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第4章电梯的动力拖动与电气控制•4.1电梯的拖动系统•4.2电梯的电气控制部件•4.3电梯控制系统的工作原理返回4.1电梯的拖动系统•4.1.1电梯拖动系统的结构•随着社会的发展，高层、超高层的建筑物日益增多，电梯成为一种必备的基础设施。而且对电梯在起动加速、制动减速、正反向运行、平层精度、调速范围、乘坐的舒适感和安全性等静态特性和动态响应方面提出了更高、更新的要求。这些指标将由电梯的拖动系统直接决定。因此，一台电梯运行性能的好坏，在很大程度上取决于其拖动系统的优劣。见图4-1。•根据电梯电力拖动系统和曳引电动机的分类，可以将电梯的拖动系统分为直流电动机拖动系统、交流电动机拖动系统和永磁同步电动机拖动系统。下一页返回4.1电梯的拖动系统•交流电动机拖动系统又分为变极调速系统、调压调速系统和变频调压调速系统。•电梯的拖动控制系统经历了从简单到复杂的过程。目前用于电梯的拖动系统主要有单、双速交流电动机拖动系统;交流电动机定子调压调速拖动系统;直流发电机—电动机可控硅励磁拖动系统;可控硅直接供电拖动系统;使用最广泛的是交流变压变频调速电梯(简称VVVF电梯)。•按拖动方式分类主要包括以下几项。•(1)交流单速感应电动机开环直接起动的电梯拖动系统。•(2)交流双速电动机变极调速电梯的开环拖动系统。•(3)交流双速电动机半闭环调压调速拖动系统。上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•(4)交流双速电动机全闭环调压调速的电梯拖动系统，简称ACVV。•(5)交流单速电动机全闭环调压调速的电梯拖动系统，简称VVVF。•(6)交流永磁同步电动机全闭环调压调速的电梯拖动系统，简称VVVF。•(7)直流电动机全闭环调压调速拖动系统。•4.1.2VVVF电梯电气控制系统的构成•VVVF电梯电气控制系统的构成如图4-2所示。从图4-2中可以看出，VVVF电梯的电气控制系统是由下列几个主要环节所组成。•1.拖动部分上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•拖动部分是VVVF电梯的最重要部分，由美国Intel公司生产的I8086微处理器构成的DR-CPU进行控制，并应用了矢量变换和脉宽调制(PWM)技术。•2.控制部分•控制部分是指由PLC进行控制，其控制的主要功能是对选层器、速度图形和安全保护电路进行控制。•3.管理部分•管理部分是负责处理电梯的各种运行，特别是多台电梯时的群控功能的控制。上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•4.1.3VVVF电梯的拖动系统结构和原理•拖动系统是VVVF电梯的核心，其基本的控制原理已在前面进行了叙述，这里不再详述。但对一个具体的电梯系统来说，尤其为了提高拖动系统的动态品质、减少电动机发热、节约能源和提高效率，仅靠前述的电压型或电流型变频器不能解决问题，还必须在拖动系统中应用矢量变换控制和PWM调制技术。低、中速电梯拖动系统结构如图4-3所示。•1.整流回路•在低、中速电梯中(v2.0m/s),整流器采用了由三块二极管模块(每块模块有两只二极管)组成的三相桥式全波整流电路。上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•在中、高速电梯中(2m/s≤v≤6m/s)整流器部分采用了由6块晶闸管模块(每块模块有两只晶闸管)组成的三相全控桥式整流电路。晶闸管的导通角开放的大小由正弦波PAM(PulseAmplitudeModulation控制，输出可调直流电压。事实上电梯在加速、恒速运动时，晶闸管的输出电压是恒定的，仅在减速时，晶闸管模块作为由电动机侧的再生能量反馈电网时的通路，其输出电压是连续变化的。•整流回路使用的二极管模块、晶闸管模块，是日前最先进的功率半导体器件。这种器件的一致性极好，并且具有耐浪涌电压、电流及结点温度高等特点。•2.充电器电路上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•充电器电路原理如图4-4所示。充电器电路主要用于主电源接通时，预先对大容量电解电容器进行充电，以便当主回路整流器开始工作时，不能形成一个很大的冲击电流，而导致二极管模块(或晶闸管模块)损坏。充电回路中的变压器(与基极驱动回路使用同一只)采用升压变压器，升压比为1:1.1。•3.逆变器电路•逆变器电路的工作原理如图4-5所示。逆变器采用6只大功率晶体管(IGBT)模块，每只模块有1只IGBT和1只续流二极管。因为大功率晶体管导通时，相当于起一只开关的作用，所以可以将图4-5(a)简化成图4-5(b)。上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•当来自正弦波PWM控制电路的三相矩形脉冲列经基极驱动电路放大时，按相序分别触发大功率晶体管基极，使其导通。•4.再生电路•电梯能源再生技术工作原理为:当电梯满载下降、空载上升、制动等情况下，回馈模块将电动机转化的电能回馈给电网，实现能量再生，既把变频器直流环节中的电能，变换成一个和电网电源同步的同相位的交流正弦波，把电能反馈回电网。如果曳引机上、下运动时负载又使得势能改变，当曳引机拖动负载减速运动时，动能将释放出来，当负载做下行运动时其势能也将减少，如果能有效地将这两部分机械能转换成的电能再次利用，就达到了节约电能的目的。上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•电梯对重块最主要的作用是以自身重量来平衡轿厢侧的重量，减少电梯曳引机的输出功率，对重的重量通常是轿厢满载时重量的一半。只有当轿厢载客量为额定载重一半的时候，轿厢和对重平衡块之间才相互平衡。因此大部分情况下，对重和轿厢是有重量差的。•当轿厢侧的重量大于对重侧的时候，轿厢依靠重力势能就可以自发向下运行，这个时候曳引机处于被动旋转状态，也就是工作于发电状态;当轿厢侧的重量小于对重侧的时候，对重依靠重力势能就可以自发向下运行，拉着轿厢上行，这个时候曳引机也处于被动旋转状态，同样工作于发电状态。上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•电梯在正常运行中会频繁产生回馈能量，当曳引机处于电动状态时，它与传统的交-直-交变频器工作方式相同;当曳引机处于发电状态时，通过逆变器将电梯再生能量回馈到电网。由于逆变PWM的脉宽调制，回馈的能量中其电流谐波畸变率为5%一7%之间。因此采用超级电容器与直流母线直接相连吸收回馈能量，当曳引机处于电动状态时，超级电容按照其功率需求进行放电;当曳引机处于发电状态时，超级电容按照其回馈功率进行充电。变频器直流母线电压在513~539V之间变化，而超级电容的单体电压在2~3V之间。直流母线可以看做电压源，其与超级电容器连接构成一阶RC电路，不论母线电压在哪个范围波动，超级电容的充放电效率始终为50%。上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•超级电容器通过双向DC-DC与直流母线连接，吸收回馈能量，超级电容器通过双向DC-DC，与变频器直流母线连接。当曳引机处于电动状态时，超级电容进行恒流快速放电;当曳引机处于发电状态时，超级电容进行恒流转恒压充电。•5.基极驱动电路•由正弦波PWM控制电路产生的脉冲列信号，必须经基极驱动电路放大后，才能输送至逆变器的大功率晶体管的基极，使其导通。•在电梯减速时，VVVF系统的动能量必须经过再生电路释放。因此，VVVF系统在减速再生控制时，主回路大电容的电压UDC和充电回路输出的电压UD与基极驱动回路比较后，经信号放大，来驱动再生回路中大功率晶体管的导通。上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•基极驱动电路除以上两个功能以外，还具有主回路部分安全回路检测的功能。包括:主回路直流侧的过电压;主回路直流侧的欠电压;基极驱动电路的逆变器大功率晶体管输出的欠电压;主回路直流侧充电电压的欠电压;主回路大容量电容器充电电压是否已达到，如达到，则向微处理器发出充电完毕信号。•6.PWM控制器•从前述逆变器电路可知，晶体管逆变器将直流电压转变为频率不同的交流电压。但因为其输出电压是方波电压，经傅里叶级数分解，除基波外，在其电压波形中还含有较大成分的高次谐波分量。这样，曳引电动机的供电电源中存在谐波分量，使电动机运行效率降低。上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•矩形波供电的电动机其效率将下降5%~7%，功率因数下降8%左右，而电流却要增大10倍左右。虽可在逆变器的输出端采用交流滤波器来消除高次谐波分量，但又非常不经济，并且增大了逆变器的输出阻抗，使逆变器的输出特性变坏。•正弦波PWM控制是利用等幅的三角波(称为载波)与正弦波(称为调制波)的相交点发出开、关功率开关器件(IGBT)的触发脉冲，并经基极驱动电路放大后送至逆变器中。幅值和频率可变的正弦控制波与幅值固定、频率固定(按设计时确定)的三角波进行比较，由两个波形的交点得到一系列幅值相等、宽度不等的矩形脉冲列。上一页下一页返回4.1电梯的拖动系统•当正弦控制波的幅值大于三角波的幅值时，输出正脉冲，可使逆变器中的功率开关管导通;当正弦波的幅值小于三角波的幅值时，输出负脉冲，可使逆变器中的功率开关管截止。PWM的输出脉冲列的平均值近似于正弦波。如提高三角波的频率，则PWM的输出脉冲列的平均值更逼近于正弦波。故称此时的PWM为“正弦波PWM”。正弦波PWM的波形如图4-6所示。上一页返回4.2电梯的电气控制部件•4.2.1操纵箱•1.操纵箱的形式•1)手柄操纵箱•手柄操纵箱一般是指由司机操纵使电梯门开启或关闭、起动或制停轿厢的手柄开关装置。扳乎有向上、向下、停车三个位置。板面上一般设有安全开关、指示灯开关、信号灯开关、照明开关、风扇开关和应急开关等。常用在货梯上。•2)按钮操纵箱•由乘客或司机通过按钮操纵电梯上、下、急停等的装置，并设有钥匙开关，用以选择司机操纵方式或自动操纵方式。下一页返回4.2电梯的电气控制部件•另外还备有与电梯停站数相对应的指令按钮，记忆呼梯信号的指示灯，上下行方向指示灯，超载灯和警铃等。•3)轿厢外操纵箱•操纵按钮一般装在每层楼的层门旁侧井道墙上，按钮数量不多，形式比较简单，常用于不载人的货梯。•2.操纵箱常见各个开关、按钮的功能和使用方法•1)按钮组•操纵箱面板上装有单排或双排按钮组，按钮的数量由楼层的多少确定。按钮在压力下接通，使层楼指令继电器自我保护，按钮失压后会自动复位。上一页下一页返回4.2电梯的电气控制部件•司机操作时，可以根据需要按下一个或几个欲去层站的按钮，轿厢停层指令被登记，关门起动后轿厢就会按被登记的层站停靠。•2)起动按钮•一般在盘面左、右各装一个起动按钮，一个用于向上起动，一个用于向下起动。当司机按下选层指令按钮，选好要去的层站，再按所要去的方向按钮，轿厢就会驶向欲去的楼层。有的电梯不用按钮起动而采用手柄左右旋转的办法起动，其效果相同，一般多用于货梯。•3)照明开关•照明开关是控制轿厢内照明电路的。轿厢内照明，是由机房专用电源供电，不受电梯其他供电部分控制。上一页下一页返回4.2电梯的电气控制部件•一旦电梯主电路停电，轿厢内照明电路也不会断电，便于驾驶员或维修人员检修;不过维修人员处理故障时，要特别注意照明电路和开关仍带电，以免触电。•4)钥匙开关•一般采用汽车钥匙开关，其作用是控制电梯运行状态，一般用机械锁带动电气开关，有的只控制电源，有的是控制电梯快速运行状态的检修(慢速)状态。在信号控制的电梯中，钥匙开关只有运行和检修两挡;而在集选控制电梯中钥匙开关有三挡，即自动(无司机)、司机和检修。司机离开轿厢，应将开关放在停止位置，并将钥匙带走，防止他人乱动设备(无司机电梯除外)。上一页下一页返回4.2电梯的电气控制部件•5)通风开关•通风开关用来控制轿厢内的电风扇。轿厢无人时，应将风扇开关关闭，以防时间过长烧坏风扇或引起火灾。•6)直驶按钮(专用)•开启直驶按钮，厅外招呼停层即告无效，电梯只按轿厢内指令停层。尤其在满载时，通过轿厢满载装置，将直驶电路接通，电梯便直达所选楼层。•7)独立服务按钮(或专用按钮)•当此开关合上后，只应答轿内指令，外呼无效，即电梯专用。有的电梯甚至厅外楼层显示此时也没有。上一页下一页返回4.2电梯的电气控制部件•8)检修开关•检修开关也称慢车开关。在检修电梯时，用来断开电气自动回路的一个手动开关。在司机操作时，只可在呼层区域内作慢速对接(调平)操作，不可用于行驶。•9)急停按钮(安全开关)•按动或搬动急停按钮，电梯控制电