变频调速电梯系统的驱动和控制技术浅探

1. 引言
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，输入功率因数也低，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。
2. 变频调速电梯系统及其驱动技术
采用PLC控制的变频调速电梯系统原理图如图1所示。

在电梯系统中要处理的信号十分多而且复杂，在设计时必须仔细考虑对信号快速准确的处理问题。采用许多的先进驱动和控制技术就很有必要，其中包括矢量变换控制技术、高速CPU技术、DSP技术和采用新型大功率器件IGBT的高性能变频调速器。图1中PLC主要处理一些监控信号，主要有楼层计数信号，呼梯、选层信号，定向信号，换速信号，主控制信号等。此外还有开、关门控制，楼层显示，呼梯、选层显示，单、双控制，安全条件自动检测，自动平层、消防等各种控制信号。
将 变频器用于电梯时，常称为VVVF电梯。一般变频器有交—交、交—直—交两种类型。对于交—直—交变频器，可以按直流环节电压、电流的特点（由滤波的电容量和电感量决定）划分为电压型和电流型变频器。电梯一般采用电压型变频器。改变电动机定子的电源频率，就可实现对异步电动机的调速。但为了保持调速时电动机最大转矩不变，需要维持磁通恒定，应满足压频为常数，即变频时应协调地变压。
目前，虽有电梯专用变频器，但其价格昂贵，因此可以采用通用型变频器，通过合理设计，可使其达到专用变频器的控制效果。为满足电梯控制上的要求，参数设置比专用型变频器要复杂得多。为减少启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环的比例系数宜小些（3s），而积分时间常数宜大些（5s）。为了提高运行效率，快车频率应选为工频（50Hz），而爬行频率要尽可能低些（4Hz），以减少停车冲击，检修慢车频率可选10Hz。为了保证平层精度及运行的可靠性，曳引电机的转速采用闭环控制，其转速由旋转编码器检测。为使变频器工作在最佳状态，需使变频器对所驱动的电机进行自学习，其方法是：将曳机制动轮与电机轴脱离，使电机处于空载状态，然后启动电机，变频器便可自动识别并存储电机有关参数，使变频器能对该电机进行最佳控制。
3. 变频调速电梯系统的控制技术
电梯系统的控制主要可分为拖动系统的调速控制与选层系统的逻辑控制。VVVF电梯拖动调速系统的实质就是采用交流异步电动机驱动及矢量变换控制技术。VVVF电梯调速系统的特点是：电梯启动采用降频软启动，电机启动电流很小，不超过额定电流。在电梯的制动段，电梯调速系统工作在发电制动状态，不需从供电网中取得电能，从而降低了电能的消耗，避免了电机过热，调速系统的功率因数比较高（接近1）。
调速控制是指对电梯从启动到平层整个过程中速度的变化规律进行控制，从而减轻人在乘坐电梯时由于启、制动过程中加、减速产生的不舒适感（上浮、下沉感），并保证平层停车准确可靠。与选层系统的逻辑控制相比，调速控制更为复杂，其控制性能的优劣在很大程度上决定着电梯的性能和质量。电梯的运行可分为启动、稳速、制动三个阶段。稳速运行时考虑到节能和对电网的干扰，系统采用开环控制，而启、制动运行时为使运行速度跟随给定理想速度运行，采用闭环控制。理想速度运行综合了舒适感（满足人体对加速度及加速度变化率要求）、运行效率及电机调速性能，按位置原则存储于程序存储器中。调速控制系统由主回路和控制回路两部分组成，主回路包括曳引电动机（三相异步电动机）驱动及功能电路，速度反馈信号来自与电机转子同轴的脉冲发生器，其输出脉冲的频率对应电梯运行速度。速度的控制由系统通过改变触发脉冲的控制角（移相角）实现，经相应的移相角延时时间后，根据电梯实际速度与给定速度之差情况控制主回路工作状态。由于负载变化、电网波动、钢丝绳打滑、伸缩等因素，使减速过程可能不符合直接停靠的平层要求，为此，在离层楼100-200mm处设置1-2个平层校正器，当轿厢运行到此校正点时，将实际速度与该点由平层校正器发出的平层速度给定值进行比较，如无差，则按原减速曲线运行；若有差，则用差值校正原速度给定曲线斜率，使之保证准确平层。