（电路与系统专业论文）电梯模型监控系统的设计研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名趣导师签名： 瓠p 9 t 摘要 摘要 随着城市人口的增加和人们物质文化生活水平的提高，高层建筑的数量在快 速增加，电梯的使用量也随之急剧增加。为满足高校实验教学对电梯技术的需要， 本文研究了六层电梯模型的设计方法。 电梯监控系统同样是电梯技术的热点。它为电梯维修保养单位和电梯使用单 位对电梯的集中管理提供了一种强有力的手段。它能提供电梯运行状态，及时获 得对电梯日常运行的记录和监测资料，实现故障的早期预告、诊断及处理，确保 电梯的运行、维护和管理。因此，本文在电梯模型的基础上设计了电梯的监控系 统。 在分析现代常用电梯拖动方案和控制方案的基础上，本文采用了种先进的 无齿曳引变频驱动方案和可靠的p l c 控制方案。无齿轮电梯用低速大转矩永磁 同步电动机在电梯的应用是目前的热点研究之一，其研究具有重要的科学意义和 实用价值。国内在这方面的应用尚处于起步阶段。而在我国实际工程设计中，p l c 由于具有可靠性高、抗干扰能力强、功能强大、可扩展性强、成本低等优点被广 泛应用。 在进行控制系统的硬件实现时，本文分析比较了控制系统各主要组成环节 的硬件实现方式和特点，从而完成了整个控制系统的硬件选型与设计。在电梯的 使用中最被人们重视的就是安全问题，所以对电梯的各种保护环节重点进行了设 计。 本课题控制系统软件的设计分两部分进行。一方面是下位机p l c 用户程序 的设计，它包括了十个环节，重点是保护程序的设计和测取减速点程序的设计。 另一方面是上位机组态软件的设计，本文采用组态王6 5 2 完成了各种动画画面 的制作，完成了控制系统的组态数据采集和监视软件设计。组态软件的画面运行 效果良好。 实践证明，将永磁同步电动机、p l c 、变频器和组态王软件结合起来不仅可 以达到较好的电梯控制效果，又可方便地监控电梯控制系统的工作过程。 关键词：电梯模型；p l c ；组态软件；监控 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s ei nu r b a np o p u l a t i o na n dp e o p l e sm a t e r i a la n dc u l t u r a l i m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ，t h en u m b e ro fh i i g h r i s eb u i l d i n g sr a p i di n c r e a s es o t h a tt h eu s eo fe l e v a t o r sa l s ow i l lb ei n c r e a s e dd r a m a t i c a l l y t om e e tt h en e e d so f e l e v a t o rt e c h n o l o g yo fe x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ，t h es i x s t o r ye l e v a t o rm o d e lh a sb e e n d e s i g n e d e l e v a t o rm o n i t o rs y s t e mi sa l s oah o t s p o to fe l e v a t o rt e c h n i q u e ，w h i c hi sa s t r o n gc o n c e n t r a t e dm a n a g e m e n tm e a n sf o rt h o s ep e o p l ew h om a i n t a i na n du s e e l e v a t o r w ec a ng e tt h ee l e v a t o rd a i l yr u n n i n gr e c o r da n di n f o r m a t i o nt h r o u g h m o n i t o ri t sr u n n i n gc o n d i t i o nb yt h i st e c h n i q u et h a tc a nh e l pp e o p l ek n o wt h ee l e v a t o r f a i l u r ei na d v a n c et h e nm a k eju d g m e n ta n dt a k ea c t i o na c c o r d i n g l y , w h i c hb e n e f i tt o e l e v a t o rm a n a g e m e n t t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ee l e v a t o rm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nt h em o d e lo fe l e v a t o r b a s e do nt h ea n a l y s i so fd r a g g i n gs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m ，a l la d v a n c e d g e a r l e s sd r i v ea n dr e l i a b l ep l cc o n t r o la r eu e s di nt h i sp a p e r n o w a d a y s ，t h er e s e a r c h o nl o ws p e e da n dh i g h t o r q u ep e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm a c h i n ew h i c h u s i n g i ng e a r l e s se l e v a t o ra r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nt h ef i e l d so fm o t o r s ，a n d h a sg r e a ts c i e n c es i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e h o w e v e r ，t h es t u d yo ft h i sk i n d o fm o t o ri no u rc o u n t r y j u s ts t a r t s i na c t u a le n g i n e e r i n gd e s i g ni no u rc o u n t r y , p l ci s p o p u l a ra p p l i e d i nv i r t u eo fi t s a d v a n t a g e s u c ha s h i g h r e l i a b i l i t y , e x c e l l e n t a n t i - ja m m i n ga b i l i t y , s t r o n gf u n c t i o n ，w o n d e r f u le x p a n s i b i l i t ya n dl o wc o s te t c w h e nw eu s et h eh a r d w a r et oc o n s t r u c tt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h i sa r t i ca n a l y z e s a n dc o m p a r e st h eh a r d w a r er e a l i z a t i o nw a ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fm a i nc o m p o s i t i o n l i n ko fc o n t r o ls y s t e m ，t h u si tc o m p l e t e sh a r d w a r es h a p i n ga n dd e s i g n i n go ft h ee n t i r e c o n t r o ls y s t e m i nt h eu s i n go fe l e v a t o r , s a f e t yi st h em o s ti m p o r t a n tt o p i c ，m a n y p r o t e c t i o n sa b o u te l e v a t o ra r ed e s i g n e dc a r e f u l l y t h ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g no ft h i sa r t i c l eh a st w op a r t s ：o n ei st h el o w e r p o s i t i o n m a c h i n ep l cs o f t w a r e d e s i g n ，i ti n c l u d e s 10p a r t s t h e p r o g r a m m eo f d e c e 1 e r a t i o np o i n ta n dp r o t e c t i o nh a sd e s i g n e dc a r e f u l l y t h eo t h e ri st h et o pm a c h i n e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed e s i g n ：i tc o m p l e t e st h ed a t a c o l l e c t i o na n dt h em o n i t o r i n g s o f t w a r ed e s i g nu s i n gk i n gv i e ws o f t w a r e6 5 2a n dt h em a k i n go fv a r i o u sa n i m a t i o n p i c t u r e s c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r es c r e e ni sr u n n i n gw e l l p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tt h ec o m b i n a t i o no ft h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ，p l c ，i n v e r t e ra n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec a i ln o to n l ya c h i e v eab e t t e rc o n t r o l e f f e c t ，b u ta l s om o n i t o rt h ee l e v a t o rc o n t r o ls y s t e mc o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：e l e v a t o rm o d e l ；p l c ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；m o n i t o r i i 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题研究背景及国内外研究现状1 1 2 1 课题的研究背景1 1 2 2 国内外研究现状2 1 3 课题的研究意义3 1 4 论文主要工作和内容安排4 1 5 本章小结5 第2 章电梯电气方案的设计6 2 1 主拖动方式的选择设计6 2 1 1 直流电力拖动方式6 2 1 2 交流双速电力拖动方式6 2 1 3 交流调压调速电力拖动方式7 2 1 4 变频调速电力拖动方式8 2 1 5 永磁同步电动机拖动方式8 2 2 门拖动方式的选择设计11 2 2 1 概述11 2 2 2 常见拖动方式1 2 2 3 控制系统的选择设计1 3 2 3 1 继电器控制系统1 3 2 3 2 微机控制系统1 3 2 3 3 可编程控制器( p l c ) 控制系统1 4 2 4 本章小结1 5 第3 章电梯硬件系统设计1 6 3 1 主要器件的选择1 6 3 1 1 曳引电动机1 6 3 1 2p l c 的选择1 8 3 1 3 变频器的选择1 9 3 1 4 旋转编码器的选择2 l 3 1 5 光电开关的选择2 3 3 2 主电路及辅助电路的设计2 3 3 2 1p l c 接口电路设计2 4 3 2 2 主拖动电路及反馈电路设计2 4 3 2 3 开关门电路以及制动器电路设计2 8 3 2 4 电梯保护环节的硬件综合设计3 0 3 2 5 开放及关闭电梯和照明电路3 4 3 3 本章小结3 5 第4 章软件系统设计3 6 4 1 下位机控制软件设计3 6 4 1 1 上班开启及下班关闭电梯控制程序3 7 4 1 2 电梯超载和防夹人控制程序4 0 4 1 3 电梯报警控制及运行方向指示程序4 3 北京工业大学工学硕士学位论文 4 1 4 内指令信号登记与消除程序4 4 4 1 5 呼梯信号的登记与消除程序4 5 4 1 6 内指令信号优先选向程序4 7 4 1 7 自动选向程序4 9 4 1 8 测取每层减速点的程序5 0 4 1 9 电梯上下行控制程序5 4 4 1 10 制动等其它相关程序5 5 4 2 上位机监控软件设计6 0 4 2 1 组态软件简介6 1 4 2 2 电梯监控系统工程的建立6 4 4 2 3 变量的定义6 5 4 2 4 组态界面的设计6 8 4 2 5 建立动画连接7 l 4 2 6 采集历史数据、显示趋势曲线和报表输出7 3 4 2 7 报警系统7 7 4 3 本章小结7 9 第5 章系统联调8 0 5 1 硬件的安装调试8 0 5 1 1 硬件安装时的注意事项j 8 0 5 1 2 硬件调试时的注意事项8 0 5 2p l c 程序的调试8 1 5 3 组态的运行和调试8 l 5 4 本章小结8 2 结论与展望8 3 参考文献8 5 攻读硕士学位期间所发表的学术论文8 8 致谢：8 9 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着人口的增加、科学技术日新月异地发展和人们物质文化生活的逐步提 高，导致了现代化城市的高速发展。城市化的急剧扩张，致使土地资源日益紧张， 从而建筑业得以迅速发展，一幢幢的高楼拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭 店、办公楼鳞次栉比。在这些高层建筑中每天有大量的人和物需要由电梯来进行 垂直输送，电梯产品在人们物质生活中的地位已经和汽车一样，成为重要的运输 设备之一。 我国有1 3 亿多人口，电梯的人均拥有量是世界平均数的1 3 ，是发达国家 的1 1 0 ，我国的电梯市场还远未饱和。近几年我国电梯的需求将呈现快速增长 的态势，电梯市场会保持每年2 0 的递增速度。 电梯是一种相当复杂的机电综合产品，具有零碎、分散、垂直运行、频繁启 制动、总装配和调试需要在远离制造厂的使用现场进行等特点。由于电梯不是一 目了然的机电综合产品，在技术上较难全面掌握。随着微机技术、变频技术和 p l c 技术导入电梯行业，对电梯的从业技术人员要求越来越高，导致了我国电梯 专业人员人才异常缺乏。为了满足市场的需求，适应社会对电梯行业技术人才的 需求，使一批专业的电梯技术人才脱颖而出，许多高校设置了建筑电气及其智能 化本科专业。在该专业的培养计划中，都将电梯控制技术有关的教学内容作为重 要的教学内容。 如何能够安全且直观地了解电梯的机械结构，并且了解当前电梯的主要拖动 方式和控制方式及其主要发展方向，以便更好地为电梯的教学服务，一直是许多 高校当前研究的热点话题之一。 1 2 课题研究背景及国内外研究现状 1 2 1 课题的研究背景 在现代社会和经济活动中，电梯已是城市物质文明的一种标志。每幢高楼都 可以说是一座垂直的城市，电梯作为高层建筑重要的垂直交通工具，在国民经济 和人们日常生活中发挥着极其重要的作用。 电梯作为垂直运输的升降设备，其特点是在高层建筑物中所占的面积很小， 北京工业大学工学硕士学位论文 同时通过电气或其他的控制方式可以将乘客或货物安全、合理、有效地运送到不 同的楼层。基于这些优点，在建筑业特别是高层建筑飞速发展的今天，电梯行业 也随之进入了新的发展时期。 目前，由于我国城市化的快速发展，我国已经成为全球电梯需求量最大的国 家，也是电梯产量最大的国家。由于电梯是机电一体化的典型产品，涉及到的行 业多，产业关联度比较大，所以是发展国民经济的强大推动力之一。因此，电梯 工业代表了一个国家工业发展领域的发展水平，涉及到新材料，新工艺，新技术 的利用。国内某些高校2 0 0 6 年在国内率先成立了建筑电气及其智能化本科专业， 并将电梯控制技术作为本专业的重要专业课。 随着科学技术的飞速发展，国内高校在专业课程设置、课程内容改革等方面 已经加快加快了步伐。目前许多院校在电气工程及其自动化、机电一体化、电子 应用类专业中，均开设了( p l c 实用技术一课。p l c 控制技术是实用性、综合 性、系统性很强的一门技术，p l c 作为下位机，既可以和现场的传感器、变送器、 自动化仪表相连，构成数据采集和监控部分，又能和上位p c 机相连进行数据 通讯、数据处理、数据管理。因此，要想掌握p l c 实用技术，师生必须掌握其它 学科许多相关课程。但就目前来说，许多院校在p l c 与上位p c 机相连的相关教 学内容几乎没有。 基于上述原因，本课题打算以用工业组态软件实现对p l c 控制电梯模型的监 控为出发点，研究p l c 与上位计算机工控组态软件之间的通信过程，为今后探究 组态软件在p l c 课程教学系统中应用以及深刻理解电梯结构及其控制技术打下 基础。 1 2 2 国内外研究现状 l 、国外电梯电气控制系统的现状 在电梯控制系统方面，目前国外发达国家的电梯正在推广3 2 位微机控制系 统，他们都采用闭环反馈的微处理器控制系统或多微处理器协调控制系统“1 。在 电梯电力传动方面，采用交流变压变频( v v v f ) 调速技术，实现电梯从超低速到高 速无级调速的高精度运行，具有节能、对电网污染小、乘坐舒适感佳等优点。在 国际上日本已研制了直线感应电动机驱动的电梯和永磁直线同步电动机驱动的 电。梯乜1 。 第1 章绪论 在电梯反馈系统方面，除了采用旋转编码器获得电梯轿厢位置信号外，还有 一些厂家采用绝对值编码器从电梯轿厢上反馈位置信号给系统，对曳引电机进行 以距离为原则的控制，以实现直接平层技术，达到优越的电梯运行效果。 电梯发展到今天，在使用需求和新技术应用方面都进入到了全面发展时期。 根据电梯行业信息介绍，目前国际上电梯的新技术应用包括了全数字识别乘客技 术、数字智能型安全控制技术、双向安全保护技术j 无机房电梯技术、无线远程 控制及报警装置和节能技术等新内容。 可见，随着智能化、信息化建筑的兴起与完善，国际上对电梯的要求不只停 留在完成垂直运输的基本功能，还应该以人为本，提高舒适度和安全性，特别是 从电梯运行的控制智能化角度考虑，电梯的优质服务不再是单一的“时间最短” 问题，而是要采用模糊理论、神经网络、专家系统等方法，以期实现单梯与群控 管理的最佳模式、合理的配置与使用、远程监控与故障诊断、节能以及减少环境 污染等口1 。 2 、国内电梯电气控制系统的现状 目前，我国国内的电梯产品在数量和质量都有了显著的提高。国内的速度控 制的运行方式和理想运行曲线基本上和国外的差不多。考虑到经济性，现有国内 的电梯控制系统，通常采用微机或可编程逻辑控制器对变频器进行多段速控制或 无级调速控制。另外，控制的智能化程度也有了大幅度的提高。 近几年，永磁同步电动机无齿轮曳引技术崭露头角，有些厂家已经产品化， 显示了巨大的优越性，得到了电梯界内人士的普遍看好，预示着该技术将得到很 大发展。 国内直线电动机驱动电梯的研究和开发方面，浙江大学与哈尔滨泰富公司已 经研制了样机，正在向产品化方面发展。直线电动机驱动的电梯具有噪声低、运 行性能好、少维护、防地震等优点，使得它在超高层建筑中具有极大的优势，直 线电动机电梯的前景是可喜的“1 。 1 3 课题的研究意义 l 、社会意义 现代社会高层建筑越来越多，电梯成为极其常见的垂直交通工具。近几十年 来，由于可编程控制器技术的突飞猛进和在我国的日益推广，国内大部分中、低 北京工业大学工学硕士学位论文 速电梯都采用了可编程控制器控制系统取代了原来的继电逻辑控制线路，使电梯 更有能力满足人们安全、便捷和舒适的要求。 由于各种电梯都具有相当复杂的逻辑控制关系和安全保障措施，而且大部分 是开关量信号，因此电梯成为了深入学习可编程控制器绝好的对象。 2 、自身工作的意义 因为可编程控制器编程简单、维护方便并且工作稳定可靠，逐渐成为现代工 业自动化控制系统的核心器件之一。可编程控制器已经成为大学、大专和职业技 术学校很多专业学生的重点学习对象。可编程控制器的应用实例非常多，其中电 梯是最接近我们生活的应用可编程控制器的大型工业产品之一。本课题通过对电 梯电气控制系统硬件选型及程序设计，希望能够开发出一个既能够学习可编程控 制器的使用技术和方法又能够了解电梯前沿知识的电梯模型，使其能够更好地服 务于我们学院主干专业建筑电气智能化的广大师生。 1 4 论文主要工作和内容安排 本文的主要工作是在构建好的电梯模型机械结构的基础上，完整设计电梯模 型的电气控制系统及其仿真监控系统。在分析控制对象适用场合的基础上，选择 使用了先进的拖动系统和实用的控制系统；硬件的选择以及主线路、反馈回路、 安全回路、接口回路等硬件线路的设计；可编程控制器用户程序的模块化设计和 组态监控系统的设计；系统调试过程中的注意事项和解决方法。论文的组织结构 如下： 第1 章：绪论。简略地介绍了电梯监控系统的课题背景与研究现状，并对本 论文做了提纲性的介绍。 第2 章：当前电梯电力拖动方案和控制方案的概述。针对本课题中电梯模型 仿真的实际对象的用途，将先进性和经济型有机结合，合理选择了本课题所应该 选用的电力拖动方案和控制方案。 第3 章：进行了电梯硬件系统的设计。在上述方案确定的基础上，课题中用 到的主要硬件进行了选择，包括曳引电动机、可编程控制器、变频器、旋转编码 器以及光电开关等。继而进行了主电路和辅助电路的设计，具体包括p l c 接口电 路、主拖动电路、反馈电路、开关门电路等等的设计工作。 第4 章：进行了软件的设计工作。主要介绍了可编程控制器的用户程序设 第l 章绪论 计思路及过程和组态监控系统的设计过程。在可编程控制器用户程序设计过程 中，重点介绍了减速点检测和解决安全问题的设计思路及方法。在组态监控系统 的设计过程中重点介绍了动画界面和报警的设计。 第5 章：系统联调。主要介绍了硬件安装、调试过程中遇到的问题及解决办 法；可编程控制器用户程序的调试方法及其中一些参数的调整原则；组态监控界 面和电梯实际模型之间不能双向控制以及动作不协调的原因及解决办法。 结论与展望：对本文工作进行总结，并提出后续研究的工作和建议。 1 5 本章小结 本章主要论述了课题的研究背景、研究现状、研究意义以及内容，并简要介 绍了论文的组织结构。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章电梯电气方案设计 2 1 主拖动方式的选择设计 电力拖动系统是电梯的动力来源，它驱动电梯部件完成相应的运动。电梯的 电力拖动系统对电梯的启动加速、稳定运行和制动减速等起着控制作用。拖动系 统的优劣直接影响电梯的启动加速、制动减速、平层精度和乘坐舒适性等指标。 在电梯中有两个运动：轿厢的升降运动和轿门及厅门的开关运动。本节主要 为轿厢的升降运动选择拖动方案。 下面对电梯常用的几种拖动方案进行具体分析，逐一比较，最终选择适合本 电梯模型的拖动方案。 2 1 1 直流电力拖动方式 我们知道，直流电动机的机械特性是直线，转速与转矩、电枢电流的关系是 线性的，便于控制，因此直流电动机广泛地应用于需要大范围平滑调速的生产机 械中。在2 0 世纪8 0 年代之前，即交流变频调速在工业中应用之前的1 0 0 多年里， 高性能的调速系统几乎为直流调速所垄断。 直流电梯中，基本上都是采用调压的方法实现调速。按照直流电源的获取方 式讲，直流电梯可以分成两类：一类是由交流电动机一直流发电机机组供电的直 流电梯，简记为g - m 方式，另一类是由晶闸管整流器( 逆变器) 供电的直流电梯， 简记为s c r - m 方式。g - m 方式电梯由于效率低、耗能大，属于淘汰产品，目前已 不生产了。 2 0 世纪7 0 年代，随着晶闸管向大容量的发展，出现了s c r m 方式的电梯。 这种拖动方式的特点是在电动机电枢回路中设置了两组晶闸管整流器，它们彼此 反向并联，为电枢提供正反电流。而励磁回路则是一个大小恒定、方向恒定的恒 流控制，即控制电动机的磁通保持额定值。s c r - m 的拖动方式仅仅在额定梯速超 过5 m s 的超高速电梯中应用。而本模型模拟的是额定梯速为l m s 以下的乘客电 梯或住宅电梯，故不适合选用直流电力拖动方式。 2 1 2 交流双速电力拖动方式 众所周知，异步电动机同步转速为n o = 6 0 f 。p ，当改变定子绕组的极对数时， 就可以改变同步转速，从而使电机转速得到调节。为了实现变极调速，可以在定 6 第2 章电梯电气方案的设计 子上安装两组独立的绕组，各构成不同的极对数，也可以通过改变绕组接法的方 式实现调速。 变极调速是一种有级调速系统，调速范围不大，因为过大地增加电动机的 极数就会显著增大外形尺寸。一般电机级数少的绕组称为快速绕组，极数多的绕 组称为慢速绕组。快速绕组作为启动和稳速用，而慢绕组作为制动和慢速平层停 车用。变极调速电梯( 又叫交流双速电梯) 简称为a c i i ( a l t e r n a t i n gc u r r e n t i i ) ，因为调速范围小，调速性能差，电动机体积大，且该系统大多采用开环方 式控制，不可能得到理想的速度曲线，乘坐舒适感较差，平层精度低，一般只适 用于额定梯速不大于i m s 载货电梯或客货两用梯中，不适合本课题。 2 1 3 交流调压调速电力拖动方式 用改变异步电动机定子电压来实现调节电动机转速的系统称为调压调速系 统，因此在电动机速度变化的过渡过程中，如果调节电压，便可以改变转距，从 而改变速度的快慢，即改变加速度。如果对电动机的速度实行闭环调节，电动机 便可以按预先的转速曲线运行。此系统被简称为a c v v ( a l t e r n a t i n gc u r r e n t v a r i a b l ev o l t a g e ) 。 交流双速电梯采用串电阻或电抗启动，其启动、减速舒适感较差，速度不平 稳。而闭环控制的交流变压调速则用可控硅取代了启、制动电阻( 或电抗) ，使调 速效果有了明显提高。 调压调速的调速性能也不是很高，在加减速阶段要进行严格的速度闭环控 制，这也就增加了电梯控制的难度。由于调压装置输出电压的改变是通过控制晶 闸管的导通角来实现的，因此加到电机上的电压是非正弦的，尤其是低速时，定 子电压要求较低，晶闸管导通角增大，加到定子上的电压严重变形，致使消耗于 转子电路的功率很大，电机发热严重，寿命减短，效率较低。所以，大部分使用 调压调速的电梯，在电机上都安装有风扇制冷装置哺1 。 另外，同样载重量、梯速的电梯，交流调压调速电梯相对于变压变频( v v v f ) 调速电梯，其电动机容量要求相对较大。随着电力电子器件及控制技术的飞速发 展，调压调速己被变压变频调速( v v v f ) 所取代。与调压调速相比，变频调速有其 不可比拟的优越性。对此，下面会进行详细介绍。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 4 变频调速电力拖动方式 由于异步电动机的变压变频调速系统在调速时转差功率不变，因此在各种异 步电动机调速系统中效率最高，性能也最好。变压变频调速系统一问世，便在电 梯领域得到迅速推广。目前，变压变频调速是电梯各种调速方式中应用最为广泛 的调速方法。 异步电动机的转速n = n o ( i - s ) = 6 0 f 。( 卜s ) p ，当转差率s 变化不大且s l 时，n 基本上正比于f o 。所以，要改变交流电动机转速，只需改变定子频率f 。 即可。但是，在改变转速的同时，希望励磁电流和功率因数基本保持不变。磁通 太弱，则没有充分利用铁芯，电机容许的输出转速下降，电机的功率得不到充分 利用而浪费；若增大磁通，将引起磁路过分饱和而使励磁电流增加，功率因数降 低，严重时会因绕组过热而损坏电机。总之，变频时还需变压来保持磁通不变。 v v v f 电梯采用交流单速异步电动机，通过对交流异步电动机调节供电电压 和供电频率来调节电动机的转速达到线性化，将交流电动机转速运行曲线区域扩 大。如果电梯系统采用高精度旋转编码器控制，可使电梯平层精度达到毫米级， 并且绝对保证电动机零速下闸，舒适感非常好1 。v v v f 控制的电梯相对于交流双 速电梯、交流调压调速( a c v v ) 电梯都有十分突出的优点。与a c v v 控制的电梯 相比较，有安全可靠、完善检测和自诊断的功能，它的自保护功能最大限度地考 虑了电梯在任何情况下出现故障的可能性，还可设置各种防故障和应急的装置。 但异步电动机设计成低速时，电动机的温升将会升高、效率会降低，性能 不佳。而设计成高速则务必使用齿轮减速机构，从而会导致环境污染等诸多缺点。 总之，变频调速电力拖动方式是目前流行的电梯拖动方式，但还不是最理 想的拖动方式。 2 1 5 永磁同步电动机拖动方式 1 、永磁同步电动机拖动概述及特点 三相永磁同步电动机( t h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，p m s m ) 变 频调速系统，基于先进的d s p 嵌入式处理器，采用矢量控制原理，实现了电流、 速度双闭环控制，较好的实现了同步电机的低速控制，有良好的抗干扰性能，满 足了无齿轮电梯电气拖动系统的要求。永磁同步电动机由电压源逆变器供电，选 择最优开关矢量来控制定子磁链和定子转矩，从而获得最快的转矩响应口1 。 第2 章电梯电气方案的设计 永磁同步电动机拖动方式具有如下的优点汨1 ： ( 1 ) 永磁同步电动机的结构简单紧凑、少维护。 ( 2 ) 能够提高电梯曳引系统的安全性、可靠性。使用永磁同步电动机来驱 动电梯曳引机，则在失电时由接触器的动断触点将电动机定子电枢绕组短接，当 出现超速故障时，控制系统监测到超速信号，立即切断控制器供电回路，并将电 动机定子电枢绕组短接。这时，静止的绕组切割旋转的永磁体产生的磁场而感应 出电动势，在闭合的电枢绕组回路中引起电流，该电流在磁场作用下引起转矩， 该转矩企图带动电枢绕组随磁极一起旋转。永磁体和闭合的电枢回路相互作用产 生停车自闭这种非接触双向保护大大增加了电梯运行的安全性和可靠性，特别减 小了各类超高速电梯的安全钳模块在高速动作时园高温损坏所引起的安全风险。 ( 3 ) 降低了对环境的污染。永磁同步电动机正常工作不产生谐波干扰，其 反电动势通常也是正弦波，不但对电源电网无污染，而当过励时能补偿电网感性 负载所需的无功功率，提高电网的功率因数。 ( 4 ) 易于实现低转速、大转矩，特别适合无齿轮曳引。电梯驱动系统中所 需要的理想驱动是低转速、大转矩。交流异步电动机为了达到低转速就必须制成 高极数。极数的增加使电动机电流增大，损耗增大，温度升高，特性变坏；而永 磁同步电动机不需要励磁电流，采用金属粘贴技术可使转子制造变得非常容易， 可以轻松地制成高极数，配合以低频变频器，很容易实现低转速。正由于这个优 点，永磁同步电动机驱动的电梯拖动系统就不需要减速机构，非常适合无齿轮曳 引电梯。 ( 5 ) 提高传动效率、节能、经济、具有较高的性能价格比。永磁同步无齿 曳引技术具有优越的低速转矩特性和精确平稳的运转特性，有优越的调速性能， 能真正实现“零速抱闸”和“直接停靠”。除具有体积小，结构紧凑，噪声低， 对电源无污染等优点外，其最主要的优点是节约能源。一方面，去除了减速机构 相应的损耗。传统曳引减速结构中，涡轮蜗杆传动用的最多，有传动平稳、传动 比大等优点，但低效率、高能耗是其不可克服的致命缺陷。另一方面，由于永磁 同步电动机采用了永磁材料，电动机不需要励磁电流，定子电流的无功分量极低， 功率因数可达到近似于lc 9 。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 6 ) 优于直流无齿轮电动机驱动系统。直流电动机结构复杂，体积、重量、 成本等都存在很大问题，电刷和转子等部件维护困难，在电梯使用中由于接触原 因使低速减速阶段产生爬行距离而使电梯运行效率降低。由于成本高、耗能大、 维护复杂等缺点，所以人们一直在设法用交流电动机来取代。而永磁同步电动机 由于转子采用了高磁能积的稀土材料，控制装置都由大功率晶体管组成，电动机 的力矩惯性比大，动态性能好，具有更高的低速性能、调速精度、快速响应性能 等优点。 与异步电动机变频调速系统相比，当负载变化时，异步电动机通过调整转差 来适应，而同步电动机则只是调节功角，因此同步电动机响应速度更快，也因此 其控制系统需要有精确的转子位置检测装置和电压电流检测装置，以便随时确定 磁场的大小、方向。转子位置的精确控制是永磁同步无齿轮曳引技术重要部分之 一，它将直接关系到电梯启动、制动的舒适性和平层精确度n 叭。 2 、永磁同步电动机的控制方式 永磁同步电动机变频调速系统的控制方式可分为两大类：一类是他控式变频 调速系统；另一类是自控式变频调速系统。他控式变频调速系统中所用的变频装 置是独立的，其输出频率直接由速度给定信号决定，属于速度开环控制系统n 。 他控式变频调速虽然能够解决永磁同步电机的起动问题，但仍存在失步、振荡等 问题，因此永磁同步电机变频调速系统一般采用自控式运行。 根据逆变器组成器件和工作方式的不同，可将自控式永磁同步电机作如下简 单分类：一类电机为晶闸管无换向器电机，又称为负载换向同步电机调速系统。 另一类电机称为自控式永磁同步电动机或者永磁无刷直流电动机。 根据电动机反电势的波形形状又可分为无刷直流电动机( 简称b l d c m ) 调速 系统和三相永磁同步电动机( 简称p m s m ) 调速系统两种，它们的区别在于前者的 感应电动势为梯形波，电流为方波，而后者的感应电动势和电流都为正弦波。尽 管b l d c m 有调速系统位置传感器简单、成本较低、材料利用率高、控制简单等 优点，但由于其原理上存在固有缺陷，使得转矩脉动较大，铁心附加损耗较大， 因此只适用一般精度及性能要求低的场合；而p m s m 不需要励磁电流，逆变器 供电的情况下不需要阻尼绕组，效率和功率因数都比较高，而且体积较之同容量 的异步电机小，能克服b l d c m 系统的不足，常用于高精度、高性能的场合。 第2 章电梯电气方案的设计 3 、拖动方式的选择 具有低速大转矩特性的无齿轮永磁同步曳引机以其节省能源、体积小、低速 运行平稳、噪声低、免维护等优点，越来越引起电梯行业的广泛关注。为了能够 使学生通过电梯模型接受目前正在使用的最先进的电梯拖动方式，开阔视野，走 在本行业的前列，本课题打算选用此种拖动方式。 电梯的永磁同步无齿曳引拖动系统原理见图2 - 1 所示。 图2 1永磁同步电动机拖动系统原理图 1 永磁同步电动机2 传感器3 曳引轮4 对重5 轿厢 f i g2 1t h es c h e m a t i cc h a r to f p m s m d r i v es y s t e m 1 p m s m2 s e n s o r3 d r i v i n zw h e e l4 c o u n t e r w e i e h t 5 l i f tc a r 2 2 门拖动方式的选择设计 4 2 2 1 概述 轿门及厅门的开与关由开门电动机产生动力，经过开门机构进行减速、改变 运动形式来实现驱动，其驱动功率较小，是电梯的辅助驱动。开门机一般安装在 轿门上部来驱动轿门的开与关，而厅门则仅当轿厢停靠本层时由轿门的运动带动 厅门实现开或关。由于轿厢只有在轿门及所有厅门都关好的情况下才可以运行， 因此，没有轿厢停靠的层楼，其厅门应该是关闭的。如果由于特殊原因使没有轿 厢停靠楼层的厅门打开了，那么，在外力取消后，该厅门由自动关闭系统靠弹簧 力予以关闭“钔。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 2 常见拖动方式 轿门及厅门开关运动的电力拖动方式有力矩异步电动机拖动方式、交流异步 电动机v v v f 调速拖动方式、直流电动机调速的拖动方式等n 3 】。 l 、力矩异步电动机拖动方式 力矩异步电动机具有较大的转矩，能够承受长时间的堵转而不会烧坏，所 以力矩异步电动机拖动方式适宜于环境较差、容易出现堵门或卡门现象的电梯 中。本系统的电梯模型是模拟实际生活中的乘客电梯或住宅电梯，环境较好，不 必要使用这种拖动方式。 2 、交流异步电动机v v v f 调速拖动方式 这种拖动方式是近几年出现的新型调速方式。由于采用了交流异步电动机， 其结果简单，没有电刷一换向器部件，可靠性进一步提高，采用v v v f 调速控制， 运行平稳，是当前电梯开关门电路中较普遍采用的方法。由于本系统的电梯模型 主拖动采用了同步电动机的v v v f 调速拖动方式，如果轿门及厅门开关运动的电 力拖动方式采用交流异步电动机v v v f 调速拖动方式，则都属于交流变频调速的 范畴。为了体现电梯拖动方式的多样性，便于学生们学习各种各样的拖动方式， 本系统不打算使用这种拖动方式h 劓。 3 、直流电动机的调速拖动方式 电梯门系统为了兼顾效率和安全两个方面的要求，必须进行速度调节，以满 足电梯的轿厢门和某层层门在启闭