电机驱动和控制

主要电梯驱动介绍，包括历史、基本原理和未来

这篇文章摘自你作者即将出版的书， 电梯：从基础到微积分，讨论电梯系统中的关键要素，重点关注电机驱动和控制、交通分析以及绳索和牵引等主题。 旨在为经验丰富的专业人员提供快速参考，为行业新手提供电梯系统的基本知识

这篇文章摘自你作者即将出版的书， 电梯：从基础到微积分，讨论电梯系统中的关键要素，重点关注电机驱动和控制、交通分析以及绳索和牵引等主题。 旨在为经验丰富的专业人员提供快速参考，为行业新手提供电梯系统的基本知识 安全（即断绳），该解决方案仅在大约 2,100 年后才可用。 1852 年，Elisha Graves Otis 发明了原始安全钳，它可以在起重绳索断裂时将电梯轿厢锁定到位。 一年后，他在纽约市的纽约水晶宫公开展示了它，这座城市于 1857 年安装了世界上第一部安全电梯。

学习目标

阅读本文后，您应该：
♦ 介绍了电梯的发展历史和牵引或电动电梯驱动的基本结构
♦ 了解传统 AC-2 驱动器的基本原理
♦ 了解直流驱动器的基本原理（MG 和 TL 类型）
♦ 了解 ACVV 驱动器和现代 ACVVVF 驱动器的基本原理
♦ 已被引入其他驱动器，包括液压、PMSM、磁阻电机和线性感应电机驱动器

电梯的基本结构由轿厢或轿厢组成，轿厢门与轿厢相连，层站处有层站门。 当轿厢到达某个楼层时，层门由轿厢门打开和关闭，轿厢门由门操作器（基本上是带有机械连接的电机）提供动力。 乘客通过上下驾驶室来在楼层之间穿行，驾驶室通过提升绳索、液压柱塞、齿轮齿条驱动器等特殊装置或未来更先进的线性机器上下移动。

大多数电梯通过提升绳索移动，这些绳索位于驱动滑轮的凹槽上，由电机通过制动器和/或蜗轮箱机械驱动（图 1）。 这称为牵引电梯：起重绳的一端固定在轿厢上，另一端固定在对重上。 通常，电梯系统中通常使用三种类型的电机：交流电机、直流电机以及两者的混合电机。

AC-2 马达

AC-2 电机是一种原始的电机驱动器，至少在半个世纪前就流行用于低速电梯。 它通常与蜗轮耦合以降低速度并增加驱动扭矩。 一个标准的三相感应电机在定子上以 60° 的几何角度并排放置一组三个绕组（图 2）。 三相电流流过三组绕组（图2：“1”-“2”、“3”-“4”和“5”-“6”）。 在阶段“a）”中，导体“1”处的电流流出纸（用点表示），导体“2”处的电流流入纸（用十字表示）。 沿绕组“1”-“2”的电流幅度最大，如实心黑点和大十字所示。

使用著名的“右手握法”（拇指指向磁场方向，其他手指显示电流的流动方向）显示合成磁场指向右侧。 “3”-“4”点产生的磁场向右上方，“5”-“6”点产生的磁场向右下方。 因此，合成磁场仍然指向右侧。 随着时间的推移，在“b) 阶段”，合成磁场指向右下方等等。 这显示了由三相电源产生的具有恒定振幅的旋转磁场。 根据法拉第感应定律，当旋转磁场切割电机转子时，会产生电磁力，从而产生电流。 该感应磁场与来自定子的磁场相反。 两个相互作用的磁场产生旋转扭矩。 这是因为定子产生的一个在旋转，而转子被推动旋转，因为定子是静止的。

可以看出，转速，也称同步转速， Ns (rpm)，定子的磁场与频率成正比， f （以赫兹为单位），电源的，与极数成反比， p，绕组：

图 2 所示的简化定子是一个两极电机，即， p = 2. 所以，如果 f = 60 赫兹， N_s = 3,600 rpm = 60 转/秒。 图 2 显示，在 1/60 秒的一个周期内，磁场围绕定子旋转一圈。 换句话说，在 1 秒内，磁场可以旋转 60 圈。 在实际电机中，最小值为 p 通常等于 4 或 6。通过电磁感应在转子中感应出电流以产生磁场来抵消定子磁场（如上所述）。 因此，转子的转速必须低于定子磁场的转速。 只有在转子侧阻力矩为零的情况下，两个转速才相等，这只是一种理想情况。 所以， N_s 也称为电机的同步转速，是理论极限。

在 AC-2 电梯的感应电动机中，有两组不同的三相绕组：例如，一组带有 p = 6 和一个 p = 24. 因此，低极绕组通电时转子的转速是高极绕组通电时的四倍。 正常运行时，低极绕组一般用于加速和额定转速运行，而高极绕组主要用于减速和有人在轿顶检修时使用。 为了反转旋转方向，电源电压的三相中的两相彼此互换，电机以相反的方向旋转。

直流电机

过去，AC-2 电机在蜗轮变速箱的帮助下用于低速电梯。 然而，对于高速电梯，使用了直流电机。 这是因为直流电机通常比交流电机具有更高的启动扭矩。 直流电机的横截面如图 3 所示。直流通过定子磁极上的相应励磁绕组以在磁极周围产生磁通量， Φf. 转子表面有导体，另一个直流电流通过它们，从而产生电枢磁通量， ΦA 在杆子周围。 Φf 和 ΦA 排列得永远不会彼此重合，即它们之间总是有一个分离角。 这两个磁通通常通过斥力相互作用，产生一个扭矩，该扭矩取决于每个磁通的强度和它们之间的分离角。

由于电流必须流入旋转的转子，因此需要一个机构、换向器和电刷来促进这一点。 电刷通常由碳制成，与定子固定在一起，而换向器与转子一起旋转。 然后，电流可以从电源到电刷，再到换向器，最后到转子绕组。 转子导体上的力的方向可以由著名的弗莱明的“左手电机法则”确定：左手食指指向定子产生的磁场通量方向，中指指向方向在沿转子导体流动的电流中，拇指指向产生的合力的方向。 这很容易表明，图 3 的最终扭矩是逆时针方向，符合之间的排斥力 ΦA 和 Φf. 应该注意的是，在旋转换向器的帮助下，来自定子的场磁通和来自转子的电枢磁通基本保持不变。 因此，扭矩是连续的。

虽然基本上有两种方法可以为直流电机的定子绕组提供电源，但转子磁通是由相同的一般原理提供的。 更原始的方法称为 Ward-Leonard 或电动发电机 (MG) 组（图 4），其中三相感应电机与直流发电机机械耦合。 感应电机的转速相当恒定。 发电机的直流电源电压是可变的（通过改变其励磁电流）。 直流电机的数学模型将在即将发表的文章中讨论。 可调电源电压应用于驱动器的直流电机。 更高的电压导致更快的旋转，反之亦然。 具有高启动转矩，这种类型的驱动器适用于高速电梯应用。

考虑到现代替代方案，安装 MG 组太笨重，维护它们太费力； 1970 年代初期开发的一种相对现代的方法是用两个电力电子转换器代替 MG。 称为“晶闸管-伦纳德 (TL) 组”，每个转换器由六个晶闸管（可控硅整流器 [SCR]）组成（图 5）。 同样，通过正确触发六个 SCR 将三相交流电源转换为直流，可以生成可变直流电源，该直流电源通过扼流圈进一步应用于直流电机（图 5 中的“M”）以消除脉动影响。 晶闸管或 SCR 就像电流的方向阀。 它具有三个端子：阳极（图 5 中的“A”）、阴极（图 5 中的“C”）和栅极（图 5 中的“G”）。

在正常情况下，阀门或 SCR 关闭，没有电流通过。 当电信号施加到 SCR 的栅极“G”时，它被打开并对电流的流动呈现出非常低的电阻。 这是沿着箭头符号的方向，从“A”到“C”，而不是从“C”到“A”。 当电流通过 SCR 时，其两端有一个低正电压，“A”处的电压略高于“C”处的电压。 要关闭阀门，必须首先关闭到门的信号，然后通过其他方式将通过 SCR 的电流减少到零，最后，通过在 SCR 两端施加一个称为“反向偏置”的小的负电压. 这个过程使“C”处的电压比“A”处的电压略高，称为“换向”。 因此，使用可控硅将交流整流为直流是理想的，因为当交流从正循环变为负循环或反之亦然时，相关的可控硅会自动切断。

AC 请按需咨询 电压 (ACVV) 驱动

到目前为止，直流电机似乎可以很好地服务于高速和低速电梯。 然而，直流电机具有密集的维护要求，因为必须不时维修电刷/换向器装置。 此外，直流电机的成本远高于相同额定值的交流电机。 交流电机的转子只是一个鼠笼或一些短路绕组，与静止的外部环境没有任何联系。 但是，AC-2 肯定不是解决方案，因为速度不能自由调节。

一个常识是，如果如图2所示的交流感应电动机的三相电源电压发生变化，则驱动扭矩同时发生变化，从而产生后续的加速或减速。 它被称为交流可变电压 (ACVV) 驱动器。 驱动扭矩之间的简单关系， Γ_D，以牛顿为单位，以及负载扭矩， Γ_L，对于所有类型的电机，如公式 2 所示，其中 J 是所有机械旋转部件的组合等效转动惯量，单位为 kgm2，和 ω 是转子的瞬时转速，以弧度每秒为单位。 一个完整的 360° 圆相当于 2π 弧度。

需要注意的是，惯性矩包括所有旋转部件，例如转子、轴承、轴、滑轮等。 然而，负载扭矩还包括轴承上的摩擦力，而不仅仅是来自电梯的平衡扭矩汽车和绳索。 图 6 显示了典型 ACVV 驱动器的工作原理。 显示了三种不同施加电压的扭矩-速度曲线，其中 V_s > V_s1 > V_s2. TST 是下的启动扭矩 V_s; T_st1 是下的启动扭矩 V_s1 等等。 T_L 是负载转矩。 在实践中，电梯的负载转矩是相当平坦的，因为它与运行速度完全无关。 ω 是稳态速度（以弧度每秒为单位） V_s, ω₁ 下 V_s1 等等。 ω_s 是同步速度（以弧度每秒为单位），它在概念上等同于 N_s 但以不同的单位衡量。 N_m or ω_m, 是电机的瞬时速度。 运行速度随着电源电压的降低而逐渐降低； 因此，术语“ACVV”。 但是，如图 6 所示，速度控制的范围相当有限。 此外，还有一个参数， S，如图6所示。它被称为“滑动”，其定义为：

因此， S = 0 在同步速度下，并且 S = 1 当转子静止时。 在分析交流感应电动机的数学模型时， S 通常用来代替 ω or N. 正常运行值 S 约为5％。

病毒变异系数 和变频 (ACVVVF) 驱动器

尽管 ACVV 驱动器可以调节电梯的运行速度并且比直流驱动器需要更少的维护，但存在三个主要问题。 首先，如前所述，速度控制范围比较窄。 其次，负载转矩必须远低于额定电压电源下的最大转矩。 第三，它不是能量保守的，因为能量损失相当高。 因此，截至25年前，ACVVVF驱动器已占据市场主导地位，以至于AC-2、DC和ACVV驱动器不再容易获得。

顾名思义，电源的电压和频率都经过调整。 图 7 显示了典型 ACVVVF 驱动器的转矩-速度曲线。 向左侧的曲线属于较低的电压， V，以及较低的频率， f, 电压/频率 通常保持不变，但也有例外。 例如，如果额定

三相电压为 480V，额定频率为 60Hz，V/f 约为 8。如图 7 所示，电梯的负载转矩相当恒定。 当。。。的时候 V or f 继续增加，速度也继续增加，直到达到额定值。 这是一个非常好的速度控制模型。 图 8 显示了驱动器的电路图。 常规的三相电源首先在直流母线上通过转换器整流为直流，再由逆变器进一步转换回交流，自由调节 V 和 f. 转换器中使用的元件是功率二极管，而逆变器中使用的元件通常是绝缘栅双极晶体管。

当电梯下降时轿厢负载大于对重负载，控制系统必须尝试制动电梯。 此时，能量从电机反馈到逆变器和直流母线。 这样的能量回不去

由于功率二极管的方向特性，三相电源必须在某处耗散。 制动电阻器在消耗能量以确保整个驱动器安全运行方面必不可少。 这是一个安全问题，从节能的角度来看当然是不可取的。 因此，“再生制动”的想法很受欢迎，以便能量可以通过不同的路径反馈到电网。

图 7 中的工作原理称为“标量控制”，适用于稳态、低速、开环条件下的速度控制。 这里，“开环”是指不存在电流反馈控制，而不是速度反馈，这在电梯运行中始终是必不可少的。

感应电机在尺寸、重量、惯性、成本和速度方面优于直流电机，但直流电机在易于控制方面更胜一筹。 如果需要精确的动态闭环控制提供舒适的加速和减速以及非常低的速度调平等，则需要对这种 ACVVVF 驱动器进行磁通矢量控制。 “磁通矢量控制”的基本思想是一系列数学变换，其中三相（电气上相隔 120°）电压和电流被数学变换为两相（电气上相隔 90°）系统。 这些分别称为直轴矢量和正交轴矢量。 由于现在两相相互垂直，因此它们之间没有相互影响，可以独立控制。 一个矢量负责磁通分量（类似于直流电机中定子产生的场），而另一个矢量负责扭矩分量（类似于直流电机转子产生的电枢场）。

在三相系统中，除非能够保持完全平衡的情况，否则一相上的任何不同都会对其他相产生一些影响。 因此，“标量控制模式”始终需要平衡操作。 这样就可以方便地实现“磁通矢量控制”下变化快、适应快的转矩控制。 在该类别下，有两个分支：磁场定向控制和直接转矩控制。

混合电机：PMSM 驱动

采用感应电机时，即使采用磁通矢量控制，转子磁场仍必须由定子磁场产生，导致响应较慢、较弱。 如果转子磁场可以自主产生，而不是像直流电机那样通过电刷/换向器产生，那么扭矩与电机的尺寸比可以大大增加。 这就是永磁同步电机 (PMSM) 的技术。 在这些电机中，转子绕组或棒由永磁体代替，具有以下优点：

• 消除铜损
• 更高的功率密度和效率
• 低转子惯量
• 由于较大的矫顽力密度，可能有较大的气隙

当然，也有缺点，如下：

• 转子磁场通量控制的灵活性丧失
• 高磁通密度永磁体成本高
• 磁特性随时间退化
• 当工作温度高于居里温度时磁化损失。

在低于居里点的温度下，磁矩在铁磁材料的磁畴内完全对齐。 在这样的温度之上，这种排列逐渐被破坏。 具有所有这些缺点，它们仍然在现代电梯应用中越来越受欢迎，因为它们具有较高的扭矩尺寸和扭矩重量比，以及希望通过用人造金属替代稀土金属来降低成本金属。 此外，永磁体可以适当地布置以形成轴向场电机。 在传统电机中，磁场通常垂直于转子的旋转轴。 在轴向磁场电机中，磁场都平行于旋转轴，产生非常薄的外观。 这使得它们适用于无机房应用（图 9）。

另一种永磁电机是无刷直流（BLDC）电机，但这种类型在电梯行业中应用并不普遍。 通过使用具有相同额定值的 PMSM 替代传统电机，平均可实现至少 25-30% 的节能。 对于速度非常高的应用，例如 15 mps (3,000 fpm) 或更高，不可能使用传统电机，而 PMSM 成为唯一选择。

图 10 显示了两种 PMSM：两者都是双极对电机，但它们的转子设计不同。 转子产生的磁场全部来自附在其上的永磁体。 定子处的旋转磁场由可变频率和可变电压的三相电源产生，其波形为正弦曲线。 这类似于图 8 中的转换器/逆变器布置。它被称为“混合”，因为转子上的磁场大小恒定，类似于直流电机的磁场。 当定子磁场旋转时，转子磁场会受到吸引或排斥，因此物理转子也会随之而来。 对于 BLDC 电机，即使是定子磁场也不是纯正弦的。

液压电梯

尽管牵引电梯一直占据市场主导地位，但液压电梯仍在安装，并且在最近十年中其技术已经现代化。 简单来说，液压升降机由一个充满油的气缸和一个位于油顶部的柱塞/柱塞/活塞组成。 柱塞支撑电梯轿厢，或者在某些设计中，拉动悬挂电梯轿厢的一组提升绳索。 柱塞下注油时驾驶室上升，放油时驾驶室下降。 带电机的油泵通常浸没在油箱中，配合油阀进行电梯运行。 油是绝缘体，潜水电机可以正常工作。 由于有时不可避免地会出现轻微的漏油和油温变化，因此会不时进行自动重新调平。 因此，即使当驾驶室停在地板上时，泵也可以运行。 一般来说，液压电梯比牵引电梯消耗更多的能量。 很多时候，液压电梯的机房必须装有空调。 由于电梯轿厢的运动是基于向油缸注油和从油缸放油，因此驱动泵的简单交流感应电机就足够了。

在过去的十年中，已经开展了通过节约能源使液压电梯绿色环保的研究。 这是通过将逆变器引入电机驱动器来实现的，例如使用 ACVVVF 液压电梯驱动器。 此外，当释放油以降低电梯轿厢时，泵电机被适当地布置以从流动的油中提取能量回到电网。

磁阻电机

定子结构在前面提到的交流电机类型中几乎相同。 它们的区别主要在于转子。 基本思想是让转子跟随定子产生的旋转磁场，通过电磁感应或永磁体。 还有另一种手段或途径，即以这样一种方式设计转子，即当转子处于相对于磁场的特定位置时，来自定子的磁通量可以很容易地穿透转子。 换句话说，转子可以在对定子磁场最小磁阻的地方自动对齐。 因此，当定子磁场旋转时，转子随之旋转。 这就是“同步磁阻电机”的发展。 通过适当的设计，磁阻电机的性能可以接近感应电机，尽管磁阻电机可能会稍微重一些并且具有较低的功率因数。 功率因数是一个电气参数，用于衡量负载对电源的利用情况，在 1 和 0 之间变化。高于 0.85 的值通常被认为是可以接受的。

当定子类似于交流感应电机的定子时，转子中没有磁铁或鼠笼（图 11）。 需要磁场定向控制来驱动这种电机。 其中的铁片被非磁性材料隔开，从而增加了正交轴上的磁阻通量。 然而，这种电机在电梯系统中的使用仍在研究中。

直线电机驱动

自 19 世纪后期发明电梯以来，最基本的设计根本没有改变。 也就是说，在一个垂直井道或竖井中的电梯数量通常为一台，并且大多为两台。 当两个驾驶室铰接在一起时，我们有双层车，一个在另一个顶部，服务于两个连续的楼层。 这实际上相当于一辆双倍容量的大驾驶室。 每个井道一到两部电梯的传统设计可能被认为是对井道的浪费，例如，假设只有一列火车在长轨道上行驶。 尽管第一个 thyssenkrupp TWIN 系统于 2003 年在德国投入使用，其中两个驾驶室可以独立移动，一个始终在另一个顶部，但该技术仍将驾驶室的数量限制为两个。 无论何时使用绳索或柱塞，电梯的数量都不能超过该限制。

建筑物越来越高，通常高度为 500 米（1,640 英尺）或更高。如果我们能在同一竖井中同时运行四到五个轿厢，为高层建筑不同区域的乘客提供服务，那就太完美了。要实现这个梦想，电梯轿厢必须能够像轨道上的火车一样自行移动。因此，我们必须取消绳索和柱塞。线性电机的使用并不新鲜，因为我们可以在铁路和输送机行业找到应用。还有线性同步电机和线性磁阻电机。在电梯行业，我们预见到不久的将来的主要应用是线性 PMSM。在电梯系统中使用线性电机的想法最早是由奥的斯和三菱在 1990 世纪 1 年代初提出的。[2015]从那时起，由于安全问题，没有一个实用模型投入实际运行：当使用线性同步电机时，轿厢会漂浮在空中，没有连接装置，所以没人敢冒断电的风险。蒂森克虏伯 MULTI 系统的初步演示模型（《电梯世界》，XNUMX 年 XNUMX 月）展示了安装在每个电梯轿厢背面的导向设备内的线性电机。这不仅可以上下升降轿厢，还可以左右升降。轿厢在轨道上运行，提供了很高的安全裕度。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试，网址为 www.elevatorbooks.com 或在第本期第117期。
♦ 为什么在过去使用 AC-2 而不是 AC-1 电机？
♦ 为什么在新的电梯安装中不使用直流电机？
♦ 在电梯系统中使用 ACVV 驱动器的优缺点是什么？
♦ 标量控制和矢量控制下的ACVVVF 驱动器的主要区别是什么？
♦ 对于使用额定值的四层楼（50 英尺高）建筑物的安装，您会推荐哪种驱动器？
100 fpm 的速度？

参考法案
[1] Janovsky, L. Elevator Mechanical Design，IAEE，Ellis Horwood，纽约，第 1 章（1993 年），可从 www.elevatorbooks.com 获取。