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电气电子毕业设计论文
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毕业设计69电梯的运动控制,电气电子毕业设计论文
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电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 1 电梯的运动控制 文摘 随着高层建筑特别是智能建筑的飞速发展，电梯作为必不可少的垂直运输交通工具，其使用量日益增多，其地位和作用倍显重要。电梯的结构组成、控制原理、使用维护等方面的基础内容已成为电气工程技术人员急需了解的必要知识。变频调速系统以其优良的性能很早就受到注目，但直到交流电力传动技术及其控制理论的发展和提高，才使得结构简单、维护方便、价格低廉的交流笼式感应电动机在电梯电力拖动系统中发挥重大的作用。 1984 年日本三菱电机公司首先提出了使用交流电动机变压变频调速系统的电梯。这类电梯的实质是改变施加于电 机进线端的电压和电源频率来调节电动机转速，这就是 V（ VARY） V（ VOLTAGE）V（ VARY） F（ FREQUENCY）调速电梯，简称 VVVF 电梯。本文就电梯的控制方法展开基础的研究，着重于交流变压变频调速在电梯中的应用。 关键词 电梯；运动控制；交流变压变频调速 电梯 是现代办公大楼，高层建筑、宾馆、医院、大型图书馆、工矿企业、仓库以及桥梁、码头、船只等方面都需要的一种垂直运输设备 。近年来，随着城市的发展，高层建筑的迅速增多，对高性能电梯的电力拖动系统提出了新的要求。更加舒适、小型、节能、可靠和精确有效 的速度控制是其发展方向。而电机技术、功率电子技术、微计算机技术及电机控制理论的发展，使其实现成为了可能。 1. 电梯的基本介绍 1.1 电梯 电梯是“用电力拖动，具有乘客或载货轿箱，其运行于铅垂的或于铅垂方向倾斜不大于 015 角的两列刚性导轨之间，运送乘客和（或）货物的固定设备。电梯的主要特征：拖动方式，轿箱，铅垂运输、运行于两列导轨之间、用途、固定设备。这六个方面必须同时满足。在产品型号中，电梯的代表汉字“梯”，代号“ T”。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 2 1.2 电梯的基本分类 电梯的基本分类比较复 杂，一般常从不同的角度进行分类。 （ 1） 按用途分类可以分为：乘客电梯、货物电梯、住宅电梯、杂物电梯、船用电梯、汽车用电梯、观光电梯、病床电梯、消防电梯、建筑施工电梯、扶梯、自动人行道（自动步梯）、特种电梯。 （ 2） 按速度分类可以分为低速梯、快速梯、高速梯、超高速梯。 （ 3） 按驱动系统分类分为交流电梯和直流电梯：一、交流电梯分：交流单速电梯，曳引电动机为交流单速异步电动机，梯速 v 0.4m/s,例如用于杂物梯等；交流双速电梯，曳引电动机为电梯专用的变极对数的交流 异步电动机，梯速v 1m/s，提升高度 h 35m/s；交流调速电梯；交流高速电梯。 二、直流电梯曳引电动机是电梯专用的直流电动机分为以下两类：直流快速电梯；直流高速电梯。三、液压电梯分为： 柱塞直顶式 ；柱塞侧顶式。 （ 4） 按控制方式分类：手柄开关控制，自动门电梯； 手柄开关控制，手动门电梯；按钮控制，自动门电梯 ；按钮控制，手动门电梯 ；信号控制电梯 ；集选控制电梯； 并联控制电梯； 梯群控 制电梯； 微机控制电梯。 （ 5） 按曳引机有无减速分类：（ 1）有齿轮电梯；（ 2）无齿轮电梯。 （ 6） 按载重分类，电梯的额定栽种标准系列（同 ISO 标准）有： 40， 630，800， 1000， 1250， 1600， 2000， 2500， 3000， 3500， 4000， 5000， 8000， 10000（ KG）；客梯额定载重量有： 630， 800， 1000， 1250， 1600（ KG）；住宅梯额定载重量有： 400， 630， 1000；货梯额定载重有： 630， 1000， 1600， 2000， 2500；医梯额定载重量有： 1600， 2000， 2500；杂物梯额定载重量有： 40， 100， 250。 1.3 电梯的型号 电梯的型号编制方法：型号，即采用一组字母和数字，以简单明了的方式，将电梯的基本规格的主要内容表示出来。我国部颁标准中规定了如下的电梯型号编制法。 表 1 类别代号表 产品类别 代表汉字 拼音 采用代号 电梯 梯 Ti T nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 3 液压梯 表 2 品种（组）代号表 产品品种 代表汉字 拼音 采用代号 产品品种 代表汉字 拼音 采用代号 乘客电梯 客 KE K 杂物电梯 物 WU W 载客电梯 货 HUO H 船用电梯 船 CHUAN C 客货（两用）电梯 两 LIANG L 观光电梯 观 GUAN G 病床电梯 病 BING B 汽车用电梯 汽 QI Q 住宅电梯 住 ZHU Z 表 3 拖动方式代号表 拖动方式 代表汉字 拼音 采用代号 拖动方式 代表汉字 拼音 采用代号 交流 交 JIAO J 液压 液 YE Y 直流 直 ZHI Z 齿轮齿条 齿 CHI C 表 4 控制方式代号表 控制方式 代表汉字 采用代号 控制方式 代表汉字 采用代号 手柄开关控制，自动门 手， 自 SZ 信号控制 信号 XH 手柄开关控制，手动门 手，手 SS 集选控制 集选 JX 按钮控制，自动门 按，自 AZ 并联控制 并联 BL 按钮控制，手动门 按，手 AS 梯群控制 群控 OK nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 4 图 1 电梯的名称结构 1.4 电梯的主要参数及规格尺寸 电梯主要参数名称及含义： （ 1）额定载重量（ kg） ：制造和设计规定，电梯的额定载重量。 （ 2）轿厢尺寸（ mm） ：宽 *深 *高 （ 3）轿厢形式：有单双面开门及其他特殊要求等，以及对轿顶，轿底，轿壁的处理。颜色的选择，对电风扇，电话的要求等等。 （ 4）轿厢形式：有栅栏门，封闭式中分门，封闭式双折门，封闭式双折中分门等。 （ 5）开门宽度 (mm)：轿厢门和层门完全开启的净宽度。 （ 6）开门方向：人在轿厢外面对轿厢门向左方向开启为左开门，门向右方向开启为右开门，两扇门分别向左右开启者为中开门，也称中分门。 （ 7）牵引方式：常用的有平绕 1： 1 的吊索法。轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。半绕 2 1 吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度的一半。全绕 1 1 吊索法。轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。 （ 8）额定速度（ m/s） ：制造和设计规定的电梯运行速度。 （ 9）电气控制系统：包括控制方式，拖动系统的形式等。如交流电动机或直流电动机拖动。轿内按钮控制或集选控制等。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 5 （ 10）停层站数（站）：凡在建筑物内各楼层用于出入轿厢的地点均为站。 （ 11）提升高度（ mm） ：由顶层端站楼面至楼顶站楼面之间的垂直距离。 （ 12）顶层高度（ mm） ：由顶层端站楼面至机房楼楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离，电梯运行速度越快，顶层高度一般越高。 （ 13）底层深度（ mm） ：有底层段站楼面至井道之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，底坑一般越深。 （ 14）井道高度 (mm)：由井道底面 至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离。 （ 15）井道尺寸 (mm)：宽 深 图 2 电梯牵引方式 （ a） 平绕 1 1 吊索法； （ b） 2 1 吊索法； （ c） 全绕 1 1 吊索法； 对重装置；牵引绳；导向轮；牵引绳；对重轮；轿厢；复绕轮；轿顶轮。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 6 1.5 电梯的结构 电梯是机电一体化的大型复杂设备，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，两者不可分割，关系密切。机与电的高度合一，使电梯成为现代科技的综合产物，需要对电梯的总体结构有个概括的认识： （ 1） 四大 空间 ：电梯所占空间主要包括机房、井道、轿箱和层站四大空间。 （ 2） 八大系统：电梯的八大系统有曳引系统、导向系统、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气拖动系统、电气控制系统、安全保护系统。 2. 电梯工作运行及特点 2.1 电梯运行的基本要求及主要性能指标 电梯系统的基本要求是：安全可靠、起、制动平稳、感觉舒适、平层准确、侯梯时间短、节约能源。电梯性能应兼顾乘坐舒适感、运行效率和节约造价等方面的要求，这样就需要合理选择速度曲线。电梯的运行速度曲线有梯形、抛物线型、抛物线 -直线综合形速度曲线几种。它们的实 现可以通过模拟、模拟 -数字和全数字 3 种方法获得。 根据人们生活中的经验表明，在运动速度不变的情况下，速度值的大小对人们的器官基本上没有什么影响。但在高速的升降运动中，人体周围气压的迅速变化，对人们的器官产生了一定的影响，例如耳膜会感到压力而嗡嗡作响等。只要采取一定的措施就可以消除这些影响。所以目前电梯的运行速度已高达 sm/10 ，仍能使乘客无太多的不适感。 电梯轿箱加速上升或减速下降时，人体内脏的质量向下压迫骨盆，全身会有超重感。当轿箱加速下降或减速上升时，支撑内脏的腹肌就 会失掉一部分重量，产生失重感。这些使内脏提升的结果就会压迫胸肺、心脏等。由于这部分不同于骨盆。没有较大的反作用力，会造成心、肺、胃等的不适，甚至头晕目眩。因此加速下降或减速上升所造成的失重感比加速上升或减速下降所造成的超重感使乘客更感不适。 为了使电梯的运行速度符合人体的要求，人们通过实验证明乘客的感觉和速度无关，而与加速度和减速度有关，大的加速度能使人们产生痛苦，如眩晕、呼吸困难、恶心或心脏剧烈跳动等。但是在一定的范围内，加速度的变化率所产生的影响远比加速度产生的影响大。所以在选择电梯运行速度及其变化率时 ，既要nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 7 适当的选定加速度及其变化率，又要使电梯运行时间尽可能得短，以提高运行效率。 主要性能指标： 电梯运行包括加速启动和减速制动或加速启动、稳速运行和减速制动。因此电梯启动和制动是电梯运行质量的重要指标之一。电梯在启动和制动过程中，速度变化选择是十分重要的问题。选择的适当与否直接关系到电梯运行的平稳、乘坐的舒适及运行效率。 电梯工作时，除了保证安全运行外，还应保持一定的舒适感，为此常以速度特性、工作噪音、平台准确度作为电梯的主要性能指标。 （ 1） 速度特性，速度特性如图 3 所示。 图 3 速度特性 1） 启动振动 a1： 指电梯在启动时，由于加速度的作用所引起的最大振动加速度。 2） 制动振动 a2：指电梯在制动时产生的最大振动加速度。 3） 加速度最大值 a3：指电梯在加速阶段中的最大加速度。 4） 减速度最大值 a4：指电梯在减速阶段中的最大减速度。 5） 加、减速度时的垂直振动 a5：指电梯在加、减速过程中，伴随出现的上下振动。 6） 运行过程中垂直振动：指电梯在稳定运行时，发生在垂直方向上的振动加速度。 7） 运行中水平振动：指电梯在稳定运行时，发生在垂直方向上的振动加速度。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 8 8） 对于速度特性指标，我国电梯技术条件中，只对加、减速度最大值及水平振动加速度做出了规定 ：加减速度最大值，不大于 2/5.1 sm ；水平振动加速度，不大于 2/5 scm 。 9） 其中对加、减速度还规定：交、直流快速电梯平均加、减速度不小于 2/5.0 sm ，直流高速电梯平均加、减速度不小于 2/7.0 sm 。对水平振动加速度其规定值要求偏高，实际执行值为 2/15 sm 。 （ 2） 工作噪声 1） 轿箱内的噪声级值：指电梯在启动运行至减速制停的全过程中，轿箱内的 噪声最大测量值。 2） 自动门机构在开、关过程中的噪声级值：指电梯在开关门过程中的噪声最大测量值。 机房噪声级值，指电梯在运行时，机房中噪声的平均测量值。 2.2 电梯的工作原理 当 曳引 机组的 曳引 轮旋转时，依靠嵌在 曳引 轮槽中的钢丝绳与 曳引 槽之间的摩擦力，驱动钢丝绳来升降轿厢， 曳引 钢丝绳一端挂着轿厢，另一端悬挂对重，产生拉力分别为 S1 和 S2。当 S1 和 S2 的差值等于或小于绳槽之间摩擦力时，电梯正常运行，绳槽之间无打滑现象。具体图形见下图 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 9 图 4 电梯的工作原理 图 1 曳引 轮 2.曳引 钢丝绳 3. 导向轮 4.轿厢 5.对重 曳引 钢丝绳与 曳引 轮槽不打滑的条件是： （ 1） 当轿厢满载，并以额定速度下降制动时： ess 521 式（ 1-1） 式中： S1-曳引 钢丝绳轿厢一边的拉力（ N）； S2-曳引 钢丝绳对重一边的拉力（ N） ； 曳引 绳在 曳引 轮上的包角，一般 00 150130 ；复绕时 0330 ，计 算时用弧度值。 e -自然对数底数， 71828.2e ； f -钢丝绳与 曳引 轮槽间的当量摩擦系数，它的大小与轮槽的形型尺寸及钢丝绳和轮间的摩擦系数 f 有关，常取 1.006.0 f 。 ff 2s in2s in22 )s in( s in4 式中， sin ， sin ， 2sin ， 2sin 中的， , 的值用角度值代入； 2,2中的值用弧度值代入。 00 120902 （或 3/22/ ）； 00 1601402 （或 5 4 33 2 1 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 10 9/89/7 ）。 式（ 1-1）中的 )/1)(1 gQGs ， )/1(2 gWs 上式中： G-轿厢自重（ N）； Q-额定载重量（ N）； W-对重装置重量（ N）； -电梯加速度。 （ 2）当轿厢空载时，以额定速度上升制动时， fSS 21 )/1(1 gGs ， )/1(2 gWs 电梯的供电设计： 电梯供电系统设计遵照国家有关电梯设计与制造规范的有关规定，既要保证电梯安全可靠供电，同时还要做到经济合理，适应现在 电梯需要。 电梯用电容量计算： 1）单台电梯用电容量计算 电梯用电容量计算这要是电梯 曳引 电动机的容量计算，考虑到电梯本身工作性质属于重复段时工作制，况且负载又经常变化，所以十分精确地计算出 曳引 电动机额定功率实属困难。经验公式提供了一种较为简单的计算方法： )(10 2)1( kWvGkP pe (1-2) 式中 eP-曳引 电机额定功率； pk-平衡系数，取 0.45 0.55； v -电梯额定运行速度（ m/s） ; G 电梯额定载重量（ kg） ; -电梯 传动总功率，交流电梯取 0.55 2） 多台电梯用电容量计算 （ 1） 按单位面积功率指标法计算 )(1000 0 kWsPP pe (1-3) 式中 0p -单位 面积所需功率，一般取 8W/m2 ； PS - 大楼总建筑面积（ m2 ） (2) 按功率统计方法计算 p e = cpe （ kW） nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 11 式中 ep -单台电梯 曳引 电机功率 （ kW） ； c -电梯台数 上述几种电梯容量估算方法， 在电梯供电系统工程初步设计中是允许的。 电梯供电系统用电容量计算： 若大楼内工作电梯较少（如只有一台或两台）。虽然电梯处于频繁短时工作制，但计算供电容量时，可近似认为电梯仍处于长期工作制。电梯供电容量与单梯用电量相等，即： fes PPP 式中，sP供电系统供电容量（ kW） ；eP曳引 电动机额定功率 (kW)；fP电梯附属设备用电量 (kW)。 若大楼内工 作电梯比较多（多于 2 台）且同时工作，计算供电容量时应将电梯按重复短时工作制考虑。客梯负载持续率eF取 60%，货梯，医用梯，服务梯等取 40%。二项式法与需要系数法均可计算出供电容量。但需注意，计算的容量应是将持续率eF一律变换为 25%时的有用功率，即： )(225.0 kWPFPPEPP feefees 电梯计算电流的计算 1） 按长期工作制计算： )(AIIIfejs 2） 按反复短时工作制计算： )(15.1 AIFIIfeejs 式中 jsI-电梯 曳引 电机计算电流（ A）；e I-曳引 电动机额定电流（ A）；f I-电梯附属设备工作电流（ A）。 电梯尖峰电流计算： eQjsjf IIII 式中 jfI-电梯 曳引 电机尖峰电流（ A）；Q I-电梯 曳引 电 机起动电流（ A）；jsI-电梯 曳引 电机计算电流（ A）；e I-电梯 曳引 电机额定电流（ A）。 计算出电梯供电容量，计算电流及峰值电流，便可根据电梯供电系统的要求选择相应的电气设备。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 12 2.3 电梯的控制技术 电梯的控制技术是指电梯的传动系统的电气自动控制。在高层建筑中，人们曾设计并制造出许多具有良好的传动及操纵性能的电梯。现代电梯主要以高层建筑为服务对象，为了更好的满足高层建筑对电梯的需要，电梯控制技术同样也经历了由简单到复杂 ，由低级到 高级的发展阶段。 20 世纪 70 年代，我国的电梯主要为交流双速电梯，其调速方法是采用改变电梯牵引电动机的极对数。两种或两种不同极对数的绕组，其中极数少的绕组称为高速绕组。高速绕组用于电梯的起动及稳速运行，低速绕组用于制动及电梯的维修。 由于这种电梯的结构简单，价格较低、使用与维护都较方便，虽然牵引电动机调速不够平稳、舒适感较差，但对其进行必要的改造，例如添加涡流制动器将原来的调速系统的开环控制变成闭环控制，电梯的运行性能可有较大的改善。所以在这些场合下， 交流双速电梯仍可以满足使用者的要求。 20 世纪 80 年代盛行的交流调压调速电梯，其性能优越于交流双速电梯。调压调速方法是改变三相异步电动机的定子供电电压实现电动机的调速。由于电梯制动减速性能要求较高，所以采用的制动方法也有所不同，通常多为能耗制动。 在能耗制动中，将电机定子绕组接至直流电源，再加上采用闭环控制方式，从而有效的控制了能耗制动转矩，使制动减速过程快速平稳，且制动精度高。 调压调速电梯的起动，稳速及制动的全过程中实现了闭环控制 20 世纪 90 年代，调压调频调速电梯开始占据世界电梯市场。调压调频调速电梯 （简称 VVVF 电梯）的调速方法是调节电机定子绕组供电电压的幅值及频率。在 VVVF 电梯的传动系统中，大量采用了微机控制技术及脉冲宽度调制技术。脉冲宽度调制器（简称 PMW 控制器）保证了由逆变器输送至三相异步电机定子电压波形为等效正弦波形。 调压调频调速电梯传动系统中还广泛地采用了矢量变换技术，使交流电机转速的控制类似于直流电机。 VVVF 电梯由于其体积小，重量轻，运行效率高，又节省能源，几乎包括了以往所有的电梯的优点，再加上极为完善的调速性能，因此它的应用几乎完全可nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 13 以和直流电梯相媲美。 VVVF电梯是电梯发展的 必然结果，他的许多优点已经被世人所瞩目。 VVVF电梯已遍布世界各国，如日本的三菱公司，东芝公司。日立公司，美国的奥的斯公司以及我国的广州电梯工业公司等较大电梯生产厂家都在研制或进一步开发VVVF 电梯，并取得了可喜的成果。 3.电梯的选择与设置 3.1 电梯供电系统设计 ： 根据民用建筑电气设计规范（ JGJ/T16-92），电梯供电系统设计应注意以下几点： （ 1） 供电系统构成应根据电梯负荷级别确定。各类建筑物电梯的负荷分级见民用建筑电气设计规范 中第三章表 3.1.2，而对于表中未详列者，可做如下规定：一般 客梯为二级，重要的为一级；一般货梯，医用梯为三级，重要的为二级；自动扶梯，自动人行道一般为三级，重要的为二级。 （ 2） 每台电梯电源应采用专用回路供电，并应装设单独的隔离电器和短路保护。馈电开关宜采用低压短路器，其额定电流应根据 曳引 电机的计算电流和起动电流来确定。 电梯工作照明，通风装置及各种用电插座电源（如轿厢，机房和滑轮见的照明和通风，轿顶，底坑的电源插座，机房和滑轮间的电源插座，电梯井道照明及报警装置）应由机房内电源配电箱（柜）单独供电。 （ 3） 消防电梯应具有单独供电回路，并应满足防火要求，还要设置正常 电源与消防专用电源转换装置。 （ 4） 电梯轿厢内应设有应急照明（自容方式），连续供电时间不应少于 20min。轿厢内工作照明灯不应少于两个，轿厢地面照度不应小于 5 lx。电梯井道内应设置永久性电气照明。 电梯专用线（电源线除外）沿井道敷设时，通常沿井道壁的厅门左侧向下，而且在每一层均设置一出线接线盒。 （ 5） 井道布线管应排列整齐美观，安全可靠，所有金属管均做电气联接，使之成为地线或零线的通路。如采用接零保护，零线应重复接地。井道内零线重复接地可直接从井道底坑中引出来，其接地电阻 10 ，再将机房 曳引 机，控制柜nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 14 等电气设备金属外壳与金属线管用 4mm 以上裸铜线的跳线（跨接线）连接起来。 （ 6） 轿厢接地线可用两根 2.5mm2 软电缆并联，由接地或接零的金属布线管引入轿厢金属外壳上。 随着城市建设的飞速发展，高层旅馆、办公楼和住宅应运而生，消防电梯也愈来愈多地应用到高层建筑的消防设计中，在高层建筑的人员疏散和火灾扑救过程中发挥着非常关键的作用。然而，有些单位为了节约资金，在工程设计中只设计了客梯，有的因为设计资质低，设计中消防电梯的设置数 量不足或者没有合理进行设置，而又侥幸没有通过消防部门的审核，致使留下先天性的隐患， 一旦发生火灾时，消防电梯不能发挥应有的作用。因为，当高层建筑发生火灾时，工作电梯会因断电和不具备防烟功能等而停止使用，楼梯则成为此时垂直疏散的主要设施，消防电梯则成为运送消防员尽快抵达和撤离火灾现场的一种交通工具，同时还可以用来疏散乘客消防电梯井属于竖向管井，当建筑物发生火灾时，竖向管井是火势上下蔓延的主要途径，而且也是拔烟火的通道，若防火分隔不当或未作适当防火处理，高温烟火会迅速传播扩大，造成扑救困难，严重危及人身安全，增 大火灾损失。电梯井一般都与电梯厅，走道及其他房间相通，若在其中设有可燃气体和易燃、可燃液体、电线（缆），不但不安全，而且一旦发生火灾会威胁其他管井及整个建筑物的安全。为此，消防电梯井应单独设置，消防电梯井与机房与相邻电梯井、机房之间，应采用耐火极限不低于 2 小时的隔墙隔开，在隔墙上开门时，应设甲级防火门。电梯井内应严禁敷设可燃气体和甲、乙、丙类液体管道，并不应敷设与电梯无关的电缆、电线等。消防电梯井壁除开设电梯门洞和通气孔外，不应开设其他洞口，电梯门不应采用栅栏门。规范要求：消防电梯的用电不论在一类高层或二类 高层建筑中都应保证有能够自动切换的双电源，线路应采用消防电源的敷设方式，确保火灾时的安全使用。消防电梯的配电线路防火设计应与其功能相适应。根据当前消防工程实例，消防电梯配电一般是由设在高层建筑底层或地下室的变电所敷设两路专线配电至位于高层建筑顶层的电梯机房，从而造成消防电梯配电线路一般都比较长，且路由也比较复杂。因此，为提高供电可靠性，消防电梯配电线路应采用耐火电缆；当有供电可靠性特殊要求时，两路配电专线中的一路可选用铜皮防火型电缆。此外，垂直敷设的消防电梯配电线路应尽可能设在电气竖井内。当消防设备配电线路 采用绝缘层和护套为不延燃nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 15 的电缆并敷设在电缆竖井中时，因电缆本身具有耐火耐热性能，可不用金属管保护。但是，当与延燃电缆敷设在同一个电缆井时，两者中间必须用耐火材料隔开。现行方式敷设的电缆容易受到火灾威胁，可以将消防电梯电缆由其井道直接从下部配电间接人电梯机房，以减少火灾对电缆的威胁。 在建筑物顶棚内的消防电气线路，一般宜采用金属管或金属线槽布线：在难燃型材料的吊顶内，可采用难燃型（如氧指数大于）硬质塑料管、塑料线槽布线为了使火灾发生时，人员能够顺利进入相对无烟区且有利于通过消防电梯进行安全疏散，根据规范要 求，消防电梯应设置前室，并宜靠外墙设置，这样更有利于利用直通室外的窗户进行自然排烟，这在一定程度又对消防电梯井进行了防护。消防电梯前室的建筑面积，要求居住建筑不应小于 4.5 平方米，公共建筑不应小于 6 平方米。当与防烟楼梯间合用前室时，居住建筑不应小于 6 平方米，公共建筑不应小于 10 平方米。消防电梯前室应设乙级防火门，在首层应设置直通室外的安全出口，当条件受限制时，应设置能够直通室外的通道，其经过长度不应超过 30 米，便于消防队员能够迅速到达消防电梯入口处。目前在火灾扑救的实践过程中，消防电梯的防烟设计愈来愈得到改 善。规范强调消防电梯前室正压送风，以提高前室风压的方法来达到阻止烟气进入的目的。由于正压送风口设置位置及防火门难以保持常闭的原因，此方法实际防烟的效果不一定理想。通过消防电梯井道送风加压的效果可能更为理想，其阻止烟气进入前室、轿厢的效果应更为明显。 尽管规范对此已有要求，但有些设计单位在图纸设计中不能非常详细的触及到，致使在消防电梯投入使用中因此而出现问题。重庆中天大酒店 13 层发生火灾，由于消防电梯前室没有堵、排水的设计，水大量流进电梯，使消防电梯不能使用，消防人员只能利用楼梯进入着火楼层进行扑救，火灾造成 了不必要的经济损失。前车之鉴，后事之师，故应强调消防电梯前室内，电梯口至门口有一定的下水坡，同时应在电梯口增设排水槽，通过电梯井道内的专用排水管道将水排至集水井，以有效阻止流水进人消防电梯。这是消防电梯设计中最容易忽略的也是不应该忽略的问题 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 16 4、变流变压变频调速系统 4.1 变频调速的特点 三相异步电动机的变频调速适用于电梯传动系统。其特点如下： （ 1） 异步电动机在调速的过程中，可实现最佳转矩特性，并保持有限的转差率。因此能大大地减少启动电流，获得良好的启动特性，同时还可获得高精度、大范围调速效果，再加上再 生发电制动时电梯传动系统能将电机的动能转换成电能而直接回馈给电网。因此异步电动机的变频调速在电梯传动系统中是一种高效、节能的调速方法。 （ 2） 电梯传动系统中实现异步电动机的变频调速需要变频电源装置，目前使用的变频电源都是由变频器实现的。随着功率半导体器件（ GTO， GTR 等）的研制与使用，电子技术与微机技术的高速发展，高性能、高精度、大容量的变频器中已处于领先地位。 4.2 电梯负载是位能负载，也即恒转矩负载 因此要求异步电动机在调速过程中最大转矩不变。维持电机磁通的恒定就能满足最大转矩不变的要求。所以在异 步电机变频调速的过程中，不但要改变电机供电电压的频率，同时供电电压的幅值也应做相应的改变。电梯传动系统中使用的变频器都具有变频、变压的两种功能。 4.3 变频调速系统的变频器 变频调速系统的变频器可以分为交 -交变频器和交 -直 -交变频器两大类。变频器的原理如图 5 所示。前者的频率只能在电网频率以下的范围内进行变化，而后者的频率是由逆变器的开关元件的切换频率所决定，即变频器的输出不受电网频率的限制。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 17 图 5 变频器原理框图 交 -交变频器的工作原理如图 6 所示，它由两组反并联的整流器 P 和 N 组成。经适当的“电子开 关”按一定的频率使 P 组和 N 组轮流向负载 R 供电，负载 R就可获得变化了的输出电压 Uc。 Uc的幅值是由各组交流器的控制角 所决定的。Uc 的频率变化由“电子开关”的切换频率所决定。而“电子开关”由电源频率所控制， Uc 的输出波形由电源变流后得到。 图 6 交交变频器工作原理 交 -直 -交变频器的工作原理如图 7 所示。变频器先将三相交流电源整流得到幅值可变的直流电压 Ud，然后 Ud 经开关元件 1， 3 和 2， 4 轮流切换导通，则负载 R 就可以获得幅值和频率均可变化的交流输出电压 Uc,其幅值由 整流器输出的直流电压 Ud 所决定，其频率由逆变器的开关元件的切换频率所决定。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 18 图 7 交直交变频器工作原理 在电梯的变频调速系统中，变频器的负载是三相交流异步电动机，其负载电流是滞后的，因此在直流环节和负载之间需设置储能元件，以缓冲无功分量。根据无功分量的处理方式，变频器又可分为电压源型和电流源型两种，这样前面所述的两种变频器就可转变为 4 种：交 -直 -交的电压源型、交 -直 -交的电流源型、交 -交的电压源型、交 -交的电流源型。 在电梯传动系统中广泛采用的是交 -直 -交电压 源型变频器。 20 世纪 70 年代后期，变频器的开发与应用已经取得了十分可喜的成果，各种新颖、高性能、大容量的变频器先后投入市场。脉宽调制（ PWM）交流变频器就是一个典型的例子。 4.4 VVVF 电梯的特点 VVVF 电梯的成功设计与应用，充分体现了电梯的优越性。 （ 1） VVVF 电梯使用的驱动电机是三相交流电动机。众所周知，交流电机与同容量的直流电机相比具有体积小、重量轻、可靠性高、维护方便及造价低廉的等特点。 （ 2） VVVF 电梯从设计到制造，广泛采用先进技术与先进设备，为电梯的运输与安装带来了极大的方便。特别是电 梯本身结构精巧、配合机械传动中的改进，与直流曳引机相比较，可缩小体积 50%，减轻建筑物的承重及缩小机房占地nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 19 面积、造型美观大方、舒适豪华，深得用户的青睐。 （ 3） VVVF 电梯采用先进的 PWM 变换技术与矢量变换技术，是电梯运行质量及控制性能都有了明显改善，电梯的调速范围变宽、控制精度提高、动态特性好，舒适、安静、几乎可以和直流电梯相媲美。 （ 4） VVVF 电梯采用了较多的有效措施抑制能量的损耗，制动过程中产生的再生制动能量回馈给电网，为电梯的节能运行创造了良好条件。电梯的电源设备容量减低 20%，可容纳 24 人的 240M/MIN 共计 12 台电梯的电源容量时，供电变压器容量最小设计为 70KVA，而在停电时的备用发电机容量可减少 20%以上。 （ 5） VVVF 电梯溶入先进的微机控制技术，使其集选控制高度微机化，因此 VVVF 电梯可实现电梯的并联控制、群控程序以及智能控制等。通过实验证明，这种系统最佳地利用了电机的力矩、逆变器的功率和电网能量，具有良好的动态响应、动态品质和抗负荷干扰能力。 （ 6） VVVF 电梯以舒适、高效、节能著称，是世界领先水平的先进电梯。它的研制与应用是先进理论和先进技术的融合，进一步完善、开发 VVVF 电梯电气控 制，是全微机化电梯的迫切需要。 5、 VVVF 电梯拖动系统 VVVF 电梯的驱动部分是其核心，也是与定子调压控制方式的主要区别之处。为了提高拖动系统的动态品质、减少电动机发热、节约能源和提高效率，在拖动系统中应用了矢量变换控制和 PWM 调制技术。 根据变频器中供给逆变器的直流电压幅值是否可调， PWM 变频器又分为变频 PWM 变频器和幅值 PWM 变频器，因此可以形成两种形式的 VVVF 拖动系统。一般情况下，对于高速或超高速电梯常采用变幅 PWM 变频器调速；而对于中、低速电梯（ v 2.0m/s）由于运行速度较低，载重量小（载重量不大于 1000KG），曳引电机容量小，所以通常采用恒幅 PWM 变频调速。 5.1 中、低速 VVVF 电梯拖动系统 中、低速 VVVF 电梯拖动系统采用的是恒幅 PWM 变频器，由二极管构成的整流器负责交 /直流的转换，且整流输出直流电压幅值不可调（恒幅）。由功率nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 20 晶体管构成的逆变器完成直 /交流的转换，其输出电压波形为等幅不等宽的脉冲序列（等效正弦波形）。 系统具有结构简单、控制方便、功率因素高等优点。图 8 是中、低速电梯传动系统的结构图。 VVVF 拖动系统由 3 个单元构成：第一单元是 根据来自速度控制部分的转矩指令信号，对应该供给电动机的直流进行运算，产生出电流指令运算信号；第二单元是将经数 /摸转换后的电流指令和实际流向电动机的电流进行比较，从而控制主回路转换器的 PWM 控制器；第三单元是将来自 PWM 控制部分的指令电流供给电动机的主回路控制部分。主回路由下列部分组成： 图 8 中、低速 VVVF 电梯拖动系统结构图 （ 1） 将三相交流电变换成直流的整流器部分。 （ 2） 平滑该直流电压的电解电容器。 （ 3） 电动机制动时，再生发电的处理装置以及将直流转变成交流的大功率逆变器部分。 系统中的 PWM 变频器 内，由频率可调的参考波（正弦波）与载波（三角波）相比较形成的功率晶体管基极驱动信号使逆变器中开关元件的接通频率得以改nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 21 变。从而实现逆变器输出电压的频率可调。同时在 PWM 变频器内，由速度给定与电流反馈形成参考波的幅值调节，协调参考波的频率调节实现逆变器输出电压幅值与频率的协调控制。下面就系统中的典型环节加以介绍。 1） 数字控制器。图中虚框部分是数字控制器的基本结构。现代电梯都使用了数字控制器来完成速度控制运算及电流指令运算。 数字控制器主要是指微处理器，它将速度给定信号与速度反馈信号比较后，经速度控制运算器运算形成 转矩指令。电流指令运算器将速度控制运算器输出的转矩指令与速度反馈信号比较，经电流指令运算器运算形成电流指令，再经数 /模转换和其他变换后，即可作为频率可调的正弦波电压指令，送入 PWM 变换器。 2） PWM 控制器。 PWM 变换器生成逆变器中电子开关的控制信号，采用了正弦波（参考波）与三角波（载波）相比较的方法，因此也称做 SPWM 控制器。由 PWM 控制信号控制的变频器称做 PWM 型变频器，其输出电压为等幅而不等宽的矩形脉冲，即等效正弦波电压。 PWM 变频器的主电路如图 9 示，由图可知， PWM 逆变器的主电路就是基本逆变电 路，区别在于 PWM 控制技术。当采用 PWM 方法控制逆变器功率开关的通、断时，即可获得一组等幅不等宽的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可以改变输出电压幅值，改变调制周期可以改变输出频率，这样，调压和调频同在逆变器内部完成，二者始终配合一致，而且与中间支流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能；由于输出等幅脉冲只须恒定直流电源供电，可用不控整流取代相控整流，这使电网侧的功率因数大为改善；采用 PWM 逆变器，能够抑制或消除低次谐波，加上使用自关断器件，开关频率的大幅度提高，输出波形可以非常逼近正弦波。 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 22 图 9PWM 变频器的主电路原理 目前 ， PWM 技术被广泛应用于电气传动、不间断电源和有源滤波器等，正在得到越来越深入的研究，已经不限于逆变技术，也覆盖了整流技术。在整流电路中采用自关断器件，进行 PWM 控制，可使电网侧的输入电流接近正弦波，并且功率因数达到 1，可望彻底解决对电网的污染问题，特别值得一提的是，由PWM 整流器和 PWM 逆变器组成的电压型变频器，无须增加任何附加电路，就可以允许能量传送，实现四象限运行。 3） 整流回路。整流器采用三块二极管模块（没块模块有两只二极管）组成的三相桥式全波整流电路。晶闸管的导通角由 正弦波 PAM 控制，输出可调直流电压。事实上电梯在加速，恒速运行时，晶闸管的输出电压是恒定的，仅在减速时，晶闸管模块作为由电动机侧来的再生能量反馈电网时的通路，此时其输出电压是连续变化的。整流回路中采用的二极管模块、晶闸管模块，是目前最先进的功率半导体器件。这种器件的一致性好，并且具有耐浪涌电压、电流、结点温度高等特点。 4）充电器回路。在电梯的实际电路中，为避免当整流开始工作时形成较大冲击电流而导致二极管模块损坏，所以在整流器输出侧并联一大电容。为使整流器工作之前对大电容预先充电，需设置必要的充电回 路。充电回路结构如图 10 nts电气信息工程学院毕业设计（论文） 电梯的运动控制 23 图 10 充电回路框图 充电器回路中的变压器（与基极驱动回路使用同一只）采用升压变压器，升压比为 1 1.1,当主电源和上时，电源电压输入为 U，则充电回路的整流器输出 Ud= 1.1u.ud 的主回路整流器直流侧的大容量电解电容器 C 充电到 u 时 ,给控制微处理器发出充电完毕信号。然后由控 制微处理器发出电梯可以启动信号。 5）逆变器电路。逆变器结构如图 11 示。逆变器采用六只大功率晶体管（ GTR）模块，每只模块有一只 GTR 和一只续流二极管。当来自正弦波控制电路的三相矩形脉冲列经基极 驱动电路放大后，按相序分别触发大功率晶体管基极，使其导通。由于三相矩 形脉冲列每 相相位差 120 度，所以大功率晶体管 1、 3、 5 分别以120 度角滞后导通。而在同一相上、下半波的大功率晶体管 1、 4； 3、 6； 5、 2之间分别以 180 度角区间内导通。大功率晶体管按一定的顺序导通时相应开关元件顺序导通，使输入的直流电压变为加在电动机
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