电梯拖动课程设计

摘要电梯的拖动控制系统起到为电梯设备提供能源，拖动和控制负载运行的重要作用，因此为提高电梯的运行性能，对电梯拖动控制系统的研究和设计具有重要意义。本文在电梯拖动控制系统的研究和设计方面主要做了以下工作首先，本文分析了一般电力拖动系统运动规律，在此基础上建了电梯拖动系统模型，通过对此模型的分析总结出电梯拖动运行的特点和设计要求。其次，分析了电梯调速的原理和电路设计，得出了电梯的拖动控制方式的设计应以系统机械特性为基础来进行的结论。在此研究的基础上，分析出不同的电梯拖动控制类型的应用范围。再次，深入分析了当今电梯调速中普遍使用的变频器的基本原理，并结合工程实际使用的变频器，研究了脉宽调制技术、矢量控制技术和再生反馈技术在变频器设计中的设计方案和应用方法，同时进行了变频调速电梯的系统设计。本文通过以上的研究工作，得出的结论和成果包括如下几方面:首先，电梯作为载人垂直运输的设备，对运行的安全、舒适和效率性要求较高，为满足这些性能要求，本文对电梯的速度曲线、负载结构和可靠性电路方面的特殊设计进行了探讨。其次，电梯的调速是通过改变电气参数，从而改变系统机械特性而实现的，因此电梯调速方式的设计要建立在对系统机械特性的理论分析和研究的基础上。再次，变频器设计应考虑脉宽调制功能、速度曲线、结构和接口、系统应用等方面。电梯拖动控制系统的设计需要经过运算选择合适的电动机和变频器，使系统配置的整体性能最优，它是电梯整机设计的重要环节。结合对电梯拖动控制系统的研究和分析，本文论述了对奥的斯电梯公司新型电梯的设计和实验，其实验结果符合电梯拖动控制系统的原理和规律，同时也验证了本文的研究结论。关键词:电梯拖动控制电动机调速机械特性变频器脉宽调制第1章绪论1.1研究意义电梯的拖动和控制系统是连接电网和电梯机电设备，传送和转化电网电能，拖动和控制电梯运行的系统。它通常包括电动机，反馈单兀和控制电动机的电路部件。电梯的拖动和控制系统是电梯整梯系统的重要组成部分，研究电梯拖动和控制技术具有深远的意义，主要表现在以下几个方面:(1)电梯拖动和控制系统是电梯的能源中枢，它向电梯提供电力能源，控制和带动机械负载运行，没有拖动控制系统，电梯将不能很好地运行。(2)电梯拖动和控制系统对十电梯运行性能的表现也起到关键的作用。电梯作为载人设备，它的性能指标主要应达到安全、稳定、准确、舒适和效率性。电梯拖动和控制系统在拖动负载运行的同时，也在控制和改变着电气参数，使电梯可靠的运行，同时实现平滑的调节运行速度，因此，它对电梯性能的表现起到非常重要的作用。(3)电梯拖动和控制系统既是电梯的能源心脏，又是达到电梯运行性能目标的重要保证，因此为了提高电梯的系统性能，研究其拖动和控制系统原理，开发拖动和控制技术将具有非常重要的意义。1.2研究背景和目的现代工业中广泛使用电力拖动技术，形成了较系统的电力拖动研究领域。电梯的拖动系统也是属十一般电力拖动系统的范围内。一般电力拖动技术的研究通常包括电动机的原理、调速的手段、控制的实现等多方面。在电动机技术方面，目前的研究建立在直流、交流、同步或异步的不同类型的电动机原理的基础上。在调速的手段方面，一般电力拖动系统遵循着系统运动基本方程式，建立了改变负载转矩(负载特性曲线)和电动机转矩(机械特性曲线)的稳定交点，通过平行移动人为机械特性曲线进行调速的原则。在控制的实现方面，一般电力拖动控制技术目前也普遍应用晶闸管变流电路，或者能实现更复杂控制功能的变频器来实现。电梯的拖动和控制技术继承了一般电力拖动技术的研究成果，具有一般拖动技术的共性，但也具备自己的特点。电梯拖动和控制系统的研究是基于一般电力拖动技术的基础上，针对电梯拖动运行的特殊性，进行了在电梯中应用相应技术的分析、研究和设计。本文着重分析了电梯拖动运行的特点，并研究如何针对电梯的特点设计其相应的拖动控制系统。电梯的发展已经历了一百多年，其拖动和控制系统经历了比较多的发展阶段，在当今的电梯上使用的类型也比较多。本文通过分析各种电梯拖动系统的机械特性和其控制系统的调速原理，旨在为不同规格的电梯设计出最适合的拖动控制方式。1.3本文主要研究内容和方法本文首先阐述了一般电力拖动技术原理，然后通过建立电梯拖动模型的方法，分析了电梯的负载特性和拖动运行的特点。针对电梯运行对舒适性和安全性的要求，说明了电梯速度曲线的设计方法;针对电梯垂直运输和负载可变的特点，设计了用对重平衡轿厢负载的系统结构;针对电梯运行对稳定性、可靠性和效率性的要求，总结出电梯拖动系统的设计需要采用速度反馈的闭环控制，以及采用比例积分环节控制。电梯依据速度曲线运行，则控制系统必须能够带动电动机进行稳定的调速。本文在一般电力拖动系统调速原理的基础上，首先分析了电梯实现调速的硬件手段是采用变流电路，研究了几种基本变流电路的原理和功能，其中着重研究了整流电路和逆变电路的原理和功能。然后，本文研究如何为不同规格类型的电梯设计最适合的拖动控制方式。主要从两个方面对这个问题进行研究。一方面，电动机作为电梯拖动系统的执行部件，要使其按所希一望的方式运转起来，就必须从电动机的基本特性“机械特性”出发进行研究，本文对直流电梯、交流电梯等的电动机的机械特性分别进行了分析。另一方面，本文研究了不同拖动控制系统的调速原理，比如变压调速、变转差率调速、恒压频比调速等，并分析了它们各自的应用范围。基十以上两方面的工作，对十不同的规格和类型的电梯，建立了与其相适应的拖动系统的调速和控制方式，比如采用晶闸管电路、或者采用变频器。变频器是目前电梯上最先进和最广泛使用的调速方式，也是变频调速电梯的拖动控制系统中的核心。本文分析了变频器的原理，论述了脉宽调制技术是实现变频变压的理论基础;矢量控制技术通过矢量变换，模拟直流调速原理，以提高系统的动态性能;再生反馈技术通过改变逆变器结构设计，实现将负载带动电动机发出的能量反馈回电网，具有经济效益。根据对变频调速电梯的变频器原理的分析，本文结合奥的斯电梯公司的OVF系列变频器的设计实例，研究了脉宽调制技术、矢量控制技术和再生反馈技术在实际变频器设计中的设计方案和应用方法;同时进行了变频调速系统的系统计算和设计。本文在研究原理和规律的基础上，分析了奥的斯公司的GEN2CN-MRL电梯的系统设计，通过电梯专用实验设备PMT对其进行运行实验，得到速度、加速度、距离等性能指标随时间变化的曲线，实验结果验证了电梯拖动系统的设计要求和运行规律。同时通过傅立叶变换(FFT)方法，将测试得到的时域函数曲线转化为频域函数曲线，方便十分析系统中具体部件的性能问题，从Ifu改进系统设计，提高系统性能。另外，通过对GEN2CN-MRL电梯的拖动系统和变频器的设计实例，总结出电梯拖动控制系统设计方法，论证了进行运行实验对十系统设计的重要性，验证了变频器的再生反馈等技术的优越性。第2章电梯拖动系统的模型和设计2.1一般电力拖动系统模型电力拖动系统的运动部分，通常由电动机的转子、机械减速机构以及负载的运动部分组成。电力拖动系统运动模型的合转矩为电磁转矩与负载转矩之差，可以用下式表示式中各参数的含义为:ME一电磁转矩,ML一系统总净阻力矩,J一转动惯量。一电动机轴旋转角加速度，在电力拖动系统中习惯采用系统总飞轮惯量GDZ和转速n来分析和进行计算，则式(2-1)可改写为(2-2)上式是电力拖动系统的基本运动方程式，由基本运动方程式可以看出，当MEML时，系统处十加速运动状态;当ME=ML时，系统处十恒速或静止状态;当MEML时，系统处十减速运动状态。电力拖动系统的一个重要参数是负载特性，负载特性指的是负载转矩对转速的函数。电力拖动系统的负载类型比较多，图2-1为位能性恒转矩负载和反抗性恒转矩负载的特性曲线。从图上可以看出，负载特性曲线的基本走势是纵向的，也就是转矩在对应十整个转速范围内，都只在一定范围内变化，这说明负载特性有对系统的转矩特征起主导作用的特点。负载特性最重要的特征是:负载的转矩-—转速关系由其机械特征和运行特点决定，不受系统电气参数控制。电动机的转矩一转速关系特性称为电动机的机械特性。图2-2为直流电动机、交流异步电动机的机械特性。从图上也可以看出，电动机的机械特性在其工作段基本走势都是横向的，它们的转速在对应十整个允许输出的转矩范围时，都只在一定的范围变化，这说明电动机机械特性有对系统的转速起主导作用的特点。电动机机械特性最重要的特征是:电动机的转矩一转速关系只由电动机特征、参数以及电源参数决定，不受负载类型影响。一般把在额定参数下作出的机械特性称为固有机械特性，把参数变化后改变了的机械特性称为人为机械特性。电力拖动系统要达到稳定运行，那么运动方程式应达到平衡。如果能够持续地保持转速不变，即加速度为零时，根据式(2-2)，系统的合转矩为零，系统能稳定地保持这个状态，把负载特性和电动机的机械特性合并在一起的图形，是系统的转矩图，如图2-3所示。两条曲线的交点可能是稳定的交点，也可能是不稳定的交点，系统只有在稳定交点处才能达到稳定运行，稳定交点一般满足下面的条件：在交点以上，负载特性曲线在机械特性曲线的右边，在交点以下，负载特性曲线在机械特性曲线的左边。在工程实际中，电力拖动系统的运行需要经过调速过程，而调速过程一般遵循着速度变化曲线，经历着二个阶段:加速阶段、匀速运行阶段、减速阶段。理想的电力拖动系统在运行中应能动态地跟随速度曲线，提高系统的运行性能。2.2电梯拖动系统的模型的建立2.2.1电梯的速度曲线电梯是一种交通工具，它具有频繁启动加速和制动减速过程，因此它的拖动系统应提高运行效率。同时，作为垂直升降的运输设备，人对电梯运行速度的变化非常敏感，因此电梯的拖动系统还应满足人们的舒适感的要求。为此，需要给出既能提高运行效率，又能改善乘坐舒适感的电梯运行速度曲线，以使电梯按照预先给定的速度特性运行。电梯的快速性和舒适性均与加速度a(m/s²)和加加速度P(m/s³)有关。加速度和加加速度不能过大，否则会使人有严重不适的感觉，p在电梯技术中还被称为生理系数，国家标准规定了。和p的最大值。同时a和p也不能过小，否则会影响电梯的运行效率。根据舒适性要求，电梯的速度曲线还具有转弯处为圆滑过渡的特点。电梯在楼层间频繁启动和停车，而且具有正常运行、检修运行等多种操作，因此对运行精度要求也较高。基于以上的分析，电梯的运行速度曲线可以采用抛物线一直线型、抛物线型或正弦型等曲线。抛物线一直线型速度曲线是一种较理想和常用的速度曲线，适合十电梯正常运行时采用。如图2-4中的曲线1所示，其v,a、p的函数表达式为:由以上公式可以看出，AE和FB段为抛物线，EF段为直线。在整个电梯的一个运行周期中，AEFB为启动加速段，BC为匀速运行段，CF'E'D为减速制停段。图2-4电梯速度曲线抛物线型速度曲线没有中间的直线段，较适合短行程运行。短行程速度曲线是指在运行距离较短，例如电梯由某层运行到相邻层时，所采用的速度曲线，它比正常运行速度曲线的周期短，如图2-4中的曲线2所示。正弦函数曲线光滑可导，正弦速度曲线也是一种理想的速度曲线。2.2.2电梯的负载特性电梯拖动系统符合一般电力拖动系统的运动规律，即按照公式(2-2)的基本运动方程式运行。因为电梯拖动控制系统大部分使用交流异步电动机驱动，其运动系统是由曳引电动机、减速装置、曳引轮、导向轮组成的多轴旋转系统和由轿厢、对重等组成的平移运动系统组成，所以电梯拖动系统的负载和机械特性也有自己的特点。电梯的负载特性包括静态负载特性和动态负载特性，当轿厢静止或匀速运动时，负载特性为静态负载特性;当电梯加减速运动时，由十加速度造成的惯性转矩部分为动态负载特性。电梯的静态负载转矩由两部分组成:一是由轿厢、对重的重量差引起的位能性转矩(见图2-5中的曲线1)，二是由传动系统的摩擦阻力引起的反抗性转矩(曲线2)。当电梯重载运行时，轿厢的负载系数大于对重平衡系数Kp,即＞Kp,这两部分转矩之和为重载时电梯的静态负载转矩(曲线3)。当电梯轻载运行时，Kp，轿厢、对重的重量差为负值，引起的位能性转矩也是负值(曲线1)，加上摩擦力引