電梯變頻器的工作原理是什麽

1 引言

安川616G5變頻器是世界上最早的電流型矢量控制變頻器之壹，其調速範圍達到1:1000，控制精度達到0.02%，具備在零速啟動力矩可以達到150％的特色。尤其安川獨特的全領域、全自動力矩提升功能在電梯拖動中能獲得良好的舒適感和穩定性。

G5可以接受控制器如PLC等的多段速頻率指令或者模擬電壓、電流指令;可以通過自學習適應各種電機並獲得良好的矢量控制特性;低速下平穩啟動性極好;硬件可靠性與性價比極高。

2 VVVF型電梯的基本原理

根據電機學理論，交流電動機的轉速公式為:

n=60f (1-s)/p

上式中: f為定子的電源頻率; p為極對數;

s為轉差率; n為轉速。

因此，交流電機可有以下幾種調速方法:

(1) 改變電機極對數p，可以改變電機轉速。這是交流雙速梯采用的調速方法。

(2) 通過調整定子繞組電壓大小來改變轉差率s, 以達到調速目的。這是交流調速梯采用的調速方法。

(3) 改變定子電源頻率f也可達到調速目的，但f最大不能超過電機額定頻率。電梯作為恒轉矩負載調速時為保持最大轉矩不變，根據轉矩公式M=CmФIcosφ式中Cm為電機常數，I為轉子電流，Ф為電機氣隙磁通，cosφ為轉子功率因數。必須保持Ф恒定，又根據電壓公式U=4.44fWkФ，式中U為定子電壓，f為定子電壓頻率，W為定子繞組匝數，k為電機常數，必須保持U/f為常數，即變頻器必須兼備變壓變頻兩種功能簡稱為VVVF(Vary Voltage Vary Frequency)型變頻器, 這就是VVVF型電梯的基本控制原理。

3 選擇功率與其他配件

通常變頻器在電梯應用中還需要制動單元與制動電阻，在再生狀態時獲得足夠的制動力矩; 還需要配置PG速度卡獲得編碼器的速度反饋信號; 在長期發電機運行及其他特殊場所還需要配置交流電抗器。變頻器壹般按照電機的功率放大壹級選擇，為了獲得變頻器理想的控制性能，壹般變頻器功率應當滿足下式:

變頻器功率≥K×1.732×Vm×Im

其中，K為電流波形校正系數，Vm為電機額定電壓，Im為電機額定電流。

3.1 制動單元的選擇

在變頻器應用中當轎廂空載上升或重載下降時，拖動系統存在位能負荷下放。電動機將處於再生發電制動運行狀態，使電動機回饋的能量通過逆變環節中並聯的二極管流向直流環節給濾波電容器充電。當回饋能量較大時，會引起直流環節電壓升高發生故障，電動機急速減速也會造成上述現象。解決辦法是在變頻器直流環節並聯制動單元和制動電阻。制動單元是變頻器壹個可選組件，內設檢測和控制電路，其工作時對變頻器的直流回路電壓進行在線檢測。當電壓超過設定允許值時，觸發制動器晶體管導通，經電阻釋放能量維持變頻器的直流母線電壓在正常工作範圍內，壹個制動單元可並聯幾個電阻，視工況而定。

3.2 電阻的選擇

電阻的選擇非常重要，電阻選擇過大則制動力矩不足，電阻選擇過小則電流過大、電阻發熱等問題難以解決。壹般我們推薦的電阻功率和阻值內選擇，對於提升高度較大、電機轉速較高的情況可以適當減小電阻以得到較高的制動力矩，如果最小值不能滿足制動力矩的話，要更換大壹級功率的變頻器。

制動單元和制動電阻應根據回饋最大能量及時間來選用。壹般制動電阻器的選擇應使制動電流Is不超過變頻器的額定電流Ie，制動電阻最大功率Pmax要小於1.5倍的變頻器功率，然後與過載系數相乘。過載系數與減速時間和持續制動時間有關，具體要廠家提供電阻器過載系數及參數樣本。制動電阻的計算不再贅述，我司提供相關樣本及配置。

采用制動電阻消耗電機再生制動時送回直流回路的電能，變頻器制造廠家通常提供用戶可選件—制動單元及制動電阻。制動過程中，當直流電路電壓高於正常電壓70V時，制動單元中的IGBT進行直流斬波，使制動電阻流過電流消耗再生電能。

3.3 PG卡

PG卡壹般選擇PG-B2，僅在編碼器為線輸出或者需要編碼器脈沖在2000p/r時選擇PG-X2，速度卡均可提供最大32分頻輸出，可供控制器計數使用。

3.4 光電編碼器

選用增量式600p/r，推挽放大輸出，A相B相Z相原點信號，軸徑8mm中空型的編碼器。

4 系統組成

系統的硬件結構如圖1所示，主要由下列部分構成:

圖1 硬件組成圖

4.1 PLC

可編程控制器PLC，完成系統邏輯控制部分。PLC負責處理各種信號的邏輯關系．從而向變頻器發出起停等信號，同時變頻器也將工作狀態信號送給PLC，形成雙向聯絡關系，它是系統的核心。

4.2 變頻器

變頻器，實現電動機調速。高速電梯(1.6m/s以上的速度)壹般都采用專用變頻器。而低速電梯采用低價格的通用變頻器也可以滿足要求。如安川616G5通用變頻器可實現平穩操作和精確控制，使電動機達到理想輸出。並將無PG的U/f控制、無PG矢量控制、有PG的U/f控制、有PG矢量控制的四種控制方式融為壹體，其中有PG矢量控制是最適合電梯控制要求的。容量選擇最好是采用大壹數量級選配，電梯電動機壹般選llkW或15kW的異步電動機。即11kW的電動機選15kW的變頻器，15kW的電動機選18kW的變頻器。

4.3 旋轉編碼器和PG卡

旋轉編碼器和PG卡，實現閉環運行。為滿足電梯的要求，變頻器又要通過與電動機同軸連接的旋轉編碼器和PG卡，完成速度檢測及反饋，形成閉環系統。旋轉編碼器與電動機同軸連接，對電動機進行測速。旋轉編碼器輸出A、B兩相脈沖，旋轉編碼器根據AB脈沖的相序，可判斷電動機轉動方向，並可根據A、B脈沖的頻率測得電動機的轉速。旋轉編碼器將此脈沖輸出給PG卡，PG卡再將此反饋信號送給變頻器內部，以便進行運算調節。

4.4 制動電阻

制動電阻，消耗回饋電能，抑制直流電壓升高。當電梯減速運行時，電動機處於發電狀態，向變頻器回饋電能。這時，同步轉速下降，交壹直壹交變頻器的直流母線電壓升高，為了能消耗回饋電能，抑制直流電壓升高，還必須配置制動電阻。

5 變頻器參數設置

目前，在電梯行業中使用的變頻器的品牌較多，其控制系統的結構也不盡相同。但就其總的控制思想卻是大同小異。現以VARISPEED-616G5變頻器為例，說明系統的結構特點及程序設計要點。

如圖1所示，為616G5變頻器的框圖。由於采用PLC 作為邏輯控制部件，故變頻器和PLC通訊時采用開關量而不用模擬量。由於616G5為通用型變頻器，因而用在電梯控制上為了滿足運行效率、舒適感、平層精度和安全性的要求, 其參數設置比專用型變頻器要復雜得多。下面僅介紹幾個主要參數的設置:為了減小啟動沖擊及增加乘客的舒適感, 其調速系統的速度環的比例系數宜小些，而積分時間常數宜大些，故選C5-01=5,C5-02=2s。為了提高運行效率，快車頻率應選為工頻，而爬行頻率要盡可能低些，以減小停車沖擊，故選Dl-02=50Hz, Dl-03=5Hz。檢修慢車頻率可選Dl-09=12Hz。而“S”曲線特性可防止啟動、換速或停止時產生振動, 這在電梯中最為適用, 可使乘坐舒適感大大改善。此外, 該變頻器的故障診斷、檢測、記憶等功能對系統維護亦非常方便、實用。為了保證平層精度及運行的可靠性, 曳引電動機的轉速控制應是閉環的, 其轉速的檢測由和電動機同軸旋轉的旋轉編碼器完成。必須保證旋轉編碼器和電動機連接時的同心度和可靠性, 以保證速度采樣的準確度。變頻器其他常用參數可根據電網電壓和電機名牌參數直接輸入。電梯運行理想曲線如圖2。為使變頻器工作在最佳狀態, 在完成參數設置後, 需使變頻器對所驅動的電動機進行自學習, 其方法是:將曳引機制動輪與電動機軸脫離, 使電動機處於空載狀態, 然後啟動電動機，變頻器便可自動識別並存儲電動機有關參數, 使變頻器能對該電動機進行最佳控制。至此, 變頻器參數設置完畢。

圖2 電梯運行理想曲線

軟件設計主要涉及到參數設置。具體參數設置如下:

A1-01=4 A1-02=3 B1-01=0 C1-01=3s

C1-02=2 C2-01=0.7s C2-02=0.7s C2-03=0.6s

C2-04=0.7s C5-01=5 C5-02=2s D1-02=50Hz

D1-03=5Hz D1-09=12Hz E1-01=380V E1-04=50Hz

E2-01=電動機額定電流 E2-04=電動機電極極數

E1-05=380V H2-01=37 H3-05=1F L3-04=0

L6-01=4 L6-03=10s L6-04=4 L6-05=200

L6-06=2s L8-01=1 L8-05=1 L8-07=1

F1-01=600(PG脈沖數) F1-05=1/0

其他參數按變頻器出廠值。