变频调速电梯控制系统设计本科毕业设计.docx

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变频调速电梯控制系统设计本科毕业设计

摘要

电梯是一种用于电力拖动的特殊升降设备，是现代城市生活中必不可少且应用最广泛的垂直交通运输工具。

随着社会的不断发展，电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。

随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展十分迅速。

变频调速电梯使用了先进的PWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能；调速范围广、控制精度高、动态性能好，舒适、安静、快捷，几乎可与直流电机相互媲美。

同时也明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能显著。

本设计在采用PLC和变频器相互结合而实现电梯常规控制的基础上，通过对变频器和PLC芯片的合理选择和设计，大大提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制和运行效果。

关键词：

电梯，PWM控制，变频调速

ABSTRACT

Summaryelevatorisaspecialelectrictractionequipment,isindispensableinmodernurbanlife,andthemostwidelyusedverticaltransportation.Associetydevelops,elevatorfromthehandleswitchelevators,buttonscontroltheelevatortothecurrentgroupofElevator,forseniortransportationpresent.

Withpowerelectronicsandcomputercontroltechnologyandtherapiddevelopment,ACinvertertechnologydevelopmentveryrapidly.VariablespeedelevatoruseadvancedPWM,significantlyimprovethequalityandperformanceelevator;speedrangewidely,control,precision,dynamicperformance,comfortable,quiet,fast,almostcomparabletotheDCmotor.Atthesametimesignificantlyimprovedmotorpowerquality,reducedharmonic,whichimprovestheefficiencyandpowerfactor,energy-savingsignificantly.

ThisdesigninusePLCandinverterelevatoronthebasisofconventionalcontrol,throughtheinverterandPLCchipdesign,selectionandgreatlyimprovestheelevatorcontrollevels,andimprovesthecomfort,Elevatormakeselevatorreachesmoreidealcontrolandoperatingresults.

Keywords:

elevator,PWM,frequency

1引言

随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。

电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。

我国电梯控制系统主要有三种方式：

继电器控制系统、微机控制系统和PLC控制系统。

其中PLC控制系统以其显著的优点成为电梯控制系统的主流。

PLC控制系统主要有双速电梯系统和变压变频调速系统，后者通过改变电机供电的电压和频率，平滑调节电梯速度，可以获得更好的乘坐舒适感，它平层精度高，并具有显著的节能效果，保障了电梯的可靠性，成功地解决了电梯运行的舒适感问题。

过去，对中、低速电梯主要采用拖动系统来构成其曳引系统，应用变极方式实现电机的调速。

因为这种系统只能实现有级调速，无法对电机的转速和加、减速进行准确的控制，所以此方式的舒适感和平层精度都较差。

后来又采用交流调压调速控制的电梯，进行速度闭环控制，其舒适感和平层精度都有较大提高，但它却很难实现精确控制，并且能耗大，输人功率因数也低，影响了系统的整体性能。

对于高速电梯，过去主要采用晶闸管直流调速系统，存在维护难等问题，并且调速系统的功率因数也不高。

与前述方式相比较，变频调速则是各种调速方法中效率、性能均较好的一种。

本设计内容针对低层楼房客梯控制系统进行认真分析，讨论了电梯控制系统设计的有关问题。

根据当前电梯的发展趋势，注重反映新的PWM技术，利用先进的变频调速技术和强大的PLC功能实现了对电梯变频调速的控制，通过合理的设备选型、硬件电路连接和整体软件设计，完成电梯的各个功能，保证电梯的安全运行及应急状况处理。

2概述

2.1电梯的概述

2.1.1电梯的概念

电梯是服务于规定楼层，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间的固定式升降设备。

广义的电梯概念包括载人（货）电梯、自动扶梯、自动人行道等，是指动力驱动，利用沿刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运动的梯级（踏步），进行升降或者平行运送人或者货物的机电设备。

狭义的电梯是指服务于规定楼层、有轿厢的垂直升降设备，不包括自动扶梯、自动人行道。

自动扶梯（Escalator）是带有循环运行梯级，用于向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。

自动人行道（Passenger conveyor）是带有循环运行式走道，用于水平或微倾斜的输送乘客的固定电力驱动设备。

2.1.2电梯的分类

按用途分类：

乘客电梯、载货电梯、病床电梯、杂物电梯、服务电梯、住宅电梯、特种电梯。

按驱动方式类：

交流电梯，直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、直线电机驱动的电梯。

按速度分类：

低速电梯（速度不大于1.75m/s）

中速电梯（速度大于1.75m/s小于或等于2.5m/s）

高速电梯（速度大于2.5m/s小于或等于6m/s）

超高速电梯（速度大于6m/s）

按有无减速器分类：

有减速器的电梯：

常用于梯速为2.0m/s以下的电梯

无减速器的电梯：

常用于梯速为2.0m/s以上的电梯

按有无司机分类：

有司机电梯、无司机电梯、有/无司机电梯。

按控制方式分类：

手柄操纵控制电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯、集选控制电梯、并联控制电梯、群控电梯、微机控制电梯。

2.1.3电梯的工作原理

一部电梯主要由轿厢、配重、曳引机、控制柜/箱、导轨等主要部件组成。

电梯在做垂直运行的过程中，有起点站也有终点站。

对于三层以上建筑物内的电梯，起点站和终点站之间还设有停靠站。

起点站设在一楼，终点站设在最高楼。

各站的厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮。

一般电梯在起点站和终点站上各设置一个按钮，中间层站的召唤箱上各设置两个按钮。

而电梯的轿厢内都设置有（杂物电梯除外）操纵箱，操纵箱上设置有手柄开关或与层站对应的按钮，供司机或乘用人员控制电梯上下运行。

召唤箱上的按钮称外召唤按钮，操纵箱上的按钮称指令按钮。

电梯的运行工作情况和汽车有共同之处，而电梯的自动化程度比较高，一般电梯的司机或乘用人员只需通过操纵箱上的按钮向电气控制系统下达一个指令信号，电梯就能自动关门、定向、起动、在预定的层站平层停靠开门。

对于自动化程度高的电梯，司机或乘用人员一次还可下达一个以上的指令信号，电梯便能依次起动和停靠，依次完成全部指令任务。

尽管电梯和汽车在运算工作过程中有许多不同的地方，但仍有许多共同之处，其中乘客电梯的运行工作情况类似公共汽车，在起点站和终点站之间往返运行，在运行方向前方的停靠站上有顺向的指令信号时，电梯到站能自动平层停靠开门接乘客。

而载货电梯的运行工作情况则类似卡车，执行任务为一次性的，司机或乘用人员控制电梯上下运行时一般一次只能下达一个指令任务，当一个指令任务完成后才能再下达另一个指令任务。

在执行任务的过程中，从一个层站出发到另一个层站时，假若中间层站出现顺向指令信号，一般都不能自动停靠，所以载货电梯的自动化程度比乘客电梯低。

本设计主要研究六层六站的电梯控制系统，分述其硬件设计和软件设计过程。

设计程序要求完成电梯控制系统主要达到以下要求：

PLC电梯控制系统应具备：

有司机、无司机、检修三种工作模式。

系统应具备自动响应层楼召唤信号（含上召唤和下召唤）。

具有轿厢层楼显示（十进制方式），能自动显示电梯运行方向。

具有电梯直驶功能和反向最远停站功能，具有检修应急处理功能。

电梯具有自动开关门和应急手动开门、关门按钮。

2.2电梯的基本结构

电梯是机、电一体化产品。

其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。

各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。

尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳曳引式结构，图2.1所示是电梯的基本结构剖视图。

1-减速箱；　　　　　2-曳引轮；

3-曳引机底座；　　　4-导向轮；

5-限速器；　　　　　6-机座；

7-导轨支架；　　　　8-曳引钢丝绳；

9-开关碰铁；　　　　10-紧急终端开关；

11-导靴；　　　　　　12-轿架；

13-轿门；　　　　　　14-安全钳；

15-导轨；　　　　　16-绳头组合；

17-对重，　　　18-补偿链；

19-补偿链导轮；　　20-张紧装置；

21-缓冲器；　　　　22-底坑；

23-层门；　　　　　　24-呼梯盒；

25-层楼指示灯；　　26-随行电缆；

27-轿壁；　　　　　　28-轿内操纵箱；

29-开门机；　　　　30-井道传感器；

31-电源开关；　　　32-控制柜；

33-曳引电机；　　　　34-制动器

图2.1电梯的基本结构剖视图

从电梯空间位置使用看，由四个部分组成：

依附建筑物的机房、井道；运载乘客或货物的空间——轿厢；乘客或货物出入轿厢的地点——层站。

即机房、井道、轿厢、层站。

从电梯各构件部分的功能上看，可分为八个部分：

曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统和安全保护系统。

2.2.1曳引系统

曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。

其作用是输出与传递动力，驱动电梯运行。

曳引机由电动机、联轴器、制动器、减速箱、机座、曳引轮等组成，它是电梯的动力源。

曳引钢丝绳的两端分别连接轿厢和对重（或者两端固定在机房上），依靠钢丝绳与曳引轮绳槽之间的摩擦力来驱动轿厢升降。

导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型时还可增加曳引能力。

导向轮安装在曳引机架上或承重梁上。

当钢丝绳的绕绳比大于1时，在轿厢顶和对重架上应增设反绳轮。

反绳轮的个数可以是1个、2个甚至3个，这与曳引比有关。

2.2.2导向系统

导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。

它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

导轨固定在导轨架上，导轨架是承重导轨的组件，与井道壁联接。

导靴装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。

2.2.3门系统

门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。

轿厢门设在轿厢入口，由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。

层门设在层站入口，由门扇、门导轨架、门靴、门锁装置及应急开锁装置组成。

开门机设在轿厢上，是轿厢门和层门启闭的动力源。

2.2.4轿厢

轿厢用以运送乘客或货物的电梯组件。

它是由轿厢架和轿厢体组成。

轿厢架是轿厢体的承重构架，由横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成。

轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮板等组成。

轿厢体空间的大小由额定载重量或额定载客人数决定。

2.2.5重量平衡系统

重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。

对重由对重架和对重块组成。

对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重。

重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。

2.2.6电力拖动系统

电力拖动系统由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成，对电梯实行速度控制。

曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或直流电机。

供电系统是为电机提供电源的装置。

速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号。

一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电机相联。

调速装置对曳引电机实行调速控制。

2.2.7电气控制系统

电气控制系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏、平层装置、选层器等组成,它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。

操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。

控制屏安装在机房中，由各类电气控制元件组成，是电梯实行电气控制的集中组件。

位置显示是指轿内和层站的指层灯。

层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站。

选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。

2.2.8安全保护系统

安全保护系统包括机械和电气的各类保护系统，可保护电梯安全使用。

机械方面的有：

限速器和安全钳起超速保护作用；缓冲器起冲顶和撞底保护作用；还有切断总电源的极限保护等。

电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节都有。

3电梯电力拖动控制系统

电梯系统是一个庞大的系统，作为机电一体化的典范，其涉及的知识面很宽。

电梯又同人的生命枚关，为了保证安全，不得不增加各种附属装置以提高电梯的安全性，导致电梯控制系统结构相当复杂。

另外，随着电梯技术的发展和人民生活水平的提高，人们对电梯的要求不断提高，这样不得不增加控制系统的复杂性，以满足人们的需要。

电梯控制系统框图如下：

图3.1电梯控制系统框图

由上图可以看到，电梯控制系统主要由电梯电力拖动控制系统（调速控制变频器系统）和电梯电气控制系统构成。

电梯电力拖动系统部分的性能对电梯运行时乘客的舒适感有着重要的影响，而电气控制部分是电梯安全可靠运行的关键。

3.1变频调速电梯系统运行原理

电力电网送来的380V动力电源变为可控的直流电，经变频器转变为可调的频率可变的变频变压三相正弦交流电，驱动电动机平稳运行。

若配置交流变频曳引机效果更佳，成本亦低。

当电梯检修时，PLC向变频器发出方向和检修运行信号，系统按预先编好的速度指令使电梯轿厢作上、下慢速运行。

变频器内部带电流反馈和速度反馈。

电梯的速度总是跟随理想曲线的变化而变化的。

3.2变频器

3.2.1变频调速原理

由电机学原理可知三相异步电动机的转速可由下式表示：

式（3.1）

式中：

为电机的电源频率，

为电动机定子绕组的极对数，

为转差率

从上式3.1可看出，在极对数P和转差率不变的情况下，转速n与电机电源的频率

成正比，改变电动机的频率

就可以改变电动机的转速，从而实现电梯的零速起动。

3.2.2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4.2所示。

主电路包括整流器、逆变器和中间直流环节。

图3.2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。

3.2.3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VS-616G5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VS-616G5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。

VS616-G5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。

VS-616G5变频器的标准规格：

表3.1616G5型变频器的标准规格

电压

220V

400V

容量范围

1.2—110KVA

1.4—460KVA

电

源

电压频率

200V：

三相200V/208V/220V

400V：

三相380V/400V/415V/440V/460V

电压允许变动

+10%-15%

频率允许变动

士5%

控

制

特

性

控制方式

正弦波PWM控制，V/f控制

无传感器矢量控制（无PG），

带传感器矢量控制（带PG）

带传感器V/f控制（用参数切换）

启动转矩

150%/1Hz（无PG）I50%/0r/min（带PG）

速度控制范围

1:

100（无PG）1:

1000（带PG）

速度控制精度

士0.2%（无PG）0.02%（带PG）

速度响应

5Hz（无PG）30Hz（带PG）

转矩精度

士5%

转矩响应

20Hz（无PG）以上150HZ（带PG）以上

频率控制范围

0.1—4000HZ

频率精度

数字式指令士0.01%（-10C—y+40C）

模拟指令士0.1%（25C—士lOC）

频率设定

分辨率

数字式指令0.01Hz/100Hz

模拟式指令0.03HzJ60Hz

输出频率分辨率

0.01HZ

过载量

额定输出电流的150%1min

频率设定信号

-10—10V0—10V4—20MA

加减速时间

0.01——6000S

制动转矩

约20%

抑制高次谐波

直流电抗器

内带（200V24kVA400V26kVA以下可选择）

12相整流

不能变动

主要控制功能

再起动，下降控制，转矩控制.零点伺服控制

操作装置

16字X2线日语液晶显示

接通插件板可选择

16种（最多可装3块）

保护功能

电机保护，变频器过载，瞬时电流、电压下降，过电压，电压缺相。

VS-616G5变频器的特点如下：

包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。

有丰富的内藏与选择功能。

由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。

保护功能完善、维修性能好。

通过LCD操作装置，可提高操作性能。

3.2.4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

，电梯运行速度为

，电梯自重为

，电梯载重为

，配重为

，重力加速度为

，变频器功率为

。

在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为

有：

式（3.2）

其中

为摩擦力，s可忽略不计。

电机功率P1，变频器功率

应接近于电机功率

，相对于

留有较大裕量，因此可以取

式（3.3）

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

大小应使制动电流

不超过变频器额定电流的一半，即

式（3.4）

其中

为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。

3.3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。

3.3.1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：

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。

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。

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。

3.3.2电梯舒适性的性能要求

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

。

”

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ρ表示加加速度，则当加加速度ρ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ρ为生理系数，在电梯行业里一般限制生理系数ρ不超过

。

3.3.3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