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电梯永磁同步无齿轮传动系统对变频器的要求

发表于:2019-10-21 15:13 作者:新闻小编 来源:新闻小编

1 引言

  近几年来,随着无机房、小机房电梯的广泛应用,永磁同步电动机的无齿轮传动成为目前电梯行业的技术发展主要趋势。无齿轮传动电梯由电动机的输出轴直接与主机的曳引轮连接,不需要齿轮减速或其它减速机构,直接驱动电梯运行。这种传动方式具有传动效率高、噪音低、机械结构简单等特点,是电梯众多曳引传动方式中最佳方案。目前,大多数电梯产品都采用了变频驱动的方式,由传统的有齿轮传动电梯到永磁同步电动机的无齿轮传动电梯,在变频控制方面有那些不同和要求,这正是本文要讨论的问题。

2 永磁同步电动机的特点

  (1)永磁同步电机的电磁转矩比同容量的普通交、直流电动机大

  忽略了附加转矩后,永磁同步电动机的电磁转矩表达式为:



  从式(1)、(2)可见,t与即与b成正比,而永磁同步电动机的转子磁极采用高性能、低价格的钕铁硼(ndfeb)稀土永磁材料制成,这种材料在室温下的剩余磁感应强度高达1.47t,最大磁能积达397.9kj/m2,比普通电机的b大得多,因而其输出转矩要大得多。



  (2) 效率和功率因数高

  该电机不需要无功励磁电流,可显著提高功率因数(可高达1),并减少了定子电流和定子电阻损耗。在电机稳定工作时,转子和定子磁场同步运行,转子无感应电流,也就不存在转子电阻损耗,两者使电动机效率提高2%~8%,而且该电机负载率(p2/pn)在25%~120%范围内均可保持较高的效率和功率因数,使轻载运行时节能效果更显著,见图1及图2。[3]


图1 永磁同步电动机与异步电动机的效率曲线比较


图2 永磁同步电动机与异步电动机的功率因数曲线比较



  从图1与图2也可看出,由于异步电动机转子绕组要从电网吸收部分电能励磁,使得电机得效率及功率因数较低,尤其电机在负载率小于50%时,两者都大幅度下降。

  (3)永磁同步电动机转子无电流流过,定子绕组中较小或几乎不存在无功电流,使电动机温升低,延长了电机使用寿命

  综上所述,虽然采用了高性能的永磁材料,使电机的成本有所提高,但是消除了减速机构后,减低了机械制造成本,同时由于电动机效率及传动效率的提高,使得电梯的变频调速装置容量大为减少。例如,有齿轮传动的速度为2m/s,载重1000kg的电梯,需要变频器的容量为22kw,采用永磁同步电动机无齿轮驱动的同样电梯,变频器的容量为15kw。

3 电梯变频驱动装置的设计要求

  (1)由于是无齿轮减速直接曳引,电动机的响应变化将通过钢丝绳直接作用在电梯轿厢上,因此为考虑电梯的振动、舒适感等指标,需要设计控制精度高,响应速度快的高性能变频调速控制器。特别是电流环的检测精度和计算响应的速度。

  (2)旋转编码器

  在永磁同步电动机的控制系统,编码器除了反馈电动机的转速,还需要检测电动机的磁极位置,所以编码器需要能够反馈磁极位置信号。另外,无齿轮曳引方式,电动机转速较低,因此要求编码器的分辨率更高,一般要求在4096c/t以上才能使系统有良好的控制性能。所以这种电梯系统一般会选用绝对值或正、余弦的高性能旋转编码器。而目前一般的变频器标准配置为a、b相的增量式旋转编码器,这就要求在变频器的设计中要考虑新的旋转编码器的接口和应用设计。

  (3)与交流异步电动机比较,永磁同步电动机在额定频率下并不能自起动,需要在变频器驱动下起动。这是因为永磁同步电动机的转子是永磁体,其转子磁场是恒定的,所以定子磁场的产生需要配合转子磁场磁极的位置,以产生电动机运转所需要的转矩。因此在永磁同步电动机的电梯系统中,变频器需要设计有通过编码器反馈检测磁极位置信号,并根据磁极位置、电动机的转速、所须转矩等产生定子旋转磁场的功能。



  (4)在目前的系统中,对永磁同步电动机的磁极检测,在变频器的设计上,需要对变频器参数进行初始化设定。很多时变频器需要对电动机进行空载运转来作设定,但是对于电梯产品,当一台电梯安装完成后,这是电动机上已经挂上了轿厢、对重等负载,再进行空载运转来作磁极位置初始化设定并不实际,所以在这种电梯系统中,变频器需要有不需空载运转来作磁极位置初始化设定的功能。

  (5)为了保证在各种负载条件下电梯都获得较好的起动特性和制动特性,在无齿轮曳引驱动控制系统中设置负载检测装置是十分必要的。在系统中,由于如前所述,采用绝对值或正、余弦的高性能旋转编码器,变频器的设计可以利用旋转编码器的性能,在电梯起动瞬间,计算出需要补偿的力矩,并补偿进输出力矩上,从而达到平稳起动。这需要变频器在信号检测精度、抗干扰能力和计算响应速度上都有一定程度的提高。

  (6)考虑到无齿轮曳引,需要低速大转矩,因此电动机要采用多极数的设计,一般都在20极以上,甚至有40及或更高的。所以电梯用的变频器比以前需要能适应更高电动机极数的要求。

  (7)噪音

   传统的电梯系统,由于采用的是有齿轮减速箱的传动方式,所以电梯机房的噪音一般是以齿轮箱的噪音为主。而采用永磁同步电动机的无齿轮传动的电梯,由于没有了齿轮减速箱,电动机的电磁噪音就成了电梯机房噪音的主要成分。所以系统对变频器在电动机噪音抑制方面也提出了更高的要求。

  (8)保护

  一般的变频调速电梯,其变频器的设计在对自身的保护和对系统及安全方面的保护都作了不少的考虑,但是对于永磁同步电动机的无齿轮传动的电梯,在传统系统的基础上,还需要根据无齿轮传动的特点以及永磁同步电动机的特点,在电梯的安全性方面进行新的设计。如对电动机可能因磁极位置检测错误而发生的失速动作进行保护,这需要变频器有专门的设计,同时有更高的检测和计算速度。

  (9)能量回馈

  电梯作为垂直运输的交通工具,其特点决定其运行过程中必然存在电动和发电两种状态。传统的电梯变频器在设计上,一般是将电梯在发电状态运行时反馈的能量通过电阻消耗掉。一方面,变频器这样的设计会比较简单,成本较低;另一方面,传统的电梯采用有齿轮减速箱的传动方式,效率较低,所以反馈的能量也较少。但是采用永磁同步电动机的无齿轮传动的电梯,由于没有齿轮减速箱,效率提高了,所以反馈的能量也相应增加了不少。如果还是采用传统的方法,通过电阻消耗,一个是电阻的功率、体积和成本都大幅提高,另一个在能源紧缺的今天,也不符合节能环保的趋势。因此在永磁同步电动机的无齿轮传动的电梯系统中,变频器的设计需要有能量回馈的功能,将这些反馈的能量通过变频器回馈到电网。

4 系统的一些实际应用情况

  4.1 电梯运行过程的噪音

  在距电机1米的上、前、后、左、右五点进行测试,取平均值根据该值与环境噪音差值进行修正,结果为58db,小于企业标准75db,比现行电梯系统噪音低得多。



  4.2 电梯运行舒适感

  它指电梯运行过程中加、减速及匀速过程中的振动加速度,从图3、图4可见,匀速运行的振动加速度小于15gal,低于20gal设计值。加、减速过程的振动加速度超过20gal但小于25gal满足设计要求。

图 3 电梯上行时的振动加速度曲线

图4 电梯上行时的振动加速度曲线


  该系统经过应用设计被成功运用在电梯产品上,到今年已经在全国多个客户安装运行,客户普遍反映该产品具有运行噪声低、耗电少、运行平稳的特点。

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