六层电梯升降变频控制系统课程设计(编辑修改稿)

六层电梯升降变频控制系统课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

现电梯的零速起动。 变频器组成、工作原理及其分类 变频器组成及工作原理 变频器通常由主电路、控制电路和保护电路组成。 主电路如图 所示。 主电路包括整流器、逆变器和中间直流环节。 图 变频器主电路图 其整流电路采用的是不可控的二极管整流电路，而变频器的输出频率和输出电压均由逆变器按 PWM 方式来完成。 利用参考电压波与载频三角波互相比较来决定开关器件的导通时间，从而实现调压。 逆变器又称负载变 流器，最常见的结构形式是利用 6 个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。 有规律的控制逆变器中的主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。 中间直流环节。 由于逆变器的负载是异步电动机，属于感性负载，故在中间直流环沈阳理工大学课程设计 9 节和电动机之间总会有无功功率的交换。 此无功功率要靠中间直流环节的储能元件（电容或电抗）来缓冲，故又称中间直流环节为中间直流储能环节。 变频器的类型 按电源的性质来分：电压型变频器，电流型变频器 按输出电压调节方式分： PAM 方式， PWM 方式，高载波变频率 PWM 方式 按控制方式分： U/f 控 制，转差频率控制，矢量控制 按电压等级分：低压变频器，高压大容量变频器 按用途分：通用变频器，高性能专用变频器，高频变频器，小型变频器。 变频器机型选择 随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。 目前，为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。 因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器 —— 安川 VS616G5 型全数字变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用 变频器的控制效果。 电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，它的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容，此外电梯节约用电也日益受到重视。 综合考虑各种因素，本设计选用安川 VS616G5 型全数字变频器，它具有转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。 VS616G5 型变频器是安川电机公司面向世界推出的 21 世纪通用型变频器。 这种变频器不仅考虑了 V/f 控制，而且还实现了矢量控制，通过其本身自动调谐功能与无 速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较高的调速范围。 VS616G5 变频器的特点如下： ① 包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。 ② 有丰富的内藏与选择功能。 ③ 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。 ④ 保护功能完善、维修性能好。 ⑤ 通过 LCD 操作装置，可提高操作性能。 沈阳理工大学课程设计 10 变频器计算及其参数设置 变频器功率的计算 变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行选取。 设电梯曳引机电机功率为 1P ，电梯运行速度为 V ，电梯自重为 1W ，电梯载重为 2W ，配重为 3W ，重力加速度为 g ，变频器功率 为 P。 在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为2P 有： VFgWWP ])1[( 1322  () 式 中 F1—— 摩擦力。 电机功率 1P ，变频器功率 P 应接近于电机功率 1P ，相对于 2P 留有较大裕量，因此可以取  () 变频器制动电阻参数的计算 由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能，带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高。 采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果能耗制动电阻 ZR 大小应使制动电流 ZI 不超过变频器额定电流 NI 的一半，即 2//0 NZZ IRUI  () 式 中 0U —— 额定情况下变频器的直流母线电压。 由于制动电阻的 工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率。 电梯理想速度曲线设计 电梯理想速度曲线总体说来是现代社会中人们对电梯的要求的概括，其中包括快速性，舒适性。 然而快速性和舒适性是一对相互矛盾的要求。 电梯快速性的性能要求 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，这沈阳理工大学课程设计 11 对于处在快节奏的现代社会中的乘客是很重要的。 提高快速性的方法主要有三种方法： ① 提高电梯的额定速度。 电梯的额定速度提高，运行的时间缩短，达到了为乘客节省时间的目的。 提高速度的同时应加强安 全性、可靠性的措施，故此梯速提高电梯的造价也随之提高。 ② 集中布置多台电梯。 通过增加电梯的台数来节省乘客的时间，该方法不是直接提高梯速但同样能够达到目的。 但电梯的台数增加不是无限制的，通常在乘客高峰期时，使乘客的平均候梯时间小于 30s 即可。 ③ 尽可能减少电梯起、停过程中的加减速时间。 电梯是一个频繁起、制动的设备，在起、制动阶段不能太慢， GB/T10058— 1997《电梯控制技术》中就规定了电梯加减速度的最小值：“直流快速电梯平均加、减速度不小于 ，直流高速电梯平均加、减速度不小于。 ”这 就是对电梯快速性的要求。 电梯舒适性的性能要求 ① 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的重力，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/T10058— 1997《电梯控制技术》中规定： “电梯的起、制动应该平稳、迅速，加、减速度的最大值不大于。 ” ② 由加速度变化率引起的不适 人体不仅对加速度敏感，对加加 速度（或称加速度变化率）也很敏感。 用 a 表示加速 度 ,用 p 表示加加速度，则当加加速度 p 较大时，人的饿大脑感到晕眩、痛苦，其影响比加速度的影响还要严重。 我们也称加加速度 p 为生理系数，在电梯行业里一般限制生理系数 p 不超过。 电梯速度曲线 当轿厢静止或匀速升降时，轿厢的加速度和加加速度都是零，乘客不会感到不适，而在轿厢由静止启动到以额定速度匀速运动的加速过程中，或是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，又要考虑舒适性的要求，故有必要设沈阳理工大学课程设计 12 计出电梯的运行速度曲线，使电梯轿厢 按照这样的速度曲线运行，既能够满足快速性的要求，也能够满足舒适性的要求，科学、合理的解决快速性与舒适性的矛盾。 人们对于速度变化的敏感度主要是加速度的变化率，舒适感就意味着要平滑的加速和减速。 为了获得良好的舒适性，将电梯的起动、制动速度曲线设计成由两段抛物线 (S曲线 )及一段直线构成，而这一曲线形状的构成及改变，则是由加速度斜率及 S 曲线变化率决定的。 加速斜率是以速度给定从 0 加速到 1000 转 /分所需要的时间来定义的。 其意义为加速度由 0 加速到 1000 转 /秒所需要的时间。 因此通过改变起动加速时间可获得不同的起动曲线 斜率。 增大加速时间值起动曲线变缓，反之，起动曲线变急。 同理，增加 S 曲线变化率起动曲线弯曲部分变缓，反之， 起动曲线弯曲部分变急。 而 S 曲线变化率的变化，也可通过改变 S 曲线起始、终了加速时间来实现，本设计采用的安川公司的VS616 G5 系列变频器就具有 S 曲线加速时间设定功能，故将加速时间和 S 曲线加速时间配合调整，即可获得理想的起动曲线。 同理，制动曲线也可按此方法调整。 理想的电梯速度给定曲线如下图所示，图 中 a 为加速度， v 为速度。 图 电梯运行速度曲线 图 中， 0t3为加速过渡阶段， t3t4为稳速运行阶段（此时电梯速度为额定速度），t4t7为减速停车阶段。 由于变频器在零速时有 150%的额定转矩，保证了电梯在零速 （ t7时刻 ） 时进行抱闸停车，消除了电梯停车时的冲击，使乘客更具有舒适感。 电梯曳引电动机及其功率确定 电梯对曳引机的要求 ① 电梯是一个大惯量的拖动系统，要求电动机有较大的过载能力。 ② 电动机能承受频繁起、停，能承受较高的每小时合闸次数。 沈阳理工大学课程设计 13 ③ 电梯的运行属于周期断续工作方式，要求选用周期断续工作制的电动机。 ④ 对于交流电梯，要求曳引电动机有足够的起动转矩和尽量小的起动电 流。 曳引电动机额定功率的粗选 根据力学关系导出曳引电动机的额定功率： () 式中 K —— 系数， K =～ ； Kp —— 平衡系数， Kp =～ 取 ； Nm — — 电梯额定载重量， Nm =1000 ㎏ ； NV —— 电梯额定速度， NV =； —— 机械转动总效率，  =。 带入数据得 NP =～。 根据实际电动机额定功率系列，粗选 13KW 的电动机即可满足要求。 因此，电梯所选用的曳引电动机为 YPTD160L1— 4， 电压： 380V，功率： 13KW，转速： 1456r/min。 曳引电动机过载、启 动校验 初选电动机 以上面介绍的方法粗选电动机的额定功率 NP ， 将该电动机作为初选电动机可计算其额定转矩 NNN nPT 9550 () 式中， Nn —— 电动 机额定转速。 对交流电动机进行过载校验和起动校验 1）过载校验 异步电动机机械特性曲线中最大转矩 mT 与额定电磁转矩 NT 的比值反映了电动机的过载能力，用  表示 NmTT () 102 )1( NNN VmKpKP 沈阳理工大学课程设计 14  被称作电动机的过载倍数或最大转矩倍数。 在实际应用时，需要考虑电网电压波动的影响，当电压下降 10%时，最大转矩 mT 降低到原值的 倍，过载倍数也降低到原值的 ，即 倍，如果此时电动机的最大转矩不能大于等于要求的最大负载转矩 mzT ，电梯就会失控 ，走不出预定的速度曲线，电梯的舒适性和快速性就会变差。 因此，而要考察电动机的过载能力 mzN TT  () 所选电动机满足上式条件，过载校验通过。 2）起动校验 异步电动机的起动转矩 QT 与额定电磁转矩 NT 的比值反映了电动机的起动能力，用 QK 表示 N TTK () QK 被称作电动机的起动转矩倍数。 同样，在实际应用时，需要考虑电网电压波动的影响，当电压下降 10%时，起动转矩降低到原值的 ，起动转矩倍数也降低到原值的 ，即 倍，如果此时电动机的起动转矩不能大于等于电梯满载时要求的负载起动转矩 QZT ，电梯就转不起来。 因此，需要考察电动机的起动能力 QZNQ TTK  () 所选电动机满足上式条件，起动校验通过。 只有过载校验、起动校验都通过了的电动机，才可以选作电梯曳引电动机。 否则需要将初选电动机的额定功率适当加大后再进行上述校验，直至通过。 当然，如果上述校验裕量很大，则可以适当减小电动机额定功率后再进行上述校验，直至裕量适当。 沈阳理工大学课程设计 15 4 电梯电气控制系统 PLC 及其在电梯控制中的应用特点 PLC 定义及其特点 PLC 是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。 PLC与普通微机一样，以通用或专用 CPU 作为字处理器，实现通道 (字 )的运算和数据存储，另外还有位处理器 (布尔处理器 )，进行点 (位 )运算与控制。 PLC 控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。 ① 可靠性 :对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。 1） PLC 不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。