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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元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。电梯拖动和控制系统对于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。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。

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于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益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。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。基于以上两方面的工作对于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第一章绪论分析本文结合奥的斯电梯公司的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电梯的系统设计通过电梯专用实验设备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于分析系统中具体部件的性能问题从而改进系统设计提高系统性能。另外通过对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于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。

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和加加速度有关。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在电梯技术中还被称为生理系数国家标准规定了最大值。同时和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。

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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于电梯正常运行时采用。在整个电梯的一个运行周期中为启动加速段为匀速运行段为减速制停段。电梯速度曲线第二章电梯拖动系统的模型和设计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中的曲线所示。静正弦函数曲线光滑可导因此正弦速度曲线也是一种理想的速度曲线。

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于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中的曲线二是由传动系统的摩擦阻力引起的反抗性转矩曲线。

当电梯重载运行时轿厢的负载系数大于对重平衡系数，即这两部分转矩之和为重载时电梯的静态负载转矩曲线。当电梯轻载运行时轿厢、对重的重量差为负值引起的位能性转矩也是负值曲线，加上摩擦力引起的反抗性转矩曲线得到轻载运行时电梯的静态负载转矩曲线。当电梯半载运行时轿厢侧与对重侧重量相等位能性转矩为零电梯的静态负载转矩只有摩擦力引起的反抗转矩静态负载特性是曲线，它与曲线是等效的。电梯拖动系统的模型和设计对重两侧平衡时的位能性负载轻载时的位能性负载平衡时的总负载轻载时的总负载电梯动态负载特性是根据图中的抛物线一直线型速度曲线绘制在速度曲线段速度力舡幻将拧值带入公式。电梯的动态负载特性图的封闭曲线反映了轿厢一次上升运行过程中电梯的动态转矩变化规律轿厢向下运行的速度曲线可以通过将此封闭曲线以原点为轴心旋转后得到。

电梯的负载特性需要将电梯的静态负载特性与动态负载特性相叠加得到一组如图所示的封闭曲线每个封闭曲线分别处在图的各个静态负载直线的位置上。电梯的系统转矩电梯拖动系统在选定的调速方式下电动机的转矩应达到负载转矩的要求考虑到电源电压的波动、导轨不够平直等因素电动机的转矩还应留有一定裕量。将电动机的机械特性画在电梯负载特性的平面内电动机的机械特性应能全部覆盖负载特性即全部包容负载特性。如果满足上述条件则该电梯在控制系统的各种调速方式下能按照预定的速度曲线运行。否则在哪一段不包容则在不包容区间电梯将脱离预定速度曲线从而造成舒适性变差或平层准确度变差严重时可能。