电梯交流变频变压调速系统的设计

电梯交流变频变压调速系统的设计

摘要：本文主要介绍了以单片机为控制芯片，采用VVVF变压变频控制策略的电梯调速系统的软硬件设计。

关键词：单片机；VVVF；变压变频；电梯调速

Design of AC VVVF Elevator Speed Governing System

Abstract: This paper mainly introduces the single chip microcomputer to control chip, using VVVF variable voltage and variable frequency control strategy of elevator speed control system hardware and software design.

Key words: single chip microcomputer; VVVF; Variable voltage and variable frequency; Elevator speed governing

1前言

随着现代建筑的蓬勃发展，日益增多的高层建筑已成为现代都市的重要标志。 作为高层建筑的垂直运载工具，电梯也倍受青睐。其需求量越来越大，性能越来越高。 而电梯性能的优劣，在很大程度上取决于电动机转速的调控。例如:：平稳启动、平稳加减速、平稳停车。 以满足人们快捷、舒适的需求；节能、环保以满足用电质量的要求。因此，电动机的调速拖动系统是电梯的核心部分。为此,，人们花费了大量精力，历经一个多世纪,，使电梯的调速性能不断提高完善。

2系统简介

自从19 世纪末, 美国奥梯斯公司制造出世界上第1 台电梯到20 世纪50 年代, 电梯几乎都是由直流电动机拖动的。其调速的平滑性好、范围广, 无噪音, 能满足人们快捷、舒适的要求。但直流电动机具有结构复杂、制造和维修困难、体积大、占地面积大等缺点。为此, 力图用运行可靠、结构简单、体积小、价格低、便于制造和维修的三相交流异步电动机, 来

代替直流电动机。而代替的关键就在于异步电动机的调速性能。

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。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。

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IGBT，而用SPWM来控制IGBT的导通和关断。SPWM(正弦波脉宽调制)的方法同时改变电压的幅值和频率。

3VVVF闭环控制策略

VVVF，顾名思义，就是变压变频的意思，在电机学中，电动机定子绕组的感应电动势

（1）

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

又知，在电机学中，交流电动机的转矩为

（2）

由（2）式知，当外加负载转矩不变时（人数一定时，电梯属于恒转矩负载），随着的增加而减少，或随着的减少而增加，将导致电动机转子电流有功分量的变化，使得电机的效率变低，同时电机的最大转矩也将变化，严重时会使电动机堵转，而长时间堵转会烧坏电动机，且随着的减少而增加时，也会导致磁路饱和，励磁电流增大，使电机铁耗和铜耗增大。

因此，想要通过调节来调速，需要保持恒定，由（1）式知需使保持恒定，调频的同时必须调压。

在电机中增加编码器测速装置，利用给定与反馈的差值通过PI调节得出转差频率，即使系统构成闭环，增加动静态性能。

4 硬件设计

本文介绍了基于单片机的电梯控制系统，硬件部分主要由单片机最小系统模块、电梯间电路模块、电梯内电路模块、楼层检测模块、电动机驱动模块、报警模块等7部分组成。该系统采用单片机（8051）作为控制核心，内外招使用按键按下与否而引起的电平的改变， 作为用户请求信息发送到单片机，单片机控制电动机转动，单片机根据楼层检测结果控制电机停在目标楼层。楼层检测使用光电传感器，电动机控制部分采用直流电动机及H桥式驱动。

电动机驱动变频变压控制电路主要包括：

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。

滤波电路：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，本系统采用电压型(大电容)滤波方式。

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，回馈的能量消耗在制动电阻上。

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。在本系统中采用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通过SPWM算法来控制IGBT的导通与关断。如图1所示

反馈电路：速度编码器

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。

图1 三相逆变电路框图

图2三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形

图2为三相PWM波形，其中

ura 、urb 、urc为A，B，C三相的正弦调制波， uc为双极性三角载波；

uAO’ 、uBO’ 、uCO’ 为A，B，C三相输出与电源中性点N’之间的相电压矩形波形；

 uAB为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和- Ud ；

uAN为三相输出与电机中点N之间的相电压。

5 软件设计

软件部分使用c语言，简单易懂，利用中断方式来检测用户请求的按键信息，根据电梯运行到相应楼层时，光电传感器产生电平变化，送到单片机计数来确定楼层数，并送到数码管进行显示。硬件设计简单可靠，结合软件，基本实现了电梯运行的模拟。

图3闭环VVVF模块框图

VVVF软件设计模块框图如图3所示，由给定转速与反馈转速差值送入PI调节器，得出转差频率，加上反馈频率即为输出频率，乘上压频比得到转差电压，经过补偿后与反馈频率得到的电压值相加即为输出电压，将与送入SPWM模块计算后发波控制逆变电路调节电机转速。

6 结语

电梯是都市生活中不可缺少的交通工具，而电梯性能的优劣在很大程度上取决

于其拖动系统的性能，随着微机和微电子的发展，电梯拖动系统进入了全微机化的时

代。本系统是基于单片机8051控制电梯VVVF调速系统，比同容量的直流电动机调速具有体积小、占空间少、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。融入先进的微机技术，采用SPWM算法，明显改善了电梯运行质量和性能：调频范围广、控制精度高、动态性能好、舒适、安静、快捷。并且改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波, 提高了效率和功率因数, 节省了能源，具有很高的可靠性。

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