VVVF电梯控制原理与速度控制系统

VVVF电梯控制原理与速度控制系统 L},一 VVVF电梯控制原理与速度控制系统 . 丁,6 mT/2J,+,J\矿l扩 摘要:?F型电梯应用了先进的电力电子技术,微电子技术,计算机技术,矢量控制技术和P"i~vl 脉宽调制技术.双微机控制,数字选层器,串行通迅等技术的采用,使系统功能齐全. 数一靳 TheControllingPrincipleandSpeedControlling SystemforVVVFElevator Abstract:YPVFelevatorado~sadvancedte~quesofpowerelectron,ndcroelectron, computer,vectorcontrolandPWM.Adoringtechniqles0fdoublecompater contro1.nu珏I.alsekctorandseftesc0HH删IIi酬}i0n,聃.【estsy~emwlthc0In— pleLfun~ion. 4YPVF电梯电气拖动原理 交流电动机的转速为: n=60f(1一s)/p 式中.f为定子的供电电源频率;P为电动机极对数; S为电动机转差率.从上式知道,可以用改变定子供 电电源频率的方式来控制电机的转速,从而控制电 梯的速度. 电梯是恒转矩拖动系统,为了获得最佳舒适感, 在日立电梯(广州)有限公司生产的中,低速YPVF 乘客电梯中采用了恒转矩调速方式.从电机学原理 知道: U?E1=4.44Lk】 式中,u为供电电压}f为供电电源频率;E为定 子电势}为电机气隙磁通;k为电机常数i(1,l为 绕组匝数.在电动机中,为充分利甩铁心材料, 一 般都把磁通的数值选在接近磁饱和的数值上.为 改变电动机的转速,需要改变频率f.如果频率f减 少而U保持不变,磁通会增加,造成磁通饱和, 励磁电流增大,即定子电流增大,功率因数降低若 U1保持不变,频率f增大,贝磁通将会减小. 电机转矩公式: M=lcI2eos~Pz 式中,G|l为电机常数;Ie为转子电流;COS为转子 功率因数;为电机气隙磁通.从上式可知,磁通 的减小将导致电机输出转矩M下降.为了保证电机 输出转矩M的不变,转子电流必需加大,在一定的 负载下会有过电流的危险 因此,要求磁通保持恒定,由磁通密度 B=kU/fi(k为常数)得出:电动机转矩 M?(U/f).(k2为常数).所以保证u./f不变 (或者说定子电压随频率成正比变化),由感应电动 机转矩表达式可知,当有功电流(转子电流)I.为额 定值,垂为常数,电动机的输出转矩也保证恒定. 由此可知,为获得恒定转矩的调速特点,获得 最佳的电梯舒适感,感应电动机的变频调速必须在 变频的同时按比例改变供给电动机的电源电压,方 可保证电梯在调速过程中保持恒定力矩.这种控制 原则简称为,厂,n,F,日立?,VF电梯正是采用了 ,厂,厂,,F方式进行变频调速. 2YPVF型电梯的PWM脒蝴翩原理 在变频调速控制技术中,为了保证恒转矩调速, 在改变频率的同时,必须相应改变电动机的输入电 压但要直接地可连续地改变在相交流电源的频率 的电压,是一件难度较大,造价较高的事情为解决 这个问,目前在,厂,厂,,F型电梯中通常采用PWM 逆变器,逆变器输入恒定不变韵直流屯压,由控莉线 4中国电梯]97.8?电横技柬 路按一定的规律控制逆变器中功率元件的通断,从 而在逆变器的输出端获得一组等幅不等宽的矩形脉 冲波形来近似等效正弦电压波形,如图1所示. U U衄毗… 图2是获得PWM波形的一种方法.利用了等 幅的三角波(即截波)与正弦波(调制波)相交点 交出通,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f在 正弦波值小于三角波值时,控制逆变器的大功率晶 体管截止;而逆变器中输入恒定不变的直流电压,这 样,就可在逆变器的输出端得到一组幅值与逆变器 直流电压E相等,宽度按正弦渡规律变化的一组矩 形脉冲序列,它等效于正弦曲线Udsin~t.这样,提 高正弦调制波Usintot的幅值就可提高输出矩形波 的宽度,从而提高PWM波等效正弦波的幅值Ud; 改变调制波的频率c-,,就可改变输出PWM波等效 .用上述PWM脉宽调制 正弦波的频率,实现变频 的方法,只要改变E和m,就可实现变频变压. 采用PWM脉宽调制技术所制造的变频器,具 有以下优点: (1)逆变器的输入直流电压不变,故整流环节 不必考虑调压的因素,直流电源可采用简单的不控 整流器,提高了电网的功率因数. (2)调频调压过程都在逆变器内部实现,其响 应速度仅取决于控制回路,不受直流回路滤波系数 的影响. (3)逆变器的输出电压波形接近正弦波,谐波 分量较输出等宽矩形波的逆变器小,降低了负载电 动机的发热和低频转矩脉动,提高电动机的运行性 能. YPVF电梯就是采用了PWM脉宽调制的先进 技术,使交一直,交变频控制电梯成为现实,井可 使造价降低.在YPVF电梯的PWM控制中.裁们 选择了一个适当的载波(三角波,频率为3kHr左 右),由于载波频率固定,而且比最高电流信号的频 率(50Hz)高出约6O倍,故与正弦波电压比较时, 分别得出u,V,w相对中性点的波形,然后再将 任意相波形相减,即可得出最后相间电压波形.把 这样的输出波形平均起来就得到了正弦波输出波 形,如图3所示 u相调制渡V相调制渡w相调弟I渡 围3PwM输出波形 3YPVF电梯的矢量控制原理 直流电动机有良好的调速特性与机械特性,但 结构复杂,维护困难;而交流电动机结构简单,保 养维护简便,但调速挣陛和机械特性不佳.新的拖 动理论认为,使用交流电动机,其控制模拟直流电 动机控制转矩的规律,可使交流感应电动机达到直 流电动机的调速性能. 直流电动机的励磁电流与转矩电流分别由励磁 绕组和电枢绕组控制,而交流电动机的励磁与转矩 均由定子绕组控制因此,要模拟直流电动机的控 制,首先要将交流电动机定子绕组所产生的旋转磁 势分解成励磁磁势与转矩磁势,然后再分别控制. 三相交流电动机用三相绕组产生一个旋转磁 场.首先需要将三相绕组磁场转换为两相互垂直的 等效磁场,那么这两相等效绕组就相当于直流电动 电梯技术O-IINAELEVATO~1997.85 机的励磁绕组和电枢绕组.对这两相等效绕组所产 生的等效电流在励磁空间的大小与相位进行控制, 就相当于控制直流电动机的励磁绕组电流和电枢绕 组的电流,这种通过空间位置控制磁势的方法就是 矢量控制的原理. 在YPvF型电梯中,以矢量控制的原理对交流 感应电动机进行控制.图4(a)表示感应电动机的 等效电路.感应电动机的一次电流I和产生旋转磁 场的励磁电流I流过转子回路,被分成发生转矩的 转矩电流I,这些电流成分关系如图4(b)所示.一 次电流I等于2个互相垂直的I,I的矢量和,与 励磁电流Im有相位差0.感应电动机的矢量控制方 法是根据必要的矢量,与励磁电流成分I一起控制 转矩电流I.采用了这种方法.虽然是使用感应电动 机,但也能够获得与直流电动机一样的高控制性能. 因为矢量控制要求高精度,高速处理,所以在 矢量控制演算处理中,YPVF电梯使用了高性能的 MC68000型16位微电脑,另外交流电流指令根据 由逐次积分所得出的电流信号,也使用计算机处理 的方法. 在速度控制部分中,速度指令必需转矩的指令, 通过矢量控制演算,将该转矩指令转换成转矩电流 指令It,根据预先确定的励磁电流指令lm和矢量 和,可求出一次电流指令绝对值I..中一方面,根据 一 次电流指令的瞬间值i和角频度与速度反馈 信号(实际的电动机的旋转频率),又根据转矩电 流I和励磁电流I的比,计算出一次电流和励磁电 流的相位差0. 根据电流指令回路的逐次电流信号积分所得的 值和矢量控制演算处理求得的一次电流绝对值I., 角频率相位差0,求出最终一次电流指令i一 I~Sin(t+0).再送到速度控制系统,控制硬件,软 件配合,计算出三相电流指令Ie,I和I青.在此过 程中每32fLs都要计算一次电流指令i,所以极为精 密,可以达到平稳控制转矩的要求. (a)感应电动机的T形简易等效回路 1r 大 1 转矩 』 小 IM (b)一次电流的矢量 圉4矢量控制的原理 rl一次电阻;r二次电阻(一次侧换算值);xl一次褥电感 x2二次漏电感(--次侧换算值);s转差率;1】一次电流 1励磁电流;l二次电流(一次侧换算值);M互感电流. 4YPVF电梯数字选层器的原理 在电梯控制过程中,电梯的位置信号是个很重 要的参数,在继电器逻辑控制的电梯中,利用机械 式选层器模拟电梯的运行,能够按比例缩小后准确 地给出电梯的当前位置,使电梯能准确,可靠地得 到控制.电梯引入计算机控制后,选层器的功能可 以在计算机内部通过一定程序的运算来完成,这就 是数字选层器的原理. YPVF电梯由旋转编码器信号,轿厢感应器的 位置,服务层的信号,端层的信号,工作电源信号 以及计算机内的层高表等构成一个设置在副微机内 的数字式选层器. 圉5数字选层器的概略构成 6中国电梯1997.8?电梯技术 YPvF电梯的数字选层器的构成如图5所示, 作用为: (1)检测电梯运行方向;(2)制定同步位置; (3)制定同步层站;(4)制定超前位置;(5)制定 超前层站;(6)检测减速开始点. 电梯的位置检测即电机转数的检测,通过旋转 编码器R.E进行.旋转编码器有姒,B两相输 出,这两相输出位置相差1/4个周期,从这两相输 出可检测电机的旋转方向.另外,通过计算姒相的 脉冲数,检测电梯的移动距离,从而进行电梯的位 置检测.由于采用了数字式选层器,YPvF型电梯 的控制更加精确. 5YPVF电梯串行通讯的原理 计算机技术应用到电梯上后,电梯控制中许多 信号的通讯工作可由计算机完成.由于计算机可 在极短的时间内完成一次数据传递周期,因此可 将要传递的数据进行排列,在固定的时间间隔内,按 不同信号的要求依次传递,并给予寄存.将信号数 据排队,并在同一信号线进行传输的通讯方式为串 行通讯.YPVF电梯的轿厢和机房控制柜的通讯方 式就是采用串行通讯方式.YPvF电梯控制柜中主 控制电脑板MPU板,轿顶电器箱上的串行通讯传 输板SDC板分别采用一块大规模集成电路LSI SDA进行串行通讯.SDA芯片的收,发信号同时进 行,轿厢内操纵箱信号和轿顶的开关信号在轿厢和 机房控制区间通过串行通讯进行信号处理,只用2 进2出共4条线传送全部信号,大量减少了联接导 线.因此YPVF电梯的随行电缆只用一条40芯的 扁平电缆就可满足全部接线,不随楼层数的增减而 变化.? 6YPVF电梯系统的构成 YPVF电梯系统如图6所示.系统主要由以下 各部分组成. 主回路,由将三相交流电变换成直流电的整流 器和将直流电逆变成频率,电压可变的交流电的逆 变器组成,采用交一直一交方式变频;桥式整流器 加上了大容量电容器和RC滤波回路,以稳定直流 电压和滤波.直流侧设置了反馈回路,当电梯制动 时会引起直流电压的上升,可通过硬件回路使反馈 三极管自动导通,把反馈电能消耗在反馈电阻上;在 运行接触器主触点10T上并有电阻Rl'其作用是 在电梯投入运行前,使滤波电容预先有一较小的充 电电流.当10T接通电梯投入运行时,避免因电容 器瞬间大电流充电产生冲击,保护整流器和滤波电 容. 圉6系统方框圉 主微机,负责与轿厢串行通讯以取得轿厢开关 信号,呼叫信号输入,进行厅外呼叫登记,开关门 控制,运行控制等逻辑控制,进行故障检测和. 副微机,根据主微机的运行指令,负责数字选 层器的运算,速度指令生成,矢量控制,进行故障 检测和记录,负责信号器的工作. 电流指令回路,根据副微机矢量控制演算结果, 发出相交流电流指令. 电流控制回路,通过将电流指令回路中三相交 流电流指令与感应电动机电流反馈信号比较,发出 逆变器输出电压指令,比较各种反馈信号,决定指 令的生成与否. PWM(脉宽调制)控制回路,产生与逆变器输 出三相电压指令对应的基极触发信号. 基极驱动电路,根据PWM信号,驱动主回路 中逆变器内的大功率晶体管,使晶体管按需导通 电梯技术VcH『^IAELEVATOR1997.87 负荷检测装置,检测轿厢负荷并输送负载信号 给副微机,以进行起动力矩补偿使运行平稳舒适. YPvF电梯系统还包括:与感应电动机随动,可 发送脉冲信号到主,副微机的旋转编码器;传递楼 层位置信号的位置检测器FML,可接受指令信号和 开关输入信号的轿内操纵箱C.B和厅外召唤箱 H.B;以及系统各种保护回路等. YPVF电梯由双微机控制,主微机和副微机之 间采用并列通讯互通信息,共同控制电梯,且能互 相监控.这样,形成了一完整的电梯控制系统. 7YPVF电梯速度控制系统 7.1位置检测 使用高精度的旋转编码器后,由数字选层器代 替机械式选层器.轿厢的运行距离与脉冲数之间关 系由式(1)表示: s:(mm)(1) 式中:s——轿厢运行距离; D——为绳轮直径,mm N——旋转编码器的脉冲数; B——电机1转时旋转编码器发出的脉冲数 (脉冲/转); R——取1或2(吊挂比1:1时为1,2:1 时为2). 7.2速度检测 平均速度检测.采用计时器PTM检测一定时 间(msec)内的脉冲数N,求取平均速度V.V与 N的关系如式(2)所示: V=S/T=(m/s)(2) 矢量控制需要高精度的速度反馈,当旋转编码 器出现一个脉冲时,用固定的高频率脉冲(频率为 f)计数,如图7所示,配合硬件和软件,可得出瞬 时速度: V=K/V~(m/s),其中K=×lOs(3) 式中D的单位取mm,f的单位取M}k,N为高频率 脉冲在一个旋转编码器脉冲周期内脉冲数. _[二黼冲 — ::::::::』一高颚脉冲 (频率) 图7高速脉冲与RE脉冲关系 7.3速度指令生成 YPVF电梯速度指令曲线,如图8所示,共分 为10个速度段.软件程序采用即时生成,即逐次演 算的方式进行计算.在副微机存储器参数表中T, ,T.,t为固定参数,而最大加速度a,a.是根 据额定速度和经验公式计算出来的参数,都属已知 值,从而可以计算出加加速度:P=a/Tl{P.=一 al/Tz;Pa=a2/Ts;P4=--a2/T4.在程序中加速度和 速度计算用逐次演算得到:a一a一1+PIT,vt=vt一1 +aT,T为采样周期.对于加速度前半段进入匀加 速段的判断条件是at=a,而匀加速段进入加速后段 的转换点计算可参照图9. :l:l2\i业j/!: 蝴Pr_]广_]i 圈8速度指令曲线 ?\_'\ —— ji互 — 圈9匀加速段转换点的计算圈10减速点的计算 由V,一vt.=latdt=1/z?Tza-可得转换点 速度Vt-一一一1/z?T.a.当得到Vt—V一时,进 入匀速段.当主微机向副微机发出减速信号后,副 微机就以当前位置为准,参照停梯层搂的平层位置, 反推出电梯适当的减速点,如图(1.)所示.虚线 部分为假定的匀速曲线.当判断与之差 v一v【??v时,电梯进入减速前半段. 设定非线性段位移为So,则s=ls—Sl—S0, 8中国电梯1997.8?电梯技术 a— 其中S.为停梯层的平层位置,S为减速点位置. 一 (5) 速度指令曲线:?V2:1/2?TIaI 匀减速曲线?V一T.Ia.l 所以Av=1/2?TaIa2l(6) 同时,当?+1/2?Tla.l时,速度由匀减速段 进入减速后半段(V.为爬行速度). 最后的平层以实际位置为准,在YPVF电梯 中,型电梯只用1个感应器.图l1是门区感应 器FML与层搂隔磁板的位置关系.电梯以爬行速 度V.前进,当进入门区时,电梯距准确的平层位置 距离为SFm,此时,假定上,下位置可调参数(软 件设定)Su,SD(0?Su,SD??),当软件程序判 断到电梯的实际位置Sp?(s1,s)+Su(上行 时)或s?(s1+SmL)一SD(下行时)(s为停梯 层层楼位置),电梯进入爬行停止阶段.当检测电梯 速度为0时,断开抱闸接触器和运行接触器10T, 电梯最后停止. 7.4起动补偿 高档的电梯,在速度控制时需考虑电梯起动时 负载变动对电梯运行舒适感的影响;重载上行和轻 载下行时,需要给予与速度同方向的适量的初始力 矩,以防止电梯倒流;轻载上行或重载下行时,则 需要给予与速度反方向的适量的初始力矩,阻止电 梯前冲. YPVF型电梯在轿底装有负荷检测装置,随时 检测负载的变化.在软件程序中,使用以下公式得 到初始力矩(式中以电梯运行的速度方向为正方 向) Tu—GU?W—Bu(上方向时) TD—Go?W—BD(下方向时) 其中T0,1为补偿力矩C,uGn为补偿增益,为 可调数;BU,BD为偏差值,为可调数;W为轿厢负 载重量(). 图(12)表示负载与补偿力矩的关系.从图中 可以看出,起动时,让初始补偿力矩产生作用,在 5O左右负载时,上,下方向均要适量的补偿力矩, 使电梯能沿着速度方向平滑起动. /… r O . ~1100% 圈12负载与补偿力矩关系 7.5速度控制系统方框图 YPVF电梯具备了以上的各种检测,计算方法, 再加上霍尔互感器产生的反馈电流信号,就可以组 成完整的速度l-司环控制系统.YPVF速度控制系统 方框图如图(13)所示. 圈13速度控制系统方揠圈 YPVF电梯速度控制系统采用硬件,软件结合 的方法,高精度的矢量计算用高性能的MC68000 型16位微电脑来完成,系统采用了数字控制系统中 增量式PI调节器.软件最后以I,0'和三变量 输出,在硬件回路中,先组成三相电流指令I,I 和I,再通过电流反馈回路和PWM调制,最后到达基极驱动回路产生基极控制波形,完成整个速度 控制. 8系统原理简述 YPVF电梯使用三相交流380V电源,当运行 接触器主触头10T接触后,三相交流380V电源经 由整流器变换成直流电,输送到逆变器逆变器中 三对大功率晶体管受控按需开通,把直流电逆变成 电梯技术VcHINAEI_EVATOFI1997.89 频率,电压可调的三相交流电,对感应电动机供电, 使电动机运转,通过曳引机牵引电梯运行.下面以 举例方式简述电梯的控制过程. 假设电梯停在1楼,有3楼轿内指令.指令信 号通过串行通信方式传送到主微机,主微机根据电 梯欲达楼层信号及所在楼层位置信号,经过逻辑判 断发出向上运行指令;并传送给副微机,另外主微 机发出关门指令,使轿厢门带动厅门关闭电梯,这 样就完成了选向,关门步骤. 副微机根据主微机传送来的向上运动指令,生 成速度运行指令,并根据负荷检测装置传送来的轿 厢负荷信号,进行矢量控制演算,生成令电梯起动 运行所需的控制变量参数:电流频率~01,电动机定 子电流(每相一个)的绝对值I.和定子电流所应具 备的相角0,这三个变量参数由电流指令回路,通过 硬件生成三相电流指令I,I和,再由电流控制 回路根据三相交流电流指令,生成可使电梯起动运 行的逆变器输出的电压指令,由PWM回路发出对 应于每一组的脉冲宽度可调制的基极触发信号;这 些触发信号由基极驱动回路放大后,驱动大功率晶 体管按需导通;运行接触器主触点10T接通,逆变 器进行逆变输出,电动机得电,同时主微机发出指 令使抱闸得电打开,电梯开始起动上行. 电梯启动后,旋转编码器随着电动机的旋转发 送脉冲到主,副微机.主微机根据此信号控制运行, 副微机根据此信号进行数字选层器运算,发出继续 加速运行的指令,电梯加速上行;当电梯速度升到 额定速度时,副微机将旋转编码器的脉冲信号与设 定值比较发出均速运行指令,电梯按指令进行.这 一 过程副微机均以改变变量参数值形式使逆变器工 作,此时电梯完成加速运行步骤. 在电梯运行过程中,副微机根据编码发送来的 脉冲信号,通过数字选层器的运算,当电梯进入3楼 层区时,副微机按生成的速度指令发现减速的信号, 也就是通过矢量控制的演算,生成与减速指令曲线 相对应I,0和clj1,控制逆变器输出,使电梯按照减 速指令曲线上行.当电梯上行到进入3楼平层区域 时,轿厢顶的位置检测器FML被3楼隔磁板插入, 副微机发现电梯爬行速度指令,并通过数字选层器 的运算开始计算停车点.当计算到旋转编码器发送 来的脉冲数值等于设定值时,副微机发出停车信号, 使PWM回路停止发出基极触发信号,逆变器中的 大功率晶体管关闭,电动机失电停止运行,电梯在 零速停车;同时,主微机得到副微机送来的停车信 号,发出指令使制动器失电抱闸,并打开运行接触 器主触点10T,电梯在3楼平层停车;此时电梯完成 了减速平层的步骤.随后主微机发出开门指令,电 梯门开启.这样电梯就完成了一次从启动到停车开 门的运行周期. 刘伟榍,日立电梯(广州)有限公司,51嘶10广州市天河区沙河 鸡颈坑 收稿日期:1996—09—02 缉辑:党立渡 招聘 东莞市飞鹏电梯工业公司是东莞市市属股份制企业.公 司拥有90年代水准的加工设备和检测器具开发研制具有 当今世界先进水平的3m/s交流调频调速乘客电梯等一系 列新产品,招聘有忘从事电梯事业的各类人才.公司目前拟 招聘以下技术人员 1.技术部设计员:机械设计(制造)起重运输机械专业,本科 生4名; 土质检部部长助理2名:机械设计制造和电气自动化专业 各1名,本科生; 3,制造部部长助理2名:机械制造专业,本科生{ 4.行政部长助理1名企业管理专业,大专生; 5.ISO9000管理办公室助理1名;企业管理专业,大专生; 生产副总经理助理2名:机电—体化专业,研究生; 7.总经理助理1名:工商行政管理,研究生; 8.计算机软件编程员1名计算机应用专业,本科生; 9.机电一体化电气自动化专业3名,本科生;(电梯安装公 司总经理助理) 以上招聘人员要求熟练电脑操作.对于机械类的学生还 要熟练CAD操作.如英语水准达到7级以上的优先.对于 应聘技术管理职位的学生要求写论文1份: 《我怎样做部长,经理》.(对有相应工作经验者,优先录用) 另外我公司招聘机械制造工艺,工艺师,电梯安装工人 和板金工人. 公司环境优美,福利待遇高,一般工程师免费提供单人 宿舍,如本人愿意,户口可迁^东莞市.在公司工作满三年可 ^籍东莞,并有房屋分配,有意者请递交有关身份证明,文 件. 东莞市飞鹛电梯工业公司 联系电话:77310757732443 传真号码7732448 邮政编码:511746 联系人:冒生 10中国电梯1997.8?电梯技术