電梯拖動系統(tǒng)發(fā)展過程簡析6300字

1、電梯拖動系統(tǒng)開展過程簡析6300字 摘要：本文主要討論曳引式電梯的工作特點，及人類對電梯的平安快捷舒適節(jié)能的要求推動下，對電梯拖動方式開展演變的過程做簡單的梳理比擬。 畢業(yè)關(guān)鍵詞：曳引式電梯 工作特點 拖動方式 開展過程 比擬電梯是人類現(xiàn)代社會不或缺的重要交通工具，隨著城市化進程的不斷加快，人類在生活和消費的各個領(lǐng)域都要依賴電梯這種用于垂直方向的運輸設(shè)備?？梢哉f，電梯的開展史是與人類社會科學(xué)技術(shù)的開展進步息息相關(guān)，相得益彰。作為電梯的前身升降機， 早期主要靠人力驅(qū)動，后面開展到利用動物如驢來驅(qū)動。隨著瓦特創(chuàng)造蒸汽機后引發(fā)的以蒸汽為動力的第一次工業(yè)革命，接著以電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)引發(fā)的電的開發(fā)利用的第

2、二次工業(yè)革命，用于升降機的動力源也與時俱進。1889年起，過去的升降機開場采用電力驅(qū)動，成為名副其實的電梯。經(jīng)過一個多世紀(jì)的開展，以電力為動力源的電梯驅(qū)動技術(shù)也日臻完善。電梯的定義和內(nèi)涵也隨著時代不斷開展變化。如在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)里對電梯的定義是：效勞于規(guī)定樓層的固定式升降設(shè)備，它具有一個轎廂，運行在至少兩列垂直的或傾斜角小于15ordm;的剛性導(dǎo)軌之間，轎廂尺寸與構(gòu)造形式便于乘客出入或裝卸貨物。而在?特種設(shè)備平安監(jiān)察條例?中對電梯的定義卻是：電梯，是指動力驅(qū)動，利用沿剛性導(dǎo)軌運行的廂體或者沿固定線路運行的梯級踏步，進展升降或者平行運送人、貨物的機電設(shè)備，包括載人貨電梯，自動扶梯，自動人行道等。可以說

3、，標(biāo)準(zhǔn)里的“電梯指的是狹義的電梯，而條例里的“電梯泛指廣義的電梯。本文試著以占主導(dǎo)地位的曳引式曳引式代替鼓輪卷筒式，為長行程和具有高度平安性的現(xiàn)代電梯奠定根底電梯的工作特點及其拖動方式的開展變化來梳理現(xiàn)代電梯驅(qū)動開展脈絡(luò)，并比擬其優(yōu)劣性。 一、電梯的工作特點從曳引式電梯的定義知道電梯的運行就是電機要拖動轎廂載人或載物，重量變化與對重取轎廂重量與額載重量的0.4至0.5倍之和，重量不變的差重做上、下運行。重復(fù)做著起動，加速，勻速，減速，停頓，按不同的運行間隔 ，選擇預(yù)定的不同的速度曲線，循環(huán)往復(fù)地運動。在重載上行和輕載下行時，電機是電動狀態(tài)，在輕載上行和重載下行時，電機是發(fā)電制動狀態(tài)，在平衡或接

4、近平衡時，電機工作最節(jié)能。總的說來，現(xiàn)代電梯一般具備以下工作特點：1電梯為位能性負載不但有動能，還有勢能；2要求曳引電動機在四象限內(nèi)運行一、三象限為電動狀態(tài)，二、四象限為發(fā)電制動狀態(tài)；3要求啟制動頻繁；4速度快且制動平穩(wěn)，平層精度高快捷；5要求低速力矩大；6更平安；7要求各種負載下啟動、換速、換向平穩(wěn)無沖擊舒適；8節(jié)能。從電梯的工作特點知道用于電梯拖動系統(tǒng)的電機要進展頻繁的啟制動，加減速、正反轉(zhuǎn)等運動。對于舒適高效節(jié)能的運行需要不斷促進電機的制造與驅(qū)動控制技術(shù)向前開展。如何根據(jù)電梯的工作特點，選擇適宜的電梯驅(qū)動系統(tǒng)。下面，我們試著從電機的運行原理和操控性來看電梯拖動系統(tǒng)的開展演變過程。二、電機

5、運動方程式與調(diào)速指標(biāo)一運動方程式根據(jù)交流電機旋轉(zhuǎn)運動的運動方程式： 1 式中：電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩TM單位為牛頓米Nm；電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩TL單位為Nm；慣性轉(zhuǎn)矩 的單位為Nm,其中轉(zhuǎn)動慣量J的單位為kgm2、角速度 的單位為弧度/秒rad/s。J可用 表示，其中m和G是旋轉(zhuǎn)局部的質(zhì)量kg和重量N；P和D是慣性半徑和直徑m；g是重力加速度g=9.81m/s2。角速度與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為 ，這樣，式1可化成實用形式2： TM-TL 2GD2=4gJ稱為飛輪矩，單位是Nm2。電機轉(zhuǎn)子和機械飛輪矩GD2的數(shù)值可由相應(yīng)的產(chǎn)品目錄中查到,數(shù)字375具有加速度的量綱(m/s2)，上式反映了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。拖動

6、系統(tǒng)的工作狀態(tài)是穩(wěn)速，還是加速或減速由電磁轉(zhuǎn)矩TM與負載轉(zhuǎn)矩TL的關(guān)系確定。負載轉(zhuǎn)矩TL的大小和許多因素有關(guān)，通常把負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系TL=f(n)稱為消費機械的負載轉(zhuǎn)矩特性，有時也簡稱為負載特性。消費機械的負載特性根本上可歸納為三大類。1、恒轉(zhuǎn)矩負載，又分為對抗性恒轉(zhuǎn)矩負載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負載；2、恒功率負載；3、通風(fēng)機負載。從電梯的運行特點知道其曳引電機負載特性是位能性恒轉(zhuǎn)矩負載，有電動狀態(tài)，還有發(fā)電制動狀態(tài)，即電機須在四象限內(nèi)運行。二調(diào)速指標(biāo)為了評價各種電機，各種調(diào)速方法的優(yōu)缺點，對調(diào)速方式提出了一定的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，即調(diào)速指標(biāo)，主要包括以下四個方面。1、調(diào)速范圍，指消費機械可能到達最高轉(zhuǎn)

7、速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比，用系數(shù)D表示：D=nmax/nmin32、靜差率相對穩(wěn)定性，指負載轉(zhuǎn)矩變化時系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化的程度，用 %= 100%= 100%4表示,其中no表示理想空載時的速度,nN表示額定負載時的速度。3、調(diào)速平滑性，用平滑系數(shù) 來衡量，它是相鄰兩級如i與i-1級的轉(zhuǎn)速之比，即 =ni/ni-1 5 1稱為無級調(diào)速或轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。4、調(diào)整的經(jīng)濟性調(diào)速的經(jīng)濟性，它包含兩方面的內(nèi)容，一是調(diào)速所需的設(shè)備投資和調(diào)速過程的能量損耗，另一方面指電機在調(diào)速時能否得到充分的利用。三、電梯拖動方式的開展與比擬回憶電梯驅(qū)動控制技術(shù)的開展史，可發(fā)現(xiàn)它先后經(jīng)歷了直流電機，交流單速電機、交流雙速電

8、機、直流有齒輪、無齒輪調(diào)速、交流調(diào)壓調(diào)速、交流變壓變頻調(diào)速、交流永磁同步電機變頻調(diào)速等階段。結(jié)合各階段的特點，我們認(rèn)識到電梯拖動系統(tǒng)的開展演變過程是與電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)等的開展相輔相成，互相促進，互為因果。其中，晶體管、集成電路、計算機技術(shù)、變頻控制技術(shù)的創(chuàng)造應(yīng)用對電梯的技術(shù)進步均有里程碑式的意義。從19世紀(jì)末電梯創(chuàng)造到20世紀(jì)六七十年代中，直流調(diào)速一直在中、高速電梯中占較大比例，在低速場合主要使用交流雙速調(diào)速系統(tǒng)。1967年，晶閘管用于電梯驅(qū)動，交流調(diào)壓調(diào)速驅(qū)動控制的電梯出現(xiàn)了。1983年，日本三菱率先推出了變壓變頻驅(qū)動控制的電梯，并迅速成為電梯主流產(chǎn)品。1996

9、年，芬蘭通力又率先推出了采用交流永磁同步電動機驅(qū)動技術(shù)的無機房電梯。這些新技術(shù)新產(chǎn)品的出現(xiàn)為開發(fā)公司進步市場競爭力起到了宏大的作用，也為電梯技術(shù)革新起到推波助瀾的作用。目前電梯的拖動系統(tǒng)可分為直流調(diào)速直流電機拖動和交流調(diào)速交流電機拖動兩大類。一直流驅(qū)動直流電梯具有速度快，舒適感好，平層準(zhǔn)確度高的特點。直流電動機電樞電磁轉(zhuǎn)矩公式：6其中Cm= 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，是一個與電機構(gòu)造有關(guān)的量，對已制成的電機，Cm是一個常數(shù)，當(dāng)勵磁繞組主磁通 不變時，電磁轉(zhuǎn)矩與通入電樞電流 成正比，控制電樞電流就等于控制轉(zhuǎn)矩，所以良好的動態(tài)性能是比擬容易實現(xiàn)的。例如采用轉(zhuǎn)速，電流閉環(huán)反應(yīng)控制可獲得四象限的恒加減速特性。他勵并

10、勵電動機的轉(zhuǎn)速公式： 7其中Ce= 稱為電勢常數(shù)，是一個與電機構(gòu)造有關(guān)的量，對已制成的電機，Ce是一個常數(shù)，Cm與Ce的關(guān)系是Cm= =9.55Ce從公式7可知直流電動機的調(diào)速方法有三種。 1電樞串電阻調(diào)速改變Rs：簡便易行，價格廉價，但屬有級調(diào)速，低速下穩(wěn)定性差，特性軟，并且耗能大，所以只在要求不高的場合下使用。 2改變勵磁磁通調(diào)速改變：弱磁調(diào)速在電流較小的勵磁回路調(diào)節(jié)，易于實現(xiàn)，屬無級調(diào)速，但轉(zhuǎn)速太高對直流電動機換向不利，所以調(diào)節(jié)范圍有限，一般都與調(diào)壓配合使用。3改變電樞端電壓調(diào)速改變us：降壓調(diào)速特性硬度不變，所以低速穩(wěn)定性好，調(diào)節(jié)范圍寬，平滑性好，但可調(diào)直流電源造價高。目前應(yīng)用的直流電

11、梯的拖動系統(tǒng)通常有兩種：1用發(fā)電機組構(gòu)成的可控硅勵磁的發(fā)電機電動機的拖動系統(tǒng)；2可控硅直接供電的可控硅電動機拖動系統(tǒng)。兩者都是利用調(diào)整電動機的端電壓Us的方法進展調(diào)速的。前者通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流改變發(fā)電機的輸出電壓即電動機的端電壓，實現(xiàn)了電動機的調(diào)壓調(diào)速，調(diào)節(jié)電動機的勵磁電流就實現(xiàn)了電動機的弱磁調(diào)速。降壓、弱磁并用，增大了調(diào)速的范圍。后者是用三相可控硅整流器，把交流變?yōu)榭煽刂绷?，供?yīng)直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)，省去了發(fā)電機組，降低了造價，使構(gòu)造更加緊湊，后者相對于前者，具有很多優(yōu)點，如機房占地節(jié)省35%，重量減輕40%，節(jié)能25%-35%，世界上很多在用的高速電梯即采用可控硅直接供電的系統(tǒng)。其調(diào)

12、速比可達1：1200。直流電梯因其存在交流轉(zhuǎn)直流的環(huán)節(jié)，設(shè)備多，造價高，耗能多，維護較為復(fù)雜，所以不是開展的主流。但同時又具有調(diào)速范圍寬，平滑性高，適用于快高速電梯拖動系統(tǒng)。直流電動機的制動方法有能耗制動，反接制動和回饋制動等，電梯中常采用能耗制動方式，斷電后在電樞回路中串入一個能耗制動電阻，使以慣性旋轉(zhuǎn)的電機將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性發(fā)電的電能消耗在電樞回路電阻中，同時產(chǎn)生制動力矩，到達快速停車的目的?；仞佒苿邮且环N節(jié)能的制動方法，它將制動時的動能或勢能轉(zhuǎn)變成電能回送電網(wǎng)，所以這種制動方法還需配有源能量回饋器，本錢也較高，且制動穩(wěn)態(tài)運行的轉(zhuǎn)速太高。反接制動由于制動電流大，效果強烈，舒適感也差，所以在電

13、梯控制中很少采用。二交流驅(qū)動交流異步電動機由于具有構(gòu)造緊湊，使用方便，維護簡單，制造本錢低等特點，得到了廣泛的使用。由異步電動機的轉(zhuǎn)矩公式：T=CmI2COS 28可知，除Cm是常數(shù)外，每極氣隙磁通，轉(zhuǎn)子電流I2，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)COS 2都是轉(zhuǎn)差率S的函數(shù)，都是難以直接控制的。比擬容易直接控制的是定子電流I1。而它又是I2的折合值與勵磁電流I0的矢量和。因此，要在動態(tài)中控制轉(zhuǎn)矩顯然比擬困難。所以，交流調(diào)速由于受技術(shù)開展的限制，一直只在低速場合應(yīng)用。調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能，歸根到底就是電磁轉(zhuǎn)矩的控制性能。異步電動機轉(zhuǎn)速公式n=n1(1-s)= 9可知，要改變異步電動機的轉(zhuǎn)速，可有以下三種方法：1改變電

14、動機的極對數(shù)p；2改變電動機的轉(zhuǎn)差率s；3改變電動機的電源頻率f。在電梯拖動系統(tǒng)中，使用改變極對數(shù)P進展調(diào)速的場合主要是貨梯，它的優(yōu)點是造價低，線路簡單，使用方便。缺點是由于有級調(diào)速，舒適感差，速度較低。能耗較大。異步電動機應(yīng)用改變轉(zhuǎn)差率s的調(diào)速方式也有三種，分別是改變定子電壓調(diào)速，轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速和串級調(diào)速，后面兩種調(diào)速方法僅適用于繞線式異步電動機，目前電梯拖動系統(tǒng)中主要應(yīng)用改變定子電壓的調(diào)速方法。其特點就是在恒定交流電源與電動機之間接入反并聯(lián)晶閘管或雙向晶閘管組成變壓電路，通過改變晶閘管的導(dǎo)通角來改變輸出電壓的有效值，即電動機輸入電壓來實現(xiàn)調(diào)速。由于異步電動機的工作電壓不允許超過額定值，所

15、以調(diào)節(jié)電壓只能在額定電壓以下進展，因此，調(diào)壓調(diào)速也稱為降壓調(diào)速。由于調(diào)壓調(diào)速是靠增大轉(zhuǎn)差率使轉(zhuǎn)速降低的，轉(zhuǎn)差功率又不能加以利用，所以轉(zhuǎn)速愈低損耗愈大，由于晶閘管采用相位控制，輸出電壓、電流都是非正弦波，引起高次諧波。高次諧波不僅使電動機總感抗加大，降低COS 中，從而影響了輸出轉(zhuǎn)矩，高次諧波電流又會產(chǎn)生六倍于基波頻率的脈動轉(zhuǎn)矩，嚴(yán)重影響電動機的正常工作；高次諧波還使電動機的損耗加大。交流調(diào)壓調(diào)速電梯的制動方式主要也有以下三種：分別是反接制動，能耗制動和渦流制動。反接制動特點是改變定子繞組兩相相序。能耗制動是特點把電機定子繞組接至直流電源后產(chǎn)生磁場與轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流互相作用，渦流制動的特點是由渦流

16、制動器施行。其轉(zhuǎn)子與主電機轉(zhuǎn)子同軸相連，給同軸的渦流制動器定子繞組施加直流電源以產(chǎn)生一個靜止的直流磁場來產(chǎn)生制動力矩。近年來交流調(diào)速中最活潑，開展最快的就是變壓變頻調(diào)速技術(shù)，即改變電源頻率f，又稱VVVF技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的根底和主干內(nèi)容。變頻技術(shù)就是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需求誕生的，隨著20世紀(jì)60年代后期以來電力電子技術(shù)飛速開展，電力電子器件從晶體管SOR、門極可關(guān)斷晶體管GTO、雙極型功率晶體管BJT、金屬氧化物場效應(yīng)管MOSFET、靜電感應(yīng)晶體管SITH開展到目前的絕緣柵雙極型晶體管IGBT，作為新型電力電子器件，IGBT將MOSFET的電壓控制大、控制功率小，易于并聯(lián)，開關(guān)速度高

17、的特點和雙極晶體管的電流密度大，電流處理才能強，飽和壓降低的特點集中于一身，表現(xiàn)高耐壓大電流，高頻率等優(yōu)越的綜合性能，是整機系統(tǒng)進步性能指標(biāo)和節(jié)能指標(biāo)的首選產(chǎn)品。另外，變頻器的控制技術(shù)也不斷開展完善，從能滿足一般風(fēng)機、泵類調(diào)速要求的恒壓頻比控制方式，到調(diào)速范圍、精度、響應(yīng)相對好一點的轉(zhuǎn)差頻率控制方式，再到性能更佳的能滿足各種需要的空間矢量控制方式，直到目前最先進的直接轉(zhuǎn)矩控制方式。還有，隨著數(shù)字控制器DSP與智能功率模塊IPM的不斷開展完善，構(gòu)造更小，造價更低，性能更高的變頻驅(qū)動控制一體化的電梯調(diào)速裝置已經(jīng)投入市場。完全滿足了現(xiàn)代電梯運行需要的調(diào)速范圍大，啟動電流小，而啟動力矩大，啟動平滑，功

18、率因數(shù)高，節(jié)能效果好等要求。變頻調(diào)速的制動方式主要有能耗制動和回饋制動，對高層高速電梯采用有源逆變器的反應(yīng)制動節(jié)能效果好。隨著高層建筑日益增多，對速度更高更節(jié)能的高性能電梯的電力拖動系統(tǒng)要求越來越高，自控式永磁同步電動機逐漸成為新型電梯拖動系統(tǒng)開展的主流。從直流電動機6與交流異步電動機8的電磁轉(zhuǎn)矩公式知，制約電磁轉(zhuǎn)矩增大的幾個因素為：1、轉(zhuǎn)矩常數(shù)Cm與磁極對數(shù)P中成正比，P增加，T可增加。2磁通為磁感應(yīng)強度B與極距及電樞長度之積。增大兩個參數(shù)那么增大電機尺寸，增加體積和本錢。3進步電流I那么引起導(dǎo)體發(fā)熱的絕緣老化，且使磁路易于飽和。另外異步電動機功率因數(shù)不高，變頻調(diào)速低頻時，要采用定子壓降補償來進步出力，使控制系統(tǒng)趨于復(fù)雜。直流電動機具有換向器及電刷，體積大，價格貴，且維護保養(yǎng)工作量大。相對它們，永磁同步電動機卻具有如下特點1電磁轉(zhuǎn)矩比同容量的普通交、直流電機大。2效率和功