学习任务7：电梯的电力拖动系统

1、学习任务7电梯的电力拖动系统任务分析通过本任务的学习，了解电梯的机械特性，了解双速电梯、调压调速电梯和变频变压调速电梯的工作原理。建议课时建议完成本任务为10学时。学习目标应知1.电梯传动系统的动力学特性。2.电梯运行速度给定曲线设计。3. 双速电梯、调压调速电梯和变频变压调速电梯的工作原理应会1.了解电梯机械特性。2.了解电梯永磁驱动方式学习任务7.1交流双速拖动系统基础知识一、电力拖动方式电梯运行性能的好坏，很大程度上取决于电力拖动系统的优劣。随着科学的发展，电梯电力拖动系统经历了从简单到复杂，从不完善到完善的过程。目前我国曳引式电梯电力拖动系统有两大类型，一是交流拖动系统，即用交流电动机

2、作动力的拖动系统；二是直流拖动系统，即用直流电动机作动力的拖动系统。 交流拖动系统，有单速、双速、调速之分。直流拖动系统，有可控硅励磁和可控硅供电系统之分。1.交流单速拖动方式只有一种运行速度，一般只用于服务电梯（杂物电梯），速度小于0.5米/秒。2.交流双速拖动方式有两种运行速度，大量用于货梯，速度为0.25米秒1.0米/秒。3.交流调速拖动方式电动机的转速可调的拖动系统，一般用于客梯。交流调速拖动系统又可分为调压调速（ACVV）和变压变频调速（VVVF）系统。ACVV系统是通过对交流电动机的定子进行调压调速，减速时配合涡流制动、能耗制动、反接制动等进行减速控制，以获得好的舒适感和平层准确度

3、，多用于2米秒以下速度的电梯。VVVF系统是采用变压变频技术，对电动机的供电频率和电压进行控制，可以达到直流电动机驱动电梯的水平，具有体积少，重量轻，效率高，节能省电等优点。4.直流可控硅励方式是一种发电机-电动机调速系统（简称：G-M调速系统）我国生产的直流电梯多是G-M调速电梯。调整发电机的励磁电流，就可改变发电机的输出电压，实现了电动机的调压调速。由于G-M调速系统能耗大，维修困难。我国早已不生产此类电梯。5.直流可控硅供电方式由可控硅整流装置直接供电给直流电动机，省去了发电机组，适用于快速和高速电梯。由于直流电梯能耗大，造价高，维修困难，生产厂家已停止生产。二、电梯运行速度曲线电梯运行

4、性能的好坏，很大程度上取决于电力拖动系统的优劣，而电力拖动系统的优劣，又很大程度上取决于电梯运行曲线是否是一条理想速度曲线。1.对电梯的快速要求：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中的乘客是很重要的。快速性主要通过如下方法得到：1 提高电梯额定速度缩短运行时间，达到为乘客节省时间的目的。在提高电梯额定速度的同时，应加强安全性、可靠性的措施，因此梯速提高，造价也随之提高。2 集中布置多台电梯通过增加电梯台数来增加客流量，减少乘客候梯时间,这种方法虽不是直接提高梯速，但是为乘客节省时间的效果是相同的。3 尽可能减少电梯起、停过程中的加、

5、减速时间电梯是一个频繁起、制动的设备，它的加、减速所用时间往往占运行时间很大比重。电梯单层运行时，几乎全处在加、减速运行中，如果加、减速阶段所用时间缩短，便可以为乘客节省时间，达到快速性要求。因此电梯在起、制动阶段不能太慢，那样将降低效率，浪费乘客的宝贵时间。GB/T 10058-2009电梯技术条件中就规定了电梯加、减速度的最小值：当乘客电梯额定速度为1.0m/sV2.0m/s时，加、减速度不应小于0.5m/s2；当乘客电梯额定速度为2.0m/sV6.0m/s时，加减速度不应小于0.7m/s2。这是对电梯快速性的要求。上述三种方法中，前两种需要增加设备投资，第三种方法通常不需要增加设备投资，

6、因此在电梯设计时，应尽量减少起、制动时间。但是起、制动时间缩短意味着加、减速度的增大，而加、减速度的过分增大和不合理的变化将造成乘客的不适感。因此，对电梯又提出了舒适性的要求。2.对电梯的舒适性要求 由加速度引起的不适人在加速上升或减速下降时，加速度引起的惯性力叠加到重力之上，使人产生超重感，各器官承受更大的重力；而在加速下降或减速上升时，加速度产生的惯性力抵消了部分重力，使人产生上浮感，感到内脏不适，头晕目眩。考虑到人体生理上对加、减速度的承受能力，GB/T 10058-2009电梯技术条件中规定：乘客电梯起动加速度和制动减速度最大值均应不大于1.5m/s2。 由加速度变化率引起的不适试验证

7、明，人体不但对加速度敏感，对加加速度（或称加速度变化率）也很敏感。我们用a来表示加速度，用来表示加加速度，则当加加速度较大时，人的大脑感到晕眩、痛苦，其影响比加速度a的影响还严重。我们也称加加速度为生理系数，在电梯行业一般限制生理系数不超过1.3 m/s3。3.电梯的理想速度曲线：当轿厢静止或匀速升降时，轿厢的加速度、加加速度都是零，乘客不会感到不适；而在轿厢由静止起动到以额定速度匀速运动的加速过程中，或由匀速运动状态制动到静止状态的减速过程中，既要考虑快速性的要求，又要兼顾舒适感的要求。也就是说，在加、减速过程中，既不能过猛，也不能过慢：过猛时，快速性好了，舒适性变差；过慢时，舒适性变好，快

8、速性却变差。因此，有必要设计电梯运行的速度曲线，让轿厢按照这样的速度曲线运行，既能满足快速性的要求，也能满足舒适性的要求，科学、合理地解决快速性与舒适性的矛盾。图7-1 中曲线ABCD 就是这样的速度曲线。其中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，其梯速为额定速度值；CFED 段是由匀速运行制动到静止的减速段速度曲线，通常是一条与加速段对称的曲线。图7-1 常用的电梯速度曲线（抛物线形）加速段速度曲线AEFB段的AE 段是一条抛物线，EF段是一条在E点与抛物线AE相切的直线，而FB 段则是一条反抛物线，它与AE 段抛物线以EF段直线的中点相对称。设计电梯的速度

9、曲线，主要就是设计起动加速段AEFB段曲线，而CF ED 曲线与AEFB段镜像对称，很容易由AEFB段的数据推出，BC段为恒速段，其速度为额定速度，无需计算。画出上述速度曲线的加速度、加加速度曲线见图7-2。图7-2 电梯速度、加速度、加加速度曲线1-速度 2-加速度 3-加加速度图7-2中，起动加速段AEFB中各小段的速度曲线、加速度曲线、加加速度曲线的函数表达式分别是 图7-3中给出了在图7-1的曲线基础上实际应用的两种速度曲线，其中图7-3a 是交流双速电梯的速度曲线，通常采用开环控制，为了提高平层准确度，在停梯前有一段低速运行阶段。这种速度曲线停车所用时间较长，舒适感较差，一般用于低速

10、货梯中。图7-3b 是梯速较高的调速电梯的速度曲线，由于额定速度较高，在单层运行时，梯速尚未加速到额定速度便要减速停车了，这时的速度曲线没有恒速运行段。在高速电梯中，在运行距离较短（例如单层、二层、三层等）的情况下，都有尚未达到额定速度便要减速停车的问题，因此这种电梯的速度曲线中有单层运行、双层运行、三层运行等多种速度曲线，其控制规律也就更为复杂些。图7-3 实际应用的两种电梯速度曲线a)停车前有爬行段的速度曲线 b)高速梯的速度曲线4.电梯速度曲线的特点 为了获得好的舒适感电梯速度曲线在转弯处必须是圆滑过渡的，加、减速度最大值均应不大于1.5m/s。 为了快速性，缩短运行时间电梯在起、制动阶

11、段不能太慢，加、减速度不能太小。123 为了实现预定的速度曲线调速电梯在加、减速阶段需 采用速度闭环控制，不允许出现超调和震荡。三、交流双速拖动系统交流双速拖动系统是电梯拖动系统中较为简单、实用的一种，工厂企业中用的货梯多数是这种拖动系统。为了减少起动电流，减少对电网的冲击，提高加、减速时的舒适感，通常在定子回路串入电抗或电阻，或是电抗和电阻的组合体。图7-4 是定子串电抗器的交流双速电梯拖动主回路。从图7-4可看出：该电路采用一级串电抗起动，减速时采用二级串电抗换速，起到减小起动电流，提高加、减速过程的平稳作用，从而使舒适感得到提高。起动时，当SKM（上行）或XKM（下行）接触器吸合，快车接

12、触器KKM吸合，使电动机的快速绕组串入电抗器L降压起动，经一定时间后，快车加速接触器1KKM吸合，图7-4 定子串电抗器拖动主回路SKM一上行接触器 ；XKM一下行接触器 ；KKM快车接触器 ；MKM一慢车接触器；1KKM快车加速接触器 ；1ZKM慢车第一制动接触器 ；2ZKM慢车第二制动接触器；KFR快车热继电器；MFR慢车热继电器；3一交流双绕组异步电动机；GKSA电源总开关；ZKSA极限开关 ；L电抗器。将电抗器L短接，电动机在全电压下进一步加速到额定速度进入稳速运行。减速时，KKM释放，MKM吸合，电动机由高速绕组切换到低速绕组，电动机处于发电制动状态运行。开始时，低速绕组串入全部电抗

13、器L进行减速，然后通过1ZKM,2ZKM先后分两级将电抗器短接，电动机进一步减速至低速绕组自然特性上运行，直至SKM 或XKM释放，电动机失电停止运转。为了分析电梯整个运行过程中，输出力矩及转速的变化，特作出综合机械特性曲线如图7-5所示。图7-5 综合机械特性曲线图曲线1高速绕组串电抗特性（人为特性）曲线2高速绕组（6极）自然特性（固有特性）曲线3低速绕组串电抗特性（人为特性）曲线4-低速绕组串部分电抗特性（人为特性）曲线5-低速绕组（24极）自然特性（固有特性）曲线Md-恒负载转矩。自然特性（固有特性）：是指电动机在额定电压，额定频率条件下所具有的特性。人为特性是指改变了电动机某参数（如电

14、压）所具有的特性。电梯起动时，电动机因串入电抗器，电动机起动转矩MaMd，电动机沿着曲线1起动加速。当转速上升到b点时，由于1KKM吸合，短接了电抗器L，特性曲线转到自然特性2上（即过渡到C点）。转矩增量（M =Mc-Mb）为正，使电动机进一步加速到d点。此时，电动机转矩和负载转矩相等，电梯进入稳速运行，完成了电动机的起动和加速过程。通常电动机起动电流最大约为额定电流的4倍，串入电抗后可减少到一般要求的2倍，从而可减小起动的冲击电流，改善了舒适感。电梯减速时，KKM释放，MKM吸合，电动机由高速绕组切换到低速绕组，由于惯性、转速不能突变，此时电动机处于发电制动状态。如果不串入电抗，将过渡到曲线

15、5的K点，其制动力矩可达额定转矩的数倍，它将使轿厢急剧减速而产生很大的冲击力，危及人身和设备的安全。串电抗后，减速时电动机运行于曲线的3的e点，制动力矩大大降低，在制动力矩作用下，转速沿曲线3下降到f点时，由于1ZKM吸合短接了部分电抗，过渡到曲线4运行，并进一步减速到h点时，由于2ZKM吸合将余下电抗短接，使电动机转速沿着低速绕组的自然特性曲线5下降到1/4ne点，进入低速运行阶段，直至平层停梯。从交流双速电梯的加、减速过程可以看出：电动机的转矩大于负载转矩，转速升高；反之、电动机转矩小于负载转矩，转速减少；电动机转矩等于负载转矩，转速不变、进入稳速运行。从图7-6速度曲线可看出：交流双速电

16、梯有两个速度运行阶段，一个是高速运行阶段，一个是低速运行阶段。双速电梯的起动加速过程和换速减速过程的速度变化不是园滑的，是有“台阶”的，舒适感差，只适宜对舒适感要求不高的场合使用。图7-6为交流双速电梯运行速度曲线四、交流调压调速（ACVV）拖动系统交流双速电梯采用定子串电抗或电阻降压起动，变极减速平层。虽然线路简单，但由于是有级开环控制，起、制动冲击大，舒适感差、平层精度低等缺点，只能用于1 米秒以下的货梯。随着电力电子技术的发展，采用反并联可控硅或双向可控硅模块，取代起动电阻或电抗来控制起动过程；减速时，在低速绕组通入可控直流电流，进行能耗制动，并采用闭环控制，便可实现速度的连续调节，有效

17、地满足改善舒适感和平层精度的要求。1.调压调速异步电动机在一定条件下，电动机的电磁转矩M与加在定子绕组电压U1的平方成正比，即MU12。通常采用降低定子的电压来改变电动机在一定输出转矩下的转速，控制可控硅的导通角，就可控制加到定子绕组的电压，得到一组特性曲线，如图7-7所示。起动时由曲线1无级地过渡到曲线5。图7-7 可控硅调压得到的一组机械特性曲线 图7-8 用于调速电动机的机械特性图7-9 可控硅调压的起动过程为了获得较大的调速范围，通常要求调速用的电动机具有较软的机械特性，如图7-8 所示。改变定子电压可以得到一组如图7-9 所示的曲线。电梯起动时，定子电压由U5变化到U1，机械特性图上

18、由a点变化到i点，转矩稳定地增加，转速逐步提高，最后稳定在i点上运行。由于调速电梯采用了机械特性较软的电动机，转速n受负载变化影响较大，如图7-8 所示。为了获得稳定的速度特性，调速系统一般都引入速度负反馈组成闭环控制系统。闭环系统原理框图如图7-10所示。图7-10 闭环系统框图从图7-11可看出。设电动机原来工作在Ma点，当负载由Ma变化到Mb时，若是开环系统，电动机的转速则由na下降到nb ；若是闭环系统，当电动机因负载增加转速下降时,通过速度反馈环节会使可控硅输出电压升高到u1 ，从而使转速基本维持不变，工作在nb，闭环后的特性如图7-12所示。2.能耗制动：电梯的制动减速是电梯速度控

19、制的重要环节，常用的制动方式有：能耗制动、涡流制动和反接制动。能耗制动线路构成如图7-13所示。起动运行时、KKM 吸合，快速绕组通入三相交流电。减速时，KKM释放、NKM吸合，断开快速绕组电源，在慢速绕组两相中通入直流 图7-11 开环特性 图7-12闭环特性图7-13能耗制动原理电流，此电流在气隙中形成一固定磁场，转子由于惯性仍在旋转，其导体切割此磁场，在转子中产生感应电势和电流，此电流在磁场作用下产生制动转矩进行能耗制动。控制直流电流大小，便可控制制动转矩的大小，使电梯按要求减速停梯。图7-14为电动机的能耗制动曲线，将能耗制动电流从小到大调节可得到一组特性曲线，如图中曲线1 、2 、3

20、。可见、不同电流的最大转矩的转速不变、制动效果随转速变化，当转速为零时，制动转矩亦为零。所以采用能耗制动可实现零速停梯。为了有效地控制电动机的能耗制动转矩，控制系统常采用闭环控制，可得到良好的舒适感和平层准确度。图7-14能耗制动特性3.涡流制动：电动机采用能耗制动减速，电梯减速过程中，将很大一部分能量消耗在电动机绕组中，引起电动机发热。为此，有的厂家采用涡流制动，这时损耗的能量只在涡流制动器中引起发热，而曳引电动机的发热则大大减小，因而可以改善电动机的工作条件，但需增加一个涡流制动器，成本增加。图7-15为涡流制动原理结构图。涡流制动制动原理，机械特性均与能耗制动工作状态相似，只需将送到电动

21、机绕组的直流电流改送到涡流制动器定子绕组即可。图7-15为涡流制动原理结构图多媒体资源工作过程评价反馈阅读材料阅读材料：7.1：广日（YP梯）交流调压调速系统图7-16为广日电梯有限公司引进“日立”技术生产的交流调压调速能耗制动电梯（简称YP梯）控制原理框图，图中符号（代号）为原符号（代号）说明如下：FFB主电源开关14 慢车接触器11上行接触器15D 制动接触器12下行接触器US1 US2 U相可控硅13快车接触器WS1 WS2 W相可控硅DS1 DS2制动回路可控硅UMA U相磁放大器WCT VCT DCT 电流互感器WMA W相磁放大器MPSU U相调节器DMA 制动用磁放大器MPSW

22、W相调节器UAPU触发器MPSD 制动调节器WAPW相触发器SWG波形形成单元DAP制动触发器IM 交流异步电动机（双绕组）PG 交流测速发电动机90M 电动电流检测继电器90D 制动电流检测继电器图7-16 YP梯电力拖动系统图从图7-16可见，这是一个具有速度和电流负反馈可控硅调压调速双闭环系统，系统采用磁放大器作为调节器，磁放大器虽然积大体重，动态响应慢等缺点，但具有性能稳定、可靠、信号综合和隔离方便等优点，在（YP）梯中得到成功的应用。磁放器UMA WMA 和DMA 组成如图：7-17 所示的推挽特性。当AT值大于某值时，UMA、WMA 有输出，US相和WS相的可控硅被触发导通，电动机

23、开始升速，随着速度给定升高，AT值增大，可控硅导通角增大，电动机定子电压不断升高，力矩增大，速度不断上升直至额定速度运行。减速时，随着速度给定曲线降低，AT值开始减小，当AT值小于某值时，DMA开始有输出，可控硅DS相导通，电动机慢车绕组二相通入可控直流，电动机开始进入能耗制动减速过程，随着AT值进一步减至负值，UMA、WMA输出为零，US相和WS相可控硅关断，随着DMA输出增大，制动电流增加，电动机转速减至零速停梯。图7-17推挽特性图中： AT（安匝）=速度给定-速度反馈启动过程以时间为原则，有负荷补偿；减速过程则以距离为原则，可实现零速停梯、获得好的舒适感和平层准确度。速度曲线如图7-1

24、8所示：图7-18速度曲线如图学习任务7.2变频调速拖动系统基础知识一、变频调速基本原理由电动机学可知，三相异步电动机的转速和电压，电流，功率，频率，极对数，磁通，转矩等之间有以下关系式：n= =K1 M=K2i1=K3i1=K4() Pout=K5Mn=K6Mf1=K7U1i1 式中：n-转速；f-频率；P-磁极数；S-转差率；-磁通；M-转矩； U1-转入电压；i1-电动机定子电流； Pout -电动机输出功率；K1、K2K7-常数由式可知，电动机的转速n与频率f1成正比，而与极对数P成反比，同时与转差率S有关。当转差率S变化不大时，若能均匀地、连续不断地改变频率f1，则可连续平滑地改变电

25、动机的转速n.但是，从式可知，若仅改变频率f1，那么磁通也将改变。当频率增加时，磁通就减小，由式可看出，转矩M的值也将减小。电梯属恒转矩负载,按电梯的使用要求，在调速时需保持电动机的最大转矩不变，就会使电动机定子电流i1，大大增加，使电动机发热，甚至有可能烧毁电动机。因此，为了维持磁通不变就必须在改变频率f1的同时，电动机的输入电压U1也要作相应的变化，并使U1/ f1保持为一常数。由式可知，当U1/ f1之比保持为一常数时，则磁通将始终保持不变，因此转矩M 仅和定子电流i1 有关，而与频率和电压的改变无关。此从 式可知，电动机的输出功率Pout是与转速n 成比例的。为此，电梯要求对电动机的变

26、频装置，应具有能同时改变供电频率和电压的功能，这就是通常称所说的变压变频（VVVF）调速。二、变压变频调速的分类变压变频调速可以按照各种不同的方法加以分类：1.按有无直流环节分类，有交-直-交变频和交-交变频。图7-19图7-19为交-直-交变频，图中晶闸管V1V6将工频交流电整流成直流电，然后再由大功率晶体管V7-V12将直流电压逆变成交流电压，通过对V1-V12的开关控制，可以改变交流电的频率，从而实现变频。在这个电路中，由于是有中间的直流环节，因此被称作交-直-交变频。图7-20图7-20为交-交变频。图中没有直流环节，通过对晶闸管V1-V18的控制，直接从工频交流电转换成可变频率的交流

27、电。由于交交变频的输出频率只能在比输入频率低得多的范围内改变，适用于低转速，大转距场合，在电梯中基本不用交-交变频方式。2.按直流环节的特点来分，可分为电压型变频器和电流型变频器。在图7-19的交-直-交变频电路中，若直流环节中的电容器C的容量较大，而电感器L的电感量很小（或根本没有），那么直流侧的电压将不能突变，这种变频器称作电压型变频器。反之，如果电容较小，而电感器较大，那么直流侧的电流就不能突变，这种变频器就称作电流型变频器。3.按改善输出电压电流波形的方法分，有采用多重化技术和采用脉冲调宽调制两种。多重化技术是采用两组或两组以上的变频器给一台电动机供电，使电动机的电压电流波形得到改善（

28、略）。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）简称PWM，是中、小容量变频器改善波形常用的方法。4、按逆变器所用的开关元件分：开关原件主要性能指标有：耐压能力，工作电流、最高工作频率及可控性。目前变频桥所用的开关元件主要有：晶闸管TH，又称可控硅SCR；门极关断晶闸管GTO；双极型晶体管BJT，又称为电力晶体管GTR；绝缘栅双极晶体管IGBT等。因此按开关类型来划分，则分别可关断晶体管（GTO）变频器，电力晶闸管（GTR）变频器，绝缘体栅晶体管（IGBT）变频器。绝缘栅双极晶体管（IGBT）的栅极具有MOS结构。需要驱动功率小，控制电路简单。工作频率比GTR高一个数量级，可

29、以制成性能优良的正弦波PWM变频器，有逐步取代GTR变频器的趋势。三、变压变频（VVVF）调速系统变压变频（VVVF）调速系统构成如图7-21所示。从图7-21可看出,不论是低速用还是中、高速用系统，其基本公用环节有晶体管逆变器，基极驱动电路、PWM 控制电路、拖动系统电脑、速度反馈用编码器和电流反馈用电流互感器所组成。低速用系统采用二级管整流器和再生电路，再生电路作为曳引电动机在再生制动时的能量消耗。而在中、高速电梯中，由于整流器采用晶闸管、电梯再生能量可通过晶闸管反馈到电网，所以，不需要再生电路。电梯变频器采用交-直-交形式。三相交流电经二极管整流模块（或晶闸管模块）组成的整流器变成直流电

30、，由高电压大容量的电解电容器进行滤波，成为平滑的直流电，然后通过大功率晶体管模块（GTR）组成的逆变器，将直流电变换为频率不同、电压可变的三相交流电，驱动变频电动机实现变压变频无级调速。为了提高系统的控制精度，拖动系统电脑通常采用16位微机，它根据速度指令信号和速度反馈信号，经运算后产生电流指令信号去控制PWM电路。PWM电路将电流指令信号和电动机实际电流反馈信号，经比较后形成PWM控制信号，此信号经基极驱动电路放大后去控制逆变器中功率晶体管的导通和截止，使逆变器输出变压变频的正弦交流电源。图7-21 VVVF系统构成图7-22为广州电梯工业公司近年引进日立电梯技术生产的微机控制YPVF型变频调速电梯拖动系统结构图。主回路由二级管整流器 和晶体管逆变器组成，主电脑采用8位微机用作运行控制；付电脑采用16位微机用作速度控制。此外，该系统还引入连续负荷补偿装置，负荷信号由装在轿底的负载检出差动变压作为起动补偿用。图7-22 YPVF 电梯拖动系统多媒体资源工作过程评价反馈阅读材料永磁同步电动机具有结构简单，紧凑，节能，环保，效率高，安全性好，可靠性高等优点。在电梯领域得到广泛应用，有一统电梯江山的趋势。一、调速原理：n=60f/p式中：n电动机转速（r/min） f