1系統(tǒng)工作原理及組成部分

1.1系統(tǒng)組成部分

    電梯是一種以電動機(jī)為動力的垂直升降機(jī)，裝有箱狀吊艙，用于多層建筑乘人或載運(yùn)貨物。曳引繩兩端分別連著轎廂和對重，纏繞在曳引輪和導(dǎo)向輪上，曳引電動機(jī)通過減速器變速后帶動曳引輪轉(zhuǎn)動，靠曳引繩與曳引輪摩擦產(chǎn)生的牽引力，實現(xiàn)轎廂和對重的升降運(yùn)動，達(dá)到運(yùn)輸目的。

電梯系統(tǒng)組成：

    曳引系統(tǒng)：曳引系統(tǒng)的主要功能是輸出與傳遞動力，使電梯運(yùn)行。曳引系統(tǒng)主要由曳引機(jī)、曳引鋼絲繩，導(dǎo)向輪，反繩輪組成。

    導(dǎo)向系統(tǒng)：導(dǎo)向系統(tǒng)的主要功能是限制轎廂和對重的活動自由度，使轎廂和對重只能沿著導(dǎo)軌作升降運(yùn)動。導(dǎo)向系統(tǒng)主要由導(dǎo)軌，導(dǎo)靴和導(dǎo)軌架組成。

    轎廂：轎廂是運(yùn)送乘客和貨物的電梯組件，是電梯的工作部分。轎廂由轎廂架和轎廂體組成。

    門系統(tǒng)：門系統(tǒng)的主要功能是封住層站入口和轎廂入口。門系統(tǒng)由轎廂門，層門，開門機(jī)，門鎖裝置組成。

    重量平衡系統(tǒng)：系統(tǒng)的主要功能是相對平衡轎廂重量，在電梯工作中能使轎廂與對重間的重量差保持在限額之內(nèi)，保證電梯的曳引傳動正常。系統(tǒng)主要由對重和重量補(bǔ)償裝置組成。

    電力拖動系統(tǒng)：電力拖動系統(tǒng)的功能是提供動力，實行電梯速度控制。電力拖動系統(tǒng)由曳引電動機(jī)，供電系統(tǒng)，速度反饋裝置，電動機(jī)調(diào)速裝置等組成。

    電氣控制系統(tǒng)：電氣控制系統(tǒng)的主要功能是對電梯的運(yùn)行實行操縱和控制。電氣控制系統(tǒng)主要由操縱裝置，位置顯示裝置，控制屏(柜)，平層裝置，選層器等組成。

    安全保護(hù)系統(tǒng)：保證電梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故發(fā)生。由電梯限速器、安全鉗、夾繩器、緩沖器、安全觸板、層門門鎖、電梯安全窗、電梯超載限制裝置、限位開關(guān)裝置組成。

    本文主要介紹電力拖動系統(tǒng)。

    電力拖動系統(tǒng)控制方案及調(diào)試

    電力拖動系統(tǒng)由曳引電動機(jī)，供電系統(tǒng)，速度反饋裝置，電動機(jī)調(diào)速裝置等組成。

    曳引系統(tǒng)主要驅(qū)動部分曳引機(jī)可分為有齒輪曳引機(jī)和無齒輪曳引機(jī)。

    有齒輪曳引機(jī)：由電動機(jī)、制動器、減速箱、盤車裝置及底座等組成，還有旋轉(zhuǎn)編碼器、熱保護(hù)、制動器閉合確認(rèn)開關(guān)、接線裝置。主要機(jī)型為蝸輪蝸桿傳動曳引機(jī)。

    無齒輪曳引機(jī)：由電動機(jī)、制動器、盤車裝置及底座等組成，還有旋轉(zhuǎn)編碼器、熱保護(hù)、制動器閉合確認(rèn)開關(guān)、接線裝置。主要機(jī)型為永磁同步無齒輪曳引機(jī)。

    永磁同步電機(jī)驅(qū)動的無齒輪曳引機(jī)，由于采用無齒輪曳引技術(shù)，省卻了傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿減速器，使機(jī)房噪音大大降低，較有齒輪產(chǎn)品可減小噪音10分貝以上；無需潤滑油，根除了油污染，更符合環(huán)保要求。永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子由高性能永磁體構(gòu)成，無勵磁電流，大大地提高電動機(jī)的運(yùn)行效能。由于蝸輪蝸桿的機(jī)械傳遞效率比較低，所以永磁同步無齒輪驅(qū)動系統(tǒng)比蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)具有更高的效率，降低電力耗能。在安全方面，因為其結(jié)構(gòu)簡單、具有剛性直軸制動等特點(diǎn)，在提供全時上下行超速保護(hù)功能的同時，可利用永磁同步電動機(jī)的反向發(fā)電的特點(diǎn)，為電梯系統(tǒng)與乘客提供多層保護(hù)。在應(yīng)用方面，因為永磁同步曳引機(jī)外型的小型化及薄型化特點(diǎn)，使電梯配置與建筑物間整合空間的搭配性大大提升，為建筑設(shè)計師提供更大的彈性設(shè)計空間，同時也間接的改善了人對建筑物空間的使用率與使用質(zhì)量。現(xiàn)在市場上主流的垂直電梯都使用永磁同步曳引機(jī)。

    因為上述永磁同步無齒輪曳引機(jī)相對于傳統(tǒng)的有齒輪傳動曳引機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，近些年來永磁同步無齒輪曳引機(jī)在電梯行業(yè)推廣很快。目前國內(nèi)載人電梯中，無齒輪曳引機(jī)的使用率已達(dá)60%左右，國內(nèi)目前的客梯年產(chǎn)量為20萬臺，無齒輪曳引機(jī)的年銷量達(dá)12萬臺，總產(chǎn)值有20億左右。

2電力拖動系統(tǒng)控制方案及調(diào)試

2.11、 電機(jī)參數(shù)及配重的選擇

    電梯曳引機(jī)選用江蘇西德電梯有限公司生產(chǎn)的無齒輪永磁同步電梯曳引機(jī)。

    主要電機(jī)參數(shù)：曳引輪直徑 400mm 額定電流 25.7A

                           額定速度 1.5m/s 額定功率 11.5Kw

                          額定負(fù)載 1150Kg 額定扭矩 765N

                          額定電壓 380V 懸掛方式 2/1

                          額定頻率 24Hz 工作制 S5 40%

    注： S5工作制 包括電制動的斷續(xù)周期工作制：按一系列相同的工作周期運(yùn)行，每一周期包括一段起動時間、一段恒定負(fù)載運(yùn)行時間、一段快速電制動時間和一段斷能停轉(zhuǎn)時間。

    電梯配重的計算，配重是一種平衡體，其質(zhì)量應(yīng)選擇大約跟電梯廂(包括平均塔載的乘客)的質(zhì)量相等。當(dāng)起動電動機(jī)時，它只需要供給提升多搭載的乘客上升或少搭載的乘客下降的動力。其余的重力由配重來平衡。按照國家標(biāo)，出現(xiàn)電梯里面坐滿40%-50%額定載荷的人的概率最大，這樣最經(jīng)濟(jì)的情況下應(yīng)該是對重的重量等于轎廂的重量加上它額定載荷40%-50%的重量最好。減去轎廂重量的有效配重占額定載荷的比例也叫電梯的平衡系數(shù)。本樣機(jī)中的動平衡系數(shù)約為45%，且懸掛方式為2/1，則：

    正常運(yùn)行時的最大扭矩M按照超載10%來計算，

M = (1.1-ψ) × QD1g/2r

= (1.1-0.45) × 1150 × 0.4 × 9.8/4

= 732N

    式中，曳引比 r=2, Q為轎廂載重量，D1為曳引輪直徑，D1=400mm， ψ為平衡系數(shù)，

ψ=0.45。

2.2、 電力拖動系統(tǒng)方案

    曳引機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的要求：

    1、 驅(qū)動永磁同步電機(jī)，實現(xiàn)閉環(huán)矢量控制。

    2、 西德電梯永磁同步電機(jī)的編碼器為海德漢 ERN 1387，增量式編碼器 SIN/COS (1 Vpp) 。

    3、 要求變頻器帶Encoder Simulation TTL差分 5V 輸出信號，此信號輸出到電梯控制主板監(jiān)控電梯實際速度。

    4、 為保證電梯乘坐舒適性，速度環(huán)比例積分根據(jù)實際速度切換。

    5、 變頻器脈寬調(diào)制頻率需要8KHz,達(dá)到降低電機(jī)運(yùn)行噪音的目的。

    基于西門子S120可以提供以下兩個方案，

    方案1：S120 CU320-2DP+CUA31+PM340+TM41+SMC20

    方案2：S120 CU310-2DP+SMC20+PM340+編碼器信號轉(zhuǎn)換器

    方案1中，西門子提供了整個電力拖動系統(tǒng)，S120為了實現(xiàn)變頻器TTL模擬信號的輸出，選擇了TM41選件，且需要選配CU320-2DP做為變頻器的控制單元。相對于方案1，方案2的優(yōu)點(diǎn)是曳引機(jī)驅(qū)動變頻器結(jié)構(gòu)簡單，在實現(xiàn)拖動功能的同時，大大節(jié)省了曳引同步電機(jī)驅(qū)動的成本。選用了可靠的第三方編碼器轉(zhuǎn)換器，變頻器只負(fù)責(zé)驅(qū)動永磁同步電機(jī)實現(xiàn)閉環(huán)矢量速度控制，TTL差分5V信號通過編碼器信號轉(zhuǎn)換器直接輸出到電梯控制主板，調(diào)試簡單。

3、電力拖動系統(tǒng)選型

    因為在電梯提升系統(tǒng)中，用于電梯的永磁無齒同步曳引機(jī)根據(jù)電梯行業(yè)經(jīng)驗直接提供負(fù)載重量和運(yùn)行線速度。關(guān)于變頻器，需要對應(yīng)同步電機(jī)功率的選擇重載功率，客戶通過計算提供了變頻器功率和制動電阻功率。但是為了達(dá)到降低電機(jī)運(yùn)行噪音的目，變頻器的脈寬調(diào)制頻率需要增加到8KHz，因此需要考慮實際變頻器因脈寬調(diào)制頻率增大而造成的輸出電流降容。當(dāng)變頻器的脈寬調(diào)制頻率需要增加到8KHz時，變頻器允許的持續(xù)輸出電流降容到額定的70%。

    PM340模塊型功率模塊的降額特性曲線

FSA 和 FSE 型： “脈沖頻率-輸出電流”函數(shù)圖

    客戶主要選擇第三方制動電阻，在S120功率單元PM340有對制動電阻阻值的要求，即客戶選擇的制動單元阻值不能小于PM340功率單元允許的最小阻值要求，如果選擇的制動單元阻值小于功率單元允許的阻值，會導(dǎo)致PM340內(nèi)置的制動單元損壞。

4、第三方永磁同步電機(jī)的調(diào)試及優(yōu)化

    磁極位置識別：

    S120驅(qū)動永磁同步電機(jī)需要進(jìn)行磁極位置識別功能來確定同步電機(jī)的電氣磁極位置，在磁場定向控制中需要該位置。所以對于帶未校準(zhǔn)編碼器的電機(jī)，只需要進(jìn)行一次性磁極位置識別，相比較客戶原先使用施耐德ATV71L, 因為ATV71L不能接入編碼器C, D信號，每次變頻器上電第一次運(yùn)行會自動執(zhí)行磁極位置識別，從而引起電梯產(chǎn)生較大的震動，降低了電梯的舒適性，而本樣機(jī)中S120驅(qū)動沈陽藍(lán)光永磁同步電機(jī)，編碼器為海德漢ERN1387， 帶有C，D 信號，所以只需在電梯調(diào)試時執(zhí)行一次磁極位置識別，之后運(yùn)行不會出現(xiàn)ATV71L的情況，保證了電梯運(yùn)行的舒適性。

    磁極位置識別主要步驟：

    1. 通過 p1980 選擇一個識別方法

    2. 設(shè)置 p1990 = 1，啟動一次性磁極位置識別

    實際的磁極位置識別過程，電機(jī)至少旋轉(zhuǎn)360゜

   實際磁極位置識別方法應(yīng)滿足以下補(bǔ)充條件：

    轉(zhuǎn)速設(shè)定值 = 0 或靜止?fàn)顟B(tài)

    電機(jī)能夠自由旋轉(zhuǎn)，垂直負(fù)載脫開

    抱閘設(shè)置：

電機(jī)抱閘參數(shù)設(shè)置

    P1215=3: 電機(jī)抱閘同順序控制，通過 BICO 連接。P1216 電機(jī)抱閘打開時間，抱閘通電后（打開抱閘），轉(zhuǎn)速/ 速度設(shè)定值在該時間內(nèi)保持為零，之后使能轉(zhuǎn)速/ 速度設(shè)定值。P1217 電機(jī)抱閘閉合時間, 在執(zhí)行 OFF1 或 OFF3、給抱閘斷電（閉合抱閘）后，驅(qū)動在該時間仍處于閉環(huán)控制中，轉(zhuǎn)速/速度設(shè)定值為零，在該時間屆滿后刪除脈沖。如果設(shè)置的閉合時間比實際閉合時間短，則可能會使負(fù)載滑落；而如果閉合時間設(shè)得太大，控制閉環(huán)會施加反作用在抱閘上，縮短抱閘使用壽命。

抱閘控制時序

    轉(zhuǎn)矩限制：

    轉(zhuǎn)矩限值是允許的最大轉(zhuǎn)矩，針對電機(jī)電動運(yùn)行和回饋運(yùn)行設(shè)置不同的轉(zhuǎn)矩限值，且由轉(zhuǎn)矩限制，電流設(shè)置和功率限制共同決定。需要確認(rèn)設(shè)定的回饋功率是否滿足電機(jī)回饋運(yùn)行。

轉(zhuǎn)矩限制

    變頻器控制信號設(shè)定：

    本樣機(jī)中變頻器速度給定值通過二進(jìn)制選擇的固定頻率給定實現(xiàn)。

固定頻率給定二進(jìn)制選擇

    變頻器的故障信號輸出信號連接到電梯控制主板，因為在系統(tǒng)上電時，電梯的控制主板啟動時間比變頻器時間要短，當(dāng)變頻器沒有準(zhǔn)備好，電梯控制主板提前啟動變頻器，有可能會導(dǎo)致意外發(fā)生，所以需要故障信號輸出信號取反后發(fā)送到電梯控制主板。當(dāng)變頻器控制單元正常運(yùn)行后才能把故障信號取反發(fā)送出去，所以變頻器在正常運(yùn)行的情況才會發(fā)出常1信號，當(dāng)變頻器斷電或者變頻器故障時，電梯控制主板不能接收到這個常1信號，就認(rèn)為變頻器不具備啟動條件，整個電梯系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

    電梯運(yùn)行舒適性設(shè)置：

    為了滿足乘客乘坐電梯時舒適性的要求，需要通過擴(kuò)展斜坡函數(shù)發(fā)生器和轉(zhuǎn)速控制器適配來實現(xiàn)。

    擴(kuò)展的斜波函數(shù)發(fā)生器提供電機(jī)啟動加速過程中的起始圓弧和結(jié)束圓弧，實現(xiàn)了速度的平穩(wěn)過渡，在電梯整個加減速過程中實現(xiàn)變加速度的功能，在電梯啟動瞬間和快加速到達(dá)給定速度時，減小了電梯運(yùn)行加速度，提高了電梯乘坐的舒適性,避免了電梯從靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動和電梯加速到設(shè)定速度時的沖擊。

帶初始和結(jié)束圓弧的斜波發(fā)生器

    速度控制器Kp_n/ Tn_n適配，首先電梯啟動時，因為電梯是垂直軸，需要較大的Kp_n和較小的Tn_n，當(dāng)電梯速度變大時，為了保證電梯的舒適性，需要調(diào)小電機(jī)運(yùn)行的動態(tài)響應(yīng)，讓速度環(huán)特性變軟，即調(diào)小Kp_n和增大Tn_n。速度控制器Kp_n/ Tn_n適配實現(xiàn)了根據(jù)電梯運(yùn)行速度切換速度控制器Kp_n/ Tn_n的功能。相對于基于電梯運(yùn)行速度切換速度控制器KP_n/ Tn_n，S120速度控制器KP_n/ Tn_n適配功能更加靈活，實現(xiàn)了Kp_n/ Tn_n的平滑調(diào)整。

速度控制器Kp_n/ Tn_n適配