變頻調速電梯系統的驅動和控制技術
1. 前言
隨著現代城市的發展，高層建筑日益增多，電梯成為人們日常生活必不可少的代步工具。電梯性能的好壞對人們生活的影響越來越顯著，因此必須努力提高電梯系統的性能，保證電梯的運行既高效節能又安全可靠。我國電梯控制系統主要有三種方式：繼電器控制系統、微機控制系統和PLC控制系統。其中PLC控制系統以其顯著的優點成為電梯控制系統的主流。PLC控制系統主要有雙速電梯系統和變壓變頻調速系統，后者通過改變電機供電的電壓和頻率，平滑調節電梯速度，可以獲得更好的乘坐舒適感，它平層精度高，并具有顯著的節能效果，保障了電梯的可靠性，成功地解決了電梯運行的舒適感問題。
過去，對中、低速電梯主要采用拖動系統來構成其曳引系統，應用變極方式實現電機的調速。因為這種系統只能實現有級調速，無法對電機的轉速和加、減速進行準確的控制，所以此方式的舒適感和平層精度都較差。后來又采用交流調壓調速控制的電梯，進行速度閉環控制，其舒適感和平層精度都有較大提高，但它卻很難實現精確控制，并且能耗大，輸入功率因數也低，影響了系統的整體性能。對于高速電梯，過去主要采用晶閘管直流調速系統，存在維護難等問題，并且調速系統的功率因數也不高。與前述方式相比較，變頻調速則是各種調速方法中效率、性能均較好的一種。
2. 變頻調速電梯系統及其驅動技術
采用PLC控制的變頻調速電梯系統原理圖如圖1所示。
圖1 PLC控制的變頻調速電梯系統原理框圖
在電梯系統中要處理的信號十分多而且復雜，在設計時必須仔細考慮對信號快速準確的處理問題。采用許多的先進驅動和控制技術就很有必要，其中包括矢量變換控制技術、高速CPU技術、DSP技術和采用新型大功率器件IGBT的高性能變頻調速器。圖1中PLC主要處理一些監控信號，主要有樓層計數信號，呼梯、選層信號，定向信號，換速信號，主控制信號等。此外還有開、關門控制，樓層顯示，呼梯、選層顯示，單、雙控制，安全條件自動檢測，自動平層、消防等各種控制信號。
將變頻器用于電梯時，常稱為VVVF電梯。一般變頻器有交—交、交—直—交兩種類型。對于交—直—交變頻器，可以按直流環節電壓、電流的特點（由濾波的電容量和電感量決定）劃分為電壓型和電流型變頻器。電梯一般采用電壓型變頻器。改變電動機定子的電源頻率，就可實現對異步電動機的調速。但為了保持調速時電動機最大轉矩不變，需要維持磁通恒定，應滿足壓頻為常數，即變頻時應協調地變壓。
目前，雖有電梯專用變頻器，但其價格昂貴，因此可以采用通用型變頻器，通過合理設計，可使其達到專用變頻器的控制效果。為滿足電梯控制上的要求，參數設置比專用型變頻器要復雜得多。為減少啟動沖擊及增加調速的舒適感，其速度環的比例系數宜小些（3s），而積分時間常數宜大些（5s）。為了提高運行效率，快車頻率應選為工頻（50Hz），而爬行頻率要盡可能低些（4Hz），以減少停車沖擊，檢修慢車頻率可選10Hz。為了保證平層精度及運行的可靠性，曳引電機的轉速采用閉環控制，其轉速由旋轉編碼器檢測。為使變頻器工作在最佳狀態，需使變頻器對所驅動的電機進行自學習，其方法是：將曳機制動輪與電機軸脫離，使電機處于空載狀態，然后啟動電機，變頻器便可自動識別并存儲電機有關參數，使變頻器能對該電機進行最佳控制。
3. 變頻調速電梯系統的控制技術
電梯系統的控制主要可分為拖動系統的調速控制與選層系統的邏輯控制。VVVF電梯拖動調速系統的實質就是采用交流異步電動機驅動及矢量變換控制技術。VVVF電梯調速系統的特點是：電梯啟動采用降頻軟啟動，電機啟動電流很小，不超過額定電流。在電梯的制動段，電梯調速系統工作在發電制動狀態，不需從供電網中取得電能，從而降低了電能的消耗，避免了電機過熱，調速系統的功率因數比較高（接近1）。
調速控制是指對電梯從啟動到平層整個過程中速度的變化規律進行控制，從而減輕人在乘坐電梯時由于啟、制動過程中加、減速產生的不舒適感（上浮、下沉感），并保證平層停車準確可靠。與選層系統的邏輯控制相比，調速控制更為復雜，其控制性能的優劣在很大程度上決定著電梯的性能和質量。電梯的運行可分為啟動、穩速、制動三個階段。穩速運行時考慮到節能和對電網的干擾，系統采用開環控制，而啟、制動運行時為使運行速度跟隨給定理想速度運行，采用閉環控制。理想速度運行綜合了舒適感（滿足人體對加速度及加速度變化率要求）、運行效率及電機調速性能，按位置原則存儲于程序存儲器中。調速控制系統由主回路和控制回路兩部分組成，主回路包括曳引電動機（三相異步電動機）驅動及功能電路，速度反饋信號來自與電機轉子同軸的脈沖發生器，其輸出脈沖的頻率對應電梯運行速度。速度的控制由系統通過改變觸發脈沖的控制角（移相角）實現，經相應的移相角延時時間后，根據電梯實際速度與給定速度之差情況控制主回路工作狀態。由于負載變化、電網波動、鋼絲繩打滑、伸縮等因素，使減速過程可能不符合直接停靠的平層要求，為此，在離層樓100-200mm處設置1-2個平層校正器，當轎廂運行到此校正點時，將實際速度與該點由平層校正器發出的平層速度給定值進行比較，如無差，則按原減速曲線運行；若有差，則用差值校正原速度給定曲線斜率，使之保證準確平層。