電梯永磁同步無齒輪傳動系統對變頻器的要求

分類：技術教程日期：2009-05-12 00:00:00 來源：互聯網

　　引言
　　近幾年來，隨著無機房、小機房電梯的廣泛應用，永磁同步電動機的無齒輪傳動成為目前電梯行業的技術發展主要趨勢。無齒輪傳動電梯由電動機的輸出軸直接與主機的曳引輪連接，不需要齒輪減速或其它減速機構，直接驅動電梯運行。這種傳動方式具有傳動效率高、噪音低、機械結構簡單等特點，是電梯眾多曳引傳動方式中最佳方案。目前，大多數電梯產品都采用了變頻驅動的方式，由傳統的有齒輪傳動電梯到永磁同步電動機的無齒輪傳動電梯，在變頻控制方面有那些不同和要求，這正是本文要討論的問題。
　　永磁同步電動機的特點（1）永磁同步電機的電磁轉矩比同容量的普通交、直流電動機大
　　忽略了附加轉矩后，永磁同步電動機的電磁轉矩表達式為:
　　（1）上式的反電勢E0為:
　　（2）從式（1）、（2）可見，T與φ即與B成正比，而永磁同步電動機的轉子磁極采用高性能、低價格的釹鐵硼（NdFeB）稀土永磁材料制成，這種材料在室溫下的剩余磁感應強度高達1.47T，最大磁能積達397.9KJ/m2，比普通電機的B大得多，因而其輸出轉矩要大得多。

　　（2）效率和功率因數高
　　該電機不需要無功勵磁電流，可顯著提高功率因數（可高達1），并減少了定子電流和定子電阻損耗。在電機穩定工作時，轉子和定子磁場同步運行，轉子無感應電流，也就不存在轉子電阻損耗，兩者使電動機效率提高2%～8%，而且該電機負載率（P2/PN）在25%～120%范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節能效果更顯著。
　　由于異步電動機轉子繞組要從電網吸收部分電能勵磁，使得電機得效率及功率因數較低，尤其電機在負載率小于50%時，兩者都大幅度下降。
　　（3）永磁同步電動機轉子無電流流過，定子繞組中較小或幾乎不存在無功電流，使電動機溫升低，延長了電機使用壽命
　　綜上所述，雖然采用了高性能的永磁材料，使電機的成本有所提高，但是消除了減速機構后，減低了機械制造成本，同時由于電動機效率及傳動效率的提高，使得電梯的變頻調速裝置容量大為減少。例如，有齒輪傳動的速度為2m/s，載重1000kg的電梯，需要變頻器的容量為22kW，采用永磁同步電動機無齒輪驅動的同樣電梯，變頻器的容量為15kW。
　　電梯變頻驅動裝置的設計要求
　　（1）由于是無齒輪減速直接曳引，電動機的響應變化將通過鋼絲繩直接作用在電梯轎廂上，因此為考慮電梯的振動、舒適感等指標，需要設計控制精度高，響應速度快的高性能變頻調速控制器。特別是電流環的檢測精度和計算響應的速度。
　　（2）旋轉編碼器在永磁同步電動機的控制系統，編碼器除了反饋電動機的轉速，還需要檢測電動機的磁極位置，所以編碼器需要能夠反饋磁極位置信號。另外，無齒輪曳引方式，電動機轉速較低，因此要求編碼器的分辨率更高，一般要求在4096C/T以上才能使系統有良好的控制性能。所以這種電梯系統一般會選用絕對值或正、余弦的高性能旋轉編碼器。而目前一般的變頻器標準配置為A、B相的增量式旋轉編碼器，這就要求在變頻器的設計中要考慮新的旋轉編碼器的接口和應用設計。

　　（3）與交流異步電動機比較，永磁同步電動機在額定頻率下并不能自起動，需要在變頻器驅動下起動。這是因為永磁同步電動機的轉子是永磁體，其轉子磁場是恒定的，所以定子磁場的產生需要配合轉子磁場磁極的位置，以產生電動機運轉所需要的轉矩。因此在永磁同步電動機的電梯系統中，變頻器需要設計有通過編碼器反饋檢測磁極位置信號，并根據磁極位置、電動機的轉速、所須轉矩等產生定子旋轉磁場的功能。
　　（4）在目前的系統中，對永磁同步電動機的磁極檢測，在變頻器的設計上，需要對變頻器參數進行初始化設定。很多時變頻器需要對電動機進行空載運轉來作設定，但是對于電梯產品，當一臺電梯安裝完成后，這是電動機上已經掛上了轎廂、對重等負載，再進行空載運轉來作磁極位置初始化設定并不實際，所以在這種電梯系統中，變頻器需要有不需空載運轉來作磁極位置初始化設定的功能。
　　（5）為了保證在各種負載條件下電梯都獲得較好的起動特性和制動特性，在無齒輪曳引驅動控制系統中設置負載檢測裝置是十分必要的。在系統中，由于如前所述，采用絕對值或正、余弦的高性能旋轉編碼器，變頻器的設計可以利用旋轉編碼器的性能，在電梯起動瞬間，計算出需要補償的力矩，并補償進輸出力矩上，從而達到平穩起動。這需要變頻器在信號檢測精度、抗干擾能力和計算響應速度上都有一定程度的提高。
　　（6）考慮到無齒輪曳引，需要低速大轉矩，因此電動機要采用多極數的設計，一般都在20極以上，甚至有40及或更高的。所以電梯用的變頻器比以前需要能適應更高電動機極數的要求。
　　（7）噪音傳統的電梯系統，由于采用的是有齒輪減速箱的傳動方式，所以電梯機房的噪音一般是以齒輪箱的噪音為主。而采用永磁同步電動機的無齒輪傳動的電梯，由于沒有了齒輪減速箱，電動機的電磁噪音就成了電梯機房噪音的主要成分。所以系統對變頻器在電動機噪音抑制方面也提出了更高的要求。
　　（8）保護一般的變頻調速電梯，其變頻器的設計在對自身的保護和對系統及安全方面的保護都作了不少的考慮，但是對于永磁同步電動機的無齒輪傳動的電梯，在傳統系統的基礎上，還需要根據無齒輪傳動的特點以及永磁同步電動機的特點，在電梯的安全性方面進行新的設計。如對電動機可能因磁極位置檢測錯誤而發生的失速動作進行保護，這需要變頻器有專門的設計，同時有更高的檢測和計算速度。
　　（9）能量回饋電梯作為垂直運輸的交通工具，其特點決定其運行過程中必然存在電動和發電兩種狀態。傳統的電梯變頻器在設計上，一般是將電梯在發電狀態運行時反饋的能量通過電阻消耗掉。一方面，變頻器這樣的設計會比較簡單，成本較低；另一方面，傳統的電梯采用有齒輪減速箱的傳動方式，效率較低，所以反饋的能量也較少。但是采用永磁同步電動機的無齒輪傳動的電梯，由于沒有齒輪減速箱，效率提高了，所以反饋的能量也相應增加了不少。如果還是采用傳統的方法，通過電阻消耗，一個是電阻的功率、體積和成本都大幅提高，另一個在能源緊缺的今天，也不符合節能環保的趨勢。因此在永磁同步電動機的無齒輪傳動的電梯系統中，變頻器的設計需要有能量回饋的功能，將這些反饋的能量通過變頻器回饋到電網。
　　系統的一些實際應用情況
　　4.1電梯運行過程的噪音距電機
　　1米的上、前、后、左、右五點進行測試，取平均值根據該值與環境噪音差值進行修正，結果為58dB，小于企業標準75dB，比現行電梯系統噪音低得多。
　　4.2電梯運行舒適感
　　它指電梯運行過程中加、減速及勻速過程中的振動加速度，從圖3、圖4可見，勻速運行的振動加速度小于15gal，低于20gal設計值。加、減速過程的振動加速度超過20gal但小于25gal滿足設計要求。