（机械电子工程专业论文）变频调速液压电梯下降速度控制系统的研究.pdf

摘要 妒口3 3 3 j 艿 本论文研究中针对变频调速液压电梯速度控制的诸多难点，应用了国际先进的电 力电子技术产品，以及工业控制计算机的软硬件技术发展了液压电梯的控制方式， 使变频调速液压电梯的控制性能和乘坐舒适性都有大幅度进步。并在此基础上研制 了新一代高可靠性的单片机控制器，为该技术走向产业化、实用化迈出重要一步。 一、 、f 7 变频调速液压电梯是一种新型的液压电梯。作为液压电梯的一个发展方向它为 解决传统阀控液压电梯的高能耗问题提供了有效途径。国内外对此都纷纷展开研究， 但是许多理论和关键技术都处于研究开发阶段，核心技术资料都处于保密阶段。本课 题就是在这样的国际国内环境下，对液压电梯的控制性能( 尤其是下降速度控制) 展 开的研究。本论文的研究在充分全面的掌握文献资料和前人的工作基础上，根据现有 条件提出本课题的研究内容。通过对变频调速液压电梯技术的原理分析、数学模型的 建立、以及包括非线性环节在内的计算机数值仿真等研究确立了解决问题的方向。在 此基础上，设计和实现了整套试验控制系统，并兼顾可继承性和操作简便两大目标 从而完成了全面改善变频调速液压电梯的控制性能和乘坐舒适性的主要目的。此后， 为推进该技术的实用化和产业化，又研制成功了以高可靠性为设计目标的单片机控制 器。因此全文共分五部分介绍课题的研究工作： 第一章，变频调速液压电梯的技术现状。该章首先对液压电梯作了简介，然后较 为系统地介绍了变频调速技术的国际现状、变频调速液压电梯的国际研究现状、本课 题组的进展情况以及本课题需要解决的问题。第二章，开题前的试验和仿真主要介 绍变频调速液压电梯的构成原理、计算机仿真所需数学模型的建立、计算机数值仿真 的方法与结果、暴露问题的典型试验分析以及解决问题的方案。第三章。试验系统的 构建主要内容分为六个部分：具有能量回馈功能的四象限运行闭环矢量变频调速系 统的构建；为实现电机轴转速反馈而进行的泵站接体结构的设计和改进：控制接口电 路硬件的设计和制作；计算机控制软件的编制；计算机控制器软硬件联合调试；系统 调试试验与数据分析。第四章，单片机控制的实现主要包括单片机控制器硬件设计、 单片机控制器软件编制以及单片机控制试验与数据分析等内容。第五章，结论和展望， 总结本课题所做的工作并对接下来可能和方便展开的工作提出建议。 综观全文，该研究工作圆满地完成了课题的既定任务。嘏髫移研密杰蒹缠辫学撑 型的建立、变额调逮藏匿电梯t 降逮密控熟、下降能量回馈、液医电梯起动控翻、试 验环境掏逮以及单片机控翩器砭靠性等方面都寿不同程度的发展。、惫囊奄凝龟臻礴瀑 鉴相译码接口电路的设计、理想曲线的设计和单片机控制算法等内容上具有创新性。 论文对变频调速液压电梯下降速度控制、液压电梯单片机控制器等方面所做的工作对 变频调速液压电梯技术的实用化和产品化具有重要意义。 关键词：液压电梯变频调速，v v v f ，变频器，能量回馈，速度控制，闭环矢量控 制，电梯起动控制，计算机仿真，计算机实时控制，单片机控制器，可靠性 a b s t r a c t a i m m i n ga tm a n yd i f f i c u l t i e s i nv v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l e f r e q u e n c y ) h y d r a u l i c e l e v a t o rc o n t r 0 1 t h ea d v a n c e di n v e r t e ra n dt h ei n d u s t r i a l c o m p u t e rc o n t r 0 1 i n s t r u m e n t sa r eu s e di nt h i st h e s i s t h ec o n t r o lm e t h o di sd e v e l o p e d p r o g r e s sj sm a d ei n t h ep e r f o r m a n c eo ft h ev v v f h y d r a u l i ce l e v a t o rc o n t r 0 1 t h et o m f o r to fp a s s e n g e r si s b e r e rt h a nb e f o r e an e w t y p eo f e m b e d d e dc o n t r o l l e rw i t hh i g hr e l i a b i l i t yi sd e s i g n e da n d m a d ef o rt h ep r o d u c i n gv v v fh y d r a u l i ce l e v a t o r s t h ev v v f h y d r a u l i ce l e v a t o ri san e w 。t y p eh y d r a u l i ce l e v a t o r ，w h i c hr e p r e s e n t san e w d e v e l o p i n go r i e n t a t i o no f s o l v i n g t h et r a d i t i o n a lp r o b l e mo f h y d r a u l i ce l e v a t o rs u c ha sl a r g e e n e r g yc o n s u m p t i o n ，t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n ，e t c t h e r ea r em a n yp e o p l er e s e a r c h i n gt h i s d o m a i ni nt h ew o r l da n dl o t so f k e yt e c h n o l o g i e sa n dt h e o r ya r es t i l l i ns t u d y h o w e v e rt h e t e c h n o l o g i c a lm a t e r i a l i si ns e c r e t u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h es t u d y i n go ft h ec o n t r o l p e r f o r m a n c e o ft h eh y d r a n l i c e l e v a t o r s ，e s p e c i a l l yt h ed o w nr u n n i n gp e r f o r m a n c e ，i s d e v e l o p e di nt h i st h e s i s f i r s t l y ，t h e m a i ns t u d y i n gc o n t e n to ft h e s i si s p r o p o s e db yt h e c o m p r e h e n s i o no ft h ew o r dm a t e r i a la n d 也ew o r ko ft h ep r e d e c e s s o r s i nt h i sp r o j e c t s e c o n d l y t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa r es e t u p b yt h e o r ya n a l y z i n g o ft h ew h o l e e x p e r i m e n t a ls y s t e m b a s e o nt h e s em o d e l s ，t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n i n c l u d i n g t h e n o n 1 i n e a rp a r t si ns y s t e mi sm a d e a n dt h ep r o b l e m so f t h i sc o n t r o ls y s t e mw i t ht h er e a s o n o ft h e ma r em a d es u r eb yt h ea n a l y z i n go fb o t ht i l ec o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h eo l d e x p e r i m e n tr e s u l t s n l e n t h ed e s i g na n dt h ef a b r i c a t i o no ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m c o n s i d e r i n go ft h eb e a e ri n h e r i t a b i l i t y a n ds i m p l e ro p e r m i o n ，a r ec a r r i e do u t b yt h e s e w o r k st h eg o a lo fi m p r o v i n gt h es y s t e mc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dt h ec o m f o r to ft h e p a s s e n g e r s i sr e a c h e d a f t e rt h a t , i no r d e rt oq u i c k e nu pt h ep r o d u c i n go ft h i st y p eo f h y d r a u l i ce l e v a t o r s ，t h ee m b e d d e d c o n t r o l l e ro f s i n g l ec h i pp r o c e s s o rw i t hh i g lr e l i a b i l i t yi s m a d es u c c e s s f u l l y a tl a s t ，t h ec o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c to ft h ew h o l er e s e a r c hw o r ka r e m e n t i o n e d i ns u m m a r y ，t a r g e t so ft h i st h e s i sh a v eb e e nc o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y s o m ea s p e c t s s u c ha st h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m d o w ns p e e dc o n t r o lo f v v v f h y d r a u l i ce l e v a t o r s ，d o w ne n e r g yf e e d b a c kt oa l t e r n a t i n gc u r r e n tn e t ，t h es t a r tc o n t r o lo f h y d r a u l i c e l e v a t o r s ，t h ee x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t , a n dt h eh i g hr e l i a b i l i t ye m b e d d e d c o n t r o l l e ra r ed e v e l o p e d a n ds o m ei n v e n t i v ew o r ka tt h ec o d i n gc i r c u i to ft h ec a rs p e e d s e n s o r , t h ed e s i g no fl d e a lc u r v ea n dt h ec o n t r o lm e t h o d si ne m b e d d e dc o n t r o l l e ra r e m e n t i o n e di nt h et h e s i s t h er e s e a r c h e so nd o w ns p e e dc o n t r o l s y s t e ma n dt h eh i g h r e l i a b i l i t ye m b e d d e dc o n t r o l l e ri n t h e s i sa r es i g n i f i c a n c ef o rp r o d u c i n gv v v fh y d r a u l i c e l e v a t o r s k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce l e v a t o r 。i n v e r t e r ，i ，、，f ，e n e r g yf e e d b a c k ，s p e e dc o n t r o l c l o s e d l o o pv e c t o rc o n t r 0 1 e l e v a t o rs t a r tc o n t r o l ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，c o m p u t e r r e a l - t i m ec o n t r o l ，e m b e d d e dc o n t r o l l e r 。s i n g l ec h i pp r o c e s s o r ，r e l i a b i l i t y 第1 章变频调速液压电梯技术现状 【摘要】本章首先介绍了变频调速技术和变频调速液压电梯技术在国际上的发展情 况，着重讲述了和本课题密切相关的几项专利技术和杂志文献报道，在接下来的一节 里简单叙述了本课题组的研究进展情况，作为本课题的背景介绍。最后提出了本课题 需要解决的问题 ，1液压电梯筒述 从世界范围内看，电梯作为一种垂直运输工具，在很多方面和汽车工业一样，随 着机器、电机技术、微电子技术、现代控制技术、新型传感器技术和机电液一体化工 程学科的发展，已经成为世界各工业化国家的一个重要行业。近几十年，各种新型的 电梯工业化产品不断涌现电梯的广泛使用已成为工业化社会的标志之一。目前在发 达国家，电梯的应用十分广泛，早己深入日常生活之中。l 【4 液压电梯是电梯的一种，太规模的工业化比电动曳引梯成熟得晚一些，但在近年 的发展十分迅速。目前在西方各发达国家，每年的新装电梯中液压电梯均已达到四成 以上，在北欧国家中更是高达8 0 以上，而在亚洲等世界经济发展较快的地区，液压 电梯的市场份额正不断扩大。在中国，液压电梯十五年前对大多数人来说还是一个陌 生的名词，而现在却显现出巨大的市场潜力，装机量逐年猛增，成为继“自动扶梯热” 和“调频调速梯热”之后的又一大热点。 液压电梯同一般电动曳引梯相比较有以下优点：1 不需在井道上方设置要求和造价都很高的机房，顶部可与房顶平齐： 机房位置可以在井道附近2 0 米左右的范围内，空间布置灵活，适应性好： 无需配重，减小了井道尺寸提高了井道利用率； 全部载重通过油缸作用在地基上，因此电梯的载重量大，对井道的墙壁和顶部要 求较低，建筑费用低； 液压系统功率重量比大，驱动元件体积比较小，结构紧凑，机房占地面积小，仅 需4 一gm 2 ： 采用低噪音螺杆泵、浸油式电机组成带消声器的潜油式低噪音泵站系统动力传 动平稳； 安全、可靠。故障率低，易于维护； 2 3 4 5 6 7 第l 章交额调谜渡压电棉技术现状 液压电梯的上述特点使它在大载重量、旧屋改造等场合占据优势，j “泛应用于中 低层宾馆、办公室、图书馆、实验室、医院、商场、豪华建筑、停车场、仓库、机场、 民用住宅以及跳水平台、石油平台和船舶上。对于古典建筑、旧房增设l b 梯来说，囡 土建结构上的限制，液压电梯是最佳的选择。液压电梯有自己突出的优点，因而具有 j 1 阔的市场和荚血_ f 的发展前景。1 我国液压电梯的研究起步很晚，国内尚无独立开发研制和生产电梯液压控制系统 的专业厂家。国内的液压电梯多属整机进口或国产机械设备与国外液压电梯控制系统 配套由于进口元件价格昂贵，每年都要花费国家大量外汇，这将限制我国液压电梯 的发展。随着国内液压电梯市场需求量的逐年扩展，这笔费用越来越大。引进、消化、 吸收和研究开发自己的液压电梯控制系统已成为中国电梯界的当务之急，而要与国际 接轨，与国外先进的液压电梯控制系统相竞争，就必须在吸收的同时进行创新，研制 在性能上优1 ：国外同类产晶的液压电梯控制系统。 液压电梯是一种典型的速度控制系统。它分为两大类：阀控节流调速技术和泵控 容积调速技术。泵控容积调速技术，又分为传统的变量泵流量调节和变转速容积调速 流量调节。变频调速液压电梯就是属于运用变转速容积调速流量调节方式作为控制手 段的液压电梯。 无论哪一种液压电梯，限制其发展的首要因素就是能耗比较大。相对于曳引电梯 来说，因其有配重，所以装机功率和能量消耗都比较小。而液压电梯，特别是普通阀 控节流调速液压电梯的能耗相当严重。这是因为普通阀控液压电梯需要恒定的溢流压 力，因此它的能耗在电梯运行过程中是不变的。而实际有用的部分只占总能耗中的一 部分。如图1 - 1 左图所示，阴影部分是额外消耗的能量，“几”字形陆线下面的空白 才是有效能耗。相比之下，变频调速液压电梯的节能效果就非常显著，只有很少一部 分额外能量消耗，如图1 1 右图所示。 0 莹 山 o 豳1 - 1 阚控液电梯t 左豳) 和变频调速液臣电梯t 右霭) 的能耗比较示意图电梯向上运行过程) 嘲 因此，在绿色技术潮流风靡世界的时候，发展节能效果好的变频凋速液压电梯具 有非常重要的意义。世界上各大电梯厂商都在互相竞争，纷纷展开对变频调速液压电 一? 一 8 享。山 第i 章 变顿讽速液压电梯技术税状 梯各项技术的研究。而在这些研究中，决定变频调速液压电梯性能的关键技术之一就 是变频调速技术。因此，有必要在此简述一下。 1 2变凝调速技术的国际现状 2 0 世纪中的大部分时间里，在可逆、可调速与高精度的拖动技术领域中，都是采 用直流电力拖动系统。但是由于交流电机有着直流电机不可替代的优势( 单机容量高， l 毡枢电压可以做得较高，转速可以做得较高，功率体积比、功率重量比、功率价格比 都j 鲎高) ，自从2 0 世纪3 0 年代以来，不少国家就开始进行无换向器渊逃l b 力拖动裴 置的研究，但是进展缓慢。在6 0 年代以后，随着电力电子学与电子技术的发展，使 得采用半导体变流技术的交流调速系统得以实现。尤其是7 0 年代以来，大规模集成 电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电力拖动的开发进 一步刨造了有利的条件。j v v v f 变频调速技术产生于6 0 年代，多年来，国际上这方面的技术一直保持着 较高的发展速度。我国在电力电子技术方面，虽然6 0 年代就制造出国内第一个晶体 管，但电力电子产品技术和发达国家相比差距仍十分明显，变频器产品整摧落后一个 年代。目前，在电梯行业中，大多数变频器采用国外产品，因此了解变频技术的发展 特点对正确使用和选择变频器是很重要的，接个变频技术的发展历史如图1 2 所示。 可见，变频技术的发展得益于电力电子技术、交流电机矢量变换控制技术、p w m 技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术的发展，它具有以 下几个特点： ( 1 ) 交流调速装置大容量化：这与电力电子器件的发展有很大关系，目前最大 功率的变频调速装置可达1 0 万k w 。 ( 2 ) 开关元件的自关断化：几十年来的可芙断晶闸管( g t o ) 、大功率晶体管 ( b j t ) 和绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 发展很快。采用自关断器件不仅省去了线路 复杂、体积较大的换流电路，而且降低了开关损耗井提高了开关频率。 ( 3 ) 变频器高性能化：早期的变频调速系统基本采用u ，坜控制方式，无法得到 快速的转矩响应，低速特性差。目前的变频调速技术大都采用矢量控制技术，使交流 调速电机具有同直流电机一样良好的调速性能。 ( 4 ) p w m 技术的应用：p w m 技术伴随自关断器件的发展而发展，变频调速中 采用p w m 技术可以改善变频器的输出波形，降低谐波减小转矩脉动并提高系统的 动态响应，从而使异步电动机的技术性能指标大幅度地改善。 ( 5 ) 全数字控制技术的应用：电力电子器件发展的另一个特点是小的开关驱动 电流。这使得单片机等数字控制器通过简单的电路便可驱动晶体管功率元件，完成弱 一0 一 星! 兰型塑堕坚堕堕垡燮 ：! ： 电对强电的控制。全数字控制方式，使信息的处理能力大大增强，使复杂的控制容易 实现，使控制系统具有可靠性、易操作性、易维修性等一系列优点。可以说微处理器 和大规模集成电路的引入，对于变频器的通用化起了决定性作刷。 ；大容量卫i | 【伺报 彗晶 j 矢量控制通用变顽 元传感器矢量控制变硕察 嘉蓉 通田州变项器 ! 全数字他p 眦变撷器 ； 矢量控制鸾额器 i 数目 无传感器矢il 控制变颞售 嘉霉 ； 电流型p 变顾器 ； 矢量控制变频器 ： 模。 - 矢量控击毁硕器( 钔乒- 圄j 矢量j 空器0 变颍器 蔡鬈 i辱幅竟p 帆 燕踬器! p a l 高自陵硕器 ! ： 嚣晶 l _ 晶闸窘变颖器 ： ； ! - 矢量控制变颈器 鬻雪 ： 电流型变颈器 ： 节麓藤大容量变臻器 电压型变踬器 !l： - l：s - c i o si c ； 控c m osi c - 1 6 位d s p 蠲 数字工(1 6 位c p u 元 - i c 运敲 a s i ci 3 2 位d s p 件 莫似元件 1 8 位c p u i 蔓台a $ i c 毒 ii- i g 打开发i ii - 晶体营模块i 体 - g t o 晶闸彗开发； i m p f 入实用j 授 。+ 0 鬈孽管实用期| 1 i 唧实i日期 嚣 电力晶体窘开发 ! “7 高速晶阐营il妒开发 件 晁阑营实廷期 ； ；晶闸罄实罔期 1 9 6 5 年1 9 7 0 年1 9 7 5 年1 9 8 0 年1 9 8 5 年1 9 9 0 年1 9 9 5 年 图1 - 2 半导体抉流元件控裁元件及算 圭昀发 一彳一 兰! 兰茎塑燮生堡苎查鲨：! ： 变频器的类型有多种，按电能转换的情况可分为交流一交流变频器和交流一直流 一交流变频器二种。其中交流一直流一交流变频器是目前中小型异步电动机变频调 速电源的主要形式。它不象交流一交流变频器那样直接将工频电源转变成所需频率的 交流电源，而是把工频交流市电先整流成直流，然后再通过逆变器把直流电转变成所 需频率的交流电。 注：本节以下部分是在参考文献【6 】6 的基础上修改而成 工r 訾s 源t 豳1 - 3 交- 直- 交变壤器的构成谴单示意露 交 流 输 出 交流一直流一交流变频调速系统按变频电源特性可分电压源型和电流源型两大 类。电压源变频器其直流侧用电容滤波，内阻阻抗比较小，输出电压比较稳定，其特 性和普通市电相类似可用于化纤、冶金、起重等行业的传动系统调速。但这种变频 器的输出电流可以突变，比较容易出现过电流，所以要有快速的保护系统。另外电压 源变频器的主要问题是它不太容易适应电动机四象限运行的要求，实现再生制动的困 难比较多；而电流源变频器与其情况正好相反，由于它在直流回路中接有一个较大的 电抗器用电感滤波它的内阻抗比较大，输出电流比较稳定，出现过电流的可能性 比较小，这对于过载能力比较低的半导体器件来说是比较安全的。电流源变频器供电 的最大优点在于它实现四象限运行比较方便，可以容易地实现再生制动一般认为它 适用于中等以上容量的单台电动机调速。但异步电动机在电流源变频器供电下运行稳 定性比较差，通常需要采用闭环控制和动态校正，才能保证电机稳定运行。 综合考虑液压电梯控制系统的特点、变频器的市场购买容易性、工程安装性、易 操作性、易维护性等因素在变频调速液压电梯速度控制中，采用电压源型交一直一 交变频器，图卜3 为这种变频器的结构简图口j i mp l 。该变频器主要由五部分组成：整 一f 弟l 章 童额褥建掖压电梯投_ 术税状一6 一 流回路、逆变器、控制电路、制动组件和保护回路。 注：目前( 2 0 世纪90 年代后期) 比较先进的变频器中还有实现矢量控制算法的单元， 该图并未画出。更加详细的结构图请看参考文献【10 】和【1 l 】，但整体结构与此大同小 异。 ( 1 ) 整流回路 整流器由二极管或晶闸管组成，它负责将工频电源变成直流。在整流器整流后的 直流电压中，含有电源6 倍频率的脉动电压，此外逆变器部分产生的脉动电流也使直 流电压变动。为了抑制电压波动，采用直流电抗和电容吸收脉动电压( 电流) 。 ( 2 ) s t j e t i 逆变器由6 只晶闸管元件( 或大功率晶体管，或大功率绝缘栅型晶体管i g b t ) 及二极管组成。微处理器输山p w m 信号通过放大电路可直接控制晶闸管的导通、 关断，形成电压、频率都可变的三相交流输出。异步电动机在调频的同时需要调压， 以保证电机中磁场维持在合理的水平。在老式的交一直一交变频器中，所采用的电力 电子器件主要是晶闸管，其开关频率较低。老式的调速系统的控制方式主要是调压与 调频分别控制，即相控整流器控制输出电压的幅值，逆变器开关频率控制决定输出电 压的频率。这种调压、调频分别控制方式虽简单易于调整，但有许多缺点：如调速 系统功率因数差，输出电压、电流谐波含量大，转矩脉动大动态响应慢等。 门 0 w 二二 jj “2 e & 1 倒相信号厂 f 删 腑件0 兰：筹效正弦波 一一讣刈卧捕m ， 雷1 - 4s p w m 波形控孰捶豳酉1 - 5s p w m 单极性控裁_ 方法 8 0 年代后期到9 0 年代初随着电力电子技术的发展。具有自关断能力的元件如 大功率晶体管g t r 和门极可关断晶闸管g t o ，咀及绝缘栅型晶体管i g b t 开始得到 广泛地实用化应用，产生了一种新型的调压调频综合控制技术，即脉宽调制技术及 相应的p w m 逆变器。现在的交一直一交变频器采用脉宽调制( p w m ) 技术，把调压 和调频的任务统一由变频器来完成。最常用的调节方案采用s p w m ( s i n u s i o d a lp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 方式，其原理如图1 - 4 ，采用参考正弦电压波与载频三角波来互相 比较( 见图1 5 ) ，决定主开关的导通时间来实现调压，利用脉冲宽度的改变来得到 幅值不同的正弦基波电压i 。脉宽调制型变频器不仅可以把调压和调频的功能集于一 身而且还囚采用不可控整流简化了整流装置，降低了整流器的造价，同时还改善 了系统的功率因数，加快了系统的动态响应，特别是通过采用适当的调制方法可以使 一占一 0 0 极驱动信号 ，- 【， 翌：兰茎葱墨苎竺兰竺丝i ：竺兰 。一二二： 变频器输出电压中谐波分量，尤其是低次谐波显著减少，从而使异步电动机的技术性 能指标得到了大幅度的提高。 露1 - 6 电噩壁变凝器的西象限运行 ( 3 ) 制动组件。 一般的电压源型交一直一交变频器为不可逆变频器，即变频器正常运行为2 象限 运转，电源只向异步电动机输出功率，如图1 - 6 中( a ) 。对于减速时需要制动力的负 载，功率会从异步电动机向逆变器回流此时变频器需附加一套制动放电组件，以实 现电机l i 、i v 象限制动运行，如图1 - 6 中( b ) 【7 j 1p j 。当异步电动机工作于制动发电 状态时( 转差率为负) ，将产生再生能量，再生能量储存于变频器平滑回路的电容器 中，使平滑回路中直流电压升高，当电压升高到一定值时，控制电路使制动部分的晶 体管导通，再生能量通过电阻器被消耗掉。再生能量较大时，控制单元和电阻单元将 分别设置。对于需要急加减速，并且加减速频繁的场合( 电梯) ，或对于制动为主要 目的场台( 液压电梯下行) ，需采用可逆变频器，实现l i v 的4 象限运行，如图1 ，6 中( c ) 。目前的逆变器产品之中，有可逆型逆变器，这种逆变器可以将电机的再生 能源反馈回电网l j 4 】。 ( 4 ) 控制回路 向异步电机供电的主回路提供控制信号的回路，称为控制回路。如图1 - 3 所示 控制回路由运算回路、电流电源检测回路、驱动回路、测速回路等组成。其中运算回 路将外部的速度、转矩指令同检测回路的电流、电压信号进行比较运算，决定变频器 一，一 第l 奄 盔凝谲速遴蕊电螓甚求现妊毽 的输出电源和频率；电压，电流检测回路采用霍耳c t 、电阻等元件，井与主回路隔离 进行电压、电流的检测：驱动回路驱动主回路元件的导通、关断，它与控制网路隔离； 速度检测回路通过异步电机轴上的速度检测器( t g 、p l g ) 或其他途径，将电机速度 信号反馈回运算回路，构成系统的速度闭环控制。 ( 5 ) 保护回踌 变频器控制回路中的保护可分为变频器保护和异步电动机保护。变频器的保护功 能有：瞬时过电流保护、过载保护、再生过电压保护、瞬时停电保护、接地过电流保 护、冷风机异常保护等。另外，对异步电动机的保护有：过载保护和超速( 超频) 保 护。 1 。3 变频调速液压电梯的研究巍状 霉78 奉三蓑公司的f 变壤调速凌歪电梯系统结掬示意豳p 5 1 正因为在液压电梯中，变频调速液压电梯在性能、节省能耗方面都育巨大的优势， 所以各国的厂商和科研机构都纷纷投入人力、物力和财力进行科研攻关。最早见到的 商业报道是在1 9 9 0 年l j “，日本三菱公司率先研制出一台样梯。其结构图见图i 7 。 而实际上，早在1 9 8 4 年，日本三菱公司方瓶就已经展开研究并于1 9 8 6 年申请了美国 专利，如图1 8 所示的结构总图。可以说，这篇专利文献所代表的研究奠定了以后变 频调速液压电梯的基础。在此之后，许多报道和专利都纷纷出现，但是参考文献中都 少不了这篇专利文献。 一占 第1 章变额通遮液压电栉技术现状 9 r s t 1 井道 2 柱塞缸3 压力油 4 活塞 5 轿厢 6 负载重量传感器 5 a 轿厢地板6 a 负载重量信号 7 层站平台8 轿厢位置继电 9 减速位置继电器触点 器挡板9 a 减速信号 1 0 停止位置继电器1 1 电磁开关阀 1 2 泵 触点i l a 阀到缸的管路：1 2 a 泵到阀的管路 l o a 停止信号1 l b 电磁线圈 1 3 三相交流电机1 4 速度发生器1 5 油箱 1 4 a 电机转速信号】5 a 油箱到泵的管路 1 6 汕液温度传感器r ，s t 三相交流电2 1 蝗流器 1 6 a 油液温度信号 1 7 滤波电容1 8 v v v f 逆变器】9 电能回馈逆变器 2 0 速度控制器2 1 3 0 a , b ，c接触器常开触点 2 5 a 逆变控制信号3 0 d 运行开关常开触点( 从轿厢开始移动， 到层站停止，3 0 d 是闭合的) 3 0 d a 运行开关的操作信号 固1 - 8 最早公布的变壤调速液歪电梯技恭资料中的结构总图t 、吼 ( 摘自1 9 8 6 年美国专枣jk o 4 5 9 3 7 9 2 ) 一9 一 幕l 章 娈频调运蔽压电稀技术现姣 它的原理是：【i ” 交流电网r ，t s 将电能输入到整流器2 1 ，变成直流电，经过滤波电容2 2 ，输入到 v v v f 逆变器，形成变频输出的三相交流电，通过接触器3 0 a ，3 0 b ，3 0 c ，供给三相交流 异步电机13 。由于v v v f 逆变器的输山频率受速度控制器2 5 的输出信号2 5 a 控制， 所以电机能够带动泵1 2 按照预定的速度曲线运转，伸出相应的流量。而电机的转速 由速度发生器1 4 把电机转速信号1 4 a 反馈回速度控制器2 5 。其它信号，诸如井道中 传来的由位置继电器9 ，1 0 发出的9 a ，1 0 a 等位置信号，还有轿厢5 中的负载重量传感 器6 发山的负载重量信号6 a ，以及油箱1 5 中的温度传感器1 6 发山的a i i 液温度信号 1 6 a ，也都传送给速度控制器2 5 。向上运行时，速度控制器将图1 - 9 中的理想曲线( a ) 和泄漏补偿曲线( b ) 相加，得到输出曲线( c ) ，然后输出给v v v f 逆变器，使电机 的转速曲线和曲线( c ) 一致。电机带动泵从油箱里抽油，压力油通过叱磁阀中的单 向阀进入牲塞缸，项起轿厢向上运行。 蚓 囊 婆 脚 ( b ) ( c ) 入。 ， 时间 ：、 ；l 一 时间 杪 父 ， 时间 强1 - 9 专翻n o ，4 5 9 3 7 9 2 的控裁输出曲线爨( 上舞运行) h 6 向f 运行时，速度控制器同样把图1 1 0 中的理想曲线( a ) 和泄漏补偿曲线( b ) 相加，得到输出曲线( c ) ，然后输出给v v v f 逆变器，使电机的转速曲线和曲线( c ) 一致。不过，这时的动力源是轿厢的势能，它的重量驱动液压缸下行。此时的电磁阎 接受控制器的命令，将阀口位置切换到常开端，压力油无阻碍地通过电磁阀，涌入泵 的出口。此时，泵作为马达使用，带动电机发电。电能通过逆变器回馈到交流电网， 完成了能量回收的功能。 一口一 第l 章 变频调速液压电梯技术现拭l t - 删 磐 豢 脚 ( b ) ( c ) ， l 时间 、k 。 ， 时间 、 时高 雷1 1 0专_ 手! | n o 。4 5 9 3 7 9 2 的控觑输出曲线圈下峰运行) 1 6 】 从这篇专利所述内容看，作为原理性研究是当之无愧的；但是要作为商业成品来 讲，还远远没有实现。许多技术细节，从本课题组的研究情况来看，当年的日本三菱 公司的人们也只是想到了，但并没有做到。因此，在日本三菱公司的技术人员做了这 样的开创性研究之后可能是一直从事着如何把这一方案完善并推向市场。他们连续 申请了一系列的，包括从1 9 8 6 年到1 9 9 7 年之间在美国申报的十几项专利。但是却再 也没有在结构上，控制策略的本质上有进一步的突破。与此相类似，进入9 0 年代以 来，日本的日立公司、东芝公司、还有美国的奥的斯公司都申请了一大批专利，虽然 他们申请的专利都各有特色但总体上，并没有超越日本三菱公司的第一篇专利文献 所画出的轮廓。 倒是1 9 9 5 年的美国专利中有一篇u s p a t e n tn o 5 4 1 9 4 1l 的专利非常值得注意。 该专利由日本东京的一个叫k a i s e ik o g y ok k 的公司( 或是机构，组织等，目前尚 未查到该组织的中文名字) 申报的【l 7 1 。在这篇专利中，发明者给出了两个例子，第一 个是利用平衡缸做配重以达到节能的目的，如图i 1 l ；第二个例子是利用阀的节流作 用作为电梯向下运行时的辅助设备，如图1 1 2 。这两个例子分别开创了两种能量回收 或是节能的控制方式的思路，在日本兰菱公司笼罩的影子下面，打出了一片新的天空。 第一个例子是利用平衡缸做配重以达到节能的目的的电梯结构，其主要应用对象 是大型载重电梯。其原理是：m 1 图1 i l 中，平衡油路8 将柱塞缸l 和6 连接起来。柱塞杆3 推动负担乘客或者货 物的主轿厢2 或上或下的运行，取决于工作介质( 液压油) 是流进还是流出柱塞缸1 。 相应地，辅助柱塞钢6 上面的固定配重5 和可调配重1 3 就会下降或者上升，柱塞缸6 就会流出或者流入工作介质。位于平衡回路中间的液压回路1 2 ，包括了双向吸油打油 的液压泵1 0 带动该液压泵的电机9 ( 该电机也是用变频调速装置控制的，但图中未 能画出。) ，速度判断阀( s p e e d a d j u s t i n g v a l v e s ) l l 和1 1 。还有就是主电梯这边的 一l i 第l 章 变颧调运液压电梯技术现状 一t z - 包含单向阀的紧急下降阀2 0 ，和另边提供给平衡辅助梯的柱塞缸6 工作介质的调整 油泵( m o d i f y i n gh y d r a u l i cp u m p ) 1 4 的回路。 豳专| 年! u s p a t e n t n o 5 4 1 9 4 1 1 中的第一个痧! 子 带平衡缸系统的变壤调速：；菠臣电梯的结构总图l m l 一i 2 一 第1 章变翱谗速疆压电祜鞋来现妆 固定配重和主液压梯轿厢重量相等，而可调配重一般设在主轿厢最大载重量的 半左右。这样，主液压泵1 0 勺两边平衡回路中的压力差值就不会很大，因此能够极 大地降低该液压泵的装机功率。液压泵1 0 的大部分工作是从左边或者右边的油缸里 抽油，抽到右边或左边的液压缸里，就完成了电梯上行或者下行的任务。而速度判断 阀l l 和1 1 中包含的单项阀能够很好地把各自的电梯停止住。 该文献中详细介绍了该形式的液压电梯的节能效果。表1 - 1 显示了该电梯的一些 重要的重量参数。从该表中可知，这台电梯属于载重量相当大的特殊电梯，也正因为 如此，在设计的时候所考虑的节能问题才更加突出。可以想见，如果没有平衡缸。该 电梯的装机功率将是一个很可怕的数字。从表1 2 中可以看到，液压泵1 0 两端的压力 差值在上升运行和下降运行中的不同数值。主电梯柱塞缸的最高静压力是4 1 9 k g c m 2 ， 相应的最大压力差值是1 5 2 k g c m 2 。如果没有平衡缸系统，泵出口将全部承担所有由 主电梯的重量所产生的压力4 1 9 k g c m 2 ，所以该系统可以：符省电动机装机功率的幅度 为：1 1 7 1 5 2 置g c m 2 1 4 1 9 k g c m 2 2 7 5 表1 - 1 专翻u 。s p a t e n t n o 5 4 1 9 4 1 1 中的第一个啻! f 子： 带平衡缸系统的变壤调速液压电梯的重量参数表”7 1 晟大载重固定配重可调配重 柱塞直径柱塞重量轿厢重量 量重量重量 主电梯 3 0 0 m m 1 5 0 0 k g1 3 0 0 0 k g1 3 0 0 0 k g 平衡辅助 3 5 0 m m 2 0 0 0 k g1 9 5 8 0 k g7 0 0 0 聘 电梯 一了一 辩1 荤 变辑调遽渣琏电撵授求现状 h 表1 - 2 专翻u s p a t e n tn o 。5 4 1 9 4 1 1 中的第一个识子： 带平衡缸系统的变壤调速液压电梯的运行医力电较表 1 7 1 负载主电梯的 主柱塞缸的静压 辅柱塞缸的静压 西边的压力差 大小运行状态 1 5 0 0 + 1 3 0 0 02 0 0 0 + 1 9 5 8 0 + 7 0 0 0 上升 ( n 4 ) 3 0 2( n 4 ) 3 5 2 3 2 堙c m 2 + 3 = 2 3 5 ( 堙c m 2 ) 3 = 2 6 7 ( 堙c m 2 ) 空载 1 5 0 0 + 1 3 0 0 0 2 0 0 0 + 1 9 5 8 0 + 7 0 0 0 f 降( ，r 4 ) x3 0 2( n 4 ) 3 5 2 l5 2 k g c m 2 3 = 1 7 5 ( 坛c m 2 )+ 3 = 3 2 7 ( k g c m 2 ) 1 5 0 0 + 1 3 0 0 0 + 1 3 0 0 02 0 0 0 + 1 9 5 8 0 + 7 0 0 0 上升 ( n - 4 ) 3 0 2( n 4 ) 3 5 2 1 5 2 培c m 2 + 3 = 4 1 9 ( 船c m 2 )3 = 2 6 7 ( 幻c m 2 ) 满载 1 5 0 0 + 1 3 0 0 0 + 1 3 0 0 02 0 0 0 + 1 9 5 8 0 + 7 0 0 0 下降防4 ) 3 0 20 4 ) 3 5 2 3 2 k g c m 2 3 = 3 5 9 ( 姆c m 2 )+ 3 = 3 2 7 ( 堙c m 2 ) 这篇u s p a t e n tn o 5 4 1 9 4 1l 专利中的第二个例子是一种利用阀的节流作用作为 电梯向下运行时的辅助设备，以克服变频调速在低速时控制的困难，达到使电梯平稳 下降的目的。如图1 1 2 ，其原理如下：1 1 7 1 电梯运行时，变频器的控制器3 3 检测轿厢位置继电器的状态，并根据它们的状 态输出速度控制信号给变频器3 1 。变频驱动单元中的变频器3 1 根据此信号输出电流 驱动电机2 l 以相应的转速旋转。电机带动泵2 2 ，泵从油箱2 3 中吸油，并输出压力油， 经过管路3 5 ，控制阀2 6 ，进入油缸2 4 ，推动柱塞杆2 5 ，带动轿厢2 7 一起向上运行。 液压工作介质反过来运行，从柱塞缸，经过速度控制阀，液压泵，流回油箱，就能使 电梯下降运行。交流电从保护器2 9 和接触器3 0 进入变频器3 l ，并通过整流，滤波， 和逆变过程经过接触器3 0 输出给电机2 l ，已提供足够的功率给电机。当电梯下行时， 液压泵作为液压马达，带动电机转动整个过程是一个制动过程，变频器把从电动机 传过来的电能输出给能耗制动单元3 2 。该制动单元把这些能量转化为热能，可以供热 供暖，或者把电能直接充电后输出到别的地方。 注：谊表中的3 k g c m l 的教值是每个柱塞缸的估计摩擦力值，根据不同的运动方向，分别冠以加号和 减号 一誊一 霭 1 2专翻u s p a t e n tn o s 4 1