新时达-step iAStar 变频器在电梯系统中的应用

引言
iAStar电梯专用变频器独特的全领域、全自动力矩提升功能在电梯拖动中能获得良好的舒适感和稳定性。 可以接受控制器如PLC等的多段速频率指令或者模拟电压、电流指令;可以通过自学习适应各种电机并获得良好的矢量控制特性;低速下平稳启动性极好;硬件可靠性与性价比极高。

VVVF型电梯的基本原理
根据电机学理论，交流电动机的转速公式为:
n=60f (1-s)/p
上式中: f为定子的电源频率; p为极对数;
s为转差率; n为转速。
因此，交流电机可有以下几种调速方法:
(1) 改变电机极对数p，可以改变电机转速。这是交流双速梯采用的调速方法。
(2) 通过调整定子绕组电压大小来改变转差率s, 以达到调速目的。这是交流调速梯采用的调速方法。
(3) 改变定子电源频率f也可达到调速目的，但f最大不能超过电机额定频率。电梯作为恒转矩负载调速时为保持最大转矩不变，根据转矩公式M=CmФIcosφ式中Cm为电机常数，I为转子电流，Ф为电机气隙磁通，cosφ为转子功率因数。必须保持Ф恒定，又根据电压公式U=4.44fWkФ，式中U为定子电压，f为定子电压频率，W为定子绕组匝数，k为电机常数，必须保持U/f为常数，即变频器必须兼备变压变频两种功能简称为VVVF(Vary Voltage Vary Frequency)型变频器, 这就是VVVF型电梯的基本控制原理。

选择功率与其他配件
通常变频器在电梯应用中还需要制动单元与制动电阻，在再生状态时获得足够的制动力矩; 还需要配置PG速度卡获得编码器的速度反馈信号; 在长期发电机运行及其他特殊场所还需要配置交流电抗器。变频器一般按照电机的功率放大一级选择，为了获得变频器理想的控制性能，一般变频器功率应当满足下式:
变频器功率≥K×1.732×Vm×Im
其中，K为电流波形校正系数，Vm为电机额定电压，Im为电机额定电流。
制动单元的选择
在变频器应用中当轿厢空载上升或重载下降时，拖动系统存在位能负荷下放。电动机将处于再生发电制动运行状态，使电动机回馈的能量通过逆变环节中并联的二极管流向直流环节给滤波电容器充电。当回馈能量较大时，会引起直流环节电压升高发生故障，电动机急速减速也会造成上述现象。解决办法是在变频器直流环节并联制动单元和制动电阻。制动单元是变频器一个可选组件，内设检测和控制电路，其工作时对变频器的直流回路电压进行在线检测。当电压超过设定允许值时，触发制动器晶体管导通，经电阻释放能量维持变频器的直流母线电压在正常工作范围内，一个制动单元可并联几个电阻，视工况而定。
电阻的选择
电阻的选择非常重要，电阻选择过大则制动力矩不足，电阻选择过小则电流过大、电阻发热等问题难以解决。一般我们推荐的电阻功率和阻值内选择，对于提升高度较大、电机转速较高的情况可以适当减小电阻以得到较高的制动力矩，如果最小值不能满足制动力矩的话，要更换大一级功率的变频器。
制动单元和制动电阻应根据回馈最大能量及时间来选用。一般制动电阻器的选择应使制动电流Is不超过变频器的额定电流Ie，制动电阻最大功率Pmax要小于1.5倍的变频器功率，然后与过载系数相乘。过载系数与减速时间和持续制动时间有关，具体要厂家提供电阻器过载系数及参数样本。
采用制动电阻消耗电机再生制动时送回直流回路的电能，变频器制造厂家通常提供用户可选件—制动单元及制动电阻。制动过程中，当直流电路电压高于正常电压70V时，制动单元中的IGBT进行直流斩波，使制动电阻流过电流消耗再生电能。
PG卡
PG卡一般选择PG-B2，仅在编码器为线输出或者需要编码器脉冲在2000p/r时选择PG-X2，速度卡均可提供最大32分频输出，可供控制器计数使用。
光电编码器
选用增量式600p/r，推挽放大输出，A相B相Z相原点信号，轴径8mm中空型的编码器。

系统组成
系统的硬件结构如图1所示，主要由下列部分构成:




图1 硬件组成图

iAStar电梯专用变频器可实现平稳操作和精确控制，使电动机达到理想输出。并将无PG的U/f控制、无PG矢量控制、有PG的U/f控制、有PG矢量控制的四种控制方式融为一体，其中有PG矢量控制是最适合电梯控制要求的。容量选择最好是采用大一数量级选配，电梯电动机一般选llkW或15kW的异步电动机。即11kW的电动机选15kW的变频器，15kW的电动机选18kW的变频器。

变频器参数设置
由于采用PLC 作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。下面介绍几个主要参数的设置:为了减小启动冲击及增加乘客的舒适感, 其调速系统的速度环的比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些，故选C5-01=5,C5-02=2s。为了提高运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车冲击，故选Dl-02=50Hz, Dl-03=5Hz。检修慢车频率可选Dl-09=12Hz。而“S”曲线特性可防止启动、换速或停止时产生振动, 这在电梯中最为适用, 可使乘坐舒适感大大改善。此外, 该变频器的故障诊断、检测、记忆等功能对系统维护亦非常方便、实用。为了保证平层精度及运行的可靠性, 曳引电动机的转速控制应是闭环的, 其转速的检测由和电动机同轴旋转的旋转编码器完成。必须保证旋转编码器和电动机连接时的同心度和可靠性, 以保证速度采样的准确度。变频器其他常用参数可根据电网电压和电机名牌参数直接输入。电梯运行理想曲线如图2。为使变频器工作在最佳状态, 在完成参数设置后, 需使变频器对所驱动的电动机进行自学习, 其方法是:将曳引机制动轮与电动机轴脱离, 使电动机处于空载状态, 然后启动电动机，变频器便可自动识别并存储电动机有关参数, 使变频器能对该电动机进行最佳控制。至此, 变频器参数设置完毕。




图2 电梯运行理想曲线

结束语
本系统投入运行应用效果表明该电梯舒适感好, 安全性高, 采用矢量控制变频调速节能效果明显。节电率20%以上, 每年节约电1万余kWh。维护费用大幅度降低, 每年可节约万余元, 受到用户好评。