六层电梯升降变频控制系统课程设计

11引言随着现代城市的发展，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。电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。我国电梯控制系统主要有三种方式：继电器控制系统、微机控制系统和PLC控制系统。其中PLC控制系统以其显著的优点成为电梯控制系统的主流。PLC控制系统主要有双速电梯系统和变压变频调速系统，后者通过改变电机供电的电压和频率，平滑调节电梯速度，可以获得更好的乘坐舒适感，它平层精度高，并具有显著的节能效果，保障了电梯的可靠性，成功地解决了电梯运行的舒适感问题。过去，对中、低速电梯主要采用拖动系统来构成其曳引系统，应用变极方式实现电机的调速。因为这种系统只能实现有级调速，无法对电机的转速和加、减速进行准确的控制，所以此方式的舒适感和平层精度都较差。后来又采用交流调压调速控制的电梯，进行速度闭环控制，其舒适感和平层精度都有较大提高，但它却很难实现精确控制，并且能耗大，输人功率因数也低，影响了系统的整体性能。对于高速电梯，过去主要采用晶闸管直流调速系统，存在维护难等问题，并且调速系统的功率因数也不高。与前述方式相比较，变频调速则是各种调速方法中效率、性能均较好的一种。本设计内容针对低层楼房客梯控制系统进行认真分析，讨论了电梯控制系统设计的有关问题。根据当前电梯的发展趋势，注重反映新的PWM技术，利用先进的变频调速技术和强大的PLC功能实现了对电梯变频调速的控制，通过合理的设备选型、硬件电路连接和整体软件设计，完成电梯的各个功能，保证电梯的安全运行及应急状况处理。22概述电梯的概述电梯的概念电梯是服务于规定楼层，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间的固定式升降设备。广义的电梯概念包括载人（货）电梯、自动扶梯、自动人行道等，是指动力驱动，利用沿刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运动的梯级（踏步），进行升降或者平行运送人或者货物的机电设备。狭义的电梯是指服务于规定楼层、有轿厢的垂直升降设备，不包括自动扶梯、自动人行道。自动扶梯（Escalator）是带有循环运行梯级，用于向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。自动人行道（Passengerconveyor）是带有循环运行式走道，用于水平或微倾斜的输送乘客的固定电力驱动设备。电梯的分类按用途分类：乘客电梯、载货电梯、病床电梯、杂物电梯、服务电梯、住宅电梯、特种电梯。按驱动方式类：交流电梯，直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、直线电机驱动的电梯。按速度分类：低速电梯（速度不大于1.75m/s）中速电梯(速度大于1.75m/s小于或等于2.5m/s)高速电梯(速度大于2.5m/s小于或等于6m/s)超高速电梯(速度大于6m/s)按有无减速器分类：有减速器的电梯：常用于梯速为2.0m/s以下的电梯无减速器的电梯：常用于梯速为2.0m/s以上的电梯按有无司机分类：有司机电梯、无司机电梯、有/无司机电梯。3按控制方式分类：手柄操纵控制电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、并联控制电梯、群控电梯、微机控制电梯。电梯的工作原理一部电梯主要由轿厢、配重、曳引机、控制柜/箱、导轨等主要部件组成。电梯在做垂直运行的过程中，有起点站也有终点站。对于三层以上建筑物内的电梯，起点站和终点站之间还设有停靠站。起点站设在一楼，终点站设在最高楼。各站的厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮。一般电梯在起点站和终点站上各设置一个按钮，中间层站的召唤箱上各设置两个按钮。而电梯的轿厢内都设置有（杂物电梯除外）操纵箱，操纵箱上设置有手柄开关或与层站对应的按钮，供司机或乘用人员控制电梯上下运行。召唤箱上的按钮称外召唤按钮，操纵箱上的按钮称指令按钮。电梯的运行工作情况和汽车有共同之处，而电梯的自动化程度比较高，一般电梯的司机或乘用人员只需通过操纵箱上的按钮向电气控制系统下达一个指令信号，电梯就能自动关门、定向、起动、在预定的层站平层停靠开门。对于自动化程度高的电梯，司机或乘用人员一次还可下达一个以上的指令信号，电梯便能依次起动和停靠，依次完成全部指令任务。尽管电梯和汽车在运算工作过程中有许多不同的地方，但仍有许多共同之处，其中乘客电梯的运行工作情况类似公共汽车，在起点站和终点站之间往返运行，在运行方向前方的停靠站上有顺向的指令信号时，电梯到站能自动平层停靠开门接乘客。而载货电梯的运行工作情况则类似卡车，执行任务为一次性的，司机或乘用人员控制电梯上下运行时一般一次只能下达一个指令任务，当一个指令任务完成后才能再下达另一个指令任务。在执行任务的过程中，从一个层站出发到另一个层站时，假若中间层站出现顺向指令信号，一般都不能自动停靠，所以载货电梯的自动化程度比乘客电梯低。本设计主要研究六层六站的电梯控制系统，分述其硬件设计和软件设计过程。设计程序要求完成电梯控制系统主要达到以下要求：（1）电动机额定功率为7.5kW的3相异步电动机：额定电压400VAC；额定电流15.3A，额定功率7.5kW,额定转速1455r/min；额定功率因数0.82，额定效率40.9。（2）采用两个固定频率，50HZ对应1m/s速度，6HZ的速度用于减速停车。（3）起动和制动斜坡积分时间设定为3秒，其中含有0.7秒的平滑积分时间。（4）变频器采用远方控制方式。（5）变频器的运行状态指示（如运行、停止、过流、低压等）。（6）变频器的报警处理3电梯变频调速控制系统3.1变频调速电梯系统运行原理电力电网送来的380V动力电源变为可控的直流电，经变频器转变为可调的频率可变的变频变压三相正弦交流电，驱动电动机平稳运行。若配置交流变频曳引机效果更佳，成本亦低。当电梯检修时，PLC向变频器发出方向和检修运行信号，系统按预先编好的速度指令使电梯轿厢作上、下慢速运行。变频器内部带电流反馈和速度反馈。电梯的速度总是跟随理想曲线的变化而变化的。3.2变频器3.2.1变频调速原理由电机学原理可知三相异步电动机的转速可由下式表示：spfn160式（3.1）式中：f为电机的电源频率，p为电动机定子绕组的极对数，s为转差率从上式3.1可看出，在极对数P和转差率不变的情况下，转速n与电机电源的频率f成正比，改变电动机的频率f就可以改变电动机的转速，从而实现电梯的零速起动。53.2.2变频器组成、工作原理及其分类①变频器组成及工作原理变频器通常由主电路、控制电路和保护电路组成。主电路如图4.2所示。主电路包括整流器、逆变器和中间直流环节。图3.2变频器主电路图其整流电路采用的是不可控的二极管整流电路，而变频器的输出频率和输出电压均由逆变器按PWM方式来完成。利用参考电压波与载频三角波互相比较来决定开关器件的导通时间，从而实现调压。逆变器又称负载变流器，最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中的主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。中间直流环节。由于逆变器的负载是异步电动机，属于感性负载，故在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。此无功功率要靠中间直流环节的储能元件（电容或电抗）来缓冲，故又称中间直流环节为中间直流储能环节。②变频器的类型按电源的性质来分：电压型变频器，电流型变频器按输出电压调节方式分：PAM方式，PWM方式，高载波变频率PWM方式按控制方式分：U/f控制，转差频率控制，矢量控制按电压等级分：低压变频器，高压大容量变频器按用途分：通用变频器，高性能专用变频器，高频变频器，小型变频器。63.2.3变频器机型选择随着变频器性能价格比的提高，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，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，但其价格相对较贵。因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器——安川VS-616G5型全数字变频器，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。电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，它的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容，此外电梯节约用电也日益受到重视。综合考虑各种因素，本设计选用安川VS-616G5型全数字变频器，它具有转差补偿、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。VS616-G5型变频器是安川电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范围。VS-616G5变频器的标准规格：表3.1616G5型变频器的标准规格电压220V400V容量范围1.2—110KVA1.4—460KVA电源电压频率200V：三相200V/208V/220V400V：三相380V/400V/415V/440V/460V电压允许变动+10%-15%频率允许变动士5%控控制方式正弦波PWM控制，V/f控制无传感器矢量控制(无PG)，带传感器矢量控制(带PG)带传感器V/f控制(用参数切换)启动转矩150%/1Hz(无PG)I50%/0r/min(带PG)速度控制范围1:100(无PG)1:1000(带PG)速度控制精度士0.2%(无PG)0.02%(带PG)速度响应5Hz(无PG)30Hz(带PG)7制特性转矩精度士5%转矩响应20Hz(无PG)以上150HZ(带PG)以上频率控制范围0.1—4000HZ频率精度数字式指令士0.01%(-10C—y+40C)模拟指令士0.1%(25C—士lOC)频率设定分辨率数字式指令0.01Hz/100Hz模拟式指令0.03HzJ60Hz输出频率分辨率0.01HZ过载量额定输出电流的150%1min频率设定信号-10—10V0—10V4—20MA加减速时间0.01——6000S制动转矩约20%抑制高次谐波直流电抗器内带(200V24kVA400V26kVA以下可选择)12相整流不能变动主要控制功能再起动，下降控制，转矩控制.零点伺服控制操作装置16字X2线日语液晶显示接通插件板可选择16种（最多可装3块）保护功能电机保护，变频器过载，瞬时电流、电压下降，过电压，电压缺相。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。3.2.4变频器计算及其参数设置①变频器功率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选取。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8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有：VFgWWP13221式（3.2）其中sg3211为摩擦力，s可忽略不计。电机功率P1，变频器功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有较大裕量，因此可以取25.1PP式（3.3）②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大小应使制动电流IZ不超过变频器额定电流的一半，即20NZZIRUI式（3.4）其中U0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。3.3电梯曳引电动机及其功率确定3.3.1电梯对曳引机的要求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电动机能承受频繁起、停，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