电梯的电力拖动系统PPT课件

1 电梯系统 电梯的电力拖动系统 内容框架 常见电梯电力拖动方式电梯的速度曲线曳引电动机及其功率的确定直流电梯电力拖动方式交流双速电梯拖动方式变频调速电梯拖动方式 preceding 2 1常见电梯电力拖动方式 电梯的运动 轿厢的升降 曳引机组 主驱动 功率大 几千瓦 几十千瓦 轿门和厅门的开关 开关门电机 辅助驱动 功率小 200W以下 2 1常见电梯电力拖动方式 电梯拖动的要求足够的驱动力和制动力 正确的速度控制 舒适性 平层精度 动作灵活 高效 节能 平稳 噪声小 维护方便 寿命长 2 1常见电梯电力拖动方式 电力拖动系统分类 按电动机供电种类 直流拖动系统 直流电动机调速 机械特性硬 调速范围大等优点 但直流电动机具有换向器日常维护量大 耗能高的缺点 交流拖动系统 有交流变极调速系统 交流调压调速系统及变频变压调速系统 由于电子元器件的高速发展大功率高反压场效应三极管IGBT的问世 使得变频变压调速系统更加成熟 电梯拖动系统被采用已成为现实 变频变压调速系统用在电梯上有体积小 节能等优点 在调速性能方面可以与直流拖动系统媲美 目前采用变频变压调速的电梯其速度可达6m s 2 1常见电梯电力拖动方式 轿厢的电力拖动方式 发电机组供电的直流电机拖动方式由于能耗大 只有少量旧梯还在运行 20世纪七八十年代出现的变压变频 VVVF 交流异步电机拖动方式由于其优异的性能和逐步降低的价格而大受欢迎 2 1常见电梯电力拖动方式 轿门的电力拖动方式 直流电动机电枢串 并联电阻调速拖动方式 通过改变电枢电路所串 并联电阻的阻值来改变电动机的转速 早年普遍采用 但由于切换用的开关容易出故障 目前已较少采用 直流电动机斩波调压调速拖动方式 采用大功率晶体管组成的无触点开关通过改变导通占空比实现直流调压调速 这种方法可靠性好 效率高 平滑地调速 交流异步电动机VVVF变频调速拖动方式 采用交流异步电动机 结构简单 运行平稳 效率高 普遍采用 力矩异步电动机 具有较大转矩 适宜用于容易出现堵卡现象的电梯中 伺服电动机拖动方式 近几年出现 采用伺服电动机 其反应灵活 响应迅速 有发展前途 2 2电梯的速度曲线 电梯的速度曲线是舒适感与快速性的矛盾统一1 快速性要求提高电梯额定速度目前超高速电梯额定速度已达10米 秒 电梯额定速度高应加强安全性 可靠性的保证 造价也随之提高 集中布置多台电梯通过电梯台数的增加来节省乘客侯梯时间 减少电梯起 停过程中加 减速所用时间如 交 直流电梯快速平均加 减速度 0 5m s2 起 制动时间缩短意味着加速度 减速度的增大 而过分增大和不合理的变化将造成乘客的不适感 速度变化要兼顾快速性和舒适感 由合理的电梯运行的速度曲线来保证 2 2电梯的速度曲线 2 舒适性要求加速度引起不适超重感 考虑人体生理承受能力 GB T10058 1997规定 加 减速度最大值 1 5m s2 加速度变化率引起不适眩晕感 考虑人体生理承受能力 一般加加速度 1 3m s3 2 2电梯的速度曲线 3 电梯的速度曲线 AEFB段是由静止起动到匀速运行的加速段速度曲线 BC段是匀速运行段 其梯速为额定梯速 CF E D段是由匀速运行制动到静止的减速段速度曲线 通常是一条与起动段对称的曲线 2 2电梯的速度曲线 2 3电梯的负载机械特性 频繁起制动设备 需分析电梯的负载机械特性 静态负载机械特性 当轿厢静止或匀速运动时表现的电梯 动态负载机械特性 轿厢加 减速运动时 除包含静态负载机械特性外 还包含加速度造成的惯性转矩部分 2 3电梯的负载机械特性 动态负载机械特性原因 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 通常 电梯的动态转矩可达静态转矩的1 5 3倍 AE段 抛物线EF段 直线FB段 反抛物线BC段 点制动段 CF F E E D段 2 3电梯的负载机械特性 静态负载机械特性原因 1 负载转矩是由轿厢与对重的重量差造成的 2 反抗性转矩是由传动系统的摩擦阻力引起 2 3电梯的负载机械特性 电梯的负载机械特性将电梯的静态负载机械特性与动态负载机械特性相叠加得到电梯负载机械特性 2 3电梯的负载机械特性 调速电梯曳引电动机机械特性与电梯负载机械特性的关系调速电梯要求轿厢能按预定的速度曲线运行 要求曳引电动机在选定的调速方式下 电机的转矩总能达到负载转矩的要求 电机转矩应有一定裕度 特点 包容 2 4电动机及其功率的确定 1 电梯对曳引电动机的要求要求电动机有较大的过载能力电梯的动态负载转矩大 要求电动机的过载倍数为3 4 能承受频繁起停 较高的每小时合闸次数发热需散热 每小时合闸次数150 300次周期断续工作制负载持续率FS tg T 100 电梯的FS在30 70 2 4电动机及其功率的确定 足够的起动转矩 尽量小的起动电流普通电动机起动电流大 5 7倍 起动转矩小电梯需克服静态转矩 其他机械摩擦 采用减压起动以降低起动电流 起动转矩足够即可 过大则冲击大 2 5直流电梯电力拖动方式 直流电机的机械特性是直线 转速与转矩 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在需要大范围平滑调速的生产机械中 在交流变频调速应用之前的一百多年里 直流调速处垄断地位 超高速电梯中直流电梯仍占绝大部分 2 5直流电梯电力拖动方式 直流电梯分类 按直流电源的获取方式 由交流电动机 直流发电机组供电 G M方式 淘汰 由晶闸管整流器 逆变器 供电 SCR M方式 目前使用 2 5直流电梯电力拖动方式 1单桥供电的SCR M直流电梯电梯系统其电枢电路由单向整流桥供电 励磁电路由双向整流桥供电 2 5直流电梯电力拖动方式 整流原理 由于这样只能产生单方向的电枢电流Ia 而要想适应电梯负载的要求 电机M必须能灵活地改变电磁转矩的方向 因此电机的励磁统组WM则由两个反并联的整流桥供电 当正组励磁整流桥UCF工作时 给励磁绕组WM提供正向励磁 使电机内产生正向磁通 这样电机M的电枢电流Ia 只有正向电流 在正向磁通 的作用下就将产生正向转矩 当反组励磁整流桥UCR工作时 则为励磁绕组WM提供反向励磁电流 使电机产生反向磁通 于是正向的电枢电流Ia在反向的磁通 作用下 产生反向转矩 2 5直流电梯电力拖动方式 2双桥供电的SCR M直流电梯 1 主变压器2 正组晶闸管3 反组晶闸管4 平波电抗器5 直流电动机6 测速发电机7 曳引机8 轿厢9 对重10 励磁变压器11 励磁晶闸管整流器12 励磁绕组13 励磁指令及励磁控制器14 速度指令15 比较器16 控制切换开关17 正组晶闸管触发电路18 反组晶闸管触发电路 2 5直流电梯电力拖动方式 整流原理 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 反向电流 而励磁回路则只是一个恒定大小 恒定方向的恒流控制 即控制电动机的磁通保持额定值 这时电动机四个象限运行的控制就靠对正 反两个整流桥的控制来实现 2 5直流电梯电力拖动方式 单桥供电 双桥供电的比较单桥供电电枢回路中只用一组晶闸管 相对于双桥供电可节省一套大功率晶闸管整流器 减少设备投资 双桥供电在电枢回路中采用正反两组晶闸管来实现电枢电流及电动机转矩的正 负过渡 由于电枢回路电感较小 因此快速响应性更好些 2 6交流双速电梯拖动方式 调速原理从电机学可知交流电动机的转速公式 式中 n 电动机的转数 s 转差率 f 电网频率 p 磁极对数 从公式分析 改变交流电动机的转速有三个方法 改变极对数P 双速电梯 改变电动机转差率S 调压调速电梯 改变电动机供电电源的频率 变频调速电梯 2 6交流双速电梯拖动方式 双速电梯运行时的速度曲线特点 在停车前有一个短时间的低速运行 是为提高平层精度而设置的 因双速电梯中不采用速度闭环控制 只有两个稳定运行速度 正常运行速度 停车前的低速 2 6交流双速电梯拖动方式 异步电动机变极的方法 双绕组变极 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 当接入一套绕组时 电机具有一种转速 当接入另一套绕组时 电机则具有另一种转速 单绕组变极 只嵌放一套定子绕组 而通过对定子绕组的不同接线组合得到不同的极数 内部空间相对宽松一些 2 6交流双速电梯拖动方式 变极调速电梯主电路 1 双绕组6 24极变极电机用作电梯曳引电动机的主电路 2 6交流双速电梯拖动方式 说明 快速 6极 绕组的引出端 XKl XK2 XK3 在内部三相接成 Y 形接法 慢速 24极 绕组的引出端 XMl XM2 XM3 在内部三相也是 Y 形接法 接触器KS 用于接通快速绕组实现快速启动 运行 与KM1互锁 接触器KMl 用于接通慢速绕组实现减速 慢速运行 与KS互锁 上升接触器KM和下降接触器KMR 用来改变电机相序实现正反转运行 KM和KMR需互锁 KR和KRl热继电器 分别为快速运行和慢速运行热继电器 定子绕组中 串接电感 电阻 满足电梯运行中舒适感的要求 使速度尽量平滑过渡 减缓冲击 2 8变频调速电梯拖动方式 1 变频调速发展概况20世纪50 60年代 采用交流发电机组作为变频电源 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 60 70年代出现了晶闸管变频器 大功率晶体管变频器 其体积小 价格较低 运行噪声小 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 开关元件工作频率提高 变频器输出电压的波形更加接近正弦波 80年代中期 变频调速电梯投入实际应用 变频调速只涉及异步电机的定子电源部分 因此可以采用笼式异步电动机 其有结构简单 价格低廉 坚固耐用 调速范围宽 特性硬 节能的优点 变频调速电梯正在逐步取代其他类型的电梯 成为电梯的主流产品 2 8变频调速电梯拖动方式 2 变频调速的分类按有无直流环节分类有直流环节的变频器 交 直 交变频 电梯常用 电路中 首先由晶闸管V1 V6将工频交流电整流成直流电 然后再由晶闸管或大功率晶体管V7 V12将直流电压逆变成改变了频率的交流电 从而实现变频 无直流环节的变频器 交 交变频 它没有直流环节 通过对晶闸管V1 V18的控制 直接从工频电转变出可变频率的交流电 此变频器的输出频率只能在比输入频率低得多的范围内改变 多用于低转速 大转矩场合 在中小功率场合较少采用 在电梯中基本不用 2 8变频调速电梯拖动方式 2 8变频调速电梯拖动方式 有直流环节的变频器 交 直 交变频 原理 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 然后经开关元件1 3和2 4轮流切换导通 则在负载上就可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 2 8变频调速电梯拖动方式 整流 滤波和逆变三部分是组成交 直 交变频器的主要环节 通过改变可控整流器 桥I 晶闸管的触发延迟角 可调节电动机供电电压的幅值 改变三相逆变器 桥 开关元件的切换频率 可调节电动机供电频率 2 8变频调速电梯拖动方式 按直流环节的特点分类电压型变频器 电压源变频器 变频器中 若直流 滤波 环节中电容器C的电容量较大 而电感L的电感量较小 或根本不接电感 那么直流侧的电压将不能突变 其输出电压的波形为矩形波 输出电流的波形则由输出电压和电机感应电势来共同决定 通常接近正弦波 但有一定的谐波电流分量 电流型变频器 电流源变频器 电容量较小 而电感量较大 那么直流侧的电流就不能突变 其输出的电流为矩形波 输出电压由电机感应电势和定子漏阻抗压降决定 而漏阻抗压降通常很小 电机感应电势为正弦波 因此输出电压基本上是正弦波 2 8变频调速电梯拖动方式 按改善输出电压 电流波形的方法分类采用多重化技术 通常用在大容量 高电压电机的变频调速中 采用脉冲宽度调制技术 PWM 是中 小容量变频器改善波形常用的方法 电梯常用 2 8变频调速电梯拖动方式 多重化技术原理 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 2 8变频调速电梯拖动方式 2 8变频调速电梯拖动方式 脉冲宽度调制技术 PWM 脉宽调制的基本思路 就是用一组脉冲波取代简单变频器的单个方波 这组脉冲波的宽度具有正弦变化的规律 而幅度相同 2 8变频调速电梯拖动方式 第i个方波在第i个区间的电压平均值为 Kv 基波电压幅度系数 Ud 变频器直流侧电压 可见 第i个方波的面积与基波电压曲线在第i个区间所包围的面积近似相等 可见 在脉宽调制变频器中 要改变变频器输出的基波电压大小的两个途径 改变脉宽调制时的系数Kv 只需对变频桥的六个开关元件进行控制 直流侧电压可以不变 因此可以节省直流调压电路 改变直流侧电压Ud的大小 2 8变频调速电梯拖动方式 注 其各次谐波幅值的表达式 上式计算结果表明 波形中基波占绝对主要的成分 2N N即为波头数 次以下谐波数值极小 因此 只要选择足够高的脉宽调制频率 可有效地消除高次谐波 改善变频器的输出波形 降低电机噪声 2 8变频调速电梯拖动方式 实际常用脉冲宽度调制技术 正弦波PWM SPWM 原理 利用等幅的三角波 称为载波 与正弦波 称为调制波 的相交点发出触发脉冲信号 并经基极驱动电路放大后送至逆变器的开关元件控制极 即幅值和频率可变的正弦调制波与幅值恒定 频率很高 为正弦调制波频率的几十到几百倍 的三角载波进行比较 在两个波形的交点时刻比较器的输出发生跳变 从而得到一系列幅值相等 宽度不等的矩形脉冲列 2 8变频调速电梯拖动方式 当正弦波的数值大于三角波数值时 输出正跳 产生正向脉冲 可使逆变器中的功率开关管导通 当正弦波的数值小于三角波数值时 输出负脉冲 可使该功率开关管截止 PWM的输出脉冲列的平均值近似于正弦波 三角波的频率越高 波头数N就越大 PWM的输出脉冲系列的平均值就越接近于正弦波 由图可见 提高Ud就可提高输出等效正弦波的幅值 改变正弦调制波的角频率 就可以改变输出等效正弦波的频率 从而就可以实现变压变频 2 8变频调速电梯拖动方式 按变频桥所采用的开关元件类型分类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可控性 2 8变频调速电梯拖动方式 变频器中的逆变桥所采用的开关元件主要有 晶体闸流管Th SCR 晶闸管变频器门极关断晶闸管GTO 可关断晶闸管变频器双极型晶体管BJT 又称电力晶体管GTR 电力晶体管变频器绝缘栅双极晶体管IGBT 绝缘栅晶体管变频器 2 8变频调速电梯拖动方式 特性 每种开关元件极限曲线的左下方区域是该类元件的正常工作区 2 8变频调速电梯拖动方式 由图可见 晶闸管 Th或SCR 特点 容量可以做得很大 由于工作频率较低 不适于作脉宽调制控制 可控硅一经触发导通 关断就很困难 需关断电路 控制电路复杂 增加了能量的损耗 应用 目前在中 小容量的变频器中己很少采用晶闸管 在大容量 高电压 大电流 变频器中 目前仍使用其做开关元件 采用多重化技术来改善波形 2 8变频调速电梯拖动方式 门极关断晶闸管 GTO 特点 正向脉冲时导通 反向的较大脉冲电流时可以关断 其可控性比晶闸管要好 其工作频率极限比晶闸管提高 容量也较大 缺点 关断时需要有较大功率的反向脉冲 增加了控制电路的难度 关断时会引起较大的过电压 应用 在中 大容量变频器中 采用较多 在中小容量变频器中较少采用 2 8变频调速电梯拖动方式 电力晶体管 GTR 开关频率较高 容量中等 在中小容量变频器中是主流产品 绝缘栅晶体管 IGBT 其栅极具有MOS结构 需要的驱动功率很小 控制电路比GTR简单 在中 大功率时 工作频率比GTR高 可以制成性能优良的正弦波PWM变频器 有逐渐取代GTR变频器的趋势 2 8变频调速电梯拖动方式 4 变频调速的控制原则 VVVF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 2 8变频调速电梯拖动方式 交流异步电动机的磁化特性曲线 可以看出 磁通 不能无限制增大 磁通过大将使铁芯进入过饱和区 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 N 此时的励磁电流Im近似等于电机的空载电流Io 中小型异步电动机的空载电流Io为额定电流IN的1 3左右 注意 如果要将磁通增大20 励磁电流 空载电流 就可能增大到数倍于额定电流 即电机尚未带负载便已过热损坏了 故应当控制磁通不要超过额定磁通 2 8变频调速电梯拖动方式 交流异步电动机定子绕组感应电势公式为 分析 磁通 超过额定磁通 N 将造成电机过热损坏 电势高于额定值 EN 对电机的绝缘造成威胁 是不允许的 可见 为使磁通保持为 N 在变频调速改变频率f1时 必须同时改变定子绕组电势E1 应注意E1 EN 可见 为使电势保持为EN 这时 1 f 应注意 N 2 8变频调速电梯拖动方式 得出异步电动机变频调速时的控制原则 当频率低于额定频率fN时 应保持E1 f1 E1N f1N const 以保证磁通为 N 当频率高于额定频率fN时 应保持E EN不变 此时磁通可保证 N 电机定子电势E1难于直接控制 故用电压