变频调速电梯原理设计
大连理工大学
硕士学位论文
变频调速电梯原理设计
姓名:王欧海
申请学位级别:硕士
专业:控制工程
指导教师:刘华毅
20080607
大连理工大学专业学位硕士学位论文
摘要
电梯是现代都市中不可缺少的交通工具,而拖动系统性能的好坏直接影响到整个电
梯系统的性能。因而拖动系统是电梯的核心部分。VVVF有着调速范围宽、调速平滑性
好等一系列优点,故而本设计采用了VVVF调速系统,以8051单片机为控制核心,随
时从EPROM中读取速度给定值,使其给定满足理想的电梯速度曲线(抛物线一直线综合
型),并在单片机内实现电流和速度的PI调节,以达到电梯的“快、稳、准"的要求。
速度给定采样时间为50ms,而电流反馈采样时间定为2ms,速度反馈采样时间定为
10ms,单片机随时根据电流或速度的反馈值进行PI运算,修改其输出值,保证最终电
动机的速度能够跟随给定值。
VVVF调速系统采用交一直一交的方式,整流部分采用不可控整流二极管整流,这样
可以保证直流部分电压的基本恒定,而逆变部分采用SPWM(正弦波脉宽调制)的方法
同时改变电压的幅值和频率。
本文的创新点是在设计中采用CPLD(复杂可编程逻辑器件)来实现数字式SPWM。
CPLD有着集成度高、运行速度快、可以在系统编程(ISP)、I/O口多并且所有的I/O
口都可任意定义为输入输出、编程语言有VHDL和ABEL、原理图多种选择并可交叉使
用等一系列优点,在电子电路中有着广泛的应用前景。这也是本设计的重点、难点和先
进之处。本SPWM的实现方法是由CPLD的内部生成数字式锯齿波,而三相数字正弦
波的值存贮在三片EPROM中,CPLD生成一个16位的地址,由此来确定某时刻正弦波
的值,将此值与数字三角波的值进行比较,当正弦波的值大于三角波的值时CPLD输出
为高电平,反之,输出低电平。仿真和实验表明所生成的SPWM波质量高,频率高达
10l【Hz以上,符合设计要求。关键词:电梯主拖动;VVVF;数字式SPWM;CPLD
大连理工大学专业学位硕士学位论文
DesignOfVVVFElevatorTheory
Abstract
Theelevatorhasbecometheindispensabletransportationvehicleinthemodemlife.
Generallyspeaking,thefunction
ACmotor.theACmotoristhe
includingaandpropertyofthewholesystemwillbedeterminedbytheoftheelevator.TheVVVFhasaacorehostofadvantageswiderangespeedadjustmentandcontinuousspeed.SothedesigntakeVVVFas
thespeedadjustmentthe8051single—chipmicrocomputerwilltreat、)l,i血speeddatafrom
EPROMatanytime,madeitsatisfyidealelevatorspeedcurve(parabola-synthesizethetype
outcurrentstraightly)CarryandspeedPIadjustmentinordertoachieverequirementssuchas
“fast-response,stability,accuracy”.Speedgiventimeis50ms,currentfeedbacktimeis2ms,
speedfeedbacktimeis10ms.Onthebasisofcurrentorspeedfeedbackvalue,single—chip
SOmicrocomputerwillimplementPIcomputing;reviseitsoutputvalue
itsgivenvalue.
VVVFthatitcanfollowupsystemshoulduseAC-DC-ACmode.commutatepartshouldhave
non.controlleddiodecommutates,SOitCanguaranteedirectvoltageconstant.Reversed
commutatetakeSPWM,atthesametimeitshouldadjustoutputvoltagevMueandfrequency.
logicThehighlight
device)toandnoveltyofthisdigitalprojectistheCPLD(complicatedprogrammableaproduceSPWM.CPLDhashost
canofmerits,includingashigh・outputintegrated,high-speed,ISP,a
cell,SOithasagreatdealofI/Ocellwhichbedefinedinputorlotofapplicationprospectswhereitisthekey
points.Intheprocessofdesign,digitaltrianglewavewouldanddifficultandsophisticatedbeprogrammedandproducedin
EPROM,andCPLDwould
bedecided.theinsideofCPLD,digitalsinewavewouldbesavedinthethereproducea16-bitaddress,accordingtothecomputingvaluessinewaveformCan
Thisvalueshouldbecomparedwithtriangleones,whentheformerisgreaterthanthelatter,
outputvaluefromCPLDwouldbe1;otherwise,outputvaluefromCPLDwouldbe0.
SimulationandtestshowsqualityofSPWMwaveishigherandthefrequencyisaboveupto
10kHz,accordwithdesignrequest.
KeyWords:DraggingOfElevator;VVVF;SPWM;CPLD.III..
独创性说明
作者郑重声明:本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工
作及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,
论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理
工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志
对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名:三乙盆啦日期:2竺堡乙址
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大连理工大学学位论文版权使用授权书
本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位
论文版权使用规定’’,同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送
交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理
工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也
可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。
作者签名:二主垒蝉翩签名:寸轻LJ
Ⅻ丞年上月二立E1●
大连理工大学专业学位硕士学位论文
1绪论
1.1电梯交流调速系统的发展
电梯运行性能的好坏,在很大程度上取决于其电力调速系统的优劣。由于人类最早
发明和使用的是直流电动机,所以早期的电梯,直流拖动是电梯唯一的电力拖动方式。
19世纪末期,电力系统出现了三相制交流电源,同时又制成了经济实用的交流笼型异步
电动机,从而在20世纪初交流电力拖动在电梯上开始得到应用。但交流拖动在一个较
长的时期内仅适用于较低的单一速度或是有级变化的两级调速电梯。
随着建筑物的大量兴建,建筑物的层数越来越多,建筑的规模越来越大,从而对电
梯在起动加速、制动减速、正反向运行、调速精度、调速范围等静态特性和动态响应方
面提出了更高的要求,而交流调速比直流调速在技术上较难实现这些要求。所以20世
纪上半叶,电梯的电力调速领域几乎由直流调速系统完全垄断。
然而,由于直流电动机结构复杂,具有电刷和整流子等部件,因而在维修保养和检
查工作中困难较大,同时直流电动机的体积、重量和成本都超过同等容量的交流电动机,
所以电梯界一直力图开发交流调速系统,以逐步取代直流调速系统。
电梯所用的交流电动机几乎全部是结构简单、成本最低、维修方便的异步电动机。
它用于电梯的调速方法虽很多,但不外乎20__30年代发展起来的改变定子绕组接线以
变换电动机级数的调速方法一变级调速;60_—70年代随着电力电子技术的发展出现了控
制加于电动机定子供电电压的调速方法一调压调速;80年代以后随着微机的发展而开发
出来的新的控制电动机定子供电电压与频率的调速方法一VVVF。
用于建筑物内作为垂直运动的电梯,其运动可分为三个阶段:即起动加速,稳速运
行和制动减速。其中尤以减速更为重要,它不仅要保证电梯减速过程的平滑性,也是电
梯轿厢能否准确的停靠在楼层平面的关键环节。因为轿厢停靠的误差与轿厢停止时运行
速度的平方成比例。因此,电梯调速在一定的意义上可以说是电梯的制动减速调速。这
样,前述调速过程中所包含的制动方法可以归纳为能耗制动、再生制动和反向制动三种。
【11
1.2电梯交流调速的类型
电梯交流调速的类型可分为变级调速、调压调速和变频调速。它们均以旋转电动机为主驱动电机。这些调速系统各具特点。
变频调速电梯原理设计
1.2.1变级调速
交流异步电动机的转速是与其级对数成正比的,改变电动机的级对数就可以改变电
动机的同步转速。据此,人们设计和制造了具有两种或三种不同级对数的定子绕组电动
机。这种调速环节不是平滑的,而是分级调节,但它是简单和经济的。由于它的优点,
在不需要平滑转速调节的场合,改变级对数的电动机仍被广泛采用。
1.2.2调压调速
随着电力电子学与微电子技术的发展,在60年代以后,交流调速电梯得到发展。
特别是70年代以来,由于大规模集成电路和计算机控制技术的发展,以及现代控制理
论的应用,使交流调压调速电梯的拖动系统有了很大的改善。调压调速按减速制动方式
可以划分为:涡流制动、能耗制动、反接制动。
1.2.3变频调速
众所周知,交流异步电动机的转速是施加于其定子交流电源频率的函数。均匀和连
续的改变定子供电频率,就可以平滑的改变电动机的同步转速。但是,按电梯的使用要
求,在调速时需要保持电机的最大转矩不变,维持磁通恒定。这就要求定子供电电压也
要作相应的调节,称为WVF调速[21131141。
近年来,由于大功率晶体管,数字调节技术,微处理机的广泛应用,以及近代控制
理论的发展,为变压变频控制的交流电梯的发展创造了条件。
三相异步电动机的脉宽调速要求逆变器提供一个变压变频的三相电源。同时希望此
电源产生低的谐波波形,以减小电动机损耗和改善低速特性。用于逆变器设计的脉宽调
制(PWM)技术可获得高质量输出波形和有效的控制电压。由于频率和电压两者跟着
预定的关系变化,产生脉宽调制逆变器的控制信号所要求的电路是十分复杂的,微处理
器以其优势用于脉宽调制逆变器的控制,可使电路具有较高的灵活性,同时也可降低成
本。
PWM控制器用以调节逆变器的频率和电压输出。电压由脉冲宽度尺寸来调节,而
频率则由调制脉冲宽度的周律来调节。这样,电压和频率就能够按照电梯的速度给定进
行最适宜的变化。正弦波脉冲宽度的调制可以最大的减小电动机转距脉动,使系统噪音
低、运行平稳。为了进一步提高VVVF系统的动态性能,在电梯上采用了矢量变换控制
的方法,使之具有像直流电动机那样的调速特性,以达到所需要的控制转矩的目的。2
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1.3交流调速电梯的发展趋势
电梯采用交流调速的形式很多,而且各自都有特点。然而,从总的发展趋势看,一
般是在节约能源、提高性能、结构紧凑以及控制的数字化、智能化等诸方面加以改善和
提高。
1.3.1节约能源
电梯在建筑物内的耗能占总用电量的相当大的比例,因此电梯节能日益为人们所重
视。现代电梯主要采用的节能措施有:飞轮、制动减速、直接停靠、再平层、提高系统
的功率因素。
1.3.2微型机的应用
微型机在电梯的应用一般分为操作系统和拖动调速系统两部分。操作系统包括电梯
群的监控调度,其中包括监视电梯运行逻辑功能和电梯交通分析的计算。拖动调速系统
则是系统如何保证电梯按理想给定曲线运行。一般操作控制系统与拖动调速系统均可通
过接口相互配合应用。操作控制系统和拖动调速系统均采用微机调节的电梯称为全微机
化的电梯。
(1)操作控制
随着建筑物对电梯的要求不断增加和提高,继电器一接触器控制系统己很难或者不
可能适应这些要求。因此,微型计算机在电梯操作控制上的应用日益广泛,电梯操作已
经进入全微机化控制的时代。可编程控制器(PLC)、单片机、单微机、多微机控制、
人工智能电梯,这些方法都在现代电梯中得到了广泛应用,特别是人工智能电梯更是现
代电梯的一个重要发展方向。智能电梯利用推理和模糊逻辑,以确定最适应于现实情况
的专家方制定的知识库中的规则,并对限定的规则作进一步的处理以确定最佳的电梯运
行。同时,即刻向乘客通报该梯信息。
(2)拖动调速控制
在电梯的变压变频调速正式应用之前,电梯的交流系统真正使用微机进行控制的甚
少。人们常常通过改善电梯的给定速度曲线,或者解决电梯按距离值的直接停靠问题,
以改善其性能。
脉宽调制(PWM)是交流变压变频调速控制的核心,产生脉宽调制逆变器的控制
信号所需要的电路极其复杂,一般采用微机。
综合尖端微电子学和先进的电梯技术构成的电梯变压变频调速系统,与普通的交流
系统相比具有明显的优点。它对自动计算层站与层站之间的最佳速度曲线,并对电源的3
变频调速电梯原理设计
电压和频率根据速度和负载的要求进行连续不断地控制调节,即在实时计算的基础上,
满足电梯系统高效运行性能的要求。
在逆变器件中的高速开关元件,其开关频率达10Hz以上,超过听觉范围。本文采
用IGBT做滤波器同时省掉了笨重的电抗器,以降低电梯运行的噪声。
1.4本设计的任务
本次设计的主要任务是通过查找相关资料,设计一个完整的电梯主拖动系统。调速
部分采用变压变频,逆变部分采用IGBT,而用SPWM来控制IGBT的导通和关断,SPWM
波形发生器是本次设计的重点任务,本设计采用了先进的CPLD(复杂可编程芯片)来完
成数字SPWM,并且通过计算机仿真和实验验证SPWM波形的正确性。4
人连理工大学专业学位硕十学位论文
2VVVF电梯拖动系统原理
2.1电梯系统原理
2.1.1电梯的基本原理
随着社会的发展,高层建筑物越来越多,而电梯则成为高层建筑物中垂直升降的不可缺少的交通工具。一部电梯主要由轿厢、对重、曳引机、控制柜、导轨等主要部分组成。电梯结构示意图如图2.1所示。
电梯机房
控制柜
土机
限速器
电梯井道
电梯导轨
电梯轿厢电梯对重
轿厢缓冲器
对重缓冲器
图2.1电梯结构示意图
Fig.2.1Elevatorstructuresketchmap
变频调速电梯原理设计
由于电梯的主要负载是人,因此电梯有一系列关键性能指标:
(1)安全性
①超速保护装置;
②轿厢超越上下限工作位置时,切断控制电路的装置。
③撞底(冲顶)缓冲装置;
④三相电源断相保护装置;
⑤厅门、轿门电气连锁装置;
(2)可靠性
电梯是一种频繁运作的交通工具,必须保证其运行的可靠性。
(3)舒适感与快速性
人在加速上升,或减速下降时,加速度引起的惯性力加在重力之上,使人产生超重,各器官承受更大的重力;而加速下降或减速上升时,加速度产生的惯性抵消了部分重力,使人产生内脏不适,头晕目眩,考虑到人体生理上对加、减速的承受能力,《电梯技术条件》中规定:电梯的起制动应平稳,加减速度最大值不大于1.5m/s2,但起制动又不能太慢,那样将加长乘梯时间,所以同时又规定加减速度最小值不小于0.5m/s2。
电梯的起点、终点和转弯处速度曲线都是圆滑过渡,这也是由人生理特点所决定的。实验证明,人体不但对加速度敏感,对加速度的变化率也很敏感。当加速度变化率p较大时,人的大脑感到眩晕、痛苦,其影响比加速度a的影响还严重。我们称加速度变化率为生理系数,在电梯行业一般限制生理系数P不超过1.3m/s3。为了同时满足舒适感与快速性的要求,电梯一般采用如图2.2所示的速度曲线。其起制动段均采用抛物线.直线.抛物线综合型15J。
O
图2.2电梯理想速度曲线
Fig.2.2Elevatoridealspeedcurve6
大连理-T大学专业学位硕士学位论文
2.1.2电梯负载的机械特性
电梯是一种频繁起动、制动设备,其运行过程中大量时间处在加减速的过渡过程中,为了便于讨论电梯的运行情况,我们首先分析电梯的负载特性。
电梯与起重机不同,现代电梯几乎都带有对重,因此电梯的负载机械特性分布于坐标系的四象限内。当轿厢静止或匀速运动时,表现的负载特性为静态负载机械特性,当电梯轿厢加减速运动时,负载机械特性除包括静态负载机械特性外,还包含由于加速造成的惯性转矩部分,称为动态负载机械特性。
(1)静态负载机械特性
电梯的静态负载机械特性中的负载转矩是由轿厢与对重的重量差造成的。如图2.3所示。当电梯重载运行时,轿厢的负载系数13大于对重的平衡系数8(13>8),这时电梯的静态机械特性与起重机类似,由两部分组成:一是由轿厢、对重的重量差引起的势能性转矩(曲线1)另一部分是由传动的摩擦阻力引起的反抗转矩(曲线2),这两部分转矩之和为电梯重载运行的静态负载转矩(曲线3)。当电梯轻载运行时B<8,轿厢与对重差为负值,引起的位能转矩也是负值(曲线1Ⅳ),加上摩擦力引起的反抗性负载(曲线2)得到轻载运行时的电梯静态负载转矩(曲线3Ⅳ)。当电梯在平衡负载状态下运行时(13=8),由于轿厢与对重侧重量相等,位能性转矩为零,这时电梯负载转矩只有摩擦引起的反抗性负载,电梯的负载如图2.3中的曲线3、(3’曲线也就是曲线2)。
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图2.3
Fig.2.3电梯的静态负载机械特性Staticelevatorloadsmachinecharacteristic7
变频调速电梯原理设计
(2)动态负载机械特性
当电梯起动加速或停止减速时,由于加速度的变化将引起动态负载转矩,!n2
(M=等鲁dn/dt)的变化,为了得到较好的舒适感,要求轿厢按预定曲线平滑的改变梯j,)
速,又因为电梯设有对重,使传动系统的惯性增大(GD2增大)从而使动态转矩增大,通常电梯动态转矩可达到静态转矩的1.5~3倍。因此在研究电梯动力学问题时,有必要再研究电梯动态转矩,绘制成动态负载机械特性曲线。图2.4便是根据图2.2中的曲线绘制的电梯动态机械特性曲线。图2.4中AEFB段机械特性与图2.2中的各段曲线相对应。表示了电梯起动加速向上运行时的动态机械特性。
图2.4电梯的动态负载机械特性(上升)
Fig.2.4Dynamicelevatorloadsmachinecharacteristic(up)
(3)电梯的负载机械特性
将电梯的静态负载特性与动态负载机械特性相叠加得到电梯负载机械特性,如图2.5。图中曲线l为满载上升时的机械特性,曲线2为满载下降时的负载机械特性,曲线3为空载上升时的负载机械特性,曲线4为空载下降时的负载机械特性,曲线5为平衡负载(13=6)上升时的负载机械特性,曲线6为平衡负载(13=8)下降时的负载机械特性,图中每条曲线在起动初段的水平线表示起动初的静摩擦转矩增量。
(4)调速电梯曳引电动机特性与电梯负载机械特性的关系
调速电梯要求轿厢能按预定的曲线运行,以便得到较好的舒适感,这就要求曳引电动机在选定的调速方式下,电机的转矩总能达到负载转矩的要求,考虑到电源电压的波动,导轨不够平造成的阻力增大因素,电机转矩还应有一定的余度。
电机在调速过程中所能做到的机械特性画在电梯负载机械特性平面内,电机的机械特性曲线应能全部覆盖负载机械特性,或者说电机的机械特性包容负载机械特性。如能满足上述条件,则该电梯能够按预定的速度曲线运行,否则,在哪一带不能包容,则在8
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不能包容的区间内电梯速度曲线将脱离预定曲线,从而造成舒适性变差,或平层精度变兰【6】【71红o
;①4陬3巡忠国。国~
图2.5电梯的负载机械特性
Fig.2.5Elevatorloadsmachinecharacteristic
2.1.3机械安全装置
电梯是高层建筑物不可缺少的垂直运输工具,它经常长时间的频繁操作运行,每天都要载成千上万的乘客,所以安全是其首要的问题。现代电梯都设有完善的安全保护系统,包括一系列的电气安全装置和机械安全装置以防止任何不安全的情况发生。在电梯的安全保护系统中提供最后的安全保护装置是限速器、安全钳和缓冲器,也就是说,当电梯运行中无论何种原因使轿厢发生超速,甚至坠落的危险状况而其它安全保护装置均未起作用的情况下,则靠限速器、安全钳和缓冲器的作用使轿厢停止,不致于令乘客和设备受到伤害。
(1)限速器与安全钳
限速器是检测轿厢超速的装置,在电梯正常运行时它不起作用,当电梯运行速度超过其额定速度并达到危险值(即限速器动作速度)时,它就操作电气开关打开急停回路,使电动机停转,制动器制动,与此同时,它将操纵安全钳使轿厢夹持在导轨上,迫使它停下来。限速器总是和安全钳连用的,限速器是在电梯超速并大于设定值时开始动作令限速器绳停止转动的设备,而安全钳则是在限速器绳的操纵下强制轿厢停住的执行机构。安全钳装置只在电梯向下运行时才起作用。限速器和安全钳的动作时序如图2.6所示。9
变频调速电梯原理设计
(2)缓冲器
缓冲器是提供最后安全保护的一种电梯安全装置,它安装在电梯井道的底坑内,位于轿厢和对重的正下方。当电梯在向上或向下运行中,由于钢丝绳伸长、曳引摩擦力和抱闸制动力不足,或者控制系统失灵而超越终端层站底层或顶层时,将由缓冲器作用,以避免电梯轿厢或对重撞底或冲顶,保护乘客的安全。
轿厢缓冲器在保护轿厢撞底的同时,也防止对重的冲顶;同样对重缓冲器在保护对重撞底的同时也防止了轿厢冲顶,为此,轿厢的井道项部间距必须大于对重缓冲器的压缩行程,同样,对重顶部的间距也必须大于轿厢缓冲器的总压缩行程。
图2.6
Fig.2.6限速器和安全钳的动作时序GovernorandSafety’sactionsequence10
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2.2WⅦ交流调速原理
动力学在电梯中的运用
在电梯的整个运行过程中,根据动力学原理可知:
MD.Mz=-Jdw/dt2.2.1
-’式中:MD一电动机转矩
Mz一负载转矩
,一系统转动惯量
形一转子角速度
(1)若MD>M:,则dw/dt>O。电动机发出的转矩超过负载转矩,电梯处于加速运行状态,此时需要考虑的是加速阶段电梯的舒适性。
(2)若MD=M:则dw/dt=O。电动机发出的转矩等于负载转矩,电梯处于匀速运动状态。但若在起动段时,电梯不能起动。
(3)若MD<M:则dw/dt<0。电动机发出的转矩小于负载转矩,电梯处于减速状态,此时需要考虑的是减速阶段电梯的舒适性。
由上可见,如果要保证电梯在起动,减速过程中的舒适感及正常运行速度,必须在电梯的整个运行过程中设法控制电动机的转矩【引。
2.2.2VVVF电梯电机拖动原理
交流电动机的转速公式为
刀=60f(1一s)/p(2.1)
式中:.厂一定子供电频率;
P一电动机极对数;
s一电动机转差率。
从式(2.1)中可知,若均匀连续不断的改变供电频率厂则可连续平滑的改变交流电动机的同步转速。
但是电机学又告诉我们,电动机定子绕组的感应电势为
El=4.44fWlKl九(2.2)
变频调速电梯原理设计
若略去电动机定子绕组中的阻抗压降,则定子绕组进线端点∽近似等于历,即
奶≈E=4.44fwlKI丸(2.3)
由式(2.3)可知:若研不变,则随着.厂的上升,将导致咖m下降;或随着.厂的降低,将导致多朋的上升。
又由电机学可知,交流电动机的转矩为:
M=C。九12cos(p2(2.4)
由式(2.4)可见,当外加负载转矩M不变时(人数一定时,电梯属于恒转矩负载),矽小随着.厂的增加而减少,或矽聊随.厂的减少而上升,将导致电动机转子电流有功分量(I:cos(p:)的变化,使得电动机的效率降低。同时电动机的最大转矩必榭也将变化,严重时会使电动机堵转,而长时间堵转会烧坏电动机,或由于.厂的降低而使咖m增大,导致磁路饱和,励磁电流增大,也使电机铁耗和铜耗增大。
因此在许多场合下,要求在调速的同时,也要求改变电动机定子绕组的进线端电压所从而保持妒。接近不变,即为了使电动机≯。为常数,调频时必须调压【9J。
2.2.3PWM脉宽调制原理
在变频调速拖动技术中,为了保证恒转矩调速,在改变频率的同时,必须相应的改变电动机的输入电压,但要直接的可连续的改变三相交流电源的频率和电压是一件难度较大、造价高的事。为了解决此问题,目前的VVVF型电梯通常采用PWM逆变器。逆变器输入恒定不变的直流电压,由控制线路按一定的规律控制逆变器中功率元件的通断,从而在逆变器的输出获得一组等幅不等宽的矩形脉冲波形来近似等效正弦波形。
图2.7表示了获得PWM波形的一种方法。利用等幅的三角波(即载波)与J下弦波(调制波)相交点交出通断功率元件的触发脉冲,在正弦波值大于三角波时,控制逆变器的大功率晶体管导通;在正弦波值小于三角波值时,控制逆变器大功率晶体管截止;而逆变器输入是恒定不变的直流电压,这样就可以在逆变器的输出端得到一组幅值与逆变器直流电压大小相等,宽度按正弦规律变化的一组矩形脉冲序列,它等效于正弦曲线UaSin(09t)。这样,提高正弦调制波UaSin(cot)幅值,就可以提高输出矩形波的宽度,从而提高PWM波等效正弦波%副值;改变调制波UaSin(∞D的频率(1),就可以改变PWM输出波的等效频率实现变频。用上述PWM脉宽调制的方法,只要改变E和甜,就可以实现变压变频。此种方法的优点如下llUJ:
(1)逆变器的输入直流电压不变,故整流环节不必考虑调压因素,直流电源可以采用简单的不可控整流,提高了电网的功率因素。12
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图2.7
Fig.2.7PWM生成原理图PWMprinciplediagram
(2)调频调压过程都在逆变器内实现,其响应速度仅取决于控制回路,不受直流回路滤波系数的影响。
(3)逆变器的输出波形接近正弦波,谐波分量较输出等宽矩形的逆变器小,降低了负载的发热和低频转矩脉动,提高了电动机运行性能,而且造价低【ll】【12】。
变频调速电梯原理设计
3VVVF电梯拖动调速系统
3.1WVF系统设计
VVVF电梯系统主要由以下各部分组成,如图3.1所示。
(1)主回路
由将三相交流电整流成直流电的整流器和将直流电逆变成频率与电压可变的交流电的逆变器组成,采用交.直.交方式变频。桥式整流器上加了大电容滤波,以稳定直流电压。直流侧设置了反馈回路,以便电梯制动时采用能耗制动。
(2)单片机
负载与轿厢串行通信以取得轿厢开关信号,呼叫信号输入等一系列信号,并在单片机内部进行数字PI运算。
(3)PWM生成电路’。
采用CPLD负责生成数字式PWM波形,以驱动IGBT.
(4)其它装置
电梯系统还包括与感应电动机随动的测速传感器,传递电梯层站位置信号的位置检测器;轿厢操纵盘和厅外召唤盒;以及系统各种保护回路。
重
图3.1系统框图
Fig.3.1Systemframedrawing
14
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因为电梯系统的性能指标要求较高,故而调速系统采用了电流、转速双闭环系统,其原理图如图3.2所示
在调速系统中采用了两个调节器AVR和ACR,其作用可归纳如下:
(1)转速调节器AVR
①实现转速调节,使转速跟随给定电压变化;
②对负载变化器抗扰作用;
③对电流环进行饱和非线性控制,且其输出幅值决定允许最大电流。
(2)电流调节器ACR
①电网电压波动及时抗扰作用;
②起动时保证获得允许的最大电流,实现最佳起动;
③使电流跟随其给定电压变化;
④当电动机过载时,可限制最大电枢电流。
,◇仙
图3.2交流调速系统原理图
Fig.3.2ACadjustspeedprinciplediagram
两个调节器均采用PI调节器,在控制系统中,调节器参数整定是十分重要的,其好坏直接影响到调节器的品质。参数整定主要是确定局、乃两个参数。
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变频调速电梯原理设计
常用的方法为凑试法,其通过闭环运行响应曲线,然后根据调节器各参数对系统相应的大致影响,反复凑试参数,以达到满意的响应,从而确定PI调节器的参数。
比例系数局加大,使系统动作灵敏,速度加快,妫偏大,则系统振荡次数加多,调节时间加长。当局过大,系统会趋于不稳定。若局太小,又会使系统动作缓慢。加大比例系数局,在系统稳定的情况下,可以减少稳态误差,提高控制精度。但是,加大局只是减少稳态误差,却不能完全消除误差。
积分时间常数乃太小,系统将不稳定,乃偏小则系统振荡次数较多。乃太大,对系统性能的影响减小。当乃合适时,过滤过程的性能则比较理想。积分控制能消除系统的稳态误差,提高系统的控制精度。但是,乃太大时,积分作用太弱,以至于不能减少稳态误差。
在实际整定中,实行先比例后积分。首先将比例系数局由小到大,并观察相应的系统响应,直到得到反应快,超调量小的响应曲线。如果系统没有静差或静差d,N允许范围内,并且响应曲线属于满意,那么只需用比例调节器即可,最优比例系数可由此确定。
如果在比例调节的基础上,系统的静差不能满足设计要求,则须引入积分环节,整定时首先设置积分时间乃为一较大值,并将经第一步整定得到的比例系数略微减小(如缩小为原值的0.8倍),然后减小积分时间常数,使在保持系统良好动态性能的情况下,静差得到消除,在此过程中,可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间常数,以期得到满意的控制过程与整定参数。
在调试时可以先选择电流环局=50、T,---5,然后选择速度环砗=lO、T,---2.5u引。3。2主调速系统电路设计
通过SPWM实现交流电动机变压变频调速电梯。其控制电路主要由数字控制器、PWM变换器、SPWM变频器、基极驱动电路、电流检测器等组成。其原理见图3.3。3.2.1整流电路
整流器有3块二极管模块(每个模块有2只二极管)组成不可控整流电路。为避免整流开始时产生的较大的冲击电流导致模块损坏,在整流器与逆变器之间并联一只大电容,并在整流器工作之前就对电容预先充电。
整流电路的基本参数:16
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充电电路
图3.3调速系统主电路图
Fig.3.3Timingsystemcircuitdiagram
衡量整流电路性能通常有这样两个参数:一个是反映转换关系的,用整流输出电压的平均值来表示,记作Uo(AV);另一个是反映脉动大小的,称为脉动系数,记作&,此外,还有与选择整流管有关的参数:一个是整流管的平均电流以AV);另一i。’个是整流管的反向峰值电压‰。
(1)整流桥输出电压的平均值
Uo(AV)---2.34U户2.34枣220V≈515V(3.1)
(2)每个整流管的整流平均值以AV)
在负载上得到的平均电流Uo(AV)/R,,而每个二极管在一个周期内导通1200流过的电流总是平均电流的1/3,对于Pn=10kW,Un=380V,I.=12A,n=1000r/min的三相感应电动机来说3I檀=21A,所以以AV)=7A。
(3)每个整流管的反向峰值电压‰
在三相桥式电路中,当Dl,D2导通时,若忽略它的正向压降,则整流管D2两端的最大电压为线电压√扣,=537V,其他五个整流管也同理分析114][15】。
(4)整流二极管的选择17
变频调速电梯原理设计
由上可知,应选二极管Id(AV)>10A,U,研>1000V,故选型号为2CZ58L的整流二极管,其参数如下
额定整流电流
反向电流
最大反向耐压
3.2.2滤波电路IF=10A;IR=30A;U,。=1200V。
经过整流后的输出电压波形离所要求的平滑直流状态还差的远。因此还要有滤波的措施。滤波电路是要抑制所有的交流成分而只保留直流成分。由于需要供给较大的电流和输出较大的电压,所以采用无源元件组成滤波电路,常采用大电感和大电容进行滤波,本文采用电压型(大电容)滤波方式。
采用电容滤波时,在起动瞬间有很大的冲击电流流过二极管,因此,在选择大电容滤波时,同时在电路中也应有限制电阻以防止二极管损坏。在正常工作后,断开此电阻以减小电源损耗。
一般选择大电容470}tf,电阻10kQ。
3.2.3泵升限制电路
泵升限制电路,也即回馈制动电路,直流电源采用二极管构成的整流装置,因其电流不可逆,在回馈制动阶段,电动机成发电机状态,通过续流二极管向滤波电容充电,造成瞬间电压升高,称作“泵升电压”。如果回馈能量过大,泵升电压过高,将危及功率开关及整流二极管,同时为了加快制动时间,采用了泵升电压限制电路,当滤波电容两端电压值大于一定值时,比较器的输出端由低电平变为高电平,以导通制动回路(如图3.4所示),回馈的能量消耗在制动电阻上。
在电动状态下滤波电容C两端的平均直流电压UD为515V,故选取600V为制动回路开启电压,比较电压Ur=+6V,比较器输出电压为5V,在比较器输入端加上+10V的稳压二极管是为了防止输入电压过高而损坏比较器。故选取Rl=99kQ,R2=lkQ,R3=lkQ。
3.2.4逆变电路
逆变器是主回路中最重要的部分,其目的是把整流得到的直流电源逆变成电压、频率均可调的交流电压,以调节电动机转速。在本文中采用IGBT作为功率管,根据电梯的性能以及整流侧输出电压电流大小,设计中采用型号为25N160的IGBT模块,其集射极电压为1600V、集极电流为25A、饱和压降为3V【l6。。15
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图3.4泵升限制电路
Fi驴.4Pumprisesrestrictioncircuit
(1)IGBT基本特性
IGBT的内部等效电路图和表示符号分别如图3.5和图3.6所示,由图可知IGBT为PNPN型,IGBT的静特性对于我们了解WVF过程有一定的帮助,因此在此说明一下IGBT的一些静特性:包括伏安特性、饱和电压特性和转移开关特性。
G]。
图3.5IGBT等效电路图图3.6IGBT符号
Fig.3.5IGBTequivalentcircuitdiagramFig.3.6IGBTsymb0119
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伏安特性表示具体的端电压与电流的关系,如图3.7所示。由图可知,IGBT控制参数是栅源电压VG。,伏安特性分为饱和区(I),放大区(II)和击穿区(III)。输出电流历加大,而伏安特性中的反向阻断电压只能到达几十伏,因此限制了IGBT在需要阻断反向电压场合时的应用。
0
BVDsVDs
图3.7IGBT伏安特性
Fig.3.7IGBTV/Icharacteristic
IGBT的饱和电压特性,如图3.8所示。由图可知,IGBT的电流密度较大,通态电压的温度系数在小电流范围内为负,大电流为正,其值大约为1.4倍/1000C.
Id/A
60
30
24V0ll(v)
图3.8IGBT饱和电压特性
Fig.3.8Saturatedvoltagecharacteristic
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转移特性曲线,如图3.9所示。在大部分漏极电流范围内,历与%呈线性关系,只有当栅源电压接近开启电压K时才成非线性关系,此时漏极电流已相当小,但门源间的最高电压受流过漏极的最大电流所限制,一般栅源的最佳值可取15V左右。
图3.9IGBT转移特性
Fig.3.9IGBTtransfercharacteristic
IGBT的静态开关特性。当栅源电压大于开启电压时,IGBT开通,当%<K时IGBT处于阻断状态,只有很小的漏电流存在【17】【18】。
(2)IGBT的保护
将IGBT用于电力变换器时应采取保护措施防止损坏器件,常用的措施有:
①通过检测出过电流信号切断门及控制信号实现过电流保护;
②利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的du/dt。
IGBT由于寄生晶闸管的影响,当流过IGBT的电流过大时,会产生不可控的擎住效应,实际应用中使IGBT的漏极电流不超过额定电流,以避免出现擎住现象,一旦主电路发生短路事故,IGBT由饱和导通区进入放大区,漏极电流厶并未大幅值增加,但此时漏极电压很高,IGBT功耗很大,短路电流能持续的时间由漏极功耗所决定。【19】
对IGBT的过电流保护可采用漏极电压的识别方法,识别‰的大小即可判断IGBT漏极电流的大小。IGBT的结温升高后,电流通态饱和压降增大,这种有利于过电流识别保护,专用的驱动电路都有过电流保护功能。另外利用缓冲电路抑制过电压。
(1)IGBT逆变器缓冲电路
IGBT是一种压控功率器件,输入阻抗高,工作速度快,通态压降低,阻断电压高,承受电流大。但当IGBT工作在较高频率或较大功率的场合,由于主电路中的杂散电感的存在,使IGBT在关断瞬间承受很大浪涌电压。另外,与IGBT反并联的续21
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流二极管在反向恢复时两端电压异常升高,产生与关断浪涌电压相似的浪涌电压。这势必使IGBT过热过压,甚至造成IGBT损坏。为了提高IGBT工作可靠性,较常用的方法是用缓冲电路,如图3.10所示。
图3.10
Fig.3.10IGBT缓冲电路IGBTBuffercircuit
(2)IGBT逆变器缓冲电路工作原理与参数计算
以开关T1关断时刻为起点,来分析缓冲电路的工作原理,其工作过程可分为3个阶段,即线性化换流、杂散电路Lp谐振放能、缓冲电容Cs放电【191。
①线性化换流过程
此阶段从开关Tl接收关断信号开始到开关T1完全截止结束。流过Lp的母线电流经Tl和缓冲电路2条支路分流。由于此过程时间很短,一般为纳秒级,因此可将此过程中电压电流的变化线性化来处理,其等效电路图如图3.11所示。
设线性化换流过程持续的时间为跏由图得
IL=iTd-icsiT=Irl3L—t{tfYs=IL×t||f
当户驴时有
u瑚=%+L,。f。IIicsdt=%+屯瓦tf(3.2)
(3.3)
在此过程中端电压为‰=%+三。(蚝/西),由于实际的换流过程并非完全线性,因此在此过程中会出现第一个电压尖峰,且此电压尖峰与母线电流五,缓冲电路寄生电感Ls,关断时的电流砌协有关。
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LPl
卜
U
图3.11线性化换流等效图
Fig.3.11Linearizationchangingcurrentequivalentdrawing
②杂散电感Lp谐振放能阶段及缓冲电容cs的参数计算
线性化换流阶段结束后,开关完全截止,主回路杂散电感LD与缓冲电容Cs谐振,Lp中储存的能量通过Cs泄放。当Ucs达到谐振峰值时,主回路电流,为零,缓冲电路二极管Ds截止,箝位以防止振荡的发生,在此过程中将出现第2个电压峰值,且此电压峰值与母线电流屯,缓冲电容Cs,杂散电感LD,缓冲电路寄生电感Ls有关,这一过程的等效电路如图3.12所示。
Cs
Ds
图3.12谐振等效图
Fig.3.12Syntonyequivalentdrawing
令三=三印+工,2+三。(3.4)
电路方程为:
%=三罢+%=LCs1d2UrCS+ua(3.5)
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初始条件为:
徊)=三。,u。(。)=%+,L瓦tf
由电路方程可得:
sin(coof一缈)(3.6)U岱(f)=Ud+X(3.7)
式中国。=1/以蟊,伊=arctg(t-r/2√历)。当∞。f一妒=x/2时,Uc,达到峰值,其峰值为:
Ucs。l【=Ud+(3.8)
由式(3.8)得:
如忽略线性化换流阶段%的升高,则有:
缸%础也)z
③缓冲电容Cs放电(3.9)
谐振放能阶段结束后,C。通过&,电源和负载放电,在放电期间,可作为负载式恒流源。有了负载后,可不考虑Ls,Lp对方点的影响。其等效电路如图3.13所示。
电路方程为:
堕R半=zs盟dt。
c(3.10)、。
初始条件为:
U岱(0)=U础=Ua+
在Cs放电阶段:(3.11)
24
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确耻碡t碧一七警=率,…电定△u%=U础一%×10。%=15%,则有:%p)=%+(‰一%)e一一RsCs1(3.12)
郧丽Ts,只≈等(3.13)
图3.13电容放电等效图
Fig.3.13Capacitancedischargeequivalentdrawing
缓冲二极管电压容量应与IGBT额定电压容量相当,且应选择用快速恢复二极管。在缓冲电路工作过程中,只有线性化换流阶段和Ls谐振放能阶段有电流流过二极管。在线性化换流阶段电流为I’DS=I£×t/f,在谐振放能阶段电流由式(3.7)可得l。DS=I工×COS(O)o一缈),由此可得流过Ds电流有效为:
ID汴=IL(3.14)
一般选取Lp=200nH,Ls=20nP。
3.2.5反馈回路
(1)速度传感器采用光栅编码器,1024脉冲/每周,将光感频率转变为数字信号传送给处理单元。
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(2)电流互感器
系统内环为电流环,其反馈量由电流互感器通过整流后送给ADC0809,其输出的数字量作为反馈量送给8051。在此选1:1000的互感器,整流桥的选择同主回路相同,在此选1CZ28L。
3.2.6电气保护电路
在电器控制中,必要的保护是必须的,这样电路必须满足对电动机的起动,停止能实现远程控制。当电动机正在运行时,突然停电后再来电时,电动机不允许自起动,且具有过载、短路等保护。
输入电抗器:其目的是与电源匹配、改善功率因素,降低高次谐波对其它设备的影响;
输出电抗器:降低电动机噪声;
熔丝:提供短路保护;
热继电器:提供过载保护;
制动抱闸:只有在供电的情况下电动机才旋转,同时突然断电时,立即制动电动机。
3.3变频器控制电路设计
3.3.1数字式SPWM发生器
本文所采用的是复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现的数字式SPWM发生器,其基本原理及相关内容参见第四章。
3.3.2变频器驱动电路设计
(1)驱动方式
根据主电路的结构与工作特点以及它和驱动电路间的连接关系,可以有直接驱动方式和隔离驱动方式两种选择。直接驱动方式又分为简单驱动、推挽式驱动和抗饱和驱动等形式。在很多场合下主电路和控制电路之间必须隔离,以保证电路的安全并提高抗干扰能力。隔离的方式有光电隔离和电磁隔离两种,光电隔离的缺点是响应时间较长,而电磁隔离的缺点是体积重量较大。
(2)快速保护功能
IGBT的基极驱动电路要有快速自动保护功能,以便在故障状态下能快速自动切除基极驱动信号,避免IGBT遭到损坏。保护的类型包括抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制等。此外驱动电路还要有在主电路故障后能及时自动切断与主电路联系的自
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保护能力等。
本论文采用了一个具有过电流保护的基极驱动模块HR065。其内部具体电路如图3.14所示:HR065的引脚定义如下:①端接IGBT发射极,②端接直流电源正端,③端接栅极电阻,④端接直流电源地,⑤⑥端分别接输出报警光电耦合器的正负端,⑦端接过流保护抗干扰电容,⑧端接集电极二极管正端,⑨⑩端分别接输入信号的正负端。
由原理框图可知,输入脉冲信号经高速光耦合器隔离后,再经过传输极即可送至输出极产生正负偏压,加到IGBT的栅极。此外还设有对过电流故障的检测和保护电路,通过监视通态压降来判断是否发生过电流,一旦通态压降超过设定值,故障检测电路动作,经开关S2向故障信号输出电路及导通保持电路发出动作信号。
导通保持电路的作用是实现“软关断”,即过电流现象发生后不立即关断IGBT,而是继续保持一小段时间,此时的正相驱动电压必须下降,而后再输出负向偏压,真正关断IGBT。这种软关断的优点是可以延长IGBT承受短路的时间,同时,能有效的抑制关断尖峰电压,避免器件过电压击穿。逻辑电路的作用是只有在输出正向偏压期间故障检测电路才起保护作用,其余的时间不起作用。
具体的动作过程可参看电路图3.15。光耦合器VL,晶体管V1、V2、V3及电阻R1、R2、R3构成了驱动器的基本电路。其中V1、V2为一对互补推挽输出管,V2导通时V3必定截止,驱动器向IGBT栅极输出正电压,反之,输出负电压。Vl为信号中间推动管。光电耦合器VL起传递输入信号和实现输出隔离的双重作用。V4、V5、Vs及R4~R8、C1--C3构成过电流检测,故障电路输出及导通保持电路,当IGBT正常导通时,⑨端与①端之间电压较低,故Vs中无电流流过,V5基极没有正向偏置,处于截至状态,故障信号输出端子④⑤之间无电流输出。当过电流发生时,IGBT的饱和压降随着短路电流的增大而升高,当增大到超过某一设定值时,稳压管Vs反向导通,为V5提供基极电流。V5由截止转为导通,故障输出端有电流输出。此时二极管VD导通,强行将V2、V3的基极电流减小,使V2从饱和区退回到放大区,造成输出正向电压下降,以实现软关断,另一方面,V5导通时,产生正向脉冲信号经C2耦合到导通状态,由于C3的作用,可使V4保持约30.45uS的导通状态,保证了V1管在这段时间内可靠截止,不受输入端信号的影响,如果在这段时间内,过电流故障撤销,则二极管VD截止,正向驱动恢复正常,IGBT照常工作。若在此段时间以后,过电流故障仍然存在,在输入封锁信号作用下,光耦合器VL中的晶体管截止,V1导通,立即在IGBT栅极形成负偏电压,关断器件,同时,V6管导通故障检测电
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路不起作用,V6管起着一个逻辑电路的作用,即只有在驱动器输出正向电压时才开放电流检测电路,其它情况下均使其无效,这样能可靠的防止“假过电流,,【20】【2l】。
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④
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图3.14HR065内部电路图
Fig.3.14HR065interiorcircuitdrawing
3.4单片机及其外围设备
图3.15To中断程序流程图
Fig.3.15Tointerruptprogramflowchart
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图3.16主程序流程图
Fig.3.16Hostprogramflowchat
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N
图3.17T1中断程序流程图
Fig.3.17Tlinterruptprogramflowchart
30
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单片机是整个控制部分的核心,其内部要完成电动机转速检测与PI调节和电流检测与PI调节,以及电梯平层指令的发出,整个系统的精度和可靠性均体现在这一部分,根据电梯的系统特性,设定每50ms从EPROM中读取一个速度给定值,外环转速和采样时间为10ms,内环电流的采样时间为2ms。单片机Tl中断产生三个采样时间,在VVVF系统中要求频率与电压同步变化,以保证磁通的恒定,由To产生与电压同步变化的方波脉冲作为输出频率。因为转速和电流反馈值都是模拟量,而单片机需要接受的是数字量,故单片机外设需要ADC0809模数转换122。。3l
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4SPWM波的生成
目前,产生SPWM波形的方法很多。可以用模拟电路等电路来实现,甚至可以用专用集成电路(ASIC)来实现SPWM,例如产生SPWM波形的HEF4752、SLE4520等专用集成电路芯片,近年来在许多领域都得到广泛应用。用硬件电路实现SPWM法,通常是用一个正弦波信号发生器产生可以调频调幅的正弦波(称为调制波)信号,再用一个三角波发生器产生幅值不变的三角波(称为载波)信号,将它们进行比较,由两者的交点来确定逆变器开关的转换。另一方面,可以用微型机计算机来实现SPWM控制,根据其软件化方法的不同,有表格法、随时计算法以及实时计算法等。然而,用微型机计算机软件来实现SPWM控制的速度较慢,不能满足快速驱动和控制的场合;另外,用模拟电路来实现SPWM需要的器件多,调试困难且稳定性差。
因此本文采用数字式SPWM发生器,其基本出发点是将数字的正弦波信号与数字的锯齿波信号进行比较,由两者的交点来确定逆变器开关的转换。微处理器内的定时器确定Fcl的频率,Fcl送入锯齿波发生器,其输出是频率与Fcl成正比的8位数字式锯齿波信号,将此8位数字量送入数字比较器。微处理器同时送出8位的数据给载波比N发生器,Fcl经过N分频后,送给相角发生器,相角发生器的输出是EPROM的低8位地址,另外,微处理器还送出8位数据给幅值发生器,幅值发生器的输出是EPROM的高8位地址。A相EPROM里存储的是A相正弦波的数字量,同样,B相EPROM里存储的是B相正弦波的数字量,C相EPROM里存储的是C相正弦波的数字量。EPROM的输出就是某一时刻正弦波的幅值,用8位数字量表示,也送入数字比较器,与锯齿波发生器输出的8位数字量进行比较,若正弦波数字量信号大于锯齿波数字量信号,则数字比较器的输出为高电平;反之,为低电平。这一系列高低脉冲就是SPWM信号。经过死区发生器加入死区延时后就可送入驱动电路,去驱动电力电子功率器件,实现对电动机的变频调速控制。其具体的数字式SPWM发生器原理框图如图4.1所示睇3J1241。
4.1CPLD芯片介绍
本设计选用了Lattice公司的ispLSll032E(84L),其具有4000门门电路,32个万能逻辑块(GLB),64个可编程I/O口,8个直通输入口的复杂可编程逻辑器件(CPLD)。CPLD因有着集成度高、运算速度快、可以实现在系统编程(ISP)等一系列优点,而有着广泛的应用前景。32
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锯齿波发生器rI?
载波比EPROM8数字
微NA相k比较器
处
理相角8
发生器卜即B掣E相睁数字
比较器
器
8
8幅值EPC絮M匕相阿数字
比较器
图4.1数字式SPWM发生器的原理框图
Fig.4.1DigitalSPWMprincipalframechat
CPLD包含3种逻辑资源:可编程逻辑宏单元;可编程I/O单元;可编程内部互连资源。对于ispLST系列,最基本的逻辑单元是万能逻辑块GLB(GenericLogicBlock),ispLSll032E(84L)有32个GLB,64个可编程I/O口。图4.2是1000系列的GLB的结构图,每个GLB有18个输入,一个可编程与/或/异或阵列,4个可以重组为组合型或寄存型的输出。“
进入GLB的信号可以来自全局布线区GRP,也可以直接输入,每一个GLB都可以实现4个有18个输入项的逻辑函数。GLB是ispLSP器件中的一种专用的内部互连结构,它提供高速的内部连线,GRP的输入来自GLB的输出或IOC的输出信号,同样来自I/O引脚的一个输入可做所有的GLB的任一输入。输入输出单元(IOC)有输入,输出和双向I/O三类组态,通过编程可将任意一个I/o口确定为输入或输出。ORP(输出布线区)它是介于GLB和IOC之间的可编程互连阵列,阵列的输入是8个GLB的32个输出端,阵列有16个输出端,分别与该侧的16个IOC相连。通过对ORP的编程可以将任意一个输出灵活的送到16个I/O端的某一个,可见IOC与GLB之间没有一一对应关系,从而可实现在不改变外部引脚排列的情况下修改芯片内部的逻辑设计。其编程方法有原理图输入,ABEL语言和VHDL语言输入三种方法。4.2数字式SPWM的硬件电路实现
由于本设计比较复杂,故而采用了层次化设计方法,根据SPWM波形产生原理,将顶层分为4个模块,其功能分别为:数字锯齿波发生器、数字N分频器、数字正33
变频调速电梯原理设计
皇通输入乘
2/与积乘积
阵琢~四输出逻辑4
,
/一r
16列左o7共享
阵列宏单元I
●俞出!
来自渖的输鲁▲L}RP,0RPj
复位l时钟I/O
控制逻辑
图4.2ispLSTl000GLB结构框图
Fig.4.2ispLSTl000GLBconfigurationchat
弦波发生器、数字比较器。顶层采用了原理图输入法,底层采用VHDL语言输入法,顶层原理图如图4.3所示。
图4.3SPWM顶层原理图
Fig.4.3SPWMtopfloorprincipledrawing
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4.2.1数字锯齿波发生器
数字锯齿波要作用是实现255加一计数器功能,U2的主要功能就是实现255计数,一直计到255时复位,重新开始从0计数。只要有FcL为芯片提供时钟信号,模块就永远如此循环计数下去。计数255的主要原因就是因为255能够被3整除,从而使三相正弦波(PWM)信号严格互差120。。Fel为模块提供时钟信号,模块的输出就是0-254之间的一些数字量,FcL经过255分频后,就是锯齿波的频率,也就是电力电子器件的开关频率。
根据255计数器的工作原理及过程,其具体程序如下:
libraryieee;
useieee.std_logic_l164.all;
entitycount2is
PORT(CLK:INSTD_LOGIC;
Q:OUTINTEGER);
endCOUNT2;
architecturebehavioralofcount2is
begin
PROCESS(CLK)
VARIABLECOUNT:INTEGER;
BEGIN
W(CLK’EVENTANDCLK='I’)THEN
IFCOUNT=254THEN
,CoUNT:=O;
ELSE
COUNT:==COUNT+l;
ENDIF;
Q<=COUNT;
ENDIF;
ENDPROCESS;
endbehavioral;
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其具体仿真波形如图4.4,
254
j,’
数字锯齿波
127
,
/
/’/’
、
/
/
/
255复位信号
图4.4数字锯齿波信号波形
Fig.4.4
Figuresawtoothwavesignal
4.2.2数字正弦波的实现
FcL经过载波比N分频后,送入正弦波地址作为时钟信号,正弦波地址模块功能跟三角波发生器功能完全一样,也是实现255计数功能,但是这个255计数器是正弦波的相角发生器,其目的是把正弦波的一个周期360度分成255份,同时把这8位地址送入EPROM,作为EPROM的低8位地址。幅值发生器的功能是把正弦波的幅值分成256份,若输入电压是380V,则电压分的精度是380/256近似为1.5,对于一般的电动机而言,这样的精度是可以的。幅值发生器的输出8位数字量作为EPROM的高8位地址。根据EPROM的高低8位地址可以把512K的EPROM分成256个块,每一块就是某一幅值的正弦波值,由幅值发生器的输出决定;每一块由256个单元组成,前255个单元就是由相角发生器的输出决定,决定某一时刻(角度)的正弦波值的大小。正弦波值可按下列公式计算:
∞)=127+惫×120×sin(惫×360。)
(4.1)
其中圯为幅值发生器的输出值,行为正弦波的一个周期360度分成255份的第拧份,
n=0-254,120表示SPWM的调制度。
4.2.3死区延时及SPWM控制信号的产生
将8位数字锯齿波信号送入数字比较器模块DIN口,8位数字正弦波信号送入数字比较器模块的ABC口,然后进行数字量逐一比较。数字比较器的功能是:若B,C,A
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>Q时,引脚AH(BH,CH)输出高电平;若P<Q时,引脚AH(BH,CH)输出低电平。AH,AL,BH,BL,CH,CL信号经过死区延时后输出,以A相为例,经过VHDL语言编程可以实现死区延时,其内部延时及输出波形如图4.5所示。程序如下:
libraryieee:
use
ieee.std_logic_1164.all;
entityCMPis
GENERIC(M:TIME:=4us):
PORT(A,O—IN:INSTD—LOGIC_VECTOR(7
DOWNT0
0):
Up/down,PWME:IN
STD_LOGIC:
BH,BL,CH,CL,AH,AL:OUT
STD—LoGIC):
endCMP:
architecturebehavioral
ofCMPiS
SIGNALA,O—IN:STD—LOGIC—VECTOR(7
DOWNTO
0):
begin
P1:PROCESS(Up/down)BEGIN
IF(Up/down=’0’)THEN
B1<=B:BI<=A:ELSE
AI<=A:BI<=B:ENDIF:END
PROCESS
P1:
P2:PROCESS(A,D-IN,PWME)
BEGIN
IF(PWME=’0’)THEN
AH<=’Z’:AL<=’Z’:BH<=’Z’:BL<=’Z’:CH<=’Z’:CL<=’Z’:ELSE
IF(OIN>A)THEN
AL<=’0’:
AH<=’1’AFTERM:
变频调速电梯原理设计
ELSEAH<=’0’:
AL<=’l’AFTERM:ENDIF:
IF(D_IN>B1)THEN
BL<=’0’:
BH<=’1,AFTERM:
ELSE
BH<=’0’:
BL<=’1’AFTERi:ENDIF:
IF(D_IN>C)THEN
CL<=’0’:
CH<=’1’AFTERM:ELSE
CH<=’0’:
CL<=’l,AFTERM:
ENDIF:ENDIF:ENDIF:
ENDPROCESSP2:
endbehavioral:
最后,将产生的SPW/VI控制信号AH,AL,BH,BL,CH,CL分别送入六路驱动电路,驱动IGBT等电力电子功率器件。从而实现电动机的变频调速控制。另外,比较模块中还有PWME,UP/DOWN两个信号分别用来控制PWM发生器的使能和电机的正反转。
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A7
图4.5
A相输出波形
●
●
变频调速电梯原理设计
5
电梯运行速度曲线
电梯性能应兼顾乘坐舒适性、运行效率和节约费用等一方面的要求,这就要合理
选择速度曲线。
所有电梯的运行都包括加速起动、减速制动或加速起动、稳速运行和减速制动。因此电梯起动和制动是电梯运行质量的重要指标之一。电梯在起动和制动过程中,速度变化的选择十分重要,选择得适当,不但可以使电梯运行平稳、乘坐舒适,同时还能提高电梯的运行效率。
5.1乘坐舒适性
电梯轿厢加速上升或减速下降时,人体内脏的质量就会向下压在盘骨上、全身有超重感;当轿厢加速下降或减速上升时,支撑内脏的腹肌就会压迫肺脏、心脏等,因而造成了心、肺、胃等不适,甚至头晕目眩。
为了使电梯的运行速度(主要是启动和制动过程速度)符合人体的要求,人们曾作了若干试验,证明乘客的感觉和速度无关,而与加速度和减速度有关。大的加速度能使人产生痛苦。人眩晕、呼吸困难、恶心或心脏跳动等等。但是加速度(在一定范围内)所产生的影响还远不如加速度变化率P=da/dt产生的影响大。所以在选择电梯运行速度及其运行时,既要适当的选择加速度及其变化率,又要使电梯运行时间尽可能的短,以提高运行效率。《电梯技术条件》中规定:“电梯的起制动应平稳,速度最大值不超过1.5nVs2,最小值不低于0.5m/s2,在电梯行业中一般限制加加速度p不超过1.3m/s3。
5.2速度曲线
对于不同的运行速度和使用场合,电梯的速度曲线应有所区别,常用的速度曲线
有梯形、抛物线形和抛物线一直线一抛物线综合性三种。对于不同的曲线有着不同的
优缺点。
梯形运行曲线从运行效率的观点来看,其可以在最短的时间来完成加速和减速,但是它的加速度不是平滑变化,而是发生突变的,同时其加速度变化率的瞬间值为无穷大。它不能满足电梯中舒适性的要求,但在高速和超高速电梯中,起制动速度全为
抛物线则运行效率太低。因此常常采用更完善的方法,即抛物线一直线综合速度曲线。
抛物线.直线综合速度曲线的加速度时间起始段(tJn)和最末段(q/n)均为抛物
线,而中间段(甩.2)t加为直线形的速度曲线,如图5.1所示。N为起动时间系数。
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5.2.1
速度计算
当O<t<to/n时,则得
l,
v=一∥‘
2’
(5.1)
当t=ta/n时,则得
v:昙p(生):胪互p【≯‘
(5.2)
。V—u,广
/
V/
/
/
&
P
/
钐衣
0
tn/h
l(h—P)tn/n
\
tn/n
一
七n
图5.1抛物线.直线综合速度曲线
Fig.5.1
parabola-beelineintegratevelocity
curve
当户∥2时,则得
’,:丢p(生):+口朋(譬)乞
(5.3)
Z
,z
Z玎
当tJn<t<(n-2)tJn时,则得
1,:昙p(垒)2+am(t—k)ta
(5.4)
Z
,2
刀
当户(疗一2)tJn时,则得
’,:昙p(丘):+口。(盟),口
(5.5)
t)01.5(
变频调速电梯原理设计
因为速度是对称的,所以当户乙时
1,:p(生)z+口。(!丝)f。
当(挖-2)乙q‰时,则得
(5.6)
v:p(互)2+口肼(竺二兰),口一委p(f。一f)2
n
刀
Z
(5.7)
所以当肛‰及产乙时,则得
v=三am乙2石fa
V
(5.8)…)
所以最大加速度和加速度变化率分别为
am
2刍毒,p2石虿2石i’p2鲁毒
@9,剐’
5.2.2加速度时间计算
电梯起动过程中的加速度时间为
。:—V/O+—az:三+垒。=——=——+——
-'m
(5.lo)
paⅢ
“Ⅲ
∥
或写成
f。:兰+蔓
口所
以
(5.11)
根据前述关系,起动时间系数n为
喊(≯堕Pam】旦am2詈+l
t口
(5.12)
a二
对于中、低速电梯,n值一般取小些。但对于高速和超高速电梯,n值宜取大一些。这样抛物线运行段时间短,直线段运行时间长,有利于提高运行效率,但不一定使乘坐舒适感受到影响。因为舒适感不完全取决于n值的大小,而是取决于加速度最
大值口m及其变化率p。因此,在确定合理的%,础后,即可直接求出所需要的如和
n等值。
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5.2.3加速度辽程轿艄的运仃距离
在加速过程中,轿厢的运行距离h为速度与时间曲线的积分,即
办=J:『4vdt=111+h2+h3
(5.13)
起始抛物线运行段距离h,为
啊2参
(5.14)
直线段运行距离h2为
%2参【(俨2)(舻1)】
(5.15)
将式(5.12)代入上式并化简,则得
h2:娑攀2
(5.16)
2amp
起动末抛物线段运行距离h3为
呜=%笋.
@忉
加谏讨稗轿厢的运行足巨离ⅢII为
厅=ha+h2+吃=警=警
@埘
电梯起动和制动轿厢的运行距离则为
日:2h:垃
(5.19)
amp
根据前述公式,可以列出11、%、Dh各参数关系如表5.1所示。
根据前述技术过程得知,如hz=O时,则起动过程中运行综合速度曲线无直线段部分,而是由两端抛物线组成,即
h.:—vO,p-—a2.):0
‘
2ama
变频调速电梯原理设计
亦即,vp=口。2。显然在此情况时n=2--n面.。
当办:≠口三时,才是抛物线一直线综合速度曲线。可见只有叩≥口。2的条件下,电梯
理想的运行曲线才能实现。
表5.1玎、am、卿h参数关系
Tab.5.1
r/、am、Pandhrelation
5.3电梯的分速度运行
在高速及超高速电梯的运行,由于楼层高度的限制,常常在两层间电梯的运行达不到额定速度,而出现分速度运行,在此情况下,电梯实际上即处在起动和制动的状态下运行。其速度曲线如图5.2所示。
当O<t<am/p时
V=丢∥2
(5.20)
当t-=am/p时,速度和运行距离分¥tJYg
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h
L
H
h
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MoⅦ‰
一:一//
(a)
一
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0
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t
ak。/p
1
,
~
T
(a)速度曲线(b)距离曲线
(a)velocitycurve(b)distance
curve
图5.2分速度运行曲线
Fig.5.2
Sub—velocity
curve
V=券2,如=岳
所以一个起动和制动的距离(即两层站间的距离)为
日蚴出扣=2等
因此可得
口m
2
,/丝
V
2
从而得到两层站间可达到的最大速度为
v懈:亟
P
:每
(5.22)
(5.23)
(5.21)
变频调速电梯原理设计
在给定加速度变化率胛层站距离H的情况F,n--I求得n--2时运行时I司T为
卜2加√等@24,
在楼层层站距离H大于2口三/p2的情况下,则起、制动速度就包括了直线部分,即n>2。轿厢运动是以最大加速度变化率瓞到最大加速度‰,然后按恒加速度%运
1,:篓+%%(5.25)、
2JD”~
最大运行速度为
k=譬号@26,
起、制动距离为
H=2h=112v脚T=口。丁2/4-a2.,T/2p(5.27)
当给定最大加速度口,一、加速度变化率胛楼层两层站距离H的情况下,将式(5.27)格珲后,则甫梯分谏度运行所占用的总时闻为
丁:堕lr
1±
PI(5.28)
L
如果H=2口三/p2(起、制动无直线段,即无恒加速度),则运行时间为
T=4a。/p(5.29)
如果H<2口二/p2,则非但起、制动无直线段,就是速度的抛物线运行段也不足了。在此情况下,电梯起动过程中可能达到的最大加速度Clraax的实际值比前述H≥2a3/p2情况下的口加还要小。因此,应首先根据两层站间的距离H求出实际可能达到的最大加速度am值,然后据此计算其他各值。
5.4运行速度分析
假设某建筑物高为lO层,层高为3.5m,可层层服务。电梯主要参数:载重量为1000kg,最大速度为2.5m/s,层站为9站。行,恒加速度运行的最后阶段的运行速度为