交流調壓調頻控制電梯系統的設計

陳偉偉

摘 要：電梯是現代人生活所不可或缺的重要工具，交流調壓調頻控制電梯系統是確保電梯運行控制精確性與舒適性的重要方式，因此，本文主要探討交流調壓調頻控制電梯系統的設計，從電機設計、變頻器選擇與應用以及VVVF電梯速度控制3個方面入手。

關鍵詞：交流調壓調頻 變頻器 VVVF電梯速度控制

中圖分類號：TU85 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0123-02

城市化的發展使得城市人口激增，高層建筑也成為城市化發展過程中的主要建筑形式，高層建筑的增加也使得電梯作為重要出行工具的重要性愈發凸顯。傳統電梯速度控制系統，是以曳引電機接觸器來改變電梯的運行狀態，無法滿足人們對于電梯乘坐的舒適性需求，需要對電梯控制系統進行進一步的優化設計。

1 電機的設計

1.1 設計原理

電機的轉速與電源頻率呈現為正相關關系，如果電源頻率發生改變，則電機轉速也會相應發生改變，因而可以通過改變電源頻率的方式，改變電機轉速。在忽略定子阻抗壓降的情況下，定子端的電壓與電磁場強度相同，維持定子阻抗電壓不變，提高電源頻率，就可以提高電機的轉速，定子阻抗的電場強度會有所下降，電機轉矩降低，但如果提高流經勵磁的電流，則會增加電力能源的損耗，因而根據電梯控制系統的使用要求，采取相應的調速辦法，進行相應的電機設計，就能夠實現交流調壓調頻電梯的控制。

1.2 容量設計

電機容量的設計要求滿足電梯啟動與過載情況下的轉矩需要，因而應當選擇與變頻器相適應容量的電機，同時根據電流輸出額度，合理選擇變頻器的容量。在單臺電機的情況下，若電機持續運行，則電流輸出額數應當高于1.1倍的電機額定電流；若在多臺電機持續運行的情況下，需要對其輸出電流加以限制，要保證輸出電流額數超過全部電機電流額數的總值；若多臺電機在并聯的情況下只有少數電機運轉，則一旦某部分電機突然啟動，則會在短時間內產生較大電流，影響電機的正常運轉，因而需要對變頻器的容量加以擴增，避免電梯電機運轉中途產生故障情況，影響乘客的生命財產安全[1]。

2 交流調壓調頻控制系統的設計

2.1 變頻器的選擇與應用

交流調壓調頻控制系統中，變頻器設備是其中的核心裝置之一，其質量與效果會在很大程度上影響電梯控制系統運行的有效性與穩定性，因而對于變頻器的選擇，首要參考因素就是設備質量與性能。在確定具體型號時，則主要考慮變頻調速方案、負載類型等功能。變頻器的選擇需要滿足被控制電梯系統的負載特性、通用變頻器的主要類型與被控制一部電動機的具體參數是否匹配。

綜合以上各種因素，本文選用的變頻器為偉肯Vacon NXP系列型號的變頻器，是一種升降電梯的專用變頻器，可以實現對交流異步電機電流的直接控制，確保電機轉矩保持在較高水平，能夠滿足各種高精度速度/轉矩控制的電梯應用場合，速度控制誤差不超過0.01%，啟動轉矩超過200%，轉矩精度小于2%，可以實現平穩啟動與運行，確保電機控制的高性能。偉肯Vacon NXP系列型號的變頻器除了支持無傳感器適量控制與頻率控制之外，還可以利用各種編碼器信息，更加精確地進行電機控制，具備極強的主從控制、位置控制、收放卷張力控制與同步控制。

2.2 VVVF電梯調速系統

2.2.1 電梯速度閉環與位置閉環的控制

以往對于速度的閉環控制，是利用電機配套的旋轉編碼器的信號反饋而實現的，計算單位時間內旋轉編碼器所產生的脈沖可以確定電梯實時速度。電梯速度控制系統，是依據電梯在運行過程中轎廂位置值向變頻器發出的速控信號而運行的，因而位置反饋的精確性與電梯速度控制的精準性直接相關。當前普遍應用的速度控制模式包括兩種：其一，以電梯井磁道開關獲取轎廂位置信號的速度控制；其二，以分頻信號獲取轎廂位置信號的速度控制。就前者而言，能夠獲取電梯的實時減速點、門區點位信號并向變頻器記性信號反饋，但這種速度控制方式是一種多段速控制方法，電梯速度控制的精確性會受到影響；就后者而言，是在獲取速度信號的同時，對電梯運行時間內，旋轉編碼器發送的脈沖進行計算，經過信號整型與分頻發送來實時反饋電梯的具體位置，是一種連續獲取電梯轎廂位置的速度控制方法，可以根據電梯位置進行速度控制，具有較高的精確性，但也具有較為明顯的缺陷：以旋轉編碼器脈沖數間接獲取電梯轎廂位置，一旦存在脈沖缺失或電梯曳引鋼絲打滑的情況，則電梯轎廂的位置信息就存在失真的問題[2]。

綜合以上兩種速度閉環控制方式，本文建議選用雙閉環速度控制結構（如圖1），利用絕對值編碼器來獲取電梯轎廂的具體位置，確定轎廂實時速度并向變頻器傳遞信號，利用旋轉編碼器獲取實時速度來實現對變頻器的調頻與調壓。這種對于電梯運行速度的雙重閉環控制，能夠提高電梯運行速度控制的有效性與準確性。

2.2.2 速度控制方法

第一，以時間為控制原則，確定電梯速度給定運行曲線，是按照時間長短，根據理想給定曲線向變頻器發送速度控制信號，其中，原本存儲在EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）中的速度控制點位、原本存儲在變頻器中的速度頻率、電梯加速與減速時間以及S字特性時間共同構成理想給定速度曲線（如圖2）。以時間為控制原則所確定的電梯速度給定運行曲線，其根據在于所屬的電梯位置檢測點，確定電梯運行的速度情況，在明確速度運行階段的前提下，依據存儲于EEPROM中的速度控制點位以及理想速度給定曲線進行開環運行。電梯運行到高速運行與爬行運行段時，以延時時間進行電梯運行的開環控制。所謂的延時時間是一種預估值，但這一預估值能夠使電梯制定階段存在一個速度的爬行段，因而運用這種方式運行效率較差，電梯運行的平層精確性與舒適性較差，需要電梯調試人員進行大量的控制點確定工作。

第二，基于電梯運行的絕對剩余距離確定電梯給定運行曲線（如圖3）。絕對距離是利用絕對值編碼器實時監測電梯轎廂位置，而絕對剩余距離，是根據電梯轎廂與平層位置的實施距離。交流調壓調頻控制電梯系統依據絕對剩余距離對電梯運行時速進行實時計算與控制。這種方式是采用絕對值編碼器獲取電梯轎廂的位置信息，即便電梯曳引鋼絲打滑也不會受到影響。另外，絕對值編碼器向系統提供二進制編碼，因而也不會出現脈沖丟失情況，控制系統根據絕對剩余距離計算電梯運行的實時速度，輸出速度控制指令。電梯平層的過程中，控制系統會依據電梯的實時位置確定剩余距離，在一定距離內輸出降速信號與相應速度，在電梯達到相應減速點的時候，實現電梯轎廂與平層之間的平滑制動，實現一種無爬行的停靠，電梯速度控制的實時性、精確性與舒適性得以大大提升，因此是一種較為良好的速度控制方式[3]。

3 結語

科學技術水平的高速提升使得電梯越來越向著調壓調頻與高舒適性的方向發展，也就更加強調電梯的舒適性、高效性與自動化運行性能，因而可以應用性能更加良好的變頻器與絕對值編碼器等裝置，實現對電梯運行的交流調壓調頻控制。

參考文獻

[1] 代杰.交流變頻調速電梯系統設計和應用[J].自動化與信息工程，2009，30（3）：46-48.

[2] 王歐海.變頻調速電梯原理設計[D].大連理工大學，2008.

[3] 劉翔，周超.電梯交流變頻變壓調速系統的設計[J].城市建設理論研究：電子版，2015（5）：596.