根据MCBII板产生的速度曲线进行速度闭环控制;闭环电流和转矩控制;

51、以及闭环磁通控制。 因此，矢量控制系统是一种高灵活性的控制系统;在任何速度时，特别是低速时，信号没有波动;电梯抱闸打开时，由于矢量控制的作用，系统快速响应，减少了启动的冲击力。4.4 GEN2 CN-MRL电梯的变频器设计 本章4.1.2节论述了电梯拖动控制系统的设计步骤，对十载重1000Kg，速度1.75 m/s的GEN2 CN-MRL电梯，也按照此步骤进行拖动和控制系统的设计。 首先，根据载重、轿厢重、对重重量、绳比等参数计算出电动机满载运行转矩应为172Nm，满载加速转矩应为265Nm，选择轴载荷为2500Kg的电动机可以满足这种转矩要求。 然后，为系统配置变频器。由已得出的电动机转矩、

52、转速进行电动机满载电流和加速电流的计算，结果是电动机满载电流为20. 5A，加速电流为37.4A。变频器电流应超过电动机电流一定的裕量。可供选择的OVF20变频器有5KW、9KW和 15KW等规格，5KW变频器的额定电流为15 A，加速电流为30A; 9KW变频器的额定电流为25A，加速电流为50A; 15KW变频器的额定电流为36.4A,加速电流为78.7A。综合评价，15 KW变频器的满载电流小于电动机的满载电流，无法带动电动机;15KW变频器的电流值又远超过电动机的需要;而9KW变频器的电流值能带动电动机，同时也是最适合和经济的，所以，选择9KW的OVF20变频器既能满足系统需要，又能达

53、到最好的运行性能。 因此，此规格的GEN2 CN-MRL电梯的拖动控制系统设计方案是采用9KW的OVF20变频器，轴载荷为2500Kg的电动机，并采用适合的控制系统。目前该设计方案通过了系统运行实验，此规格的GEN2 CN-MRL电梯已经投入市场。 根据本章4.2节的分析和结论，再生反馈变频器具有显著的优点，因此考虑把采用能耗制动形式的OVF20变频器更改为能实现再生反馈功能的OVFR变频器。据此，将1000Kg, 1.75m/s的GEN2 CN-MRL电梯的OVF20变频器更换为OVFR再生反馈变频器，并使用PMT进行系统运行实验，测量速度、加速度、加加速度、振动等性能指标。目前此实验正在奥

54、的斯电梯公司实验塔进行，从实验已经得到的数据来分析，采用再生反馈拖动系统后，电梯的运行性能指标基本满足标准要求。因此，再生反馈型变频器将很快取代能耗制动型变频器，应用到GEN2 CN-MRL电梯的拖动控制系统中来。 9KW的OVF20的制动功率是4.8KW，制动电阻阻值为24欧姆。由前面的分析得出，再生反馈变频器的反馈制动单元的平均功率应与能耗制动变频器的电阻功率的选择原则一样，因此若配置9KW的OVFR变频器，其反馈单兀的平均功率也应设计为4.8KW，此时系统的运行和节能效果较好。以一年计算，再生反馈方式能够节省大约4300kWh的电能。 同时，由于变频器矢量控制技术的显著优点，目前OVF2

55、0和OVFR变频器都已采用矢量控制技术，系统运行性能优秀。4.5小结 变频器应用于电梯，通过调频调压，能平滑的控制电梯速度。本章对变频器的脉宽调制、再生反馈和矢量控制等主要技术进行了分析，并结合GEN2CN-MRL电梯进行了系统计算和设计，得到如下结论:（1)变频器采用了PWM脉宽调制技术，因此能灵活控制电动机转速。变频器设计应考虑PWM功能、速度曲线、结构和接口、系统应用等方面。电梯拖动控制系统的设计是整梯设计的重要环节，对十一台具体规格的电梯，需要按一定的步骤进行运算，然后根据运算结果选择合适的电动机和变频器，使系统配置的整体性能最优。 (2)按照如何处理交一直一交变流电路直流端的由负载返

56、回的能量来区分，电梯拖动控制系统可以分为能耗制动和再生反馈两种方式。它们各自具有应用的范围，再生反馈方式因为能够节约能源，发展前景很大。变频器制动方式无论是能耗制动还是再生反馈，设计时都要做好制动单兀的功率的计算。 (3)矢量控制是通过把电动机参数进行坐标变换，使交流电动机等效为直流电动机，按照直流电动机的调速性能来控制交流电动机，因此可以提高变频器的调速性能。变频器矢量控制单元采用多次计算和参数变换，控制着逆变器的输出，从而平滑地调节电动机转速。 (4)通过对GEN2 CN-MRL电梯的拖动系统和变频器的设计实例，总结出电梯拖动控制系统设计方法，论证了用PMT进行运行实验对十系统设计的重要性，验证了变频器的再生反馈等技术的优越性。第5章 结论与展望 电梯的拖动和控制系统是电梯的重要组成部分，为了提高电梯的性能，对于其技术的研究很有意义。 本文通过对电梯的拖动和控制系统的分析和研究，结合对GEN2 CN-MRL电梯的设计和实验，得出了一些结论: （1)电梯是载人运输设备