变频驱动液压电梯控制系统综述

中国机械工程第 l 2卷第 9 期 2 0 0 1 年 9月 文章 编 号 ： 1 0 0 4 1 3 2 x( 2 0 0 1 ) 0 9 1 0 8 2 0 5 变频驱动液压电梯控制系统综述 徐兵杨华 勇 摘要 ： 介绍国内外变额驱动液压电梯控制系统的技术发展概况， 阐述各种 形式的 变频驱动液压 系统 的结椅 和工 作原 理 ； 针对 变频 驱动液 压 电梯控 制 系 统 中的几个关键 问题进行 了详 细的分析 包括液压 回路 内泄 漏的补偿 、 低频 力 矩 、 下行 回路启动压 力预 平衡 、 电磁屏 蔽、 大闭环控 制、 下行 能量 回收 以及降低 装机功率的方法等； 指出变频驱动液压系统是液压电梯的重要发展方向之一。 关键词： 变频驱动； 液压电梯； 能量回收； 轿厢速度反馈 中图分类号 ： T H1 3 7 文赫标识码 ： A 随着电力电子技术的进步， 变频驱动( v a r i a b l e v o l t a g e v a r i a b l e f r e q u e n c y ， VVVF) 方式逐渐成 熟， 在工业领域得到成功的应用， 促使学者考虑把这 种技术应用在电梯领域， 如电梯主控制系统、 门机控 制系统等， 并且在 2 O世纪 9 o 年代得到了广泛的应 用， 已经成为目前曳引电梯的标准驱动形式 ； 几乎同 时， El 本三菱电梯公司首先将 VVV F技术应用到电 梯液压控制系统中n ， 变频液压技术开始受到瞩 目， 人们开始研究发展各种形式的 VVV F液压电 梯， 优化性能、 减小能耗及降低成本是追求的目标。 VVVF技术在液压电梯中的应用早在 2 O世纪 9 0年代韧 日本学者就已经提出， 并开始应用 ， 但由 于成本 高 居不 下 因此应用 不多； 1 9 9 7年瑞 士 B E R I NG ER公司在德 国奥斯布格的 9 7 I NTE R l J l F T 国 际 电梯 展 览 会 上 展 出 了 其 最 新 研 制 的 VVVF液压电梯控制系统， 取得了轰动； 浙江大学 流体传动及控制国家重点实验室从 l 9 9 2年开始 VVVF变频液压电梯控制系统项目的申请和研究， 取得 了一定的成果， 并且开始把科研成果 向工业化 产品转化 ； 最近， 国内开始注意到VVV F液压电梯 技术 ， 并已应用在几个国际机场项 目的液压电梯中。 1 VVVF液压电梯控制系统技术发展简介 较大能耗及其导致的油液温升一直是困扰液压 电梯控制系统的主要难题。由于目前太多数液压电 梯既无配重设施又无能量回收装置， 液压电梯在下 降过程中将耗尽载重及轿厢 自重所构成的全部势 能 这些势能将全部转变为成热量。 这些能耗不仅使 得液压电梯的经挤性下降， 更为有害的是使油液的 温度上升。 特别是在一些地区的炎热夏季， 频繁使用 电梯将导致没有温度控制的机房中油箱内油温上升 收 薯 日期 1 9 9 9 1 0 0 8 1 0 8 2 譬 徐兵博士研究生 到系统不得不强迫停机冷却的地步， 这将给电梯的 使用者带来不便。另外油温的上升也将使某些电梯 的控制性能变差， 影响电梯的舒适性。 针对目前市场上常用的节流阀控式液压电梯高 能耗问题， 人们提出了VVVF变转速容积调速液压 电梯速度控制新方案， 它以 VV VF调频调压调速技 术为核心， 通过控制电机的转速， 并结合性能优良的 流量或速度传感器， 实现电梯的舒适运行。 该方案属 容积控制系统， 因无溢流损失， 故而节能。对液压电 梯的下行， 采用能量回收方案， 方案的中心思都是将 液压电梯下行过程中所耗散的液压能集中并转化成 一 定量的电能， 并让其返回电网， 从而达到节约能源 的 目的。图 1所示 是普通 节流 阀控 电梯 系统与 ( a ) 普通节流阀控电梯系统 ( bj VVVF 葭压电梯 控制 系统 囤 1 液压电梯 闳控与 V、 r vF控制的能耗 比较 VVV F液压电梯控制系统的上行回路的能耗 比较 阴影部分是消耗的能量， 运行曲线所包围的部分是 电梯完成一 次上 行所需 的理论 能量， 由此 可见， VVV F系统的节能效果非常明显； 如在 VVvF系 统下行回路中附加能量回馈装置， 则节能效果更好。 维普资讯 变狮 驱动液压电梯控制系统综述徐兵 扬华 勇 2 目前技术现状和发展水平 VVVF液压控制技术属于容积调速系统范畴， 而容积调速可分为传统的采用机械结构的变排量容 积调速和现代的采用 VVvF的变转速容积调速两 种形式。图2所示为目前应用在液压电梯泵控缸系 囤2 液压电梯窖积调速系统的几种形式 统 ( 不涉及泵一马达系统) 中的容积词速的几种形 式： 电机轴端转速反馈 ； 传统变排量容积调速系 统的机械 液压反馈； 负载流量反馈； 轿厢速度 直接反馈。 传统的变排量容积调速系统的机械 液压反馈 形式在液压电梯没有得到应用， 这与没有适合液压 电梯应用的低压大流量变量泵有关， 而且下行控制 还得需要液压阀控制。 采用电机轴端转速反馈可以提高变频器的低频 力矩， 但一般不单独采用 而是与轿厢速度反馈形式 结合使用， 两者的组合可以在液压电梯全程采用 VVVF控制； 这一点与 目前的负载流量反馈系统不 同， 后者目前的技术水平是下行启动加速和减速停 靠采用液压阀控制 。 日本三菱公司最早推出 VVV F液压电梯控制 系统， 随后日本的日立和东芝公司均有学者发表论 文讨论 VVVF液压电梯； 并且在 9 O年代初有产品 推向市场， 但价格昂贵， 市场份额不大； 技术方案均 可归类于电机轴转速反馈、 轿厢速度直接反馈结合 的系统 。 日本学者的文章和专利主要介绍了应用振动抑 制控制方法， 根据电梯的液压与机械数学模型简化 了控制方法， 成功而有效地分析了轿厢振动控制系 统。另外流量泄漏补偿控制校正了泵的流量泄漏和 因负载变化引起的轿厢速度波动， 实现了无低速段 的直接速度停靠。达到了与曳引式电梯同样的乘坐 舒适感及应用在高速曳引电梯、 低速曳引电梯和液 压电梯中的专用逆变器控制技术。 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室采用 轿厢速度直接反馈方案研制了全程闭环 v VvF液 压电梯控制系统 此大闭环系统精度高， 因为液压 泵的容积损失、 长行程变容积液体的压缩性以及绕 绳式液压电梯中的钢丝绳环节、 液压缸柱塞和导向 套之间及轿厢与导轨之间的摩擦环节均包含在闭环 之内。 但由于闭环内传递函数阶数高， 简化降阶非常 复杂， 系统很难控制 ， 系统鲁棒性差 要想获得满意 的性能及稳定性 需要应用高级控制策略。 瑞士 B E RI N GE R公司的 VVvF电梯液压控 制系统采用变额和阀控技术相结合的方案 仍然以 其 闻名于世的动态双向流量传感器作为反馈元器 件。 图 3 是 B E R I NGE R公司 VVVF系统的下行集 圈 3 B E R I N GE R公司 VVV F 幕统的下行集成 控制阎的工作原理图 成控制阀的工作原理图 在下降动作的起始段，比 例电磁铁4打开先导阀5 然后开启主控制阀6 ， 电 机 1在此过程中以平稳低速反向运转。为了保护油 泵，需要安装补油阀 3以便使得泵在运行起始段能 够吸油。当达到特定速度时，先导阀将主阀全部开 启， 此后运行速度完全由泵 2 、 电机 1和变频转换器 一 7来控制。 泵 2就会充当起液压马达的角色， 驱动电 机旋转。回馈到变频转换器 7中的电能在刹车电阻 器的制动单元中转换成热量。如果系统装机功率较 大 ， 那么通过能量回收单元将能量回返主系统也是 有可能的。在减速过程中，先导阀 5逐渐关闭主控 制阀 6 ， 直到设定控制速度直到轿厢在楼层处停止。 伯林格公司设计了自己的变频驱动液压系统 ， 可以 采用市场上标准的变额器， 对低频力矩指标要求不 高。 3 VVVF驱动液压 电梯控制系统原理 图 4 是一个典型的全程变频闭环控制的系统原 理图 其工作原理如下： 1 0 8 3 维普资讯 中国机 槭工 程第 1 2 卷 第 9 期 2 0 0 1 年 9 月 图 4 VVVF液压 电梯工 作原 理 图 变频调速液压电梯上行工作比较简单 电梯上 行工作开始 由计算机输出上行控制信号 U ( 0 5 V) 经 D A到变频器， 变频器根据输入的控制信号 ，经二撅管整流、 电容滤波及P WM 控制的逆变器 后， 产生相应频率和电压的交流电， 驱动三相交流异 步电动机运转， 实现 了电能机械能的转换 。 三 相交流 异步电动机与螺杆泵刚性连接， 螺杆泵随三相交流 异步电动机一起运转， 使管道中油液压力迅速增高 直至顶开单向阀和负载压力相平衡 ， 所有液压油全 部进入油缸， 推动着柱塞以相应速度 向上运动。 在该电梯系统整个上行工作过程 中 桥厢速度经光 电编码器检测不断反馈到计算机 中， 计算机根据电 梯理想曲线和实际电梯速度曲线 ， 不断校正控制信 号 ， 控制电梯轿厢按预定速度运行曲线运行。 液压 电梯在下降过程较为复杂 ， 电梯下 降主要 是利用 自身的势能做功， 外界基本上无需再给予能 量。 一般阀控液压电梯下降系统为节流调速系统 即 通过调节节流阎开口的大小来控制液压电梯轿厢的 下行速度， 而对于变频调速液压电梯， 其下行速度控 制是利用三相交流异步电动机的发电工作状态来工 作的， 在电梯下降过程中， 液压缸起到的是液压泵的 作用， 螺杆泵作为液压马达来使用 而三相交流异步 电动机则作为发动机来使用。 液压电梯下行过程开始时 液控单 向阀两端压 力是不平衡的， 这时如果单向阀突然打开， 电梯会产 生瞬时的失重， 急速下降； 同时由于三相交流异步电 动机剐刚启动， 尚处于电动机状态， 电磁力矩与负载 力矩方向相同， 这使得液压电梯的向下加速度更大， 电梯瞬时完全失控， 这种情况对于电梯是完全不允 许的t 因此变调速液压电梯下降启动时 必须首先进 行单向阀两端的压力平衡控制。计算机首先对单向 阀两端作压力平衡控制。给出控制信号控 制三相交 流异步电动机正向运转， 使液控单向阀两端压力基 】0 8 4 本平衡， 单向阀两端压力由压力传感器 P 、 P z 检测 经 A D转换后进人计算机。打开液控单向阀， 单向 阀的开启要有一个过程， 不能一下全部打开 否则电 梯将产生一次下沉的感觉。当单向阀两端的压力平 衡， 液压电梯下降开始， 计算机给出控制信号驱动电 机反向运转， 经过短时间加速后， 电机的运转速度将 超过其 同步转速 ， 电动机 由电动状态转变为发 电状 态运行， 此时电动机的力矩与负载力矩相反。 电动机 发电状态所产生的能量 可以采用在变频器直流侧 配装制动 电阻或制动组件的方式 ， 利用 电阻消耗掉。 这种方法对能量是一种浪费。目前， 具有回馈功能的 变频器或专 门的变频调速再生电能 回馈制动装置已 有产品出现， 采用这种方式可以将电动机制动或发 电运行所产生的能量回馈电网， 达到节能的目的 另 外由于能量吸收可以无穷太， 制动效果相当稳定。 在 该电梯系统整个下降工作过程中， 桥厢速度经光电 编码器检测不断反馈到计算机中， 计算机根据电梯 理想曲线和实际电梯速度曲线， 不断校正控制信号 u ， 控制电梯轿厢按预定速度运行曲线运行。 系统其 它组成部件 中， 限速切断阀安装在靠 近 液压缸底部， 当单向阀至限速切断阀之问的管道破 裂导致突然失压时， 限速切断阀快速进入工作状态 切断液压缸回油路， 使电梯轿厢安全制动。 和限速切 断阀一样， 安全阀和手动泵在系统处于正常状态时， 不参与工作。 当系统压力因某种原因达到超常值 安 全阀迅速打开， 将压力停留在工作压力上限 防止其 继续上升。当系统失电或变频器一电机一泵动力环 节出现故障时， 手动泵能将电梯轿厢上升至期望位 置。 当电梯运行过程中液压电梯下行轿厢蹲底 或由 于某些意外原因使液控单 向阀关断 而电机仍在反 向运转， 则和液压泵并联的单向阀将打开 防止液压 泵吸空而损坏， 并且通过程序中定时控制 使电机空 转时间不超过正常运行所需最长时间外加 6 0 s i 另 外， 在冬季液压电梯运行前 ， 油箱中温度较低 可利 片 j 此单向阀构成的回路使液压泵反转对油箱加温。 4 VVVF液压电梯控制系统的关键问题 ( 1 ) 液压采 泄漏量 的补接 在 容积调速 系统 中， 液压泵的内泄漏对系统的性能产生重大影响， 这 一 点不同于阀控液压电梯系统， 因此必须采取一定 的措施 或手段来解决 由此 而来 的问题， 图 5是一种 常用 的液压 泵泄漏量的补 偿方法 ， 它通过 检测单 向 阀在上行阶段开启时的控制板给出的电流值来确定 泵的泄漏量的大小， 然后在程序中进行补偿。 ( 2 ) 低频转矩 由于电梯整个运行周期是从速 度为零变化到最大额定速度， 而电梯是恒负载或恒 维普资讯 变频驱动 瘦压电梯控制 系统综述 徐兵 杨华勇 图 5 VV VF系统液压泵泄漏补偿原理框 围 转矩系统， 因此要求在整个速度变化范围内都能提 供要求的转矩， 这对变频器就提出了较高要求。而 VVVF液压电梯对这个指标要求更高 ， 这是 由它的 工作原理决定的( 这里不包括下行回路启动加速和 减速停止段采用阀控制的系统) ， 市场上能提供低频 转矩较高指标的是采用电机轴转速反馈的矢量控制 变频器或最新研究的直接力矩控制变频器， 价格 比 较昂贵。因此有必要开发液压电梯专用的价格低廉 的变频器， 目前选用的变频器对于液压电梯的应用 来说 ， 功能太多， 毫无必要。 ( 3 ) 下行回路启动压力平衡采用变频器控制 液压电梯下降时， 液控单向阀一打开， 液压电梯靠 自 重加速， 而异步电动机在电梯启动瞬间未处于发电 状态， 电动机无制动力矩。 电梯在系统负载和电机力 矩的作用下， 此时的系统相当于被输入了一个阶跃。 同时由于系统的阻尼很低， 主油路中液控单向阀完 全打开 ， 使系统油液可上下流通， 使系统压力和轿厢 速度大幅度振荡 。 为了防止电梯启动的振荡， 电梯下降开始液控 单向阀打开时， 两端压力必须保持平衡。 电梯开始运 行前 ， 先做液控单向阀两端的压力平衡控制， 即控制 器给变频器输 出为负值， 电机正转( 同电梯上升时的 电机旋转方向) ， 当单向阀两端压力平衡或大于系统 的负载压力时， 单向阀打开， 电梯开始下降运行 ， 经 过如此处理的电梯下降运行无论是压力曲线， 还是 电梯轿厢速度曲线 ， 其振荡大大减小， 说明在单向阀 两端压力平衡时开启单向阀， 电梯开始运行电梯可 以保持较好的运行特性。 ( 4 ) 电磁屏蔽 由于变频器是对工频电源进行 波形处理， 其中大量的谐波产生对附近的弱电控制 部分产生很大影响， 这种现象在液压电梯阀控 系统 中是没有的。因此必须合理安排整个电梯系统的接 地和电脑部分的接地， 并且在电子控制板和速度反 馈信号线的屏蔽上及电路的设计上进行必要的处 理。这是影响 VVVF系统工作可靠性的主要因素， 必须 引起设计人员的高度重视 。 ( 5 ) 大闭环意境的鲁棒性液压电梯是一种典 型的变负载( 乘客流量随机变化) 、 变液容( 电梯运行 过程中， 液压缸的容腔体积连续变化) 和变粘度( 温 升变化) 的非线性电液流量系统， 建立它的精确数学 模型十分困难。目前国外在对液压电梯的实际控制 上一般都采用闭环P I D等传统的控制算法 但对这 样复杂的一个电液控制系统， 被控对象和控制系统 中存在的非线性、 时变、 外部干扰、 建模后的简化与 线性化等因素， 使传统的控制策略很难收到满意的 控制调节效果。虽然 P I D控制器不要求系统建模， 但仍存在着变工况下的超调、 振荡、 不易调节等缺 点， 尤其在电梯启动与制动阶段， 电梯运行存在着明 显的死区和抖动现象。 在实际电梯的调试中， 控制系 统的参数经常发生漂移现象 ， 这给电梯调节人员带 来很大的困难。液压电梯控制系统的参数存在着漂 移现象的主要原因如下 液压电梯是一种典型的 变负载、 长行程、 变粘度的非线性变参电液流量系 统， 系统频响较低； 常规 P I D是 由常系数二阶多项 式控制函数所组成 为简单的线性控制， 控制参数不 能随电梯系统参数的变化而变化， 以一组控制参数 控制液压电梯这样一个复杂的变参系统， 很难收到 令人满意的控制效果。 电梯在启动阶段， 由于桥 厢、 油缸等存在着静摩擦， 静摩擦和动摩擦是不相等 的， 在电梯的启动瞬间将它们发生转换， 相当于系统 在启动瞬间被输入了一小的阶跃信号； 由于系统阻 尼很低， 电梯启动易产生轿厢的抖动。 电梯系统中 存在着许多非线性环节( 死区、 滞环等) 和随机扰动， 将给电梯运行的起始段和平层段带来不利的影响。 变频器较差 的低频特性严重影响电梯的启动特 性， 特别是电梯下降的启动。 综上所述， 采用鲁棒性强的智能控制算法是大 闭环 系统研究 的重要课题之一。 ( 6 ) 下行能量回收 目前在电梯领域中应用的 变频器下行制动回路， 对于 1 5 k W 以下的一般采用 制动单元或制动电阻， 对于 1 5 k W 以上的系统则需 要采用能量回馈单元 ， 价格昂贵； 更为重要的是， 能 量再生回收装置需要很多附件才能把对电网无污染 的多余电力返回电网， 结构设计复杂 因此降低成 本， 设计专门用于液压电梯的价格低廉的制动组件 是当务之急。 ( 7 ) 降低装机耐丰 VVVF液压电梯控制系统 虽然节能 但并没有降低整机装机功率， 电梯系统装 机功率大将导致如下问题 ： 目前电梯应用的大功 率变频器价格昂贵( 批量小) ， 使VVVF液压系统成 本较高； 系统装机功率大导致启动时对电网冲击 严重 ， 影响建筑物中其它用电设备。 目前阔控液压电 梯中的一些解决方案 有的不理想， 有的延长启动时 间， 降低了电梯运行效率 ， 尽管 VVVF系统比节流 阀控系统启动电流小。 能耗虽然比阀控制系统小， 但是与曳引电梯相比， 能耗仍然较大。 】 0 85 维普资讯 中国机械工程第 1 2 卷第 9期 2 0 0 1 年 9 月 第1 3届 全 国 机 构 学 学 术 研 讨 会 征 文 通知 中国机械工程学会机构学专业委员会决定于 2 0 0 2年 8 月 2 4 2 7日在浙江杭州浙江工程学院 举办第 1 3届全国机构学学术研讨会， 会议主题为 “ 发展现代机构学 ， 推动现代机械产品创新设计” 。 这将是一次内容丰富、 形式多样 、 人员广泛的新世 纪首次年会 。会议将广泛邀请海 内外机构学专家 参加 ， 进行成果展示与交易， 推动产品创新设计和 技术开发 。 我们热忱欢迎大陆和台湾各高等院校 、 科研院所、 企业积极参加、 踊跃来稿 ， 同时也将邀 请海内外机构学专家作专题报告。 征文主题 ： 产 品创新设计、 机构系统设计、 机械系统概念设计的理论和方法； 广义机构的 类型和设计方法 微型机械和微 细制造技术中 的机构学问题； 常用机构( 连杆机构、 凸轮机构、 齿轮机构和组合机构等) 的工程应用和新算法； 可控机构 的设计和应用 ； 机构和机器动力学及 应用 ； 机器人机构及控制 ； 新机构、 新机器的 创造发明和应用 ； 机构分析和综合计算机软件 系统； 其它 。 征文截止 日期为 2 o o 2 一O 3 一O 1 ， 征文录用通 知 日期为 2 0 O 2 一O 4 一 l 5 。 每篇论文审稿费 5 O 元 ， 请与投稿论文同时邮 汇 录用论文请作者将终稿按 机械设计与研究 期刊正式出版要求打印后 ， 附软盘于 2 0 0 2年 6月 1 5日前寄来 ( 以邮局邮戳 日期为准) 。每篇论文不 超过 2页 ( 期刊排版后版面) ， 寄交论文印刷 出版 费 3 5 0 元 ， 超出 2 页部分版面费每页 2 0 0元 。 会议 论文集将作为 机械设计与研究 期刊增刊正式出 版 为了鼓励为机构学发展作出杰 出贡献的专业 人员， 自 2 0 0 2年起会议增设 2个奖项 ： 机构学学 术贡献奖 、 机构学学术创新奖。 会议联络处 ： 中国机械工程学会机械传动分 会机构学专业委员会 联系人： 邹慧君郭为忠 地址 ： 上海华 山路 1 9 5 4号上海交通大学机 械工程学院 邮编 ： 2 0 0 0 3 0 电话 ： 0 2 1 - 6 2 9 3 3 0 5 4 0 2 1 - 6 2 9 3 2 0 2 3 传真 ： 0 2 1 - 6 2 9 3 2 0 2 3 因此， 降低 VVVF液压系统装机功率是非常吸引人 的方案。 加配重是人们考虑的方案之一， 但是由于配 重结构抵消了液压电梯的一些优点， 因此没有得到 广泛应用。但液压电梯配重结构的设计历来受到设 计工程师的重视， 现在无论是活塞缸带配重， 还是柱 塞缸带配重结构设计都已经成熟了， 迅速推广应用 不可避免。 近年来， 浙江大学流体传动及国家重点实 验室在。 液压配重 的研究方面取得了一定的成果 ， 这种采用蓄能器 的“ 液 压配重” 系统在液压电梯 阀控 系统的应用中， 取得了显著的节能效果。VV VF液 压系统加配重方案 不但降低了系统的袭机功率， 而 且节能效果更加显著， 应该是前景光明的液压电梯 节能方案之一 。 5 结论 综上所述 VVVF液压电梯系统的主要特点如 下： 由于VVVF液压电梯系统是功率 自适应系 统( 相对于阀控系统的负载压力 自适应) 因此上行 无用功少 发热小 油温只略有上升冷却器就只在 特殊的情况才需要配置， 这意昧着油箱体积的减小 以及用油量的减少 减小启动电流； 减少能量消 耗； 运行舒适性不受速度与负载影响 恒定的运 行时 间。 1 0 86 参考文献： 1 T o mi s a w a Ma s a o ， S i m o a k i Mo t o o Ma s a k i Ta k a n o b u a 1 De v e l o p me n t o f Hy d r a u l i c El e v a t o r s Dr i v e n b y I n d u c t i o n M o t o r wi t h Va r i a b l e s p e e d Op e r a t i o n ( S t u d y o n C o n t r o l M e t h o d o f P u mp L e a k a g e F l o w a n d Ca r Vi b r a t i o n ) M i t s u b i s h i El e c t r