学习任务7：电梯的电力拖动系统

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，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：⑴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。⑵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。⑶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，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/T10058-2009《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/s＜V≤2.0m/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/s＜V＜6.0m/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，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⑴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/T10058-2009《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。⑵由加速度变化率引起的不适试验证明，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ρ来表示加加速度，则当加加速度ρ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ρ不超过1.3m/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；CF′E′D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。设计电梯的速度曲线，主要就是设计起动加速段AEFB段曲线，而CF'E'D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。4.电梯速度曲线的特点⑴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。⑵为了快速性，缩短运行时间电梯在起、制动阶段不能太慢，加、减速度不能太小。⑶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。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)高速梯的速度曲线起动时，当SKM（上行）或XKM（下行）接触器吸合，快车接触器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，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7-4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；Μ3～一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。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Ma＞Md，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：交流双速电梯有两个速度运行阶段，一个是高速运行阶图7-5综合机械特性曲线图段，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M∝U12。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为了获得较大的调速范围