交流調(diào)壓調(diào)頻控制電梯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳偉偉

摘 要：電梯是現(xiàn)代人生活所不可或缺的重要工具，交流調(diào)壓調(diào)頻控制電梯系統(tǒng)是確保電梯運(yùn)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(diào)壓調(diào)頻控制電梯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從電機(jī)設(shè)計(jì)、變頻器選擇與應(yīng)用以及VVVF電梯速度控制3個(gè)方面入手。

關(guān)鍵詞：交流調(diào)壓調(diào)頻 變頻器 VVVF電梯速度控制

中圖分類號(hào)：TU85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（a）-0123-02

城市化的發(fā)展使得城市人口激增，高層建筑也成為城市化發(fā)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(fā)凸顯。傳統(tǒng)電梯速度控制系統(tǒng)，是以曳引電機(jī)接觸器來改變電梯的運(yùn)行狀態(tài)，無法滿足人們對(duì)于電梯乘坐的舒適性需求，需要對(duì)電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 電機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率呈現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，如果電源頻率發(fā)生改變，則電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，因而可以通過改變電源頻率的方式，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。在忽略定子阻抗壓降的情況下，定子端的電壓與電磁場(chǎng)強(qiáng)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(jī)的轉(zhuǎn)速，定子阻抗的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)有所下降，電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低，但如果提高流經(jīng)勵(lì)磁的電流，則會(huì)增加電力能源的損耗，因而根據(jù)電梯控制系統(tǒng)的使用要求，采取相應(yīng)的調(diào)速辦法，進(jìn)行相應(yīng)的電機(jī)設(shè)計(jì)，就能夠?qū)崿F(xiàn)交流調(diào)壓調(diào)頻電梯的控制。

1.2 容量設(shè)計(jì)

電機(jī)容量的設(shè)計(jì)要求滿足電梯啟動(dòng)與過載情況下的轉(zhuǎn)矩需要，因而應(yīng)當(dāng)選擇與變頻器相適應(yīng)容量的電機(jī)，同時(shí)根據(jù)電流輸出額度，合理選擇變頻器的容量。在單臺(tái)電機(jī)的情況下，若電機(jī)持續(xù)運(yùn)行，則電流輸出額數(shù)應(yīng)當(dāng)高于1.1倍的電機(jī)額定電流；若在多臺(tái)電機(jī)持續(xù)運(yùn)行的情況下，需要對(duì)其輸出電流加以限制，要保證輸出電流額數(shù)超過全部電機(jī)電流額數(shù)的總值；若多臺(tái)電機(jī)在并聯(lián)的情況下只有少數(shù)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，則一旦某部分電機(jī)突然啟動(dòng)，則會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大電流，影響電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因而需要對(duì)變頻器的容量加以擴(kuò)增，避免電梯電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中途產(chǎn)生故障情況，影響乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。

2 交流調(diào)壓調(diào)頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 變頻器的選擇與應(yīng)用

交流調(diào)壓調(diào)頻控制系統(tǒng)中，變頻器設(shè)備是其中的核心裝置之一，其質(zhì)量與效果會(huì)在很大程度上影響電梯控制系統(tǒng)運(yùn)行的有效性與穩(wěn)定性，因而對(duì)于變頻器的選擇，首要參考因素就是設(shè)備質(zhì)量與性能。在確定具體型號(hào)時(shí)，則主要考慮變頻調(diào)速方案、負(fù)載類型等功能。變頻器的選擇需要滿足被控制電梯系統(tǒng)的負(fù)載特性、通用變頻器的主要類型與被控制一部電動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)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(hào)的變頻器，是一種升降電梯的專用變頻器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)電流的直接控制，確保電機(jī)轉(zhuǎn)矩保持在較高水平，能夠滿足各種高精度速度/轉(zhuǎn)矩控制的電梯應(yīng)用場(chǎng)合，速度控制誤差不超過0.01%，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩超過200%，轉(zhuǎn)矩精度小于2%，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)與運(yùn)行，確保電機(jī)控制的高性能。偉肯Vacon NXP系列型號(hào)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(jìn)行電機(jī)控制，具備極強(qiáng)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(diào)速系統(tǒng)

2.2.1 電梯速度閉環(huán)與位置閉環(huán)的控制

以往對(duì)于速度的閉環(huán)控制，是利用電機(jī)配套的旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)反饋而實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器所產(chǎn)生的脈沖可以確定電梯實(shí)時(shí)速度。電梯速度控制系統(tǒng)，是依據(jù)電梯在運(yùn)行過程中轎廂位置值向變頻器發(fā)出的速控信號(hào)而運(yùn)行的，因而位置反饋的精確性與電梯速度控制的精準(zhǔn)性直接相關(guān)。當(dāng)前普遍應(yīng)用的速度控制模式包括兩種：其一，以電梯井磁道開關(guān)獲取轎廂位置信號(hào)的速度控制；其二，以分頻信號(hào)獲取轎廂位置信號(hào)的速度控制。就前者而言，能夠獲取電梯的實(shí)時(shí)減速點(diǎn)、門區(qū)點(diǎn)位信號(hào)并向變頻器記性信號(hào)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(huì)受到影響；就后者而言，是在獲取速度信號(hào)的同時(shí)，對(duì)電梯運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)送的脈沖進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過信號(hào)整型與分頻發(fā)送來實(shí)時(shí)反饋電梯的具體位置，是一種連續(xù)獲取電梯轎廂位置的速度控制方法，可以根據(jù)電梯位置進(jìn)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(zhuǎn)編碼器脈沖數(shù)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(huán)控制方式，本文建議選用雙閉環(huán)速度控制結(jié)構(gòu)（如圖1），利用絕對(duì)值編碼器來獲取電梯轎廂的具體位置，確定轎廂實(shí)時(shí)速度并向變頻器傳遞信號(hào)，利用旋轉(zhuǎn)編碼器獲取實(shí)時(shí)速度來實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的調(diào)頻與調(diào)壓。這種對(duì)于電梯運(yùn)行速度的雙重閉環(huán)控制，能夠提高電梯運(yùn)行速度控制的有效性與準(zhǔn)確性。

2.2.2 速度控制方法

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

第二，基于電梯運(yùn)行的絕對(duì)剩余距離確定電梯給定運(yùn)行曲線（如圖3）。絕對(duì)距離是利用絕對(duì)值編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯轎廂位置，而絕對(duì)剩余距離，是根據(jù)電梯轎廂與平層位置的實(shí)施距離。交流調(diào)壓調(diào)頻控制電梯系統(tǒng)依據(jù)絕對(duì)剩余距離對(duì)電梯運(yùn)行時(shí)速進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算與控制。這種方式是采用絕對(duì)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(huì)受到影響。另外，絕對(duì)值編碼器向系統(tǒng)提供二進(jìn)制編碼，因而也不會(huì)出現(xiàn)脈沖丟失情況，控制系統(tǒng)根據(jù)絕對(duì)剩余距離計(jì)算電梯運(yùn)行的實(shí)時(shí)速度，輸出速度控制指令。電梯平層的過程中，控制系統(tǒng)會(huì)依據(jù)電梯的實(shí)時(shí)位置確定剩余距離，在一定距離內(nèi)輸出降速信號(hào)與相應(yīng)速度，在電梯達(dá)到相應(yīng)減速點(diǎn)的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)電梯轎廂與平層之間的平滑制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一種無爬行的停靠，電梯速度控制的實(shí)時(shí)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(jié)語

科學(xué)技術(shù)水平的高速提升使得電梯越來越向著調(diào)壓調(diào)頻與高舒適性的方向發(fā)展，也就更加強(qiáng)調(diào)電梯的舒適性、高效性與自動(dòng)化運(yùn)行性能，因而可以應(yīng)用性能更加良好的變頻器與絕對(duì)值編碼器等裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行的交流調(diào)壓調(diào)頻控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 代杰.交流變頻調(diào)速電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].自動(dòng)化與信息工程，2009，30（3）：46-48.

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[3] 劉翔，周超.電梯交流變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2015（5）：596.