电梯的电力拖动系统

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1.53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312。,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610。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SCRM直流电梯,第六节交流双速电梯拖动方式,我国在20世纪6070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1ms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YY，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624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333交流异步电动机调压调速机械特性a）smuc时使V4通，V3断，uo=Ud当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号如io0，则V1和V4通，如io0，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347a）那样，在这个电路中，首先由晶闸管V1V6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V7V12将直流电压逆变成交流电，通过对V7V12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347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349a)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349b），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351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=CmjI2cos2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ImI0，中小型异步电动机的空载电流为额定电流的1/31/2，即I0=（1/31/2）IN。如果要将磁通增大10，励磁电流就要增大23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（335），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（334）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f1flN时，应保持E1/f1=C2.当频率高于额定频率时，即f1f1N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352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353）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f1flN时，应保持U1/f1=C当频率高于额定频率时，即f1f1N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354。,图354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U1U1N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352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VD1VD6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357。,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358表示。,六、和直流拖动系统比较,图358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，并在定子上产生一个连续的旋转磁场，以拖动转子跟着旋转。随着转子的不断旋转，传感器信号被不断的反馈给芯片，主芯片据此来改变电枢绕组的通电状态，使得在每磁极下的绕组中的电流方向相同。因此可以产生恒定转矩，并使BLDC电机连续旋转运行起来。,永磁同步电机的运行原理,所谓的120度变频控制，其实是采取两两导通方式的控制策略。所谓两两导通方式指每一时刻仅有两个功率管导通，每1/6周期，开关管换相一次，而每次换相也即PWM调制一个功率管。，按此调制通断即可产生连续的旋转电枢磁势，从而使电机运转。注意这里对120度变频来讲，每一步的PWM的占空比是固定不变的，从而产生直流方波。这种控制方式的特点，简单方便，容易掌握。而180度变频则不仅每1/6周期的PWM占空比不同，而且每一个PWM脉冲的占空比都在调整中，并在每个电周期内使电压按照正弦规律变化，对矢量变频来讲使能电流或磁通按照正弦规律周期变化控制。,驱动波形示意图,永磁同步电机的运行原理,电枢反应空载时，同步电机气隙中仅有转子磁势存在。而带负载后，除转子磁势之外，还有定子三相电流产生的电枢磁动势。电枢磁动势的存在，会使气隙中磁场的位置和大小发生畸变，这种电枢磁势影响主磁极磁场的现象我们称之为电枢反应。电枢反应除了能使气隙磁场产生畸变之外，还会关系到机电能量转换，还有增磁或去磁作用，这对电机的运行性能会产生很大的影响。该反应的性质取决于，主磁场与电枢磁势在空间上的相对位置，分析表明该位置与负载电流Ia和激磁电动势E0之间的相位差有关，下面将根据它们之间的相位关系分别进行分析。同相位时的电枢反应与矢量相加后为气隙合成磁动势，另外，习惯上用d（直轴）来表示转子磁极轴线，用q（交轴）来表示N，S极之间的中线。这样因为交轴磁势的存在，会使合成磁势轴线的位置发生位移，并且幅值也发生一定的变化。,永磁同步电机的运行原理,显然从图中可看出电枢磁势的方向与气隙磁势的方向相反，电枢反应是去磁效果的。,图3.6=90时的电枢反应,永磁同步电机的运行原理,永磁同步电机的运行原理,永磁同步电机的运行原理,二、永磁同步电动机的结构（一）永磁电机的发展利用永久磁铁制造电机，已有很久的历史，世界上第一台电机就是永磁电机。但是早期的永磁材料磁性能很低，永磁电机非常笨重，因而很快被电流励磁的电机所取代。到了20世纪30年代以后，具有较高剩磁密度Br的铝镍钴永磁材料和具有较高矫顽力Hc的铁氧体永磁材料先后出现，永磁电机又开始发展。但是这两种永磁材料都存在弱点：铝镍钴永磁材料的矫顽力很低，容易去磁；而铁氧体的剩余磁通密度较低性能还不够理想，因而永磁电机的体积比较大，还不能和电流励磁电机相比，主要用于微特电机领域。,（二）永磁同步电动机的磁极结构,图359新型的永磁同步电机转子结构a)铁氧体b)稀土永磁体、内转子c)稀土永磁体、外转子,图363永磁同步无齿曳引机,直线电动机与普通旋转电动机都是实现能量转换的机械，普通旋转电动机将电能转换成旋转运动的机械能，直线电动机将电能转换成直线运动的机械能。直线电动机应用于要求直线运动的某些场合时，可以简化中间传动机构，使运动系统的响应速度、稳定性、精度得以提高。直线电动机在工业、交通运输等行业中的应用日益广泛。直线电动机可以由直流、同步、异步、步进等旋转电动机演变而成，由异步电动机演变而成的直线异步电动机使用最多。这里，我们只就直线异步电动机的结构和工作原理做一些简单的介绍。,第十节直线电机拖动方式,(1)省去了把旋转运动转换为直线运动的中间转换机构，节约了成本，缩小了体积。(2)不存在中间传动机构的惯量和阻力的影响，直线电动机直接传动反应速度快，灵敏度高，随动性好，准确度高。(3)直线电动机容易密封，不怕污染，适应性强。由于电机本身结构简单，又可做到无接触运行，因此容易密封，可在有毒气体、核辐射和液态物质中使用。,直线电动机传动的特点,(4)直线电机散热条件好，温升低，因此线负荷和电流密度可以取得较高，可提高电机的容量定额。(5)装配灵活性大，往往可以将电机与其他机件合成一体。(6)某些特殊结构的直线电动机也存在一些缺点，如大气隙导致功率因数和效率降低，存在单边磁拉力等等。,直线电动机传动的特点,直线异步电动机有平板形、管形等结构型式。平板形直线异步电动机可以看做将普通鼠笼转子三相异步电动机沿径向剖开后展平而成，如图所示。对应于旋转电动机定子的一边嵌有三相绕组，称为初级；对应于旋转电动机转子的一边称为次级或滑子。实际平板形直线异步电动机初级长度和滑子长度并不相等，通常是滑子较长。为了抵消初级磁场对滑子的单边磁吸力，平板形直线异步电动机通常采用双边结构，即有两个初级将滑子夹在中间的结构形式。初级铁心由硅钢片叠成，其表面的槽中嵌有三相绕组（有些是单相或两相绕组），滑子由整块钢板或铜板制成片状，其中也有嵌入导条的。,平板形直线电动机结构、原理图,直线电机的结构,从旋转电动机到直线电机的演化,旋转电动机的定子和转子分别对应直线电动机的初级和次级,单边型直线电动机,短初级,短次级,双边型直线电动机,短次级,短初级,从旋转电动机到圆筒式直线电动机的演化,圆筒式结构,圆弧式直线电动机,圆盘式直线电动机,基本工作原理,我们知道，在普通鼠笼转子三相异步电动机的定子绕组中通入三相对称电流时，会在气隙中产生转速为n1的旋转磁场，转子导条切割旋转磁场而在其闭合回路中生成电流，带电的转子在磁场作用下产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的转向以转速n旋转。改变三相电流的相序时，可以使旋转磁场及转子的旋转方向改变。在直线异步电动机初级的三相绕组中通入三相对称电流时，其在气隙中产生的磁场也是运动的，只是沿直线方向移动，称之为移行磁场或行波磁场。滑子也会因此而沿移行磁场运动的方向移动，移行磁场及滑子的移动方向也由三相电流的相序决定。,2.直线感应电动机的基本原理,行波磁场,在初级的多相绕组中通入多相电流后，也会产生一个气隙基波磁场，但是这个磁场的磁通密度波B是直线移动的，故称为行波磁场。,如电机极距为，电源频率为f，磁场移动速度为,次级速度为v，则滑差率为,次级移动速度,直线感应电动机的结构特点,直线电机的初级相当于旋转电机的定子。初级铁心也是由硅钢片叠成的，面开有槽，三相(或单相)绕组嵌置于槽内。,1.初级,1)扁平式初级结构,2)圆筒式初级:一般由用硅钢加工成具有凹槽的圆环组成，装配时四周用螺栓拉紧。,2.次级,栅型次级：一般是在钢板上开槽，在槽中嵌入铜条(或铸铝)，然后用铜带在两端短接而成。,钢次级或磁性次级：钢既起导磁作用，又起导电作用.由于钢的电阻率较大，故钢次级直线电机的电磁性能较差，且法向吸力也大(约为推力的10倍左右)。,1）扁平型直线电机,复合次级：钢板上复合一层铜板(或铝板)。,铜(铝)次级或非磁性次级:用于双边型直线电机中,圆筒式直线电机，次级一般是厚壁钢管，为了提高单位体积所产生的起动推力，可以在钢管外圆覆盖一层12mm厚的铜管或铝管，成为复合次级，或者在钢管上嵌置铜环或浇铸铝环，成为类似于笼型的次级。,2）圆筒型直线电机,嵌置铜环或铝环的圆筒式次级,直线感应电动机的缺点：气隙大，功率因数低,3.气隙,直线电机的气隙相对于旋转电机的气隙要大得多，主要是为了保证在长距离运动中，初级与次级之间不致摩擦。