曳引电梯驱动装置

APEL、印度理工学院孟买分校的研发

作者：Sriram Rangarajan 和 Vivek Agarwal

曳引电梯驱动简介

目前全球最热门的话题是交通电气化。 提到“交通电气化”，我们首先想到的就是电动汽车（EV）。 虽然人们对电动汽车的普遍认知是自行车、人力车、汽车和公共汽车等道路运输车辆的电气化，但我们很少意识到电梯也是一种用于垂直运输乘客和货物的电动汽车。 事实上，电梯和传统电动汽车的基本工作原理是一样的，都是依靠“牵引力”来驱动电梯。^[1] 原理”：对于传统电动汽车，牵引力是道路和车轮之间的牵引力；对于电梯，牵引力是滑轮（滑轮）和绳索之间的牵引力。 在这两种情况下，乘客的乘坐舒适度都取决于牵引电机速度控制的平稳程度，而这正是电力电子转换器发挥重要作用的地方。 

如果所施加电压的基波分量的幅度和频率能够平滑地变化，则电机的实际速度能够平滑地变化。 电力电子转换器提供了这样的灵活性，以通过适当地控制给予转换器的开关的栅极脉冲来以期望的方式调节施加到电机的电压。 门脉冲由控制电机实际速度的闭环速度控制算法确定。 

由于高性能处理器/控制器和传感器的出现，牵引电机现在通过复杂的闭环速度控制方案（例如磁场定向控制（FOC）和直接扭矩控制（DTC））进行控制。 该系统由牵引电机、电力电子转换器和控制器以及必要的反馈信号组成，被称为“牵引驱动器”。 基于 FOC 的典型变压变频 (VVVF) 电梯驱动器的控制框图如图 1 所示。由于驱动器会改变施加到电机上的电压基波分量的幅度和频率，因此这些驱动器市场上俗称“VVVF驱动器”。

多年来，得益于领先电梯行业的研发团队和学术研究小组，曳引电梯驱动领域取得了重大的研发成果。

APEL、印度理工学院孟买分校过去和正在进行的研究活动 

过去的研究活动

多年来，得益于领先电梯行业的研发团队和学术研究小组，曳引电梯驱动领域取得了重大的研发成果。 各种新的转换器拓扑、新的电机技术、新颖的优化参考轨迹生成技术和新颖的位置/速度控制方案已经被开发出来。 在印度理工学院孟买分校 (IIT-Bombay) 的应用电力电子实验室 (APEL)，我们十多年来一直在曳引电梯驱动领域沿着同样的路线努力，并在专利方面做出了重大贡献、在高质量期刊/会议上发表文章、咨询项目以及积极参与全球博览会。 

我们过去的研究活动包括以下内容：

• 感应电机驱动齿轮电梯系统的损耗优化轨迹生成，与传统轨迹生成技术相比，能耗较低， 
• 新颖的电力电子转换器拓扑将超级电容器与电梯系统的直流链路连接起来，以便有效地捕获再生能量，
• 新颖的功率因数校正 (PFC) 拓扑可最大限度地减少曳引电梯系统中的总谐波失真 (THD)。

正在进行的研究活动

PMSM 驱动电梯的主动阻尼 

近年来，永磁同步电机（PMSM）在电梯系统中比感应电机更受欢迎。 PMSM 电梯更紧凑、更节能且维护更少。 PMSM 使无机房 (MRL) 电梯成为现实，而不仅仅是一个想法。 然而，不利的一面是它们存在一些性能问题，例如低频纵向振动发生的可能性增加以及在恶劣环境下的不稳定性。 电压/频率 控制，仅举几例。 我们正在进行的研究活动的重点是提高此类系统的性能。 由于永磁同步电机电梯是无齿轮的，因此与齿轮感应电机驱动的电梯相比，其负载与电机惯量比相当高。 此外，为了降低电机的额定扭矩，PMSM 电梯采用了更高的绕绳比，从而增加了系统中滑轮的数量。 高负载与电机惯量比需要相对较高带宽的速度控制器，并且滑轮数量较多可能会增加出现滑轮异常（例如偏心、退化等）的可能性。由于存在有限的柔度（绳索/皮带的柔度）电梯具有多个纵向振动频率，即由于弹簧质量作用而产生的谐振频率和反谐振频率。 对于具有高负载与电机惯量比和偏心滑轮/滑轮的系统，更高带宽的速度控制器始终是一个问题，因为它们可能会在系统中引起此类纵向振动。 有时，即使电机很小的扭矩脉动也可能激发系统中的谐振。 此外，现代电梯采用 V 形槽和底切 U 形槽滑轮，这可能会导致绳索和滑轮更快退化，这也可能会激发振动。 

目前，我们正在致力于解决无齿轮 PMSM 电梯系统中的此类振动问题。 我们正在开发新型主动阻尼技术，以减轻此类系统中的低频垂直/纵向振动。 术语“主动阻尼”意味着在电梯系统中不存在任何被动阻尼元件的情况下实现阻尼。 这是可能的，因为可以控制转换器来注入负责在电机中产生阻尼扭矩的电流分量。 为此，我们在整个电梯系统的建模和控制方面进行了大量工作。 我们正在与 NIDEC Motor Corp.（美国）和 BRUGG Lifting（瑞士）积极合作，以验证我们的建模和提出的控制方案在他们的系统中的有效性。

与可以使用 v/f 速度控制技术以及 FOC/DTC 运行的感应电机驱动电梯系统不同，PMSM 电梯如果使用 v/f 技术运行，则由于缺乏阻尼而存在固有的稳定性问题。

阻尼电梯低频纵向振动的传统方法依赖于被动阻尼元件，例如螺旋弹簧和有弹性的弹性材料，或者依赖于需要额外致动器、电源、传感器和控制器的主动/半主动悬挂控制。 我们提出的主动阻尼技术可以摆脱上述被动阻尼元件，并且不需要任何额外的执行器和传感器。 由于所提出的技术可以提供可变阻尼，因此它可以通过在前面解释的任何类型的干扰下阻尼振动来提供出色的乘坐舒适性。 这里必须指出的是，随着电梯系统变得越来越紧凑，部件也变得越来越轻和灵活； 因此，高性能减振技术是保持高标准乘坐舒适性的必要条件。 

PMSM 驱动电梯的 v/f 技术 

我们关注的研究的另一个方面是降低 PMSM 驱动的电梯系统的调整复杂性。 与感应电机驱动的电梯系统不同，感应电机驱动的电梯系统可以通过 电压/频率 速度控制技术以及 FOC/DTC，如果使用 PMSM 电梯运行，则存在固有的稳定性问题 电压/频率 由于缺乏阻尼而导致的技术。 的主要优点之一 电压/频率 技术的优点是它比 FOC 涉及更少的调整参数，因此更简单的调整算法就足以满足 电压/频率 技术。 即使对于低层电梯，PMSM 也需要 FOC，否则可以通过 电压/频率 感应电动机的技术。 目前，PMSM 电梯已配备了先进的自调试驱动器，可以确定闭环控制器参数（速度和电流控制器的比例增益和积分增益）。 我们正在研究小说 电压/频率  PMSM 驱动电梯的技术可以稳定系统并在规定的 ISO 18738 标准范围内保持乘坐舒适度。 我们相信，通过这种技术，与基于 FOC、PMSM 驱动的电梯相比，调整参数的数量可以减少到三分之一。 这提高了可靠性，简化了调整并缩短了调试时间。 

为了验证我们的研究，我们在 APEL、IIT-B 开发了 PMSM 驱动电梯系统的实验室原型，如图 2 所示。电流感应、栅极驱动器缓冲电路和正弦/余弦编码器接口卡、闭环控制器DSP 中的算法以及用于改变车厢负载（从 0 公斤到 150 公斤）和配重（从 0 公斤到 75 公斤）的机械装置都是自主开发的。 PMSM 购自孟买 Bharat Bijlee Ltd.。 正余弦编码器接口卡购自德国iC-Haus。 开发的原型是底部驱动的，旨在研究纵向和横向绳索振动。 

案例

[1] 牵引力依赖于两个表面之间的摩擦力。

[2] 此处仅显示了负责产生扭矩的电流分量的控制环路。