CN1007686B - 交流电梯控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一个交流电梯控制装置，其中的直流电源接在逆变器上从而将直流电变换成交流电，利用该交流电驱动感应电动机，使电梯舱运行，在控制装置的制动侧装有电流指令发生器，当上述感应电动机由电动运行转换到制动时，电流指令发生器发送的电流指令的频率低于感应电动机的临界频率，从而不产生再生反馈。

Description

本发明涉及利用频率可变电源驱动感应电动机使电梯舱升降的交流电梯控制装置。

交流电梯利用感应电动机驱动电梯舱，该感应电动机通过频率可变电源供电，从而可以改变差转频率，借以进行转矩控制。有人提出过在这种交流电梯中采用控制感应电动机制动电源的频率和电流的方法来控制感应电动机，使感应电动机在制动时不会产生再生电力。

图4、图5分别为特开昭61-224888号公报中所示的上述过去的交流电梯控制装置的电路图和用来说明防止发生上述再生电力的方法的感应电动机的简明等效电路图。首先，在图5中，l₁、l₂分别为初级和次级的漏感，R₁、R₂分别为初级和次级电阻，S为转差率，V、I分别为加在感应电动机上的电压和流过的电流。

图中，转差率

机械输入功率Pm为：S＝-R₂/R₁……（1）

Pm＝m (1-S)/(S) R₂I²＝-m（R₁+R₂）I²……（2）

式中m为相数，感应电动机所消耗的电功率P_E为：

P_E＝m（R₁+R₂）I²……（3）

因此，机械输入功率和感应电动机的消耗电功率相等。但是，如果在转差率满足上面的（1）式的状态下运转时，感应电动机不会产生再生电力，同时也不需要供给电力。

另一方面，设转子的旋转角速度为Wr，输入频率为Wo，极对数为P，则感应电动机产生的转矩T为：

T＝ (P_m)/(ω_r) = (P)/((1-S)ω₀) ·m (1-S)/(S) R₂I²

＝mp (R₂)/(ω₀S) I²……（4）

式中ω_r＝ (1-S)/(p) ω₀……（5）

将式（1）代入式（4），则有

T=-mp (R₁)/(ω₀) I²……（6）

再将式（1）代入式（5），则有

ω₀= (P)/(1-S) ω_r=P (R₁)/(R₁+R₂) ω_r……（7）

也就是说，如果控制Wo，使其满足式（7），则感应电动机不会产生再生电力。此时的转矩T可由式（6）算出。

图4是上述控制方法具体化的示意图。图中（1）为减法器，用来从速度指令信号W_p减去来自下述测速发电机（14）输出的实际速度信号W_r，（2）为控制补偿器，用于补偿该减法器的输出信号。（3）为动力运行侧的电流指令发生器，它根据来自上述控制补偿器（2）的转矩指令输入信号T和实际速度输入信号Wr，输入电动运行时的电流指令值I_A。（4）为制动侧的电流指令发生器，它 根据转矩指令输入信号T和实际速度输入信号Wr，输出制动时的电流指令值I_B。（5）为选择开关，用来选择动运行时的电流指令值I_A或制动时的电流指令值I_B。它根据由控制补偿器（2）输出的转矩指令信号T的极性进行转换。（6）为减法器，用来从上述开关（5）选接的电流指令值I_A或I_B中减去由下述电流检测器（15）输出的电流值，（7）为脉冲宽度调制器。它以该减法器（6）的输出信号作为输入信号。用来调制脉冲宽度。（8）为逆变器。它受控于脉冲宽度调制器的输出，作为可变电压、可变频率电源，用来驱动感应电动机（9）。（10）为钢丝绳卷扬机，它利用感应电动机（9）驱动旋转。卷扬机上绕有钢丝绳（13）。钢丝绳的两端固定着电梯舱（11）和配重（12）。（14）为用来检测上述感应电动机（9）的转速用的测速发电机，（15）为用来检测流经感应电动机（9）的电流的电流检测器。

在如上所述结构的交流电梯控制装置中，从速度指令信号W_p中减去实际速度信号W_r的减法运算由减法器（1）运算;控制补偿器（2）以减法器（1）的输出信号作为输入，当（2）所输出的指令信号T为正。从而产生电动运行转矩时，电动运行侧电流指令发生器（3）以该转矩指令信号T和实际速度信号Wr作为输入，并发出电流指令值I_A。该电流指令值I_A被开关（5）选中。通过该开关（5）的输出信号在减法器（6）中与电流检测器（15）的输出信号进行减法运算，也就是与实际电流进行比较，然后向脉冲宽度调制器（7）发送必要的电流指令。脉冲宽度调制器（7）根据必要的电流指令控制逆变器（8）。于是由逆变器（8）向感应电动机（9）提供的电流得到最佳控制，从而就控制了所产生的转矩。

其次，当由控制补偿器2产生的转矩指令信号T为负    ，从而产生控制转矩时，根据实际速度信号ωr，由式（7）求出速度指令信号ωo。另一方面，根据转矩指令信号T，由式（6）求出电流：

I＝ $K\sqrt{\mathrm{T\; ·\omega }{}_0}$ ……（8）

但是，制动侧电流指令发生器（4）产生由式（7）和式（8）算出的电流指令值I_B，通过开关（5）供给减法器（6）。在减法器（6）中。电流指令值I_B与由电流检测器（15）提供的实际值进行差分。该差分值通过脉冲宽度调制器（7）送至逆变换器（8），通过该逆变器（8）将提供给感应电动机（9）的电流值控制在设定值的大小。

但是，在上述过去的控制装置中，转矩指令信号T由电动运行侧转移到制动侧之后，将感应电动机9的输入频率ωo变为式（7）所示的值，于是感应电动机（9）将产生过渡性的转矩脉动，该脉动频率等于下式所示的感应电动机（9）的转差频率ωs。

ω_S＝ω_O-pω_r……（9）

将式（7）代入式（9），得

ω_S=-P (R₂)/(R₁+R₂) ω_r……（10）

下面说明转矩脉动频率等于该转差频率ωs的原因。在定子上固定的纵轴d和横轴q的坐标系中，鼠笼式感应电动机的基本方程式为下所表示。

式中V_ds：一次d轴电压

V_qs：一次q轴电压

i_ds：一次d轴电流

i_qs：一次q轴电流

i_dr：二次d轴电流

i_qr：二次q轴电流

R₁：一次电阻

R₂：二次电阻

L₁：一次自感

L₂：二次自感

M：一次与二次互感

P：微分算子（＝d/dt）

P：极对数

ωr：转子的旋转角速度

所产生的转矩则由下式表示

T＝p（φ_2qi_dr-φ_2di_qr） ……（12）

式中φ_2α、φ_2q分别为沿d轴和q轴的二次磁通量，如下式所 示：

φ_2d＝Mids+L₂idr ……（13）

φ_2q＝Miqs+L₂iqr ……（14）

将式（13）、式（14）代入式（11）中的第3行、第四行，消去i_dr、i_qr，则有：

（R₂+PL₂）φ₂d-MR₂i_ds+ω₂L₂φ_2q＝0 ……（15）

（R₂+PL₂）φ_2q-MR₂i_qs-ω₂L₂φ_2d＝0 ……（16）

同样将式（13）、式（14）代入式（12）中，则有

T=P (M)/(L₂) (φ2diqs-φ2qⁱds) ……（17）

现在为简化起见，将转矩指令信号T从电动运行侧转换到制动侧之后的一次电流i_u、i_v、i_w分别设为：

……（18）

d轴、q轴的一次电流i_d、i_q分别如下式所示：

……（19）

根据式（19），转换后在电动机的旋转角速度为一定的条件下，解式（15）、（16）的微分方程式，则φ_2d、φ_2q分别如以下各式所示：

${\phi }_{\mathrm{2\; d}}\mathrm{=\; K}{}_1\mathrm{［e}{}^{-\frac{R_2}{L_2}t}{\mathrm{\{K}}_2\mathrm{c\; o\; s\; \omega }{}_2\mathrm{t\; +\; K}{}_3\mathrm{s\; i\; n\; \omega }{}_2\mathrm{t\; \}}$

${\mathrm{+\; K}}_4\mathrm{c\; o\; s\; \omega }{}_0\mathrm{t\; +\; K}{}_5\mathrm{s\; i\; n\; \omega }{}_0\mathrm{t\; ］}$

${\mathrm{+\; \phi }}_{\mathrm{2\; d}}\mathrm{(\; 0)}{}_c{}^{\frac{R_2}{L_2}t}{\mathrm{c\; o\; s\; \omega }}_2\mathrm{t\; -\; \phi }{}_{\mathrm{2\; q}}\mathrm{(0)\; e}{}^{-\frac{R_2}{L_2}t}{\mathrm{s\; i\; n\; \omega }}_{2}t$

……（20）

${\phi }_{\mathrm{2\; q}}\mathrm{=\; K}{}_1\mathrm{［-\; e}{}^{-\frac{R_2}{L_2}t}{\mathrm{\{K}}_3\mathrm{c\; o\; s\; \omega }{}_2\mathrm{t\; +\; K}{}_2\mathrm{s\; i\; n\; \omega }{}_2\mathrm{t\; ］}$

${\mathrm{-\; K}}_5\mathrm{c\; o\; s\; \omega }{}_0\mathrm{t\; +\; K}{}_4\mathrm{s\; i\; n\; \omega }{}_0\mathrm{t\; ］}$

${\mathrm{+\; \phi }}_{\mathrm{2\; q}}\mathrm{(\; 0)}{}_e{}^{-\frac{R_2}{L_2}t}{\mathrm{c\; o\; s\; \omega }}_2\mathrm{t\; -\; \phi }{}_{\mathrm{2\; d}}\mathrm{(0)\; e}{}^{-\frac{R_2}{L_2}t}{\mathrm{s\; i\; n\; \omega }}_{2}t$

……（21）

式中ω₂∶pω_r……（22）

K₁₂K₅：常数

φ₂d（0）：转换前沿d轴的二次磁通量

φ₂q（0）：转换前沿q轴的二次磁通量

将式（20）、（21）代入式（17），则转矩T为：

${\mathrm{T\; =\; K}}_6\mathrm{+\; e}{}^{-\frac{R_2}{L_2}t}{\mathrm{［\{K}}_7\mathrm{-\; K}{}_8\phi {}_{\mathrm{2\; q}}\mathrm{(0)\; \}\; s\; i\; n\; \omega }{}_{s}t$

-{K₉-K₈φ_2d(0)}cosω_st ……（23）

式中K₆～K₉：常数

ωs：转差角频率（＝ωo-Pωr）

由该式（23）可知，电动机产生转矩时，为什么会过渡性地产生其频率等于转差角频率ωs的转矩脉动。

可是，制动时的转差角频率ωs由式（10）给出，但例如速度为60米/分的电梯，假设全速时电动机的转速为1800转/分，则当全速时从电动运行状态转换为制动状态时，P＝2的电动机，其ωs的绝对值为：

|ω_s|=P (R₂)/(R₁+R₂) ω_r

=P (R₂)/(R₁+R₂) (30×2π)

即该电动机产生30频兹的转矩脉动。

其次，一般来说电梯的机械系统（特别是钢丝绳系统）的传递函 数如图6所示。在纵轴上以dB表示ω（＝2πf）/T，横轴上为频率。由该图可见，在频率f低的区域，增益大，而在f高的区域，增益小。然而，在30赫芝左右的振动区，其增益并不那么低。因而振动便会传递到电梯舱内，结果使乘坐舒适感恶化。

本发明的目的就是为了解决上述的问题，由此形成的交流电梯控制装置，当从电动运行状态，转换到制动状态时，电梯舱内不会产生令人不愉快的振动。

本发明涉及的交流电梯控制装置。当从动力运行转换到制动状态时，能够使流过感应电动机的一次电流的频率小于式（7）所示的值。也就是说，能够使转换到制动状态后的频率低于使感应电动机的机械输入功率与感应电动机内消耗的电功率相等的频率。

本发明的交流电梯控制装置，由于能够使转换到制动状态后的频率低于再生电力恰好在电动机内部被消耗掉的频率，因此转差频率不会使机械系统产生共振，故可控制电梯舱内的振动，获得较好的效果。

图1所示为本发明的一个实施例的电路图。它与前面所述的图4不同之处仅仅在于制动侧电流指令发生器（16）有所不同;而（1）～（3）和（5）～（15）则与前前的实例完全相同。图2是图1中的制动侧电流指令发生器（16）的详图。图中，（161）是函数器，它根据从控制补偿器（2）发出的转矩指令信号T产生一次电流振辐指令f（T）;（162）是放大器，它以测速发电机（14）发出的实际速度信号ωr为输入，其增益用P= (R₁)/(R₁+R₂) 表示。（163）是放大器，当电动运行转换到制动后，其增益K（t）低 于1，但随着时间的经过，增益很快接近于1，其特性示于图3。（164）是正弦波发生器，它根据上述函数器（161）输出的一次电流振幅指令和放大器（163）输出的一次电流频效指令ωo，产生正弦波的三相电流指令。

在上述实施例中，一次电流频率ωo由下式决定：

ω₀=P (R₂)/(R₁+R₂) ·K(t)ω_r

这时转差角频率ωs的绝对值为。

|ω_s|=|ω₀-pω_r|

= (R₁+R₂{1-K(t)})/(R₁+R₂) pω_r……（25）

式中K（t）若由图3所示的特性曲线设定时，则从电动运行状态转换到制动状态后，｜ωs｜比K（t）为1时的值大，例如K（0）＝0时，

｜ω_S｜＝pω_r……（26）

可是，如图6所示，在频率高的区域，机械系统的增益小，所以在以往的实例中产生了30赫芝的转矩脉动，并且会将振动传递到电梯舱内，然而如果按照本发明的实施例，如以上式（26）所示。当K（0）＝0时，产生60赫芝的转矩脉动，但这时不会将振动传递到电梯舱内。再者，如式（24）所示，如果满足K（t）1的条件，感应电动机的机械输入全部在电动机内部被消耗掉，而在K（t） ＜1的范围内，由于电动机内多余的电能被消耗，电动机因而会发热从这个角度来看，并不理想。即当K（t）＝1时，就是说ωo=P= (R₁)/(R₁+R₂) ωr时，电动机的机械输入恰好等于电动机内部的消耗量（这种状态称为临界状态），当ω_O大于此值时，电动机的内部消耗电功率比机械输入功率小，便会有电力再生。反之，若ω_O小时，内部消耗电功率大，则电动机会大量发热。因此转换到制动状态之后，假定是在K（t）＜1的范围内，但是随着时间的经过，如果能够回转到K（t）＝1即可。在这样的情况下，电动机的转矩脉动会如方式（23）所示，按照指数函数项e^-L₂的方式减小下去，也就不会将振动传递到电梯舱内。

如上所述，如果按本发明实施，由于从电动运行状态转换到制动状态之后感应电动机中所流过的一次电流的频率低于感应电动机不会产生再生电力的临界频率，所以令人感觉不愉快的振动不可能传递到电梯舱内。

有关图纸的简单说明：

图1所示，为本发明的一个实施例的电路图。图2为图1中采用的制动侧电流指令发生器的详图，图3为图2中采用的放大器的特性曲线图。图4为过去交流电梯控制装置的电路图，图5为用于说明图4所示电路的工作原理的感应电动机的简化等效电路图，图6为表示电梯的机械系统，特别是钢丝绳系统的传递函数示意图。

图6中是比较器、8是频率可变电源、9是感应电动机、11是电梯舱、15是电流检测器、16是制动侧电流指令发生器。

另外，各图中的同一符号表示同一部分或与其相当的部分。

Claims (2)

1、交流电梯控制装置，由连接于直流电源的变换器将直流电变换成交流电，为该交流电驱动感应电动机来运行电梯舱，其特征为设置有：产生电梯舱速度指令的速度指令发生装置；检测前述感应电动机运转速度的速度检测器；将速度检测器输出的速度信号与前述速度指令发生装置输出的速度指令信号进行比较的第1减法器；根据该减法器的输出信号，发出前述感应电机转矩指令的控制补偿器；根据该转矩指令信号和前述速度信号产生前述感应电动机运行时电流指令的运行侧电流指令发生装置；根据前述速度信号和转矩信号，产生前述感应电动机制动时电流指令的制动侧电流指令发生装置；前述转矩指令信号为正时，选择前述运行侧电流指令发生装置输出的运行侧电流指令信号作为电流指令信号，前述转矩指令信号为负时，选择前述制动侧电流指令发生装置输出的制动侧电流指令信号的转换装置；检测输入前述感应电动机瞬时电流的电流检测器；以及将该电流检测器输出信号与前述电流指令信号比较的第二减法器，前述制动侧电流指令发生装置，在对前述感应电动机在产生制动力时，根据该感应电动机不产生再生电流的临界频率，基于前述速度信号演算出低的频率，产生该频率的制动侧电流指令，同时根据前述第二减法器的输出信号控制流入感应电动机的电流遵从前述电流指令。

2、权利要求1中所述的交流电梯控制装置，其特征为：转换到制动后，由制动侧电流指令发生器产生的电流指令值的频率会回到临界频率值。

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