电梯变频器的工作原理是什么

1 引言
安川616G5变频器是世界上最早的电流型矢量控制变频器之一，其调速范围达到1:1000，控制精度达到0.02%，具备在零速启动力矩可以达到150％的特色。尤其安川独特的全领域、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。

G5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。

2 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。

3 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。

3.1 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。

3.2 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。制动电阻的计算不再赘述，我司提供相关样本及配置。

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。

3.3 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。

3.4 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。

4 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

4.1 PLC
可编程控制器PLC，完成系统逻辑控制部分。PLC负责处理各种信号的逻辑关系．从而向变频器发出起停等信号，同时变频器也将工作状态信号送给PLC，形成双向联络关系，它是系统的核心。

4.2 变频器
变频器，实现电动机调速。高速电梯(1.6m/s以上的速度)一般都采用专用变频器。而低速电梯采用低价格的通用变频器也可以满足要求。如安川616G5通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。

4.3 旋转编码器和PG卡
旋转编码器和PG卡，实现闭环运行。为满足电梯的要求，变频器又要通过与电动机同轴连接的旋转编码器和PG卡，完成速度检测及反馈，形成闭环系统。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲，旋转编码器根据AB脉冲的相序，可判断电动机转动方向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送给变频器内部，以便进行运算调节。

4.4 制动电阻
制动电阻，消耗回馈电能，抑制直流电压升高。当电梯减速运行时，电动机处于发电状态，向变频器回馈电能。这时，同步转速下降，交一直一交变频器的直流母线电压升高，为了能消耗回馈电能，抑制直流电压升高，还必须配置制动电阻。

5 变频器参数设置
目前，在电梯行业中使用的变频器的品牌较多，其控制系统的结构也不尽相同。但就其总的控制思想却是大同小异。现以VARISPEED-616G5变频器为例，说明系统的结构特点及程序设计要点。

如图1所示，为616G5变频器的框图。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。由于616G5为通用型变频器，因而用在电梯控制上为了满足运行效率、舒适感、平层精度和安全性的要求, 其参数设置比专用型变频器要复杂得多。下面仅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

软件设计主要涉及到参数设置。具体参数设置如下:
A1-01=4 A1-02=3 B1-01=0 C1-01=3s
C1-02=2 C2-01=0.7s C2-02=0.7s C2-03=0.6s
C2-04=0.7s C5-01=5 C5-02=2s D1-02=50Hz
D1-03=5Hz D1-09=12Hz E1-01=380V E1-04=50Hz
E2-01=电动机额定电流 E2-04=电动机电极极数
E1-05=380V H2-01=37 H3-05=1F L3-04=0
L6-01=4 L6-03=10s L6-04=4 L6-05=200
L6-06=2s L8-01=1 L8-05=1 L8-07=1
F1-01=600(PG脉冲数) F1-05=1/0
其他参数按变频器出厂值。

6 常见问题分析
上述系统在使用过程中可能会遇到以下问题，兹列举如下。
(1) 下行正常，上行时减速不正常
电梯应用时，L3-04必须设定设定为0; 如果制动电阻阻值过大，也会造成制动力不足，上行再生制动时制动电流不足; 观察空载电梯上升时电阻有无放电声判断制动单元是否工作。
(2) 上下行减速异常
检查电机功率、电流、级数设置、输入电压及是否缺相。
(3) 下行正常, 上行运行较远时(如15m以上)电梯出现过电压保护
检查制动电阻阻值和功率，减小制动电阻值。
(4) 电机过热
长期低速高力矩运行;没有进行自学习而设定的参数差异太大;检修运行或者爬行运行没有在零速报闸(检修运行最好使用点动运行，而不是多段速运行有较长的减速时间);注意L5-01应设定为1。
(5) 电流不大，但是漏电保护断路器容易动作
变频工作有漏电流产生，普通的漏电保护开关不能使用，请使用专用型或者漏电检出值较高的断路器。
(6) 开环运行不震动，闭环运行震动
编码器必须安装正常;C5-01不能设定过大，C5-02不能设定过小，进行部分调整试试;C7-02振荡防止增益调整试验。
(7) 启动与停止震动
方向指令、频率指令、报闸控制的时间配合是否与我们推荐值相差太远; 编码器必须安装正常; 电机轴承与减速箱是否老化。高速运行震动编码器安装必须正常; 检查导靴安装是否太紧。
(8) 加速完成与减速开始有冲击感
C2-01/02/03/04参数是否为正常设置; 减小C5-01，可增大C5-02试试。
(9) 电机完全失控
检查运行时变频器是否在驱动状态(最好通过变频器输出RUN状态与控制器进行联锁控制，以保证变频器在参数设置等状态电梯不会运行); 控制器的运行指令与频率给定是否异常。
(10) 变频器干扰工频电源
加装交流电抗器可以有效抑制高次谐波; 减小载波频率也可减小高次谐波。
(11) 变频器过热
变频器风扇是否损坏; 机房温度是否过高; 检查输出电流是否异常。
(12) 设定频率与运行频率有差异，但是运行正常
电机的额定滑差设定不正确，请重新计算或者做电机自学习; 速度低于目标值时适当增大C3-01，速度高于目标值时适当减小C3-01。

7 结束语
本系统已于2000年9月在合肥翠林宾馆投入运行, 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。

工作原理：主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类 ：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路。
电梯变频器对电梯的控制是S型，即启动和停止加速度都比较缓和，而中间过程，加速度比较快，主要是为了乘坐舒适，节能也是一方面。
电梯变频器是一种专门用于电梯控制的仪器。电梯专用变频器是中小功率变频器中的高端产品，它使得电梯效率提高、运行平稳、设备寿命延长，结合PLC或微机控制，更显示无触点控制的优越性：线路简化、控制灵活、运行可靠、维护和故障监测方便。
如果平常对变频器进行维护保养，则可大大下降变频器的故障率：
1、电梯电气室温度不能太高，否则变频器元件容易老化，最好装有空调，后果相称不错；
2、预防雨水淋湿，通常是在刮台风时，窗门被风吹坏而使变频器淋到雨水；
3、防雷电，这个就关联到整栋楼或全部小区防雷设施问题，被雷击的变频器个别损坏严峻；
4、变频器的散热风扇要定时清尘,变频器的维修方式采用在线电压检测及直流电阻测量两种方法，发现其有响声或不运行就要调换；
5、电梯电机有不正常响声通常是变频器有问题，如电机三相电流不均衡，这时最好就要维修，等到变频器完整不行则损坏可能比较严峻。

• 原理：

  1、主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类: 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

  2、它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

• 电梯变频器：

  是一种专门用于电梯控制的仪器。电梯专用变频器是中小功率变频器中的高端产品，它使得电梯效率提高、运行平稳、设备寿命延长，结合PLC或微机控制，更显示无触点控制的优越性：线路简化、控制灵活、运行可靠、维护和故障监测方便。

• 保养方法：

  1、电梯电气室温度不能太高，否则变频器元件容易老化，最好装有空调。

  2、防止雨水淋湿。

  3、防雷电。

  4、变频器的散热风扇要定时清尘，发现其有响声或不运转就要更换。

  5、电梯电机有不正常响声通常是变频器有问题，就要送去维修。
  

电梯变频器一般是电压型交直交变频器。基本构造包括三个部分：

1、整流电路，将交流电变换为直流电

2、直流母线，储能环节，在环节完成无功交换，变频器可以获得较高的输入功率因数。

3、逆变，将直流电逆变为频率和幅值可变的交流电，使电机工作在不同的转速下。

详细的变频器原理，请参见附件。

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