交流变压变频调速电梯的技术特点分析

交流变压变频调速电梯的技术特点分析
收稿日期:2002-03-19
作者简介:刘险峰(1954,2-),女(达斡尔),齐齐哈尔,副教授
主要研究建筑电气,(0431)595597623164
刘险峰,李炳章
(长春工程学院环境工程系,长春130012)
摘　要　简述了电梯调速系统的发展与特点,主要
阐述了VVVF 电梯的关键部件—变频器和脉冲宽度调制器PWM 的原理,介绍了PWM 及VVVF 电梯的发展趋势。

关键词　调速;整流器;变频器;PWM;VVVF 中图分类号:TM921151文献标识码:A 文章编号:100928984(2002)022*******
随着现代建筑的蓬勃发展,日益增多的高层建筑已成为现代都市的重要标志,作为高层建筑的垂直运载工具———电梯也倍受青睐。

其需求量越来越大,性能越来越高,而电梯性能的优劣,在很大程度上取决于电动机转速的调控。

例如:平稳启动、平稳加减速、平稳停车,以满足人们快捷、舒适的需求;节能、环保以满足用电质量的要求。

为此,人们花费了大量精力,历经一个多世纪,使电梯的调速性能不断提高完善。

1　电梯调速控制技术的发展与特点
电梯是由电动机拖动的,因此对电梯的调速控
制,就是对电动机调速的控制,而电动机又分为直流和交流。

1.1　直流电动机调速
自从19世纪末,美国奥梯斯公司制造出世界上
第1台电梯到20世纪50年代,电梯几乎都是由直流电动机拖动的。

其调速的平滑性好、范围广,无噪音,能满足人们快捷、舒适的要求。

但直流电动机具有结构复杂、制造和维修困难、体积大、占地面积大等缺点。

为此,力图用运行可靠、结构简单、体积小、价格低、便于制造和维修的三相交流异步电动机,来代替直流电动机。

而代替的关键就在于异步电动机的调速性能。

1.2　三相交流异步电动机改变磁极对数调速
交流电动机的转速公式为:
n =
60f 1(1-s )
p
式中:n ———电动机转速,r/min;
p ———定子绕组的磁极对数;s ———电动机的转差率;f 1———电源频率,Hz 。

由转速公式知,要调节电动机的转速,只要调节定子绕组的磁极对数,即改变定子绕组的联接方式,就可得到不同的磁极对数。

可见,变极调速具有结构简单、价格较低等优点;其缺点是磁极只能成倍变化,其转速也成倍变化,级差特别大,无法实现平稳运行,加上该电动机的效率低,只限于货梯上使用,现已趋于淘汰。

1.3　交流异步电动机改变电压调速ACVV (Alternat 2
ingCurrentVariableVoltage )
ACVV 是根据电动机的转速随定子所加电压U 1
的减少而降低;或随定子所加电压U 1的增加而升高来实现变压调速的。

常用反并联晶闸管或双向晶闸管组成变压电路,通过改变晶闸管的导通角来改变输出电压的有效值,从而改变转速。

晶闸管可选择在负载电流过零时自行关断的,而不必另加换流电路。

变压调速具有结构简单,效率较高,电梯运行较平稳,较舒适的优点;缺点是当电压较低时最大转矩锐减,低速运行可靠性差,而电压又不能高于额定电压,这就限制了调速范围;此外,供电电源含有高次谐波,加大了电动机的损耗和电磁噪声,降低了功率因数等。

而变压变频调速电梯可避免ACVV 电梯的不足。

1.4　交流变压变频调速VVVF (VariableVoltageVari 2
ableFrequency )
由公式(1)可知,转速n 和电源频率f 1成正比,连续均匀地改变供电电源的频率,就可平滑地改变电动机的转速,但同时也改变了电动机的最大转矩,
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18221长春工程学院学报(自然科学版)2002年第3卷第2期
J.ChangchunInst.Tech.(Nat.Sci.Edi.),2002,Vol.3,No.2
ISSN100928984
CN2221323/N
而电梯为恒转矩负载,要求调速时保持最大转矩不变。

因此,改变频率的同时必须改变电压(U 1≈E 1=4.44f 1w 1Φm ,转矩T=C m Φm I ′2cos Φ2′,如U 1=常数,则Φm 随f 1的增加而减小,或Φm 随f 1的减小而增加,改变了转矩。

因此,改变频率的同时必须改变电
压),可见这种调速实际是变压变频(VVVF )调速。

早期的变频装置是一套旋转变频机组,体积大、效率低、价格高,仅局限于对调速要求较高的少数电梯。

随着电力电子技术和微电子技术以及现代控制理论的发展,相继开发出各种各样的变频装置,如PAM 、PWM 、SPWM 、SVPWM 等专用变频器,其性能越
来越高、越来越完善。

VVVF 电梯的核心是变频器,可以说,交流异步电动机电梯的调速性能取决于变频器的性能。

2　变频器
变频器按其工作过程可分为交—交变频器和交—直—交变频器。

2.1　交—交变频器(直接变频器)
它是将电网的交流电直接变成另一种幅值和频率可调的电压,电路原理如图1。

它由两组反并联的晶闸管变流器(P 和N 组)构成,并使两组轮流工作在整流状态和封锁状态,就可在负载R 上获得交流电压u c 。

u c 的幅值由各组变流器的控制角决定,u c 的频率由P 组和N 组电子开关的切换频率决定。

图1　交—交变频器工作原理图
交—交变频器的优点是系统损耗小、效率高、低频输出波形好,使电梯低速运行时不抖动、无爬行现
象;其缺点是输出频率的调节受电源频率限制(输出频率f ≤50Hz ),功率因数低,而且可控元件多,线路复杂。

仅适用于大容量、低速、短距离运行的电梯。

2.2　交—直—交变频器(间接变频器)
交—直—交变频器有两种方式。

一种是用可控整流器变压,用逆变器变频的交—直—交变频器,称
脉冲幅度调制(PAM
);另一种是用不可控整流器整流(恒幅)或用可控整流器整流(变幅),用脉宽调制(PWM )方式控制逆变器同时进行变压变频的交—
直—交变频器。

2.2.1　PAM (PulseWidthModulation )
PAM 见图2。

电网的交流电先经晶闸管整流输
出可调的直流电压,再经逆变器输出频率可调的交流电压。

其优点是调频范围广(f 可高于或低于50Hz ),结构简单、元件少、控制方便,使电梯运行平
稳、舒适、快捷;缺点是输出环节用晶闸管时,电压谐波大,低频时功率因数较低。

图2　PAM 工作原理图
2.2.2　变幅PWM (PulseWidthModulation )
变幅PWM 结构如图3所示。

由两只反并联的晶闸管构成整流电路完成变幅作用,其逆变电路与恒幅PWM 相同。

考虑高速电梯再生制动时能量返回电网,则需4只晶闸管组成对偶整流桥。

变幅PWM 在电梯低速运行时,功率因数低,对电网易产生高次谐波干扰,很少采用。

图3　变幅PWM 工作原理图
2.2.3　恒幅PWM (PulseWidthModulation )
电路结构如图4所示,其波形图如图5所示,该
变频器常用等幅的三角波(称载波)与正弦波(称调制波)的交点给功率开关元件如GTR (GiantTransis 2tor )等,发出开、关触发脉冲信号,并经基极驱动电路
放大后送到逆变器中,将幅值和频率可变的正弦波与幅值和频率均固定的三角波进行比较,由两个波形的交点得到一组等幅而不等宽的矩形方波脉冲。

当正弦波的幅值大于三角波的幅值时,输出正脉冲,使逆变器中的功率开关管导通;当正弦波的幅值小于三角波的幅值时,输出负脉冲,使逆变器中的功率开关管截止。

因PWM 的调制波为正弦波故称正弦脉宽调制,记为SPWM (SinusoidalPulseWidthModula 2
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刘险峰,等:交流变压变频调速电梯的技术特点分析
tion )。

逆变器输出的矩形方波脉冲列的平均值近似
为正弦波电压U D sin ωt,它的幅值等于整流电路的直
流输出电压U d ,宽度按正弦波规律变化。

提高U D
和提高正弦调制波U M sin ωt 的幅值就可提高输出矩
形波的宽度,亦即提高了等效正弦波的输出幅值;
改
图4
　恒幅PWM 工作原理图
图5　恒幅PWM 输出波形
变正弦调制波的角频率ω,就可改变等效正弦波的
频率,从而实现变压变频。

(要求载波电压的幅值必须大于调制波的幅值)。

SPWM 的优点是调频范围广(f 可高于或低于50Hz ),功率因数高(可达0.95)容量大,动态响应快,效率较高,采用合适的方法可
消除低次谐波,使电梯运行平稳、舒适、快捷,且结构简单、便于模块化,可制成大规模集成电路,如英国生产的HEF4752V 、美国最新生产的FNA7554等。

缺点是交流线电压的最大值仅为直流电压的86.6%,直流侧电压利用率低。

而以矢量为基础的电压空间矢量脉宽调制SVPWM,可避免上述缺点。

2.2.4　电压空间矢量脉宽调制SVPWM (Sinusoidal
VectorPulseWidthModulation
)
SVPWM 是把逆变器和电动机视为整体,利用空
间矢量的方法控制电动机的转矩,力求获得与直流
电动机同样的控制性能。

SVPWM 的优点是易实现
交流侧正弦化,功率因数可达到1,直流侧输出波纹小,直流电压利用率比SPWM 高10%以上,调频范围广,调速方法灵活,可多个串、并联以满足高电压、大电流的要求,由此控制的电梯既快捷准确又平稳舒适;缺点是计算量大,计算过程复杂,易造成计算误差,导致控制错误。

此外还有用计算机程序控制的模糊控制器,它无须建立准确的数学模型和精确估算各种参数,就可实现电梯速度的智能控制。

变频器的控制元件除大功率晶体管GTR 外,还有具有自关断能力的晶闸管GTO,具有全控功能的电力场效应管POWERMOSFET,绝缘栅双极型场效应管IGBT 和大容量集成门极换向晶闸管IGCT ……使变频器更趋于模块化、快速化、光控化、高电压、大
电流、高可靠、自关断。

3　VVVF 电梯(以SPWM 为例)
图6是SPWM 实现交流电动机变压变频调速电梯的原理图。

由数字控制器、PWM 变换器、SPWM 变频器、基极驱动电路、电流检测器组成。

图6　VVVF 电梯系统结构图
02长春工程学院学报(自然科学版)2002,3(2)
3.1　SPWM 变频器
SPWM 变频器由整流器和逆变器组成。

3.1.1　整流器整流器有3块二极管模块(每个模块有2只二
极管)组成不可控整流电路。

为避免整流开始时产生的较大的冲击电流导致模块损坏,在整流器与逆变器之间并联一只大电容,并在整流器工作之前就对电容预先充电。

3.1.2　逆变器
逆变器见图7。

采用6
只大功率晶体管模块,每个模块有1只GTR (一般为达林顿管)和1只续流二极管。

并按基极驱动电路发来的驱动信号顺序导通。

管1、3、5依次滞后120°导通,管2、4、6相对于管1、3、5依次滞后180°导通。

改变基极驱动电路发来的信号频率即可实现变压变频。

图7　逆变器电路原理图
3.2　PWM 变换器和基极驱动电路
PWM 变换器产生的控制信号经基极驱动电路
放大后来驱动GTR 。

3.3　数字控制器(微处理器)
数字控制器将速度给定信号与速度反馈信号比较后,经速度运算器运算,形成转矩指令,送到电流指令运算器。

电流指令运算器将速度反馈信号与转矩指令信号比较运算后,形成电流指令,经数模转换(D/A )和其它变换后,作为调频指令,送给PWM 变频器。

3.4　电流检测器
电流检测器用来检测电动机电流,并将其转换成2V 或4V 的直流电压信号,再送到PWM 中以实现PWM 调制电路中参考信号的幅值调节。

4　VVVF 电梯的特点及发展趋势
(1)VVVF 电梯使用的是交流异步电动机,比同
容量的直流电动机具有体积小、占空间少、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。

(2)VVVF 电梯使用先进的SPWM 和SVPWM 明显改善了电梯运行质量和性能:调频范围广、控制精
度高、动态性能好、舒适、安静、快捷,几乎可与直流
电梯相媲美。

(3)VVVF 电梯使用先进的SPWM 和SVPWM 明显改善了电动机供电电源的质量,减少了谐波,提高了效率和功率因数,节省了能源。

(4)VVVF 电梯融入先进的微机技术,使其更趋于高性能、高精度、大容量、微型化、数字化、智能化,所控制的电梯以其舒适、高效、节能而与直流电梯相媲美、相竞争,最终取而代之。

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Analysisoftechnicalcharacteristics
ofACVVVFelevator
LIUXian 2feng,etal.
(Dept.of Environmental Engineering ,Changchun Institute of Technology,Changchun 130012,China )
Abstract Afterabriefintroductionofthedevelopment andcharacteristicsofthespeedregulationsystemofeleva 2tors,theauthorinterpretstheprincipleoffrequencycon 2verterandPWM,thekeypartsofaVVVFelevator,and predictsthedevelopmenttrendofPWMandVVVFeleva 2tors.
Keywords speedregulation;reversiblerectifier;fre
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quencyconverter;PWM;VVVF
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刘险峰,等:交流变压变频调速电梯的技术特点分析。