（机械电子工程专业论文）thtxh电梯的提速、plc改造及动力学分析.pdf

l 摘要 这是一个来源于生产实际、 适合我国企业现状的科研课题。本文探讨并应 用现代电梯的基本控制理论和方法，对某工厂的t h j - x h 型电梯实施了提速及 p l c 改造，同时又利用有关强度理论、计算机仿真和数值微分方法对该电梯进 行了强度校核、动力学分析，其结果及改造电梯的运行均证明:改造电梯完 全符合有关电梯标准要求，运行效果良 好、安全可靠、节省费用，经济效益 和社会效益显著，具有一定的推广与应用价值。 abs t ract t h i s p a p e r d e s c r ib e d a re s e a r c h s u b j e c t t h a t s fr o m p r a c t ic e s o f p r o d u c t i o n a n d s u i t a b l e f o r t h e p r e s e n t s it u a ti o n o f t o 向声 s s t a t e - o w n e d e n t e r p ri s e s o f o u r c o u n t ry . r t a p p r o a c h e d t h e m o d e r n c o n tr o l t h e o r e m a n d m e t h o d s o n e l e v a t o r a n d p u t t h e m in t o e ff e c t in s p e e d i n g - u p a n d p l c r e f o r m a t io n s f o r t h j - x h e l e v a t o r s i n a f a c t o ry.l n t h e s a m e t im e , it a l s o a p p li e d s o m e s t r e n g th - t h e o re m， c o m p u t e r - s im u l a t i o n a n d n u m e r i c a l v a lu e d i ff e re n t i a l m e t h o d s t o a n a l y s e d y n a m i c s a n d c h e c k s t r e n g t h s o n t h e e le v a t o r - s y s t e m . t h e c o n c lu s i o n s o f c h e c k i n g a n d r u n n in g o f e l e v a t o r s a ll p r o v e d t h a t t h e e l e v a t o r s s p e e d e d - u p m e t c o m p l e t e 珍t h e r e q u i r e m e n t s o f n a t i o n a l s t a n d a r d s o f l ift s , r u n v e ry w e ll i n a s a f e t y s t a t e s , c u t d o w n gr e a t e x p e n s e , a n d b r o u g h t a b o u t g o o d e c o n o m i c a n d s o c i a l b e n e f it s f o r th e f a c t o r y , t h e r e f o r m a t i o n i s o f g o o d a p p li c a t i o n a n d d i s s e mi n a t i o n v a h l r s i n t h e fi e l d. f 关 键词: t h j - ? 1 电 梯、 提 速改 造、 p l c 改 造、 强度 校核、 动力学 分析、 计算机仿真 k e y wo r d s : t i j - xli e l e v a t o r . s p e e d i n g - u p r e f o r m a t io n . p l c r e f o r m a ti o n . s tr e n g t h - p r o o fr e a d i n g . 功vn a n u c s a n a b ,s i s . c o m p u t e r - s im u l a t io n 第一章综述 1 . 1 电 梯 在 现 代 文明 中 的 地 位 随着科学技术日新月 异地发展，人民物质文化生活水平的提高， 丁 高层、 超高层建筑群不断出现，各种中、高建筑和服务性、生产性的楼房都需要不 同用途的电梯，如客梯、货梯、 医用梯、杂货梯、观光梯、 自动扶梯等 等。在现代都市生活中，电梯起到了举足轻重的作用，与人民的生活已密不 可分。不难想象，如果没有电梯，世界会是什么样子? 电 梯的发展历史不过1 0 0 多年，但发展异常迅速，自1 8 5 2 年德国柏林 诞生世界上第一台电梯以来，人类不断努力、不断进步，从没有安全装置的 简易梯到载人电梯，从垂直电梯到倾斜电梯，电梯提升高度从几米到现在的 4 5 7 米， 运行 速度从0 . 2 5 m / s 到1 3 . 5 0 m / s 以 上 1 58 1 。目 前， 全世界 使用电 梯的 台数达3 0 。 余万， 仅美国每年约有8 5 0 亿人次乘坐电 梯和自 动扶梯。我国上 海浦东的金茂大厦高4 2 0 . 5 米，有8 8 层，居世界第四，其甲有电梯6 0多 台，自 动 扶梯1 8 台， 这也反映出 我国的电 梯制造业水 平己 大大 提高 159 1 。电 梯 厂家也有5 0 年代的几家修造厂发展到现在的2 0 0 多家制造厂， 年产2 0 0 0 0 余台，并已向交流调速、p lc控制 及计 算机群控等方向发展，电梯已 渗透到 ) 、 民 生 活 的 各 个 方 面 12112 1 7 1 56 1 。 1 .2 电 梯 的 基 本 结 构 及 分 类 12 1 我国国家标准把电 梯定义为:用电 力拖动，具有乘客或载货厢，其运行 与垂直或与垂直方向倾斜不大于1 5 “ 的两侧刚性导轨之间，运送乘客和货物的 固定设备。它是把机和电合成一体的大型复杂产品，其中的机械部分相当于 人的躯体，电气部分相当于人的神经，两者不可分隔，关系密切，机和电的 高度合一，高科技的不断引入，使电梯成为现代科技的综合产品。 一、电梯的基本结构 电 梯的墓本结构如图1 一1 : 二、电梯的分类 2 一 1 一机限汗关2 一曳创以“ 一禾 1 . 1 4 一限连胳5 一甘1匀伦e 一 技诊平北 传!a d i 7 -l f 门6 4 n -; m9 ， 一热 k a i v -对 改 及 汗川- f i护 ! 1 t _ 1 2 -对i导u l 1 3 - , ill n , 1 .11 1 1 一以 仁 1 7舒f3 . 愁5 1 5 -% 3 站厅外开关门佗别 开戈 邵一处咬拜怡 ， 一轿丫 通 软 二 : 厅门1 5 一t i +l获妞扣 2 0 -挂 9 1 :一 二 二 - 1 夕 图 1 -1电 梯的 基 本 结 构 p i ( 一 ) 按 用 途 分 类 可分 为:乘 客梯、载 货电 梯、客 货 ( 两 用 ) 电 梯、病 床 一一一一一一一一一一一一一止映文3 电 梯、住 宅电 梯、杂物电 梯、 船用电 梯、观光电 梯、车辆电 梯、其它专用 电 梯如 冷库、防 爆、矿井、建筑工 程电 梯等等。本 文研究的 是载 货电 梯 ， 用 于 运载 货 物， 或 装在手 推车或 机动车上的 货 物及 伴随的司乘 ( 装卸) 人员。要 求其结构牢固，安全性好， 为节约动力装置的 投资 和保证良 好的平层精确度常 取较低的额定速度， 轿厢容积较大， 载重量有6 3 0 , 1 0 0 0 , 1 6 0 0 , 2 0 0 0 3 0 0 0 k g 等多种; 速度在1 m/ s 以 下。 ( 二) 按 运行 速度分为:超高速电 梯( 3 一 1 0 m/ 。 ) 、高 速电 梯( 2 一 3 m / s ) 、快 速电 梯( )l m / s ) 、低 速电 梯( 簇1 m / s ， 本文属此类)o ( 三) 按 拖 动方式分 类可 分为;直流电 梯( 曳引 机为 直流电 机) 、交流电 梯、液压电 梯、齿轮齿条电 梯、螺杆式电梯、直线电机驱动电 梯， 本文研究 的是交流双速电梯。. ( 四) 按操纵控制方式分类可分为:手柄控制电 梯、按钮控制电梯、信 号控制电梯、集选控制电梯、并联控制电梯、楼群程序控制电 梯、楼群智 能 控制电 梯、微机控制电 梯等， 本文研究的是 信号、微机控制电 梯，具有自 动平层、自 动开门、轿厢命令登记、厅外召唤登记、 自 动停层、顺向 截停 和自 动换向 等功 能，用 微 机 ( p l c )处 理 信号 ， 取 代传 统的 选 层 器 和 绝 大多 数 继电 器逻 辑电 路， 适用于客 梯或 客货两 用 梯( 有司机 ) 。 ( 五 ) 按曳 引 机 结 构 分 类可 分 为:有 齿 曳引 机电 梯、无 齿曳 引 机电 梯 ( 无 减 速器) 等。其他还 有按有无司 机分 类，按机房 位置分 类等等，不再列 举。 二、电 梯所占 有的四大空间 及功能上八大系统 具 体内 容 见表1 -1 、表1 -2 三、 电 梯的 主 要 参 数 3 7 1 电 梯主要参数指额定载重量和额定速度. ( 1 ) 额定载重 量( k g ) ; 主要有如下几种: 4 0 0 , 6 3 0 , 8 0 0 , 1 0 0 0 , 1 2 5 0 , 1 6 0 0 , 2 0 0 0 , 2 5 0 0 , 3 0 0 0 k g 等。 ( 2 ) 额定 速度( m/ s ) ; 主要有 0 . 2 5、0 . 5 0 . 0 . 6 3 . 1 . 0 . 1 . 6 , 2 . 5 m/ s 等。 表i 一1 电 梯占有的四大空间 及其构件 四大空间 所属的主要构件 ( 一)机房 曳引 机、 控制柜、 承重梁、导向 轮、电派总开关、限速器、曳引 钢 丝绳联结组合件、曳引钢丝绳、 报警保护等 ( 二少井道 轿厢导轨、对重导轨、导轨支架、配线棺、平层感应器、限速器钢 丝绳张紧装置、电缆及支架、端站强迫减速装置、限位开关、 极限 开关、 缓冲器、中间接线盒、 底坑检修灯等 ( 三)轿厢 轿顶轮、 轿厢支架、 轿厢底、 轿厢顶、 轿厢壁、轿厢门、自 动门 机 构、 安全触板、门 刀、自 动门 调速、 召唤按钮、 控制电 梯功能按 钮 、 轿厢顶检修按钮、 安全灯、平 层感应器、 导靴、 对重、急 停钮、 安全钳、 安全窗及保护开 关、电话等 c 四)层站 层楼显示器、自 动门钥匙开关、手动门钥匙开关、 层 ( 厅)门、门 框、 层 厅)门地坎、呼梯按钮、到站钟 表1 -2电梯八个系统的功能及其构件与装置 八个系统功能 构件与装登 曳引系统 输出与传递动力，驱 动电梯运行 曳引 机、 曳引钢丝绳、 导向轮、 反绳轮 导向系统 使轿厢和对重只沿导 轨运行 导轨、对重导轨及支架 轿厢系统运送人员、 货物轿厢架和轿厢体 门系统运行关闭， 到站打开 轿门、 厅门、 开门 机、 联动机构、门 锁等 重量平衡系统平衡轿厢重量对重和重量补偿装置等 电力拖动系统提供动力， 控制速度曳引电机、供电系统、 速度反馈及调速装置 电气控制系统操纵和控制电梯控制柜及层示、操纵、平层、选层装置等 全 兰 ， 止、 了 口 生 内 召梦 止 士 保证人、物安全，防 止人身安全事故发生 ( 机)限速器、安全钳、缓冲器、 端站保护 装置等 ( 电) 超速、相序、上下极限保护装 置及厅门 锁与轿门电 气联锁装里等 只 匕沐 勺 广 勺飞 牛 兀 一一一一 一一一一 一里 过遵颐士 堂 位 论 文5 1 .3 本课题研究的理论与方法 我国现有电梯尚有许多严重影响人民生命财产的安全，电梯领域的技术 革新、 改 造势 在必tv 5 6 1 。 结 合我国国 情及电 梯领域的 研究热点 f l 1 3 k 4 12 2 1 ，本课 题研究的理论与方法为: 一、电梯的plc控制 继电 器 控 制技 术 落后， 故障 率 高， 已 是国 家逐 步淘 汰的 控制 系统 14 7 14 8 49 1 p l c 控制 是实 现工 业生 产自 动 化的三大 支 柱之 一 1 1 11x 1当 今美国，占 8 2 0 ,0 的厂家应用p lc，大于计算机的应用 ( 4 3 0 0 )，而且正向小型化、专业 化 、 低 成本 及大 容 量、 高速 度、 多 功能 方向 发 x 7 1 o p l c 以 程 序形 式、 采用 循环扫描的工作方式，包括输入采样、执行程序、 输出 刷新三个阶段。 这种 串行工作方式可避免继电器一 接触器控制的触点竞争和时序失配的问题，可靠 性可提高5 - 1 0 倍， 避免了 继电 器控制的触点竟争和时 序失配的问题123 f 12 7 1 ;它 比计算机可靠、方便、易于维修，更适合于现场控制。根据相关电梯设计规 范、国家标准、 规定3 7 1 - 4 1 中的 相应条款及交流 双速电 机、 直流电 机15 1. p l c 等 的基本控制原理和方法进行本课题的研究。 二、电梯的提速改造 电 梯的 提 速改 造主要涉 及到 曳引系统 容 量酬1 ) - 1 2 ) ， 必 须根 据相关电 梯设计 规范、 按国 家 标准 电 梯制 造与 安装 安全规范 )3 6 1中 的规 定 对其 相 关部 分及 参数进行安全计算、校核。 电 梯的电动机容量与曳引电 动机轴功率、 轿厢额定载重量、电 梯速度成正 比 、 与电 梯的 机械总 效率、 平 衡系 数成反比1 6 11 3 7 1 根据电梯速度与曳引绳轮直径和曳引绳直径比值关系，其最小安全曳引钢 丝绳 根数为 护1 、 曳 引绳 轮直 径和曳引 绳直 径比 值最小为4 沙 。 速度与 曳引 轮直 径、 曳引电 机转 速 成正比 ， 与 减 速比 、 曳引比 成反比 1 1 ix l 蜗轮蜗杆传动方式传动平稳、运行噪音底、结构紧凑、外形尺寸小、传动 零件少，具有良好的抗冲击载荷特性，且便于维修保养，目前速度不大于 2. 5 m l : 的电 梯曳引机减速箱大多采用此传动， 机械设计手册1 4 是蜗轮蜗杆装置 设计和强度校核的依据; 曳引轮槽中能够产生的最大有效曳引力是钢丝绳 与 一一一一一一一一一一一一一组_ 轮 槽之间 磨 擦系数 和钢丝绳绕 过 曳引 轮 包角的 指数函数 1 11; 1 ，在计 算不同 类 型 绳 槽 断 面 的 比 压 时 ， 采 用 h y m a n s和 h e l l b o r 。 早 期 的 假 设 甲 即 钢 丝 绳在绳槽中的比 压符合正弦规律，且钢丝绳在曳引轮槽中的比 压计算与校核 与轿厢额定速度相对应的曳引绳线速度有关。 三、电梯的动力学方面的理论分析、仿真与应用 由 于电梯曳引机的主要激振源是电动机，如果电动机或某一转动部件的 转 动 频 率在 此电 梯振 动系统固 有频 率范围 之中， 就有可能 发生共振 现象 1 1 . 2 0 1 电梯系统振动的计算机仿真方法仿真是通过对系统模型的实验去研究一个 存在的或在设计中的系统。为了研究、分析和设计一些系统，通常都需要对 这些系统进行实验。由于经济、安全及可能性方面的考虑，人们不希望甚至 不可能在真实的 系统上进行实验， 而希望能在模型上进行实验，因此计算机 仿 真 越 来 越 在 仿 真 中 占 有 重 要 地 位 3 0 1 54 1 常见的仿真方法有欧拉法、预测校正法、龙格一 库塔法、状态转移法等。 其基本原理都是把微分方程转化为计算机可接受的差分方程。电梯动力学仿 真 154 1所采用的 方 法 为四 阶龙 格一 库塔法 13 0 1 3 2 1 。 由 于 交 流双 速电 梯的 运行 速 度曲 线为 梯形， 通过理论分押2 0 1 . 16 和刚度测 试实 验建 立了电 梯系 统 模型 及动力学 方 程， 通过数值微分方澎6 y 得到了电 梯的 振动加 速度曲线。电 梯 运行中 振动 强 度的 校 核按电 梯的 有关标 准、电 梯制 造与安 装安 全规 范等 p 1j#, 行。 1 . 4本课题的研究及意义 本文的研究课题是二t h j - x h 电 梯的提速、 p lc改造及动力学分析与仿 真，这是一个来源于生产领域的实际科研课题，其意义在于: 1 .电 梯的提速改造为现有设备的挖潜增效作出了 积极的贡献，提高了企 业的经济效益，具有一定的推广与应用价值。 2 .其后进行的p l c 改造替换了原来的继电器一接触器控制系统，提高电 梯设备的可靠性和控制精度，故障率及维修费用均大大降低，劳动生产率大 大提高。 3 .电梯的曳引系统动力学方面的研究，关系到电 梯的振动、噪声、和乘 坐舒适感等方面的问题，是现代电梯研究的热点，有一定的理论价值。 第二章:电梯的电力拖动系统和电 气控制系统 电 梯的电力拖动和控制系统是本文的研究对象，下面介绍与此相关的理 论和方法。 互 2 . 1 电梯的电力拖动系统 电力拖动系统为电 梯提供动力，并对其实行速度控制，主要由曳引电动 机、供电系统、速度反馈装置、电 机调速装置等组成。电梯所采用的电力拖 动系统有交流变极调速 ( 交流双速电梯)系统、交流调压调速系统、变频变 压调速系统、直流电动机系统等，本节对它们的运用方法、特点及原理作以 探讨。 2 . 1 . 1 交 流 变极 调 速系 统 ( 交 流双 速电 梯) 及其原砂p v 6 ) 交流电动机具有结构紧凑，维护方便的特点，单、双速交流电动机拖 动，系统采用开环方式控制，线路简单、价格较低，因 此目 前仍在电 梯上常 用之。其调速方法主要通过改变极对数的不同而得到不同的速度。 由电机学原理可知，交流感应电动机转速n 可表达为: n =6 0 f i ( 1 - s ) / p ( 2 ， 一1 ) 式中 n一同步转速( r p m) f ; 一定子电 源频率 ( hz , 1 / s ) p 一极对数 、 一差转率 ( 旋转磁场同步转速与转子转速之差和同步旋转磁场转速之 比) 从 而可知，改变磁极对数就可改变电 动机转速。 一、变极原理:改变绕组联接方法，使流过线圈的电流反向，即可达到 改变极对数的目的。将一相绕组分成两半，当两绕组顺接串联时，在气隙中 形成四对磁场，如果把其中一半绕组的电流反向，即把两半绕组反接串联或 反接并联时，气隙中就形成两极磁场，同步转速将提高一倍，如图2 -1 所 尔 。 k i s i n i s i s s 1卜 、 . ) f 1x i a , ) ( x ，八 、 厂 x , 八 、八 自 厂 xa i l i s 图 2 -1电 流 反向 变极原理: )4 极 b 痒极 c ) 2 极 对于异步三相电 动机， 最常用的 两种接法是: y-yy和-yy，如 图2 一 一 2 所示。 由图可见，换接后每相都有一半绕组中的电流改变方向，故而极对数减 少一半，同步转速增加一倍。由于极对数改变，以电角度表示的各相之间相 位差也随之改变，引 起相序变换。为使电 动机的转向在变极前后保持一致换 接后须将绕组出 线端对调一下，以 保持变极前后相序不变. 二、变极调速时的容许输出与机械特性: 为了 使电 动机得到充分利用，应考虑高低速时电 机绕组内 都流过额定电流 bc 。zj/r训旧片 、卜日1洲创卜 八一|1.1|1 阵卜协 一御 八卜训洲际 丫 低连丫 丫 , r a t) 丫丫丫挟接方法 图2一 一 2 l k ,l. i ;丫y ( ; r, it . ) 一丫丫换接方法 三相绕组变极的两种接线方法 i n时的输出功率与转矩。假定变极前后电动机的功率国数。 o s (p1 与效率r 不变，足子线电 u1 不变，设定子线电 流i 1 ，则电 动机输出功率p可表示为: p 一 万 u 1 . 1 1 . q . c o s id i( 2 - -2 ) ; a . 出转矩为: t =9 5 5 0 ( p / n ) “ 9 55 0 ( p / n ( 2 -3 ) 一 一- 生 21 大 堂 虽士 坐位 论 文 _ _， “y -y y换接 对 于 y y接， 极 对数 为 p ， 相应同 步 转速为 2 n ;当 绕组电 流 为 i n 时，出 线端电流为2 i n，因此， p y y 一 万u i ( 2 i n ) . ti . c o s o 1 t y y -9 5 5 0 p2 y y / ( 2 n) 对于 y接， 极对数 为 2 p， 相应的 同步 转速为 n， 电 流为绕组电 流i n ，因 此， p y = 万 u l i n . ” 。 o s q) 1 = ( i / 2 ) p y y t y - 9 5 5 0 p y y 七 1= 9 5 5 0 p y y / 2 n= t y y 可见，y-yy换接时，输出转矩不变，即允许输出恒转矩，属于恒转矩速。 b . -yy换接 对 接， 极 对 数为 2 p ， 相应同 步转 速为n， 当 绕 组电 而 n 时， 出线端电流为佳i n，因此， p 一万 u 1 . ( 万 i 。 ) . 11 . c o s 0 1 二(万 / 2) p 2 y y = 0 8 6 6 p y y t = 9 5 5 0 p i n =万 p y y l 2 n 一 万 t 2 y y = i . 7 3 2 t 2 y y 可见， 一yy换接时，输出功率变化不太大， 粗略地可看成恒功率调速。 有关二转换接的 机械特性见图2 一3 丫丫接 。止: 丫 丫丫一丫丫 图2 -3 变极调速时两接法的机械特性 通过变极，不仅可得到2:1 调速，也可得到3: 2 或4: 3 调速， 以及三速甚至四速电动机。 一-一- 三、反馈制动 ( 发电制动) 由 于某 种原因， 异步电 动 机的 运行 速度高于它的同 步 速度， 即 n n 0 , s = ( n 0 - n ) / n 0 。 时， 异步电 动 机就进入发电 状态。显然， 这时候转子导体 切割旋转磁场的方向与电动状态时的方向相反，电流工 2 改变了方向，电磁转 矩t = km. (d 1 .i 2 . c o s 0 2 也随之改变方向，即 t 与n 的 方向 相反， t 起制 动作用。反馈制动时，电极从轴功率上吸取功率后，一部分转换为转子铜 耗，大部分则通过空气隙进入定子，并在供给定子铜耗和铁耗后，反馈给电 力网，所以称之为反馈制动又称之谓发电制动。 这时候，异步电动机实际上是一台与电力网并联运行的异步发电机。由 于t d 为负，s u , .t 一 1泣|1.一1、口 -v 0+4f 一 图2 -s p wm控制器图 2 -7调压 调速时的 机械 特性 变频变压调速 ( 简称vvvf)就是通过改变交流电动机供电电源的频 率而调节电动机的同步转速，使转速无级调速。这是交流电动机较合理的调 速方法，也就是说是通过改变施加于电动机进线端的电压和电 源频率来调节 电动机转速。 根据转速公式 ( 2 -1 )可知，除了改变极对数能改变交流电动机的同步 转速外，改变施加于电动机端的电源频率五也可改变其转速，如连续地 改变频率f ;，则可获得与电动机所固 有的机械特性 ( 在额定频率5 0 hz情况 下) 相平行的一簇人为机械特性 1+ l 由于电子元器件的不断发展，新的电子元件的不断涌现以及微处理机为 代表的信息处理元器件的诞生，因 而交流可变压可变频 ( vvvf)控制技术 得到迅速发展，1 9 8 3 年世界上开始出现vvvf 控制交流调速电 梯，此梯可 节能1 5 %一 2 0 %，同时在乘坐舒适感上都比 较好。 此种调速系统，根据电动机和电梯为恒转矩负载的要求， 在变频调速时 需保持电 动机的最大转矩不变，维持磁通恒定。这就要求定子绕组供电电压 也要作相应调节。因此，其电动机的供电电源的驱动系统应能同时改变电压 一 ， 一 一 里 t 7 $ i f l .i q 7 - 一 一 一 1 4 和频率。 对电动机供电的变频器要求有调压和调频两种功能。因此，性能良 好的变频器或控制器就是关键。 变频器共有四种类型:交一直一交电 压源型、交一直一交电流源型、交 一交电 压源型 、交一交电流源型的变频器; 由于其它类型变频器均有一定缺 点 2 ，目 前电 梯用vvvf 调速系统大部分采用交一直一交电 压源型的 p wm 控制器。 三、 p wm控制器 ( 脉冲宽度调制变频) p wm变频， 其电 路结构与电 压源型变频相似， 用不可控硅整流器代替 原 来的 可控整流 器， 逆变器 ill 喻用晶 体管， 但更多的 是用大功率晶体管 ( gt r)，如图2 -8 所示。 它由 控制线路按一定的规律控制功率开关元件 ( gt r)的通、断，从而 在逆变器的输出 端获得一组等幅但不等宽的矩形脉冲波形 ( 图2 一 . 9 ( b)中 实线所示)来近似等效于正弦电压波 ( 如图2 -9 ( b)中虚线所示)。 图2 一9 是获得这种波形的一种方法， 它利用等幅的三角波即载波，与 正弦波即称为调制波 ( 如图2 - 9 ( a )所示)，载波与调制波相交点发出 开、关功率开关元件的触发脉冲。在正弦波值大于三角波值时，控制逆变器 的晶体管开关导通;而 当正弦披值小于三角波值时，控制逆变器的品休管开 ums u , t 图2 -9 p wm正弦波的产生图2 -1 0三角载波 关截止，就可在逆变器输出端得到一组幅值等于逆变器直流侧电压e,宽度按 正弦波规律变化的一组矩形脉冲序列，它等效于正弦曲线u d s i n co t 。提高正 弦控制波u ms i n w t 的幅值就可提高输出矩形波的宽度，从而提高输出等效 正弦波的幅值u m ;改变直流电 压e的幅值也可以改变输出等效正弦波幅值; 改变调制波的频率。就改变了输出等效正弦波的频率，实现变频。 所以，改 变e和。， 就可实现变频变压。 上面提到的方法只是得到交流正半周的调宽脉冲。对于正弦波的负半周 就要用相应的负值三角波进行调制。 在实际电 梯控制中，我们采用图 2 -1 0 的 三角波就可以得到全波的调宽脉冲。 2 . 1 . 4 直流电动机系统及其原理 一、直流电动机系统工作原理 直流电动机具有调速性能 好、调速范围大的特点，因而很早就被应用于 电梯上，采用发电 机一电动机组 ( f一 d)形式。这种系统在速度达2 m / s 以上 的电梯中仍有较多的应用 ( 包括有齿轮和无齿轮电梯)，其控制速度达到4 m / s ，但其缺点是机组体积大、耗电大，维护工作量较大、造价高。本文在电 梯p l c 改造中应用直流电 动机来驱动开关门 机构。 根据图2 一n直流电动机的结构原理，可列出电动机的电势平衡方程式: ea = ua l a ( ra +rt) . ea =c e . 中. n 直流电动机的转速可由下式表示: n = u a - i a ( r a + r t ) / ( c e . (d )( 2 -4 ) 。j下 了 图2 -1 1 直流电动机电路 图2 -1 2 直流电动机机械特性曲线 式中， /.一州汗与 e a 一电 动机的感应电 动势( v) ; ua 一外加电 压( v) ; 工 a 一电 枢电 流 ( a) ; ra 一电 枢电 阻( 。 ) ; rt 一调整电 阻( 。 ) ;” n 一转速( r 1 m) ; c 。 一电 势常 数( v. mi n ) ; / r . . 一 一 一， (p -励磁磁通 ( 韦伯)。图2 -1 3能耗制动的原理图 从上式可以看出，直流电动机的实际转速是与电压、电流、回路总电 阻、磁通量等因素有关;并且与电压成正比，与磁通中成反比。因此要求获 得曳引直流电动机的转速变化，一般采用的方法有: ( 1)改变施加电动机端电压ua ; ( 2)调节调整电阻rt ; ( 3 )改变励磁磁通中 一般很少用改变电 动机磁通量的，即保持。为常数。 在保持电动机磁通量不变的情况下，本课题通过改变r t 来实现电梯开门 机的调速。其机械特性曲线均是平行的 ( 如图2 -1 2 所示)，即所谓 “ 特 性 硬度”不变，亦即在同一电 压下，负载变化时，其转速变化不大。在不同电 压时，其转速变化量始终保持不变。 2 、直流电动机的反转、制动和启动 ( 1 ) 直流电动机的反转 要改变电动机的旋转方向，其关键在于如何改变电动机的电 磁转矩的方 向。电磁转矩的方向是由主磁极磁通的方向和电枢电流的方向决定的，两者 之中任意改变一个就可改变电磁转矩的方向，从而改变了电动机的旋转方 向。其方法就是将励磁绕组或电 枢绕组接到电源的两根导线对调一下位置， 就可改变励磁电 压或电枢电 压的极性。两种方法任选其一口 ( 2 ) 直流电动机的制动 直流电动机在各种生产机械中应用很广，应用中都希望它能快速启动， 一一一一一一一一一一一一一一二班_1 7 还希望它能很快停车，这有利于提高工作效率和安全操作。 为使电动机在停车的瞬间，能在轴上加一个与原转动方向相反的制动转 矩，使电 动机制动。产生制动转矩的方法可以 有多个。下面只介绍一种在本 文研究的电梯开门 机构直流电动机中应用的能 耗制动方法及原理。 图2 -1 3 是能耗制动的原理图。在需要制动时，将电枢绕组断开电源而 立即与一制动电阻rt 相接，当电枢因惯性而沿原来转动方向旋转时，电枢绕 组切割主磁极磁通，这时候产生的感应电动势e会在电枢绕组和制动电阻所构 成的回路中产生电流，这时候的直流电 动机处于发电状态。因 此，电磁转矩 的方向与转子旋转的方向是相反的系制动转矩。这时候电动机会很快停下 来。当转速降到零时，电动势e和电枢电 流也降到零，制动转矩也自 然消失。 制动电阻rt 越小，电枢电流越大，制动转矩也越大，制动的效果越明 显。因此制动电阻的大小也就决定了制动时间的长短。但是，制动电阻不能 过小，否则电 枢电流会过大，应使制动瞬间的电流不超过额定电 枢电流的1 . 5 一2 . 5 倍。 从上述制动过程看，实际上是将转子及其拖动的生产机械的动能转变成 电能消耗在制动电阻上，所以这种制动方式称为能耗制动。 ( 3 ) 直流电动机的启动 直流电动机的转动由静止状态到稳定状态这段过程称为启动过程。启动 瞬间的电 枢电流称为启动电流。启动瞬间的电磁转矩称为启动转矩。电动机 在启动时要有两个基本的条拌: 第一要有足够大的启动转矩，这样启动过程所需要的时间就短。 第二启动电流不能超出安全范围。在直流电动机中，因受到换向的限 制，电枢电流不能超过额定电流的1 . 5 一 2 . 5 倍。直流电动机不允许直接启动 的。这时因电枢电阴 .r a 很小，启 动电流会很大，可达到电 枢额定电流的1 0 - 2 0 倍，这样大的电流是换向 器所不允许的;同时启动转矩也能达到额定转矩 的1 。 一 2 0 倍，会使电动机和它所拖动的机械受到很大的冲击，损坏传动机构 ( 齿 轮) 2 1 ，因 此必须限制启 动电 流的 数值。本 文采用增加电 枢电 路的电 阻启 动，即在电枢 电路中串联接入一个专供启动用的可调的电阻。启动时调至最 一 一 一中南大学硕土 堂位论文1 8 灭值，随 着电动机转速的提高， 逐渐将电阻变小，最后切除。电阻值一般以 限制启动电流为额定电流的1 . 5 一 2 . 5 倍为准。 2 .2电 梯上 常 用的 控制 系 统 及其 控制 方 法 2 .2 . 1电气控制系统及其基本要求 控制系统是由电 梯被控制系统及其施控装置组成的系统。 功能:对电梯的运行实行操纵和控制。 通过电路控制电力拖动系统工作程序，完成各种电气动作功能，保证电 梯安全运1 孔组成:电 气控制系统一般由控制柜、操纵箱、选层器、换速 平层装置、层楼指示及呼梯装置、开关门电机及开关门调速开关、曳引 电动机、制动器线圈、电气安全保护装置及随行电缆、 接线箱等几十 个分散安装在电 梯各部位的 零部件组成。 基本要求:对于不同类型的电梯，对它的控制线路也有不同要求，但对电气 控制系统的基本要求是相同的。根据电梯的运行特点，对电气控制系统 有以下要求: 1 . 安全可靠: 这是检验电 梯性能的一个重要指标，电气安全装置与机械安全装置共同 构成了电梯的安全保护系统。 电梯运行必须安全可靠。国家标准规定，整机可靠性检验为交付使用后 的电梯，起制动运行6 0 0 0 0次中发生失效 ( 故障) 的次数，合格品40 由 此看来，上述二指标满足要求。 又 知 安 全 系 到1 1 2 1 f s = n l过. np / t 其中 n l 一悬挂钢丝绳根数; 论一曳引比; n p 根 钢丝 绳的 最小 破断 载 荷， 查 机械设 计手解14 1知 6 x (d 1 6 的 单 根 破断 载荷为 1 2 7 kn; 我 国 规定 取 0 . 8 4为 计 算 n p 时 的 折算 系 数， 故 np =1 2 7 x 0 . 8 4 kn; t 一载有额定载荷停靠在最低层站时钢丝绳上的最大静载荷，并考虑钢 丝绳重量、电缆重量以及补偿重量;已知轿厢重量2 2 0 0 kg;额定载重量3 o o o kg;按电梯静载试验计算得: t 二 ( 1 5 0% x 3 00 0+2 200)x9. 8 657 27 ( kn) 代入相关数据得: f s =16. 23 12; 因此，钢丝绳安全可靠。 _生 a 大 学 硕士 学 位 论 文 _” 3 . 1 . 3 t h j -7 h 电 梯的 机械安全保护系统 在现代电 梯上都设 有完善的安全保护系统，它包括一系列的电 气安全装 置和机械安全装置以防止任何不安全情况发生。在电梯的安全保护系统中提 供最后的综合的安全保障是限速器、安全钳和缓冲器，也就是说，当电梯运 行中无论何种原因使轿厢发生超速，甚至坠落的危险状况