交流永磁同步電動機伺服驅動系統在電梯上的應用

曹奕剛

(上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200062)

0 引 言

目前，國外很多生產廠商正致力于將永磁交流伺服系統應用于電梯驅動的研究。在我國交流伺服驅動系統主要是應用于雜物電梯驅動。隨著這幾年城市快速發展，小功率同步電動機逐漸成為電梯制造業的香餑餑。為了能夠降低能耗、節約機房空間，采用交流伺服系統驅動的三相永磁同步電動機逐漸開始進入國內各家電梯制造廠家的視野之中。

1 電梯驅動永磁同步電動機伺服系統的特點

電梯驅動永磁同步電動機伺服系統具有如下特點。

(1) 舒適性好。

電力驅動系統對電梯的起動加速、穩速運行、制動減速起著控制作用。驅動系統的優劣直接影響電梯的加減速度、平層精度、轎廂舒適感等重要技術指標。傳統的電梯驅動系統主要有： 直流驅動系統、交流變極調速系統、交流調壓調速系統、變頻變壓調速系統等。其特點一般多為四象限運行、運行速度高，有著對速度控制要求不高、定位精度較差、能耗高、體積大等缺點。

采用永磁同步電動機交流伺服系統驅動可解決傳統電梯驅動系統固有的缺陷。一般其調速比可達到1∶ 5000，最高轉速比達到3000r/min，回轉定位精度可達1/10000轉。因此，使得采用永磁同步電動機交流伺服系統驅動的電梯相比較采用傳統驅動方式的電梯，擁有更寬廣的調速范圍、更快的響應速度以及更精確的平層精度，能夠基本達到S形曲線加減速功能，電梯的舒適感也得到大幅提高。

(2) 安全性高。

采用傳統驅動方式的電梯一般是由PLC或電梯主板發出指令、電梯轎廂碰觸行程開關等方式進行位置確認，一旦電梯制動器發生故障或者運行速度過快，會導致行程開關來不及反應，轎廂發生沖頂、蹲底等事故。在交流伺服系統中，由于永磁同步電動機的結構特點，除必須控制三相電樞繞組外，還須具有檢測轉子磁極位置的電路、速度(位置)檢測電路、電流檢測電路等。這就使得采用永磁同步電動機交流伺服系統驅動的電梯在采用行程開關保護的基礎上，增加速度環、位置環、電流環等多環節保護，即使最壞情況通信總線指令發錯，通過多環節保護依然能夠確保電梯不發生事故，大大提高了電梯的安全性與穩定性。

(3) 節能性優越。

永磁同步電動機由定子和轉子兩大部分組成。轉子上裝有特殊形狀的永磁體，用來產生恒定磁場。轉子上的永磁材料可以采用鐵氧體或稀土永磁材料。高性能而價格適宜的永磁材料為提高電動機的伺服性能和實用化提供了條件。由于轉子上沒有勵磁繞組，由永磁體產生磁場，因而無需引入勵磁電流，電動機內部的發熱只取決于電樞電流。在電動機的定子鐵心上繞有三相電樞繞組，接在可控制的變頻電源上。與采用傳統驅動方式的電梯電動機相比，它出力大、體積小、耗電少、結構簡單、可靠性高，是同步伺服電動機中最主要的品種。目前，功率從幾瓦到幾百瓦，甚至可達幾千瓦，在各種自動控制系統中得到廣泛的應用。因此使得采用永磁同步電動機交流伺服系統驅動的電梯擁有更好的節能效果。

(4) 性價比高。

與傳統驅動的電梯電動機相比，永磁同步電動機體積小，在機房中占用的有效面積也比普通電動機要小，在房價節節攀高、寸土寸金的大城市里，這一優勢無疑會得到開發商的注意。另外，永磁同步電動機結構簡單，無需很高的維護成本。由于是通過轉子上裝有特殊形狀的永磁體產生恒定磁場，在日常使用過程中不會產生油封漏油、聯軸器磨損等問題，不需要更換油封、軸承等易損件，使得采用永磁同步電動機交流伺服系統驅動的電梯比采用傳統驅動方式的電梯擁有更高的性價比。

2 電梯驅動永磁同步電機伺服系統的總體結構框圖

電梯驅動交流永磁同步電動機伺服系統總體上來說是一個閉環位置伺服控制系統。它主要由位置控制器、速度控制器、電流控制器、力矩補償處理器等部件組成。總體結構框圖如圖1所示。

圖1 電梯驅動永磁同步電動機驅動系統的總體結構框圖

(1) 位置控制器。

位置控制器即旋轉編碼器。電機的位置檢測在電機控制中是十分重要的，特別是在位置伺服控制系統中需要檢測精確的轉子位置來控制電機的運動狀態。在電梯運行過程當中，旋轉編碼器給出了滿足速度大小和方向以及舒適感要求的位置和速度反饋值，使永磁電動機在各反饋環的作用下帶動轎廂跟隨指令變化，實現乘坐舒適、精確平層的安全運行。

(2) 速度控制器。

速度控制器采用數字PI調節器形式。速度的負反饋控制模式，速度指令和電機實際轉速作為輸入量參與比例積分調節器運算(PI模式)，力矩指令作為運算結果輸出，完成速度環子程序的運算。

(3) 電流控制器。

電流控制器與電流可控PWM逆變器一起構成電流環節的反饋與調節。其算法主要是PI調節器算法。電流閉環控制具有抑制起、制動電流，加速電流的響應過程等作用。對于交流伺服電機，電流閉環還能改造對象，實現勵磁分量和轉矩分量的解耦，得到等效的直流電機的模型。

(4) 力矩補償處理器。

力矩補償處理器是為提高電機轉速位置跟蹤精度而設計的一種自適應補償方法。主要包含一個參數自適應律和等效PID控制律，利用前饋補償原理，來估計永磁同步電機中未知參數以及波動力矩和負載力矩參數并給與補償。力矩補償處理器保證了閉環系統全局穩定性和對期望位置信號的漸進跟蹤，有效提高了電梯運行過程中永磁同步電機轉速的跟蹤精度。

3 電梯驅動永磁同步電動機伺服系統的應用結果

3.1 電梯運行性能試驗

用速度檢測儀器進行檢測。當電源為額定頻率，同步電動機施以額定電壓時，轎廂承載0.5倍額定載重量，向下運行至行程中段(除去加速和減速段)時的速度，不得大于額定速度的105%，不宜小于額定速度的92%。起動加、減速度必須在0.48～1.50m/s。

當電梯轎廂中放置500kg額定負載后，使用速度檢測儀器測得該電梯轎廂運行最大速度為1.66m/s，為其額定速度1.60m/s的103.75%，符合GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規范》中規定的92%～105%標準范圍內。最大加速度為0.644，符合標準規定的0.48～1.50范圍。因此判定該型式試驗結果合格。

3.2 電梯超載試驗

電梯轎廂在110%額定載荷，通電持續率40%的情況下，起、制動運行至少30次。電梯驅動永磁同步電機伺服系統以轎廂實際面積對應的1.25倍額定載重量進行超載試驗，以110%額定載重量，通電持續率40%的情況下，起、制動運行30次，電梯應能可靠地起動、運行和停止(平層不計)，同步曳引機工作正常。

當電梯轎廂承載110%額定載重量進行超載試驗時，在通電持續率≥40%的情況下，起、制動運行30次，電梯基本能做到可靠地起、制動及運行，同步曳引機組未出現異常,對比采用異步交流變頻驅動方式的電梯具有更高的安全性,故此判定該試驗結果合格。

3.3 電梯驅動永磁同步電機伺服系統可靠性試驗

電梯轎廂分別以空載、50%額定載荷和額定載荷3種工況，并在通電持續率40%情況下，到達全程范圍，按120次/h，每天8h以上，各起、制動運行100次。

電梯驅動永磁同步電機伺服系統當電梯轎廂分別以空載、50%額定載荷和額定載荷3種工況，并在通電持續率40%情況下，到達全行程范圍，按120次/h，每天8h以上，各起、制動運行1000次，電梯應運行平穩、制動可靠、連續運行無故障。制動器溫升不應超過60K，同步曳引機組油溫溫升不應低于60K，其溫度不應低于85℃，同步曳引機組各處不應有嚴重滲漏油情況發生。

一周的時間里，在滿足每天保持通電持續率≥40%、電梯運行時間≥8h/d，每天運行次數≥120次/h的基本條件下，分別連續起、制動運行3種工況下(空載、50%額定載荷和額定載荷)的電梯。經過連續晝夜試驗數據分析，發現該電梯驅動永磁同步電機伺服系統基本能滿足電梯正常條件下的使用要求，其同步電動機最高轉速能達到3000r/min,明顯優于采用異步交流變頻驅動方式的電梯(2300r/min),且具有更快的動態響應性能；在連續不間斷工作條件下，制動器溫升、同步曳引機組油溫皆能保持在正常可允許范圍內；同步曳引機組各處無嚴重滲漏油情況發生；電梯其他動態部件皆未有異常情況發生，磨損程度亦在標準允許范圍之內。據此判定該電梯平臺可靠性試驗合格。

3.4 電梯耗能情況分析比較

將相同樓層、相同額定速度和額定載重量條件下采用異步交流變頻調速方式的電梯，與采用永磁同步電動機交流伺服系統驅動的電梯進行耗能情況分析匯總。將兩種驅動方式下運行的電梯連續正常運行兩個多月，并根據使用能耗情況進行比較獲得數據。

通過比較能耗情況分析(見表1)，可以很清楚地看出，采用永磁同步電動機交流伺服系統驅動的電梯月消耗能量為937kWh，明顯比采用異步交流變頻驅動方式的電梯月消耗能量少(1107kWh)。由此可以看出，采用永磁同步電動機交流伺服系統驅動的電梯在日常使用過程中更加節能。

表1 兩種驅動方式電梯性能對比

4 結 語

通過試驗對比采用永磁同步電動機交流伺服系統驅動方式和采用異步交流變頻驅動方式的電梯各項技術性能指標可以發現，采用永磁同步電動機交流伺服系統驅動方式后電梯的控制效率明顯提升，可靠性也有了顯著的提高，功能更完善，保護措施也進一步提高，系統成本也明顯降低，能耗水平也顯著降低，完全達到了國外同類產品的先進水平。

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