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1、第一章 电梯的电力拖动系统方案设计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。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200W以下），是电梯的辅助驱动。本部分内容主要是电梯的电力拖动系统方案设计。1.1 电梯门机拖动系统方案的创新性设计1.1.1 电梯门机系统简介在电梯系统中，为了使其能够正常工作，
2、也为了提高电梯系统的可靠性一般在电梯系统中都有一些附属装置，电梯门机系统即是其中一个。舒适的电梯系统应该有较短的候梯时间，门运行快捷、安静，使乘客不会觉得候梯和运行时间过长，因此，高效的电梯应该有一个良好的门机驱动系统。在电梯中，门机系统的主要任务是接收来自上位管理与调度系发送的门机控制信号，驱动门电动机运行，以控制电梯轿厢门和厅门的联动开关。电梯门机系统主要由门电动机、门电动机控制器、门电动机驱动装置、门结构(门系统机械部分)、安全检测系统、大厅内乘客监测系统等组成。下面简单介绍各个组成部分及其速度曲线和运行过程。(1) 梯门电机控制系统这部分主要由门电机控制器、门电机驱动装置以及门电动机等
3、组成。其中门电机控制器主要用来控制门电机，使其沿给定门机曲线运行，以快速、安静、准确的开关电梯轿厢门和厅门。这部分如同一个小型的电机拖动控制系统。(2) 电梯的门结构此部分主要由门扇、导轨、厅门门锁等构成，目前主要采用单扇门和中分门两种结构。为了提高门系统的快捷性，高性能的电梯系统多采用中分门结构。其中门扇必须具有坚固、防火的特点；导轨用来支撑门扇，故必须表面光滑、坚固且足够大，以便门扇可靠的移动；厅门门锁必须满足安全要求，当门扇到达关门点时应及时的锁住门。这部分对乘客安全非常重要。(3) 安全检测在电梯控制系统中，为了避免乘客被正在关闭的门扇伤害，在门系统中大都设置安全检测系统，以检测关门时
4、是否还有乘客从电梯门上通过。当轿厢门正在关闭时，如果此时有乘客欲进、出入电梯轿厢(包括乘客位于轿厢门前某段距离或乘客阻挡轿厢门关闭)，则轿厢门应该停止关闭，且重新打开。轿厢门打开则不必有此过程。目前的安全系统主要大都采用光电式装置(如光敏元件)，也有的采用电磁式装置。(4) 大厅内乘客检测系统在一些高性能的电梯系统中，都设置了大厅内乘客检测装置，确定乘客是否全部进入电梯。当乘客或物体仍在门检测区域内时，电梯的门系统能自动延时关门，确保乘客全部进入电梯。目前主要采用光电装置和红外光幕保护装置来检测乘客或物体。有的门机系统还采用热敏电磁装置和图像采集系统检测乘客或物体，由于受到性能和成本的限制，应
5、用的并不多。(5) 门过载保护装置有的门系统设有门过载保护开关装置，当电梯在开关门过程中，因轿厢门受阻而导致动作力矩过大，梯门会自动向反方向动作，从而达到保护门电机的作用。(6) 速度曲线及运行过程电梯门机系统的速度曲线如图1-1所示。速度曲线大致可分为四个阶段：加速阶段、匀速阶段、减速阶段和厅门锁定阶段。tl-t2时间段为加速阶段；t2-t5为匀速阶段；t5-t 6为减速阶段；t6-t7为门锁定阶段。以关轿厢门为例，在t1时刻，门电机得到控制信号(一般为脉冲信号)，经过一段时间延迟，轿厢门开始动作，一直到t2时刻，此段时间为加速阶段，其运行距离一般较短。从t4开始到t5时刻，为匀速阶段。此时
6、，如果有乘客在轿厢门前一定距离内或者在门扇中间阻挡轿厢门的关闭，则电机得到一个脉冲信号，则电机提前进入减速阶段，如t3-t4时刻所示，然后反转，轿厢门重新打开。直到全部乘客进入轿厢，从时刻t5 开始进入减速阶段。在t6时刻，轿厢门实际已经关闭。在t 6- t 7 的门锁定阶段电机继续转动，轿厢门被压紧，门刀关门同时通过机械结构关闭厅门直到t 7时刻，电机停止转动，门关闭过程结束。图1.1 电梯门机运行速度曲线以上简要叙述了电梯门系统的组成和功能。在电梯门系统中，还有一个重要的问题就是门保持时间的选择。因为门的保持时间过长，会影响电梯的运行效率，而保持时间过短又不能保证乘客全部安全的进入轿厢。因
7、此应对门保持时间进行很好的选择：在保证乘客全部安全进出电梯的情况下，尽可能的缩短电梯开关门时间。1.1.2 门机拖动系统方案设计电梯门机拖动系统作为一个子系统，相对整个电梯系统来说，是不容忽视的。它是电梯系统中动作最频繁，也是直接面对乘客的部分。因此在实际应用中需要一个运行安全可靠、性能稳定的电梯门机控制系统，其设计就显得尤为重要。一、各种门机拖动系统的比较门机拖动系统从电流型式上分为直流调速拖动和交流调速拖动两大类，在交流调速拖动中，异步电动机门机调速拖动系统和同步电动机门机调速拖动系统已发展成为占有相当比例的两类调速拖动系统。目前有三大类门机拖动系统：直流电动机门机拖动系统、异步电动机门机
8、拖动系统、永磁同步门机拖动系统。 最老式的用传统直流电动机调速的电梯门机一般由电动机配以继电器、限位开关和电阻实现开关门的控制，由于控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速系统领域里占统治地位。但是由于直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大，经常因火花大而影响生产；机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度;接触式的电流传输又限制了直流电动机的使用场合；电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高，这些固有的缺点限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。 在交流电网上，因异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简单等优点，所
9、以长期以来，在不要求调速的场合，异步电动机占有主导地位，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，人们广泛使用交流异步电动机来拖动机械工作。但是，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低，并且在这类拖动中，其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因数低，轻载时尤甚，这大大增加了线路和电网的损耗，无形中损失了大量电能。当前，电梯门机控制系统主要有由交流电机及其VVVF调速系统构成的， 也有少数由直流电机及其调速系统构成的。这些系统均有其固有的缺陷。除整套系统的成本较高外，前者虽然体积小，寿命长，但控制较复杂，对控制系统中的处理器性能要求较高，而且如果为同步电机，在带载情况下还易出现失步现象。而后者
10、尽管控制简单，但直流电机体积大，维护困难，寿命短，电刷结构带来电磁火花，易形成干扰。这些缺陷在电梯实际运行中就表现为电梯门开关不正常，维护工作量大等困扰操作人员的问题，进一步可造成严重经济损失甚至人身伤害。相对而言，永磁同步电机结合了直流电机与交流同步电机的优点，具有体积小，寿命长，控制简单，调速精度高，且不会失步的特点。而且，从提高效率，节约能量方面看，永磁同步电机也有优势。据报道，美国55%以上的电力是消耗在电动机运行上，因此提高电动机的效率很有意义。在所有类型电机中，永磁同步电动机的损耗最小、效率最高。有资料做过对比分析，对于7.5kW的异步电机系统效率可达86.4%，但是同样容量的永磁
11、同步电动机效率可达92.4%。随着电子技术的进步，电子工业的发展，电子元器件的价格不断下降。考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗等)之后，永磁同步电机的应用正处于上升趋势，其主要的原因有： （1）高性能永磁材料的发展 1983年问世的钦铁硼永磁材料，由于其磁特性和物理特性优异，成本低廉且材料来源有保证 (我国占有世界蕴藏量8%以上的钦资源)，所以在开发高磁场永磁材料(特别是钦铁硼永磁材料)方面具有得天独厚的有利条件，我国的钦铁硼永磁材料特性水平已达到世界的先进水平，为永磁同步电机的发展提供了物质基础。 永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电励磁
12、磁极的好处是：简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积:省去励磁直流电源，消除了励磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。 （2）新型电力电子技术器件和脉宽调制 (PWM)技术应用 电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自1958年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件、第三代复合场控器件直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，它极大地推动了各类电机的控制。7
13、0年代出现了通用变频器的系列产品，为交流电机的变频调速创造了条件。同时对同步电动机而言解决了起动问题。对最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统中必不可少的功率环节。 （3）电子技术和控制理论的发展 集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制。随着电子技术的发展，各种集成化的数字信号处理器 (DSP)发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越多，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很大提高，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP。这使以单片机为核心的全数字控制系统取代模拟器件控制系
14、统成为可能。计算机技术的应用除了实现复杂控制规律，便于故障监视、诊断和保护等功能外，还可以用于计算机辅助分析和数字仿真。集成电路和计算机技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。它们的飞速发展促进了电机控制理论的发展与创新。70年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交流电动机模拟成直流电动，获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。 目前，交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻；结构简单，运行可靠；损耗小，效率高等一系列优点，越来越引起人们重视。永磁电机几乎遍及航空，国防，工农业生
15、产和 日常生活的各个领域。如汽车工业，电机现以永磁电机为主;数控和精密机床也大量应用永磁电机;信息产业中永磁电机的应用面广、类型多;家用电器中永磁电机取代异步电机的地方也不少，如空调器己开始用永磁直流无刷电动机带动空调压缩机和通风机，洗衣机用永磁直流无刷电动机带动洗衣桶旋转等。随着高磁场永磁材料价格和电动机转子制造价格降低，以及驱动系统的理论研究和实践应用的不断完善与提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发展及应用。可以毫不夸张地说，永磁同步电动机己从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。 为便于
16、比较，永磁同步电动机与其它电动机的综合特性比较如下表1-1。表1-1 三种伺服系统控制方案比较伺服系统直流伺服系统永磁同步伺服系统异步交流伺服系统电机结构有电刷和换向器，结构复杂比较简单简单最大转矩约束整流火花，永磁体退磁永磁体退磁无特殊要求发热情况转子发热，不利只有定子线圈发热，有利定转子均发热，需要采取措施高速化稍有困难比较容易容易大容量化难稍微困难容易制动容易容易较容易控制方法简单稍复杂复杂磁通产生永磁体永磁体二次感应磁通环境适应性受火花限制好好维护性较麻烦无需保护无需保护以上分析可以看出，在工业应用及民用中，永磁同步电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显优势。但是随着交流伺服在国内的成熟
