电梯电力拖动系统

电梯的电力拖动系统 拖动系统是电气部分的核心 电梯的运行是由拖动系统完成的 轿厢的上下 启动 加速 匀速运行 减速 平层停车等动作 完全由曳引电动机拖动系统完成 电梯运行的速度 舒适感 平层精度由拖动系统决定 电力拖动系统组成 曳引电动机 供电系统 速度反馈装置 电动机调速装置 电梯的电力拖动系统应具有如下功能 有足够的驱动力和制动力 能够驱动轿厢 轿门及厅门完成必要的运动和可靠的静止 在运动中有正确的速度控制 以保证有良好的舒适性和平层准确度 动作灵活 反应迅速 在特殊情况下能够迅速制停 系统工作效率高 节省能量 运行平稳 安静 噪音小于国标要求 对周围电磁环境无超标的污染 动作可靠 维修量小 寿命长 轿厢升降运动的常见电力拖动方式可以表示如下 第二节电梯的速度曲线 一 对电梯快速性的要求电梯作为一种交通工具 对于快速性的要求是必不可少的 快速可以节省时间 这对于处在快节奏的现代社会的乘客是很重要的 快速性的获得方法 1 提高电梯额定速度2 集中布置多台电梯3 尽可能减少电梯启 停程中的加 减速时间 二 对电梯舒适性的要求 1 由加速度引起的不适2 由加速度变化率引起的不适 三 电梯的速度曲线 第三节电梯的负载机械特性 一 负载的转矩特性 负载的转矩特性是指生产机械的转矩与转速之间的关系即 n f TL 1恒转矩负载特性恒转矩负载是指负载转矩为常数 其大小与转速n无关 恒转矩负载分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载 1 反抗性恒转矩负载特性 特点 恒值负载转矩Tf总是与转速nf的方向相反 即作用方向总是阻碍运动的方向 当正转时nf为正 Tf与nf方向相反 应为正 即在第一象限 当反转时nf为负 Tf与nf方向相反 应为负 即在第三象限 当转速nf 0时 外加转矩不足以使系统运动 根据作用力与反作用力原理 这时反抗力负载转矩大小和方向取决于外加转矩的大小和方向 即与外加转矩大小相等 方向相反 负载转矩特性应与横轴重合 例如轧机 机床刀架平移机构等 反抗性恒转矩负载特性 a 实际特性 b 折算后的特性 2 位能性恒转矩负载特性 特点 Tf的方向与nf的方向无关 Tf具有固定不变的方向 例如 起重机的提升机构 不论是提升重物还是下放重物 重力的作用总是方向朝下的 即重力产生的负载转矩方向固定 例如 起重机的提升机构 不论是提升重物还是下放重物 重力的作用总是方向朝下的 即重力产生的负载转矩方向固定不变 故在第一和第四象限 位能性恒转矩负载特性 a 实际特性 b 折算后的特性 一 静态负载机械特性 二 动态负载机械特性 当电梯起动加速或停车前制动减速时 由于速度的变化将引起动态负载转矩 为了得到较好的舒适感 要求轿厢按预定的速度曲线平滑地改变梯速 又由于电梯设有对重 使传动系统的惯性增大 飞轮矩GD2较大 从而使动态转矩增大 通常电梯动态转矩可达最大静态转矩的1 5 3倍 因此在研究电梯运行的动力学问题时 有必要将电梯的动态负载转矩绘制成动态负载机械特性曲线 三 电梯的负载机械特性 将电梯的静态负载机城特性与动态负载机械特性相叠加得到电梯负载机械特性 见图3 12 直流调速系统1 基本原理 根据直流电机的特性 电机转速与电压成正比 给定电压越高 电机转速也就越高 控制电机电压就控制了电机转速 早期直流电梯以交流电动机作为源动力 拖动直流发电机 控制直流发电机励磁 改变发电机输出电压的形式 实现以小功率控制大功率目的 原因所在是电力半导体技术的不成熟 现代直流控制 舍去了直流发电系统 直接采用晶闸管调节输出电压 控制直流电机运行 第五节直流电梯电力拖动方式 直流电梯的运转早期源动力交流电动机始终运转 直流发电机没有励磁 发电机输出电压为零 需要起动电机时 励磁电压不断增加到设定值 发电机既发出不断增高到额定值得电压 驱动直流电机运转 达到额定速度 需要减速时 发电机励磁不断减小 电动机随之跟随减速直至停止 现在使用晶闸管或脉宽调速的直流电机则是由控制电路 依据电梯运行速度要求 逐渐减小晶闸管的导通角或脉宽宽度 增加输出电压 使直流电机速度随之增加 需要减速时 增大控制电路晶闸管的导通角 减小输出电压 降低电机转速 直到停止 直流电动机结构 直流驱动优缺点 优点 调速性能优异 机械特性硬 缺点 电动机结构复杂 经常需要检查维护 存在励磁系统耗费较多能量 系统庞大 占据较多使用空间 所以目前在市场上除部分存量电梯外 新增电梯几乎没有 基本被市场淘汰掉 二 直流电动机的调速方法 下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍 从直流他励电动机机械特性方程式 可知 改变串入电枢回路的电阻Rad 改变电枢供电电压U或主磁通 都可以得到不同的人为机械特性 从而在负载不变时可以改变电动机的转速 以达到速度调节的要求 故直流电动机调速的方法有以下三种 1 改变电枢电路外串电阻Rad 直流电动机电枢回路串接电阻后 可以得到如图所示的一簇机械特性 从特性可看出 在一定的负载转矩TL下 串入不同的电阻可以得到不同的转速 如在电阻分别为Ra R1 R2 R3 的情况下 可以分别得到稳定工作点A C D和E 对应的转速为nA nB nC nD 2 改变电动机电枢供电电压U 如图所示特性为改变电枢供电电压U调速的特性 从特性可看出 在一定的负载转矩TL下 电枢外加不同电压可以得到不同的转速 如在电压分别为UN U1 U2 U3的情况下 可以分别得到稳定工作点a b c和d 对应的转速为na nb nc nd 即改变电枢电压可以达到调速的目的 3 改变电动机主磁通 如图所示曲线为改变电动机主磁通 调速的特性 从特性可看出 在一定的负载功率PL下 不同的主磁通 N 1 2 可以得到不同的转速na nb nc 即改变主磁通 可以达到调速的目的 4 直流电动机的调速 改变磁通调速的优点是调速平滑 可做到无级调速 调速经济 控制方便 机械特性较硬 稳定性较好 但由于电动机在额定状态运行时磁路已接近饱和 所以通常只是减小磁通将转速往上调 调速范围较小 改变电枢电压调速的优点是不改变电动机机械特性的硬度 稳定性好 控制灵活 方便 可实现无级调速 调速范围较宽 可达到6 10 但电枢绕组需要一个单独的可调直流电源 设备较复杂 电枢串联电阻调速方法简单 方便 但调速范围有限 机械特性变软 且电动机的损耗增大太多 因此只适用于调速范围要求不大的中 小容量直流电动机的调速场合 电枢单向供电 励磁双向供电的直流电梯 二 电枢电路由两组反并联的三相全波可控整流器供电的SCR M直流电梯 第六节交流双速电梯拖动方式 我国在20世纪60 70年代生产的电梯 绝大部分是交流双速电梯 80年代生产的电梯也有相当数量的双速电梯 在当前运行的电梯中有一定数量是属于这种拖动方式的 交流双速电梯的拖动系统结构简单 技术简单 运行舒适感较差 额定梯速一段在1m s以下 这种电梯通常采用继电器控制 故障率较高 越来越不适应现代社会的需求 目前产量逐年降低 被交流调速电梯替代 今后交流双速拖动方式将主要用于货梯或客货两用梯中 控制部分也将由有触点控制改为无触点控制 提高其运行可靠性 前几年掀起的一股电梯改造热 其主要对象就是这一批交流双速电梯 将其继电器控制部分改造成可编程序控制器控制 以提高其可靠性 将其双速拖动方式改造为调压调速或变频调速拖动方式 以提高其运行舒适感和平层准确度 一 三相异步电动机的调速方法 如在一定负载下 欲得到不同的转速 可以由改变Tmax Sm p和f四个参数入手 则相应地有如下几种调速方法 1 调压调速 改变电源电压时的人为机械特性如图所示 2 转子电路串电阻调速 原理接线图和机械特性如图所示 原理接线图 机械特性 3 改变磁极对数调速 根据n0 60f p可知 同步转速n0与磁极对数p成反比 故可改变磁极对数p即可改变电动机的转速 常见的接线方法有以下两种 4 变频调速 改变定子电源频率时的人为机械特性如图所示 异步电动机的转速正比于定子电源的频率f 若连续地调节定子电源频率 即可实现连续地改变电动机的转速 交流变极调速系统改变电机磁场极数达到改变电机转速的目的 属于间歇式工作状态 电机转速 60 电源频率 极对数电机结构为双绕组设计 分别设有高速绕组和低速绕组 正常运行采用高速绕组 电源通过方向接触器 快速接触器 串接电抗器 电阻器作用到电动机 接近额定转速时 短接起动元件 使电源直接作用电动机 电梯需要减速时 断开高速绕组 接通低速绕组 串接电抗 电阻再生发电制动 减速至接近低速额定速度时 短接起动元件 电源直接作用低速绕组 运行到平层位置时 所有接触器断电 制动器制动 交流变极调速检修操作时 只控制低速绕组工作 禁止高速绕组工作 一般情况下不允许慢车绕组长时间通电运行 电机起动时 无论高速还是低速 都需要起动元件串接在电路中 降低起动电流 改善起动 减速时的冲击 提高运行舒适感 降低对电网的影响 根据标准要求 上下行接触器 快慢车接触器应加有机械互锁装置 防止接触器同时吸合 看原理图 如果出现上述情况 相当于电梯电源直接短路 交流电动机的内部结构 变极的实现主要有如下两种做法 一是双绕组变极 一是单绕组变极 一 双绕组变极这种方法比较简单 它是在电机定子槽内嵌入两套定子绕组 它们各自独立 具有不同的极对数 当接入一个绕组时 电机具有一种同步转速 当接入另一个绕组时 电机则具有另一种同步转速 双绕组变极电机由于两套绕组彼此独立 因此可以分别设计 选用不同截面的导线 各自独立的匝数 独立的节距等等 因此两套绕组都比较合理 但是由于这两套绕组都要嵌放在定子槽内 槽的空间就显得紧张了 往往槽要开得大一些 而槽大了就会减小齿截面 又会影响磁通量 因此也要统筹考虑绕组和铁心的合理参数 实现最佳配合 电梯中常用的一种双绕组变极电机极数为6极 24极 接线方式为Y Y 使用时需要哪种转速就将相应的绕组接入电源即可 但需要注意的是 不能将两套绕组同时接人电源 也不能在一套绕组工作时将另一套绕组短路闭合 否则将造成电机的损坏 二 单绕组6 24极变速电机用作电梯曳引电机的主电路 交流调压调速系统基本原理 使用晶闸管控制电机起动电压 使电梯稳定加速 需要减速时采用能耗制动方式 降低电机转速 具有速度测量装置 将电机转速信号反馈到调速装置 调速装置内部产生运行曲线 与反馈曲线进行比较 依据差值运算 控制电机电动还是制动 测速装置一般使用测速发电机 旋转编码器或光电码盘 应用测速发电机一般是模拟控制系统 采用运放作为主要元件 采用码盘或旋编的一般为数字控制系统 采用微处理器作为中心元件 第七节交流调压调速电梯拖动方式 1 简易交流调速 半闭环 使用交流双速电机 电梯快车起动串接电抗器 需要减速时 起动直流能耗控制系统 将可控制直流电施加到电动机低速绕组 控制电机减速停止 系统通常配有码盘计数系统 从减速点到停止点有固定距离 考虑到负载变化 通常在电机轴上增加飞轮 进行储能 同时电梯起动时飞轮可降低机械冲击 检修运行直接使用慢车绕组 控制电路与双速电梯相同 全闭环交流调速系统速度反馈装置贯穿整个电机控制 由调速装置精准控制电机运行 起动时 调速器依据内部运行曲线给电动机输出电压 通过速度反馈信号 靠改变调速器输出电压使电动机起动 并按照内部曲线运行 需要减速时 调速装置向电动机低速绕组或涡流制动器内接入可控直流电 使电机稳定减速 按照内部曲线运行 如果减速度不够 将加大直流电的强度 如果减速度太大就减小直流电的强度 甚至直接起动电动环节增加电机速度 直至能跟随曲线运行 总之 在整个电机运行中 调速器始终监控和调节电机的运转 控制精度较高 图3 33交流异步电动机调压调速机械特性a sm 1b sm 1 二 调压电路 图3 34三相调压电路 三相星形调压 图3 36调压电路的输出相电压波形分析 Y接 cos 1 a 30 b 60 c 90 d 120 二 交流电梯调压调速的特点 一 在电梯中采用调压方法的目的在交流调速电梯中采用调压方法的目的简单地说就是为了实现电梯运行的速度曲线 获得良好的运行舒适感 提高平层精度 具体地讲 主要包含如下两个方面 一个是对电梯稳速运行时实行闭环控制 通过闭环调压 使电梯不论负载轻重 不论运行方向均在额定梯速下运行 这样做一方面可以克服摩擦阻力的波动造成的速度不均和振动 提高稳速运行阶段的舒适感 另一方面可以保证任何运行工况下减速停车前的初始速度都是同一个确定的值 即额定速度 从而提高减速阶段的控制精度 最终提高平层精度 另一个是对电梯加速 减速过程实行闭环控制 通过调压或辅以其它制动手段 使电梯按预定的速度曲线升速或减速 从而获取加减速阶段的良好舒适感 并提高轿厢平层精度 后一点对加 减速阶段的过渡过程实行速度闭环控制是电梯控制与一般生产机械的速度控制所不同的 一般生产机械主要对稳速运行阶段实行速度的闭环控制 而在加速 减速阶段通常采用电流截止反馈使电机在最大允许电流下加速或减速 这样电机及其拖动的生产机械可以得到最大的加 减速度 从而提高劳动生产率 而电梯在加 减速阶段则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 二 调压调速对电梯曳引电机的要求1 电梯的起动对曳引电机机械特性的要求我们以电梯满载上升的起动过程来考查对曳引电机的要求 图3 38中曲线1是电梯满载运行时的负载机械特性 如果曳引电动机在电梯运行中能够被控制按这条曲线输出转矩的话 那么电梯就将按顶定的速度曲线运行 为了克服由于制造 安装 调整的不当造成的某些地方阻力的增大 电机的拖动或制动转矩较曲线1还应有一定的富裕 图3 38电梯起动时负载机械特性与曳引电机机械特性的关系 2 电梯减速制动运行对电机的要求从前面的分析及图3 12的负载机械特性可以看到 电梯运行当中 曳引电机经常要运行在第 象限中 这时电机处在制动状态 对于调压调速电梯 要想使电机运行在制动状态应怎样实现呢 下面以电梯轻载上升运行为例如以讨论 图3 39中曲线l为电梯空载运行的负载机械特性 曲线2 3是电机正向运行机械特性 其中2是固有特性 3是实际可行的调压到最低电压时的机械特性 电压调到其它数值时电机的机械特性处在2 3曲线之间 曲线4 5 6 7是电机反向运行机械特性 其中4为固有特性 7是调压到最低时的机械特性 其它电压时的机械特性在4 7之间 5 6是其中两条 图3 39电梯空载采用反接制动时的机械特性 图3 40采用能耗制动方式实现制动运行 3 采用涡流制动器实现第 象限的运行 其原理与采用能耗制动方法相似 图3 41a 中简单地画出了涡流制动器的剖面图 三 调压调速电梯的主电路 一 调压 能耗制动拖动方式的主电路图3 42调压 能耗制动拖动方式的主电路采用双速电机作电梯曳引电动机 对高速绕组实行调压控制 对低速绕组实施能耗制动控制的电梯是目前调压调速电梯的主要拖动方式 它的主电路见图3 42 图3 42调压 能耗制动拖动方式的主电路 图3 44调压 涡流制动器拖动方式a 主电路b 速度 加速度曲线 三 调压 能耗制动拖动方式的运行分析我们已经知道 调压 能耗制动拖动方式在运行中或者由可控硅调压电路向电机快速绕组提供交流电 或者由可控硅整流电路向电机低速绕组提供直流励磁电流 在前一种情况下 电机工作在电动状态 在后一种情况下 电机工作在能耗制动状态 那么 当调试正确时 电梯运行过程中调压 能耗两部分应怎样工作呢 下面我们结合电梯不同的运行情况加以分析 1 轿厢重载上升或轻载下降在电梯轿厢重载上升的运行过程中 电梯的负载机械特性如图3 45中曲线1 曲线2是曳引电动机快速绕组的调压可控硅触发角 0 时的机械特性 这时 图3 45轿厢重载上升或轻载下降时的工作状态a 机械特性b 速度曲线与工作状态 图3 46具有低速爬行段的调压 能耗制动电梯轻载上升时的工作状态a 机械特性b 速度曲线与工作状态 第八节变频调速电梯拖动方式 由于变频调速不涉及异步电动机的转子电路 因此可以采用鼠笼式异步电动机作生产机械的拖动电动机 鼠笼式异步电动机结构简单 价格低廉 坚固耐用的优点使变频调速具有较大的吸引力 但是变频电源却是较难得到的 因此几十年来人们对变频调速的努力主要都花在变频电源上 20世纪50 60年代 采用交流发电机组作为变频电源 这种机组变频方法设备复杂 造价高 只能在特殊场合下使用 没有推广价值 随着电力电子技术的发展 20世纪60 70年代出现了可控硅变频器 大功率晶体管变频器 这些电子变频器体积小 价格较低 运行噪音小 维护管理工作量小 因此电子变频器逐步进入实际应用领域 随着开关元件工作频率的提高 变频器输出电压的波形更加接近正弦波 由于矢量控制理论的提出 使交流电机变频调速的转矩控制达到和直流调速相当的程度 到80年代中期 变频调速电梯便投入实际应用 目前我国电梯厂几乎都能生产变频调速电梯 国产变频调速电梯正在逐步取代其它类型的电梯 成为电梯的主流产品 交流变频调速系统3 基本原理 交流电机速度变化与供电频率有直接关系 通过均匀改变电动机供电频率 就可均匀改变电机运转速度 但电网供电频率为固定值 50Hz 因此需要频率变换装置改变电动机供电频率 这个装置就是变频器 80年代初 由日本三菱公司率先在电梯上应用 其优异的性能 和显著的节能效果 促成了变频控制在电梯领域的广泛应用 变频器实物照片 变频器工作原理将供电进行三相整流 通过电容器进行滤波 在直流母线上获得波形较好的直流电 按照三相电的供电原则 控制电力半导体元件有序的导通和关断 在输出侧得到频率经过改变的电压和电流 供给电动机电力 电动机跟随频率的变化 改变运转速度 拖动电梯的运行 电力半导体控制采用脉宽调制 PWM 技术 使其在开关状态工作 可以降低电能在半导体元件上的损耗 同时可以选用功率较小的半导体元件 变频基础培训 电气传动基础知识1 以交流 直流 电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流 直流 电气传动系统 也称交流 直流 电气拖动系统 交流电源输入 直流调速装置 交流调速装置 构成 定义 变频器 变频基础培训 电气传动基础知识2 根据设备和工艺的要求通过改变电动机速度或输出转矩改变终端设备的速度或输出转矩 意义 附注 并不是所有的设备使用电气传动装置后都可以节能 变频目的 变频基础培训 电气传动基础知识3 加减速时间和电机转矩 负载转矩以及系统惯量有关 电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素 变频基础培训 电气传动基础知识4 以保持转速恒定为目的 如常规调速系统 电梯 各类生产线 控制设备根据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化 恒速时电机转矩肯定等于负载转矩 速度模式 以控制电机转矩恒定为目的 如 开卷 收卷 恒速时电机转矩肯定等于负载转矩 但电机的运转速度不确定 如果电机转矩始终大于负载转矩 则速度持续上升直至设备限速或损坏如果电机转矩始终小于负载转矩 则速度为0或最低 下限 速度 为保证系统安全 必须额外考虑限速或超速保护 转矩模式 变频基础培训 电气传动基础知识5 摩擦恒转矩生产流水线起重行走 势能恒转矩电梯起重机提升 恒功率 速度越低 负载转矩越大 机床开卷机 收卷机 变转矩 速度越低 负载转矩越小 风机水泵 负载转矩大小于与转速无关 负载特性 变频基础培训 电气传动基础知识6 交流调速只在大功率电机调速上使用 70年代以前直流占统治地位 变频基础培训 变频基础知识1 交流异步电机的机械特性公式 n 60f p 1 s n 电机转速f 给电机供电的交流电频率p 电机极对数s 转差率 n0 异步机机械特性 交流同步电机的机械特性公式 n 60f pn 电机转速f 给电机供电的交流电频率p 电机极对数 变频基础培训 变频基础知识2 三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳 但其结构坚固 经久耐用且价格低廉还是在一些性能较低的传动现场使用 在变频器出现前同步电机无法实现调速功能 因此只能在定速传动领域使用 变频基础培训 变频基础知识3 变频器是交流电气传动系统的一种 是将交流工频电源转换成电压 频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置 英文简称VVVF VariableVoltageVariableFrequency 变频器 三相交流异步电机和三相交流同步电机 标准适配电机极数是2 4极 变频器的控制对象 变频基础培训 变频原理1 变频器 CVCF VVVF 变频原理图 变频基础培训 变频原理2 电机 U V W 整流部 平波回路 浪涌电流抑制回路 变频器 CVCF VVVF 单相逆变电路工作原理 逆变器的功能 通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序 双向逆变主电路 双向逆变式变频器主回路正常工作类似普通变频器 直流母线电压大于阀值时 Q1 Q6的IGBT轮流导通 将多余能量反馈回电网 PWM控制技术 PWM PulseWidthModulation 控制就是脉宽调制技术 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制 来等效的获得所需要的波形 含形状和幅值 PWM控制技术在逆变电路中应用最广 应用的逆变电路绝大部分是PWM型 PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用 才确定了它在电力电子技术中的重要地位 PWM控制的基本原理 1 重要理论基础 面积等效原理 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 其效果基本相同 b 具体的实例说明 面积等效原理 a e t 电压窄脉冲 是电路的输入 i t 输出电流 是电路的响应 2 SPWM波 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 若要改变等效输出正弦波幅值 按同一比例改变各脉冲宽度即可 SPWM波 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 对于正弦波的负半周 采取同样的方法 得到PWM波形 因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为 根据面积等效原理 正弦波还可等效为下图中的PWM波 而且这种方式在实际应用中更为广泛 等幅PWM波 不等幅PWM波 3 PWM波 PWM电流波电流型逆变电路进行PWM控制 得到的就是PWM电流波 目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种 目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路 PWM逆变电路及其控制方法 计算法的概念 根据正弦波频率 幅值和半周期脉冲数 准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔 据此控制逆变电路开关器件的通断 就可得到所需PWM波形 当输出正弦波的频率 幅值或相位变化时 结果都要变化 调制法 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波 与任一平缓变化的调制信号波相交 在交点控制器件通断 就得宽度正比于信号波幅值的脉冲 符合PWM的要求 调制信号波为正弦波时 得到的就是SPWM波 计算法和调制法 等腰三角波或锯齿波 等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系 且左右对称 当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时 如在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制 就可得到宽度正比于信号波幅值的脉冲 调制法 把希望输出的波形作为调制信号 把接受调制的信号作为载波 通过信号波得调制得到所期望的PWM波形 调制信号ur为正弦波 载波uc在ur的正半周为正极性的三角波 在负半周为负极性的三角波在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断ur正半周 V1保持通 V2保持断当ur uc时使V4通 V3断 uo Ud当ur uc时使V4断 V3通 uo 0 单极性PWM控制方式 单相桥逆变 Ur负半周 V1保持断 V2保持通当uruc时使V3断 V4通 uo 0 单极性PWM控制方式Ur半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化 所得PWM波形的控制方法 表示uo的基波分量 双极性PWM控制方式 单相桥逆变 双极性PWM控制方式在ur的半个周期内 三角波载波有正有负 所得PWM波也有正有负 在ur一个周期内 输出PWM波只有 Ud两种电平同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制哥开关器件的通断ur正负半周 对各开关器件的控制规律相同 当ur uc时 给V1和V4导通信号 给V2和V3关断信号如io 0 则V1和V4通 如io 0 VD1和VD4通 不管哪种情况uo Ud 当ur0 VD2和VD3通 不管哪种情况uo Ud 对照上述两图可以看出 单相桥式电路既可采取单极性调制 也可采用双极性调制 由于对开关器件通断控制的规律不同 它们的输出波形也有较大的差别 uUN uVN 和uWN 的PWM波形只有 Ud 2两种电平线电压波形uUV的波形可由uUN uVN 得出当1和6通时 uUV Ud当3和4通时 uUV Ud当1和3或4和6通时 uUV 0 逆变器输出线电压PWM波由 Ud和0三种电平构成负载向电压uUN可由下式求得负载相电压PWM波由 2 3 Ud 1 3 Ud和0共5种电平组成 同一相上下两臂的驱动信号互补 为防止上下臂直通而造成短路 在上下两臂切换时留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间死区时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定死区时间会给输出的PWM波带来影响 使其稍稍偏离正弦波 异步调制和同步调制 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况 PWM调制方式分为异步调制和同步调制 通常保持fc固定不变 当fr变化时 载波比N是变化的在信号波的半周期内 PWM波的脉冲个数不固定 相位也不固定 正负半周期的脉冲不对称 半周期内前后1 4周期的脉冲也不对称当fr较低时 N较大 一周期内脉冲数较多 脉冲不对称产生的不利影响都较小当fr增高时 N减小 一周期内的脉冲数减少 PWM脉冲不对称的影响就变大 2 同步调制 载波信号和调制信号保持同步的调制方式 当变频时使载波与信号波保持同步 即N等于常数 基本同步调制方式 fr变化时N不变 信号波一周期内输出脉冲数固定 三相电路中公用一个三角波载波 且取N为3的整数倍 使三相输出对称 为使一相的PWM波正负半周镜对称 N应取奇数 fr很低时 fc也很低 由调制带来的谐波不易滤除 fr很高时 fc会过高 使开关器件难以承受 3 分段同步调制 异步调制和同步调制的综合应用 把整个fr范围划分成若干个频段 每个频段内保持N恒定 不同频段的N不同 在fr高的频段采用较低的N 使载波频率不致过高 在fr低的频段采用较高的N 使载波频率不致过低 为防止fc在切换点附近来回跳动 采用滞后切换的方法 同步调制比异步调制复杂 但用微机控制时容易实现 可在低频输出时采用异步调制方式 高频输出时切换到同步调制方式 这样把两者的优点结合起来 和分段同步方式效果接近 自然采样法 按照SPWM控制的基本原理 在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关的通断 这种生成SPWM波形的方法 规则采样法 工程实用方法 效果接近自然采样法 计算量比自然采样法小得多 规则采样法 三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc 自然采样法中 脉冲中点不和三角波 负峰点 重合 规则采样法使两者重合 使计算大为减化 如图所示确定A B点 在tA和tB时刻控制开关器件的通断 脉冲宽度 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近 规则采样法原理 规则采样法计算公式推导 正弦调制信号波 PWM控制技术的地位PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用 并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术 器件与PWM技术的关系IGBT 电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础 PWM控制技术用于直流斩波电路直流斩波电路实际上就是直流PWM电路 是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路 应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统 PWM控制技术用于交流 交流变流电路斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术在这类电路中应用的代表 目前其应用都还不多 但矩阵式变频电路因其容易实现集成化 可望有良好的发展前景 PWM控制技术用于逆变电路PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性 正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用 才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位 除功率很大的逆变装置外 不用PWM控制的逆变电路已十分少见 PWM控制技术用于整流电路PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路 可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸 PWM整流电路已获得了一些应用 并有良好的应用前景 PWM整流电路作为对第2章的补充 可使我们对整流电路有更全面的认识 PWM控制技术与相位控制技术相位控制技术至今在电力电子电路中仍占据着重要地位 以PWM控制技术为代表的斩波控制技术正在越来越占据着主导地位 相位控制和斩波控制分别简称相控和斩控 把两种技术对照学习 对电力电子电路的控制技术会有更明晰的认识 规则采样法 D TC ur uC tD 三角波一周期内 脉冲两边间隙宽度 为 设正弦调制信号波为 脉冲宽度为 单极性SPWM控制 双极性SPWM控制 异步调制和同步调制 载波比 载波频率fc与调制信号频率fr之比 N fc fr 异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式 通常保持fc固定不变 当fr变化时 载波比N是变化的 特点 在信号波的半周期内 PWM波的脉冲个数不固定 相位也不固定 正负半周期的脉冲不对称 半周期内前后1 4周期的脉冲也不对称 当fr较低时 N较大 一周期内脉冲数较多 脉冲不对称产生的不利影响都较小 当fr增高时 N减小 一周期内的脉冲数减少 PWM脉冲不对称的影响就变大 同步调制 N等于常数 并在变频时使载波和信号波保持同步 基本同步调制方式 fr变化时N不变 信号波一周期内输出脉冲数固定 特点 fr很低时 fc也很低 由调制带来的谐波不易滤除 fr很高时 fc会过高 使开关器件难以承受 改善 采用分段同步调制 把逆变电路的输出频率范围划分为若干个频段 每个频段内都保持载波比N为恒定 不同频段的载波比不同 变频拖动电梯电梯起动时 变频器输出较低频率 并按照给定曲线在一定时间将频率上升至额定频率 电机以额定转速运转 在电机需要减速时 降低输出频率 此时的转差造成电机处于发电状态 发出的电反给变频器 造成直流母线电压升高 变频器系统检测直流母线电压 当高于设定值后 接通制动电阻 消耗掉多余能量 让电动机减速 跟随运行曲线运行 在电动机接近零速时 变频器输出直流制动电压 并维持设定时间 让电机停止运转 随后制动器落闸 电梯停止 变频器驱动信号1 方向信号 由控制系统给出 控制变频器输出相序 改变电机运转方向 2 速度指令 由控制系统给出 控制变频器输出频率 调节电机运转 速度信号分为两大类型 分别是多段速指令 数字量信号 模拟量速度信号 电压或电流信号 3 速度反馈信号 由与电动机同轴的旋转编码器产生 输出给变频器 构成闭环调速系统 4 力矩补偿信号 由称载装置提供给变频器 用于同步无齿曳引机 受重量差影响 在电机起动前对起动转距进行矫正 一 变频调速的分类变频调速可以按各种不同的方法加以分类 这里介绍几种常用的分类方法 1 按有无直流环节分类常用的变频器其电路结构如图3 47a 那样 在这个电路中 首先由晶闸管V1 V6将工频交流电整流成直流电 然后再由可控硅或大功率晶体管V7 V12将直流电压逆变成交流电 通过对V7 V12的开关控制 可以改变逆变交流电的频率 从而实现变频 在这个电路中 由于具有中间的直流环节 因此被称作交 直 交变频 图3 47变频调速主电路原理图a 交 直 交变频b 交 交变频 3 按改善输出电压电流波形的方法分简单的变频器其输出电压 电流不好 通常含有较严重的高次谐波分量 高次谐波分量将造成电机发热 振动和噪声 无线电频率的高次谐波还将引起电磁污染 因此必须削弱变频器输出的高次谐波 改善变频器输出波形的方法通常有两种 一是采用多重化技术 一是采用脉冲宽度调制技术 多重化技术是采用两组或两组以上变频器给同一台电机供电 通过协调地处理几组变频器对应开关元件的导通时间 使电机得到的电压 电流不再是一个简单的方波 而是一个阶梯波 变频器的组数增加 阶梯波的阶梯数就会增加 还可以同时经变压器给电机供电 通过适当地选择变压器的接线方式和变比 增加输出阶梯波的阶梯数及形状 使之接近正弦波 图3 49a 便是一个采用两组变频器 二重化 并经变压器向电机供电的多重化变频器 它的输出电流波形见图3 49b 通过合理地控制各开关元件的导通时间及变压器的变比和接线方式 该电路可以消除7次以下的谐波电流 它的最低谐波次数为11次 4 按变频桥所采用的开关元件类型分随着电子工业的发展 功率开关元件新品种不断出现 其性能也越来越优良 开关元件的主要性能指标有 耐压能力 工作电流 最高工作频率及可控性 目前在变频器中 变频桥所采用的开关元件主要有 晶体闸流管Th Thyristor 又称可控硅SCR Silicon controlledRectifier 门极关断晶闸管GTO GateTurn offThyristor 双极型晶体管BJT BipolarTransistor 又称电力晶体管GTR GiantTransistor 绝缘栅双极晶体管IGBT Insulated gateBipolarTransistor 等 因此按开关元件类型来划分 则可分别称作可控硅 SCR 变频器 可关断晶闸管 GTO 变频器 电力晶体管 GTR 变频器 绝缘栅晶体管 IGBT 变频器 二 异步电动机变频调速的控制原则 VVVF交流异步电动机的磁化特性曲线如图3 51所示 由于铁心材料的非线性 造成磁化曲线在磁通较大时进入饱和 在设计电机时 希望磁通 尽量大 因为电机的电磁转矩与磁通成正比M Cmj I2cos 2较大的磁通将产生较大的转矩 但是磁通 又不能无限制增大 从磁化曲线可以看出 磁通过大将使铁心进入过饱和区 这将导致励磁电流Im的大大增加 因此在设计电机时都将磁通选择在磁化曲线刚开始进入饱和的转弯处 我们称该磁通为额定磁通 记作 N 此时的励磁电流近似等于电机的空载电流Im I0 中小型异步电动机的空载电流为额定电流的1 3 1 2 即I0 1 3 1 2 IN 如果要将磁通增大10 励磁电流就要增大2 3倍 也就是说 空载电流就将接近额定电流 如果要增大磁通20 那么空载电流就将超过额定电流数倍 这时电机尚未带负载做功 便已过热损坏了 因此在使用交流异步电动机时 应当注意控制磁通不要超过额定磁通 根据式 3 35 当频率降低时 应相应地将电机定子电势成比例地降低 从而保持电机的磁通为额定值 当频率升高时 也应将电机电势相应地升高 但是当频率高于电机额定频率时 电机的电势也相应地高于额定电势 电势高于额定值对电机的绝缘造成威协 是不允许的 因此只能保持电机的电势为电机允许的最高电势 即额定电势 根据式 3 34 可以看出 这时电机的磁通与频率成反比 随着频率的升高 磁通在减小 根据上面的分析可以得出异步电动机变频调速时的控制原则如下 1 当频率低于额定频率时 即f1 flN时 应保持E1 f1 C2 当频率高于额定频率时 即f1 f1N时 应保持E E1N不变 上述控制原则画成曲线如图3 52中的曲线1 图3 52变频调速的控制原则 U E f f1 曲线 上述控制原则涉及到对电机定子电势E1的控制 而在实际执行时 E1难于检测 因此也就难于直接控制 根据异步电机等值电路 图3 53 知 根据上式可以将上图中曲线1所描述的变频调速控制原则曲线改画成曲线2所示 采用U1代替电动势E1 而电压U1易于检测和控制为了控制方便 采用曲线3代替曲线2 曲线3所表达的控制原则描述如下当频率低于额定频率时 即f1 flN时 应保持U1 f1 C当频率高于额定频率时 即f1 f1N时 应保持U1 U1N不变 三 交流异步电动机变频调速的机械特性通过分析可以得到交流异步电动机变频调速时的机械特性见图3 54 图3 54异步电动机VVVF变频调速机械特性 当频率高于额定频率时 由于保持U1 U1N不变 因而磁通 将下降 这时异步电动机的机械特性类似于直流电机的弱磁调速 频率升高转速加快 但转矩减小 功率近似不变 接近于恒功率调速 由于电梯属于恒转矩负载 因此变频调速电梯是不使用这部分机械特性的 当频率低于额定频率时 按图3 52曲线2控制频率和电压 这时电机的磁通 N不变 类似于直流电机的恒磁通调压调速 属于恒转矩调速类型 它的机械特性是一组相平行的曲线 二 变频调速电梯的主电路 在变频调速中 对电机的回馈能量处理基本上有两种方法 一是在直流侧设置能耗电路 当直流侧电压上升到某一数值以上时 接通能耗电路 将回馈的多余能量消耗掉 另一种方法是在电源与直流侧之间设置逆变电路 当电机回馈能量时 启动该逆变电路 将回馈的能量送给电网 两种方法相比较 显然后者节能效果好 运行效率提高 在梯速低于2m s的变频调速电梯中 由于可回馈的能量相对较少 因此多采用上述第一种方法 在直流侧设置了由晶体管T与能耗电阻R构成的能耗电路 当轿厢轻载上升或重载下降运行时以及减速过程中 由于电机的转速高于同步速 电机的感应电势高于电压 该电势经二极管VD1 VD6整流向直流侧电容C充电 当电容上的电压上升到一定程度时 令晶体管V导通向电阻R放电 当电容上的电压降低到某一数值时 则关断晶体管V 停止放电 这时电梯的主电路及放电情况见图3 57 第九节永磁同步电动机拖动方式 永磁同步电动机拖动方式的优点 一 结构简单紧凑 少维护 二 提高了电梯曳引系统的安全性 可靠性 三 降低了对环境的污染 四 提高传动效率 使用节能 经济 具有较高的性能价格比 五 与交流无齿轮异步电机驱动系统的比较在新近开发的交流无齿轮异步电动机曳引系统中 为了达到低速运转250r min以下 通常要做成24极以上的高极数 而极数越多电机的励磁电流分量就越大 合成定子电流增大 定子铜损随之增大 使电动机温度升高 效率降低 三相永磁同步电动机不需要励磁电流 电机极数的多少并不影响电机的功率因数 所以在同极数 一般较高极数时 同容量及相同的工况下 使用永磁同步电动机可使电机效率大大提高 体积可减小30 另外永磁同步电动机的低速性 快速性 硬机械特性和停车自闭等优点是异步电动机所无法相比的 直流电动机结构复杂 体积 重量 成本等都存在很大问题 还具有电刷和整流子等部件使维护困难 在电梯中使用由于接触原因使低速减速段产生爬行距离而使电梯运行效率降低 由于成本高 耗电大 维护复杂等缺点所以人们一直在设法用交流电机来取代 在直流电机中 电枢里流动的是交流电 而外部电路流动的是直流电 这两部分电流是通过电刷 换向器装置来实现相互转换的 当电机工作在电动状态时 电刷 换向器装置将外部电路的直流电流通过电刷与换向片间的电路切换而转换为电枢绕组中的交流电流 起 逆变 作用 而当电机工作在制动 发电 状态时 电刷 换向器装置将电枢绕组中发出的交流电流通过电刷与换向片间的电路切换而转换为外部电路的直流电流 起 整流 作用 电刷 换向器装置的上述功能可用图3 58表示 六 和直流拖动系统比较 图3 58电刷 换向器装置的整流 逆变功能 永磁同步电动机的基本原理是建立在反装式直流电动机基础上的 与直流电动机相比 永磁同步电动机用受转子位置控制的电力电子开关装置 变频器 来代替由换向器和电刷组成的机械式整流 逆变器 采用永磁材料做磁极 省去了励磁电路 不必像普通同步电动机那样用电刷 滑环装置向转子励磁绕组送励磁电流 去除了这些机械接触易损部件后 使电路实现无触点 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 且寿命长 耗电省 维护简单 可运用于易燃易爆场合等优点 所以三相永磁同步无齿轮驱动技术是同时具有交 直流电动机驱动的优点的想理驱动技术 七 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模型是低转速 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 极数的增加使电机电流增大 损耗增大 温度升高 特性变差 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 另外 可将电机做成定 转子具有很小的气隙间隙和较大的气隙直径来提高电机的转矩特性 如薄形电机不但没有增加体积和重量 还易于制成高极数 低转速 大转矩 小电流 同时也易于实施内 外转子的电动机物理模型 以及易于扩展改变传统的径向磁场方向为轴向磁场的盘式电动机等来满足各类电梯曳引驱动模式的需要 同步电机的基本工作原理与结构 同步电机的基本结构 以汽轮发电机为例 返回 返回 1 汽轮发电机结构 1 定子铁心 返回 返回 1 汽轮发电机结构 返回 2 水轮发电机结构 1 立式水轮发电机 2 卧式水轮发电机 2 水轮发电机结构转子结构 10000kW水轮机转子 1 发电环节 各种电机 引进600MW汽轮发电机 国产300MW汽轮发电机 国产200MW汽轮发电机定子 国产200MW汽轮发电机定子铁心 现场运行的水轮发电机 同步电机的基本工作原理与结构 同步电机的基本工作原理与分类 一 同步发电机的基本工作原理 大小 频率 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场 原动机拖动转子以转速旋转时 其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 相序 由转子的转向决定 波形 由可知 波形取决于的空间分布 二 同步电机的分类 按运行方式 同步电机分发电机 电动机和调相机 按结构型式 同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式 旋转磁极式同步电机按磁极形状 又分隐极式和凸极式两种 按原动机类别 同步电机分为汽轮发电机 水轮发电机和柴油发电机等 汽轮发电机一般作成隐极式 现代汽轮发电机均为2极 转速为3000转 分钟 水轮发电机采用凸极式 极数多 转速低 同步电动机 柴油发电机和调相机一般作成凸极式 同步电机的额定值 对同步发电机额定值之间关系为 额定运行时加在三相定子绕组上的线电压 指电机额定运行时 输出功率的保证值 同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率 单位是KVA或KW 电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率 单位是KW 调相机用KVA或Kvar表示 在额定运行状态下三相定子绕组的线电流 永磁同步电机的原理 永磁同步电动机的基本组成电机本体同感应电机和直流电机相似 永磁同步电动机也是由转子及定子两大部件所构成 三相交流绕组在定子上 永磁体在转子上 定子定子通常也称作电枢 它由定子三相绕组 定子铁芯 机座和端盖等零部件所构成 定子铁芯是由冲压后的硅钢片紧密叠装而成 转子转子有两种型式的结构 依据定转子之间的气隙分布有隐极式和凸极式之分 凸极式可看出转子有明显的凸出磁极 且气隙不均匀分布 隐极式转子成圆柱形 均匀分布气隙 对这两种转子需要采用不同的驱动方式 永磁同步电机的结构示意图 永磁同步电机的运行原理 为方便理解我们先从BLDC电机120度直流方波控制来讲解电机的基本工作原理 而180度控制原理则是在120度方波控制的基础上加入正弦变化控制 换言之 针对电机最优的控制 要看电机的反电动势是方波还是正弦波 方波或梯形波的按直流控制 正弦波的按正弦变化控制 无刷直流 BLDC 电机的基本旋转需依靠转子位置传感器检测的位置信息 然后经过电子换相电路来驱动控制同电枢绕组相连接的各个功率开关器件的关断或导通 从而起到控制绕组的通电状态 并在定子上产生