CN1009187B - 电机控制系统 - Google Patents

Abstract

由一个变流机转换输出一种具有可变电压和频率的交流电供感应电机驱动电梯使用，以便在进行节能操作时减小速度指令值，降低变流机输出频率。这样，即使在电梯间速度降低的情况下，也可实现节能操作，而不至于影响效率。由于与此同时，整流器的输出电压升高，功率因数也会改善，其结果是进一步加强了节能效果。

Description

本发明涉及一种电机控制系统，更具体讲是对由交流电机驱动的电梯速度控制系统所做的改进。

例如，在美国第3，866，097号专利所公开的一种装置中，高速电梯是通过使用感应电机来驱动电梯间，并控制加到该电机中的电压来进行工作以获得平稳升降特性的。这一装置的结构将参照图1进行介绍。

图中，标号R-S-T表示三相交流电源，标号1表示一个三相感应电机，其初级线圈1A至1C与交流电源R-S-T各相连接。标号2A至2C为可控硅，标号3A至3C为二极管，它们分别与可控硅2A至2C并联相接，并接入交流电源R-S-T各相和电机1的初级线圈1A至1C之间线路。标号3为中心抽头变压器，它的初级线圈与交流电源R-S-T连接，各次级线圈通过可控硅4A和4B与电机1初级线圈1B的一端连接，而其中心抽头与初级线圈1C连接。标号5（TG）是一个检速器或测速发电机，它与电机1的转子轴连接，产生一个与转子转速成正比的速度信号5a。标号6为驱动滑轮，它由电机1的转子驱动，标号7为主钢索，它绕在滑轮6上。标号8和9为电梯间和连接在主钢索7另一端的配重。标号10为速度指令产生电路。标号11为运算放大器，它将速度指令信号10a与速度信号5a之间的信号差放大，并使触发器控制电路12或13按照此信号差工作。触发器控制电路12和13分别用于触发控制可控硅2A至2C及4A，4B。

当电机在带着沉重负载下降的电梯间8处于减速过程中工作时，速度信号5a大于速度指令值10a。运算放大器11发出一个输出信号加到触发控制电路13，使可控硅4A和4B受到触发控制。由于可控硅4A和4B接有一中心抽头单相全波整流电路，直流电流便沿着箭头X指定的方向流过电机1的初级线圈1B和1C。电机1根据负载的需要产生一制动转矩，这样，电梯间便能平稳地减速。

另一方面，近来人们对节能的要求越来越高。当使用电梯的乘客人数较少时，通过减速来控制电机的输出当然是实现节能的一项措施。但是，如通过图1所示的控制器在电动运行时减速，就必须降低电压，以增加电机的转差率。为了降低制动速度，必须单独增加直流电流。这就使低速工作时的效率十分差。由于输入的增加，即使通过减速减少了电机1的输出，也仍然不能达到节能的目的。

本发明的一个目的是提供一个能够解决上述问题的系统。

本发明的另一目的是提供一个控制交流电梯速度的系统，在此系统中，具有可变电压和可变频率的交流电由一逆变器转换而获得，然后加到感应电机中。速度指令值在节能运行指令控制下减小，逆变器的输出频率下降，使电梯间的速度下降，从而有可能达到节能运行的目的。

图1为交流电梯常规速控系统配置图。

图2为本发明交流电梯速控系统的电路图。

图3至图5为图2所示系统的相位控制电路的电路图。

图6为图2所示系统门电路的电路图。

图7为图2所示系统门电路的电路图。

图8为图2所示系统基极驱动电路方块图。

图9为图8所示系统的三角波发生器电路图。

图10是说明图9所示系统三角波发生器工作的波形图。

图11为图2所用的矢量控制系统方块图。

图12和图13为图11所示系统速度指令产生电路 的电路图。

图14为说明图12和图13所示系统工作的波形图。

图15为图11所示系统的三相一两相座标换器方块图。

图16为图11所示系统的二相-三相座标转换器方块图。

图17为图11所示系统系数乘法电路的电路图。

图18为图11所示系统函数发生器的方块图。

图19为图11所示系统激励指令电路的电路图。

图20为倒相放大器。

图21为非倒相放大器。

图22为带有限幅器的非倒相放大器。

图23为加法器。

图24为减法器。

图25为积分器。

图26为延迟和超前电路。

图27至图29为比较器。

图30和图31分别为正常工作和节能工作时的图形。

下面将参照图2至31介绍一个在感应电机矢量控制器上采用本发明的实施方案。

在图2中，有一个再生制动转换器16，它与交流电源R-S-T连接，并包括组成全波整流电路的可控硅16A至16F。电动运行变换器17与交流电源R-S-T和再生制动转换器16的直流部分连接，它包括组成三相全波整流电路的可控硅17A至17F。平流电容18与电动运行变换器17的直流输出端17a至17b相连接。电压检测器19包括一个跨接在平流电容18两端的电阻。其输出端19a与相位控制电路25相接。逆变器20与直流输出端17a和17b连接，它包括6个晶体管20A至20F和6个二极管20a至20f。二极管20a至20f跨接在晶体管20A至20F的两端。晶体管20A至20F成串联对，跨接在直流输出端17a和17b上。加法器21（参见图22）用于将一个恒值信号22与一同步角速度信号88a（下面将予以介绍）相加。带限幅器的放大器23（见图22）用于将加法器21的输出进行放大，并在一定值上处于饱和状态。用于控制节能运行的继电器触点24a与放大器23串联连接，发出节能的指令后，该接触点闭合。发出低能运行指令的继电器触点24b与加法器21串联连接，在发出节能运行指令后断开。标号24x表示触点24a和24b输出的电压指令信号。相位控制电路25（见图3至图5），根据电压指令信号24x的幅度和电压检测器19a输出之间的关系，使门电路26（图7）和门电路27（图6）相应打开。门电路26的定时信号26a至26f加到可控硅16A至16F的控制极上，而门电路27的定时信号27a至27f加到可控硅17A至17F的控制极上。基极驱动电路28（图8）接收初级电压指令值98a至98C，并向晶体管20A至20F的基极分别提供基极驱动信号28a至28f。带输出端29a至29c的脉冲宽度调制逆变器29由逆变器20和基极驱动电路28组成。

图3至图5为相位控制电路25的配置图。在图3中，标号31、32和33分别代表增益为-1的倒相放大器（图20），非倒相普通放大器（图21）和带有输出端33a的运算放大器。比较器34（图27）在输入达到一预定的正值时提供一“H”（高电平）输出34a。比较器35（图28）在输入达到一预定的负值时提供一“H”（高电平）输出35a，标号R1至R4代表电阻。

当电压检测器19a的输出低于同步角速度信号24x时，即，平流电容18的电位低于电压指令值时，相加值为负。然后，该相加值由运算放大器33倒相，以提供一个正输出33a。同样，比较器34的输出34a为“H”（高电平），而比较器35的输出35a为“L”（低电平）。反之，当平流电容18的电位高于电压指令值时，相加值变为正值，而运算放大器33的输出33a变为负值。同样，比较器34的输出34a为“L”（低电平），而比较器35的输出35a为“H”（高电平）。输出34a和35a用于选通电动运行变换器17或再生转换器16。

在图14中，标号36、37、38和39分别代表增益为-1的倒相放大器（图20）、转换元件（当输入A为高电平时导通，如哈里斯有限公司“HARRIS    CO，LTD”生产的HA201）和带有输出端39a的运算放大器。标号R5至R8代表电阻，C1代表电容。

当信号34a为“H”（高电平）时，信号33a被倒相，并通过转换元件37。当信号35a为“H”（高电平）时，信号33a直接通过转换元件38。运算放大器39、电阻R5至R8和电容C1对这些信号进行增益和相位初偿。

在图5中，标号41、42、43和44分别代表变压器、与变压器41次级线圈连接的整流电路，跨接在整流电路42直流输出端的齐纳二极管和电容上。标号45代表增益为-1的倒相放大器（图20），标号46和47代代表运算放大器，标号48和49代表限制负电压的二极管，标号50和51分别为带有集电极输出端50a和51a的晶体管。标号R10至R21为电阻，+V为一半导体正 电源，而-V为一半导体负电源。图2所示的相位控制电路25备有三条电路（如图5所示），分别用于R至T三相。

由变压器41、整流器电路42、齐纳二极管43、电容44和电阻R10、R11组成的电路产生电源同步电压，以控制图2所示的可控硅16A至16F，17A至17F的导通角。例如，在变压器41上加上一个R和T相的线电压，便可得到控制R相的可控硅16A、16D、17A和17D导通角的同步电压。整流电路42、齐纳二极管43和电容44产生一个相当大的三角形电压，并作为基准值加到运算放大器46和47上。由于加到运算放大器46和47的电压是由两个电路（一个由放大器46、电阻R12和R13、以及负电源-V组成，另一个由运算放大器47、电阻R14和R15、以及正电源+V组成）偏置的，这就使比较器出现不同的滞后现象。同样，当正信号39a超过上述三角形电压的预定值时，运算放大器46的输出变为“H”（高电平）。相反，当负信号39a超过三角形电压的预定值时，运算放大器47的输出为“H”（高电平），而运算放大器46的输出为“L”（低电平）。当运算放大器46的输出变为“H”（高电平）时，晶体管50导通，输出端50a变为OV。另一方面，由于晶体管51不导通，输出51a为正。

在图6和图7中，标号53至60代表二极管，标号61至64为脉冲变压器，标号65至68为电容，标号69至72为晶体管，标号R22至R31为电阻。图6和图7为R相的电路。S和T相的电路的组成方式与R相的相似。

当信号34a为“H”（高电平），即平流电容18的电位低于电压指令值（在大功率运行时），晶体管69和70导通，一个正电压加到脉冲变压器60和61初级线圈的一端。由于电源在晶体管输出50a变为OV时流过脉冲变压器61的初级线圈和二极管53，在次级线圈上产生一个脉冲电压，所以可控硅17A导通。由于此时晶体管输出端51a的电压为正，没有电流流过脉冲变压器61的初级线圈，在次级线圈上也没有脉冲电压产生，所以可控硅17D未导通。以这样的方法，电动运行变换器17提高了平流电容18的电位。当信号35a为“H”（高电平）时，脉冲变压器63或64受晶体管输出50a和51a控制，因而可控硅16A或16D导通。以这样的方式，电动运行变换器16降低了平流电容器18的电位。

图8和图9为基极驱动电路28的配置图。在图8中，标号74代表三角波发生器（图9），它产生一个频率足以高于交流电源频率的三角波。标号75A至75C为比较器（图29），用于将输入A1和A2作比较，并在输入A1≥输出A2时产生一“H”（高电平）输出，在输入A1＜输出A2时产生一“L”（低电平）输出。标号76A至76C为两相分配器。标号76AA至76AC为“非”门。标号76AD为电阻。标号76AE为电容。标号76AF和76AG为“与”门。由于比较器75A对初级电压指令值98a和三角波74a进行了对比，并产生了一个“H”（高电平）信号，前者等于或高于后者，因而比较器75A提供一个具有如图10所示波形的输出75Aa。当输出75Aa为“H”（高电平）时，在“非”门76AA至76AC的作用下，“与”门76AF的输出28a为“H”（高电平），而“与”门76AG的输出28d为“L”（低电平）。当输出75Aa为“L”（低电平）时，“与”门76AF的输出28a为“L”（低电平），“与”门76AG的输出为“H”（高电平），即逆变器20的晶体管20A和20d交替导通。二相分配器的工作与逆变器20的工作相似。晶体管20B和20F由输出28b和28e交替导通。晶体管20c和20F由输出28C和28F交替导通。通过这种方式，正弦波经三角波调制后的电压加到了电机1上。

在图9中，标号74A代表一交流电源，它产生一种频率足以高于交流电源R-S-T频率的正弦交流电，标号74B和74C为齐纳二极管，标号74D为电容，标号74E和74F为电阻。交流电源74A的正弦交流电的最大电压由齐纳二极管74B和74C限制。这种交流电由具有时间常数的延时电路（由电容74D和电阻74E组成）延时，以产生三角波74a。

图11为感应电机1矢量控制系统的配置图。在该系统中，脉冲宽度调制逆变器29用来保持恒定激励。

直流转换器81至83，产生与脉冲宽度调制逆变器29交流输出的自发值相对应的直流信号。下文介绍的正弦信号90a和余弦信号90b加到一个三相-二相座标转换器84（图15），此转换器用于将直流信号81a至83a转换成转矩电流分量信号84b和激励电流分量信号84a，这两个信号都在转动座标轴上，转动座标轴与电机1次级磁通量矢量的角速度ω同步。标号85表示一除法（如：由模拟装置公司“ANALOG    DEVICE    INC”生产的ADS3）。标号86为系数乘法电路（图17），通过将输入乘以一个常数，来产生滑差频率信号86a。标号87为放大器（图21），其增益为P（与电机1的极对数相应），速度信号5a加到此放大器上。加法器88（图23）将滑差频率信号86a与放大器87的输出相加， 产生一个同步角速度信号88a。积分器89（图25）使同步角速度信号88a积分，以产生次级磁通量矢量ω的相位角信号89a。函数发生器90（图18）在接收相位角信号89a后，产生正弦波90a和余弦波90b。激励指令电路91（图19）产生激励电流分量指令值91a。减法器92（图24）从激励电流分量指令值91a中减去激励电流分量信号84a，以产生其误差信号。激励电流分量控制电路93包括延迟和超前电路（如图26所示）。它控制减法器92，使减法器92输出零电压。标号93a为激励电压分量指令值，标号94为减法器（图24），它从速度指令值10a中减去速度信号（5a），以产生其误差信号。标号95为速度控制电路，它包括延迟和超前电路（如图26所示），用于控制以使误差信号变成零。标号95a为转矩电流分量指令值。标号96为减法器（图24），它从转矩电流分量指令值95a中减去转矩电流分量信号84b，以产生其误差信号。标号97为转矩电流分量控制电路，它包括延迟和超前电路（如图26所示），用于控制减法器96，以使其输出为零。标号97a为转矩电压分量指令值。标号98为两相-三相座标转换器（图16），它通过输入激励电压分量指令值98a、转矩电压分量指令值97a、正弦波信号90a和余弦波信号90b，将三相中每相的初级电压指令值98a至98c进行转换。

图12和图13为速度指令发生电路10的配置图。图中，标号E、（+）和（-）表示由电阻R41至R48，电容C5和C4组成的直流电源。Aa为启动指令继电器触点，输出启动指令后，此触点闭合，Ab和Ad也是启动指令继电器触点，启动指令输出后，这些触点开启。Ba为停止决定继电器触点，当因登梯位置呼叫、或电梯间呼叫而决定停止时，此触点开启。Bb至Bd也是停止决定继电器触点，当因登梯位置呼叫、或电梯间呼叫而决定停止时，此触点闭合。D1至D4为减速点检测继电器触点。启动时，此触点闭合，当电梯间8到达一预定减速点时，触点按D1至D4的顺序依次开启。标号N1至N4为加速和减速指令继电器。N1a至N4a为加速或减速指令继电器的常开触点。N2b至N4b为加速和减速指令继电器N2至N4的常开触点。N1c至N3c为加速和减速指令继电器N1至N3的常闭触点。T1至T3为定时继电器，它在通电时接通，断电后经过一段时间可恢复到正常状态。标号T1a至T3a为定时继电器T1至T3的常闭触点，T1b至T3b为常闭触点，标号24c为节能运行指令继电器触点，以上这些触点与图2所示的触点24b相类似。

当电源（+）和（-）接通时，定时继电器通过启动指令继电器触点Ab至Ad接电，并分别通过闭合触点T1b至T3b自保，而触点T1a至T3a闭合。减速点检测继电器触点D1至D4闭合。节能运行指令继电器触点24c通常处于闭合状态。

输出启动指令时，启动指令继电器触点Aa闭合，触点Ab至Ad开启。当触点Aa闭合时，加速和减速指令继电器N1接电，触点N1a由电路（+）-Aa-Ba-N1-（-）闭合，使电阻R41短路。通过电路（+）-T1a-N2-（-），加速和减速指令继电器N2接电，并通过闭合触点N2b自保。触点N2a闭合，使电阻R42短路。由于触点N2c开启，定时继电器经过一段时间恢复正常状态。通过电路（+）-T2a-N3-24c-（-），加速和减速指令继电器N3接电，触点N3a闭合，使电阻R43短路。在与此类似的条件下，触点N4a闭合，使电阻R44短路。速度指令值（10a）变成逐渐增加的加速指令值，如图14所示。加速方式结束时，加速指令值变成恒速指令状态，此状态保持在曲线10a2所代表的恒值上。

当检测出呼叫和决定停止方式时，停止决定继电器触点Ba开启，触点Bb至Bd闭合。通过闭合触点Bb至Bd，定时继电器T1至T3接电，使触点T1a至T3a开启，并使触点T1b至T3b闭合。到达预定减速点时，减速点检测继电器触点D1开启，所以，加速和减速指令继电器N4断电，使触点N4a开启，电阻R44便接入电路。当电梯间8到达下一个减速点时，减速点检测继电器触点D2开启，所以，加速和减速指令继电器N3断电，使触点N3a开启，电阻R43便接入电路。同样，触点N2a和N1a开启，电阻R42和R41依次接入电路。速度指令值10a就以这样的方式变成曲线10a3所表示的逐渐减少的减速指令值。

发出节能运行指令时，触点24c开启，这将导致加速和减速指令继电器N3和N4不接电，速度指令值10a成为曲线10a4所表示的低速值。

图15为三相-两相座标转换器84的配置图。放大器101A和101B（图21）的增益分别为 $\sqrt{\mathrm{2/3}}$ 和1/ $\sqrt{2}$ 。倒相放大器101C和101E（图20）的增益分别为-1/ $\sqrt{6}$ ，-1/6和-1/ $\sqrt{2}$ 。标号102A至102C为加法器（图23），102D为减法器（图24），103A至103D为乘法器（如：模拟装置公司“ANALOG DEVICES Inc.”生产的AD533）。

众所周知，电机1的激励电流分量信号84a，转矩电流分量信号84b和直流电流信号81a至83a的相 互关系如下：

其中，ids表示激励电流分量（84a），

iqs表示转矩电流分量（84b），

iu至iw分别为电机81a至83a的初级电流。

座标转换器84计算此公式。

图16为两相-三相座标转换器98。图中，标号104A至104D为乘法器，它们与乘法器103A相类似。标号105A和105B为减法器（图24），标号105C和105D为加法器（图23）。标号106A和106B为放大器（图21），其增益分别为 $\sqrt{\frac{2}{3}}和\frac{1}{\sqrt{2}}$ 。标号106C为倒相放大器（图20），其增益为-1/ $\sqrt{6}$ 。

下面是一项众所周知的激励和转矩电压指令值和初级电压指令值98a至98c的关系式。

式中：

Vu※至Vw※表示初级电压指令值98a至98c;

Vds※表示激励电压分量指令值93a;

Vqs※表示力矩电压分量指令值97a。

座标转换器98用于对这一公式进行计算。

图17所示的是系数乘法电路86。在该图中，标号111和112代表运算放大器，R51至R56为电阻，其中R54＝R55。

滑差频率信号Pωs86a根据下列公式计算：

Pωs＝ (iqs)/(ids) （- (R52)/(R51) ）（- (R55)/(R54) ）＝ (iqs)/(ids) (R52)/(R51)

＝ (iqs)/(ids) (Rr)/(Lr)

式中：

P表示电机1的极对数;

ωs表示滑差频率86a;

Rr表示电机1的次级电阻;

Lr表示电机1的次级电感值。

即：来自除法器85的输入由Rr/Lr放大，经倒相后提供一个正值，然后即输出滑差频率信号86a。

图18所示的是函数发生器90。在该图中，标号113代表一个模-数转换器（例如，由伯尔布朗有限公司“BURR    BROWN    CO.，Ltd.”生产的ADC80），该模-数转换器接收相位角信号89a并将其转换成一个数字值;标号114代表一个余弦只读存贮器（例如，由英特公司“INTEL    CO.Ltd.”生产的i2716），该只读存贮器存贮与每个作为数字值的相位角相对应的Cosθ值;标号115是一个正弦只读存贮器，该只读存贮器存贮Sinθ值;116和117是两个数-模转换器（例如，由伯尔布朗有限公司生产的DAC80），它们将数字值转换为模拟值。

相应于由相位角信号89a表示的相位角的Cosθ值从余弦只读存贮器114中读出，Sinθ值从正弦只读存贮器115中读出。这些值均由数-模转换器116和117转换成模拟值，以提供余弦和正弦信号90b和90a。

图19所示的是激励指令电路91。在该图中，标号W代表弱激励继电器的触点，这些触点在进行弱激励时闭合;符号N代表激励继电器的触点，这些触点在进行基准激励时闭合;标号S为强激励继电器的触点，这些触点在进行强激励时闭合;R57-R60为电阻;E是一个直流电源。

无论触点W、N和S中的哪一组触点闭合，都将输出激励电流分量指令值91a，指令值91a的大小由电阻R57-R60决定。

当触点W闭合时，该值为：

EX (R60)/(R58+R59+R60)

当触点N闭合时，该值为：

EX (R60)/(R59+R60)

当触点S闭合时，该值为E。

图20～29所示的是其它一些元件。在这些图中，标号A、A1、A2……代表输入端，B为输出端，P、P1、P2……为运算放大器，R1、R2……r1、r2……为电阻，C为电容，D为二极管，Z为齐纳二极管。

图20所示的是一个用于换向的倒相放大器。由于B＝- (R2)/(R1) A，当R1＝R2时，B＝-A。

图2所示的是同相放大器。由于

B＝ (R2+R3)/(R3) · (r2)/(r1+r2) A，设 (R2+R3)/(R3) · (r2)/(r1+r2) 为

$\sqrt{\frac{2}{3}}\mathrm{=\; 0.82,\; 于是有B\; =}\sqrt{\frac{2}{3}}A$

图22所示的是一个带限幅器的放大器。这里B＝ (R2+R3)/(R3) A，其中，输出A达到齐纳二极管的电压时饱和。

图23所示的是一个加法器。B＝A1+A2+A3。

图24所示的是一个减法器。B＝A2-A1。

图25所示的是一个积分器。由于B＝ 1/(R1cs) A，式中，（S是一个拉普拉斯运算器），当R1c＝1时，B＝ 1/(S) 。

图26所示的是一延迟和超前电路。

由于，B＝ (R2)/(R1) · (1+R2cs)/(1+（R2+R21）cs) A，

如果，R1＝R2，R2c＝T1，（R2+R21）C＝T2，那么，B＝ (1+T1s)/(1+T2s) A。

图27和28所示的是比较器。这两个运算放大器P上均加有一个偏压，加到两个放大器上的偏压的高低分别由电阻R2和R4确定。

如果假设该值为e，当图27中的A≥e时，输出B为“H”;当图28中的A≤-e时，输出B亦为“H”。

图29所示的是一个比较器。当A1≥A2时，输出B为“H”;而当A1＜A2时，输出B为“L”。

下面将对本装置的矢量控制工作情况作一简单说明。

在一个d-q（激励分量-力矩分量）座标系中，（该座标系以ω角速度旋转），如果假设初级电流的d和q轴线分量ids和iqs及次级电流的d和q轴线分量为状态变量，初级电压的d和q轴线分量Vds和Vqs为输入变量，那么，感应电机的状态即由方程式（1）表示。

$\mathrm{P\omega \; =}\frac{\mathrm{iqs}}{\mathrm{ids}}(\frac{\mathrm{R52}}{\mathrm{R51}}\mathrm{)\; (}\frac{\mathrm{R55}}{\mathrm{R54}}\mathrm{)\; =}\frac{\mathrm{iqs}}{\mathrm{ids}}\frac{\mathrm{R52}}{\mathrm{R51}}\frac{\mathrm{iqs}}{\mathrm{ids}}\frac{\mathrm{Rr}}{\mathrm{Lr}}$

式中：

Rs表示感应电机的初级电阻，

Rr表示感应电机的次级电阻，

Ls表示感应电机的初级线圈电感，

Lr表示感应电机的次级线圈电感，

M表示初级绕组和次级绕组之间的互感，

P表示极对数，

ωr表示电机转子的实际角速度，

P＝d/dt表示微分算符，

δ为漏磁系数，由公式（2）表示。

$\mathrm{\delta \; =\; 1-}\frac{M^2}{\mathrm{LsLr}}\mathrm{\dots \dots (2)}$

同样，感应电机产生的转矩Te由下列公式（3）表示。

Te＝PM（iqs    ids-ids    iqr）

＝P (M)/(Lr) （iqs入dr-ids入qr）……（3）

式中：

入dr和入qr分别代表次级磁通的d和q轴线分量，并由以下公式（4）表示：

入dr＝Lridr+Mids

入qr＝Lriqr+Miqs……（4）

从公式（1）和（3）中可以明显地看出，由于状态矩阵包含次级电流矢量的角速度ω和转子的角速度ωr，公式（1）是非线性的。由于状态矩阵包含两个状态变量的积，公式（3）也是非线性的。因此，在这种情况下，就很难对速度进行理想的控制。

矢量控制的原理就是，把加到感应电机的初级电流的矢量认为是在座标轴（d-q轴）上，且与次级磁通矢量同步旋转的一个矢量;把初级电流矢量分解为一个与次级磁通平行的分量（即，激励电流分量）和一个与上述分量垂直的分量（即，转矩电流分量），并通过单独地控制这两个分量来对感应电机的次级磁通和转矩进行无干扰控制。当激励被控制到一个常数值，即，ids＝Ids（常数值）时，通过控制就可达到上述目的，这样，次级矢量的d轴分量ids就为零。也就是说，状态方程（1）和产生转矩的公式（3）就在下列条件下

ids＝Ids（常数）……（5）

idr＝0……（6）

被线性化处理为：

此时，入dr＝MIds，入qr＝0

次级磁通变成了一个与d轴同步旋转的矢量。

通过假定感应电机的初级电流ids、iqs和转子角速度r对次级磁通矢量的角速度ω和初级电压d轴分量Vds进行控制，可满足公式（5）和（6）的条件。这一点由H·杉本（H.Sugimoto）等人在一篇题为《一种具有线性传递函数的新型感应电机传动系统的原理和特性》的文章中论述到，该文章在日本电气工程师学院举行的一九八三年“国际动力电子会议”文章汇编的第465页上。

ω＝Pωr+ (Rr)/(Lr) (iqs)/(ids) ＝Pωr+Pωs……（9）

Vds＝Rs    Ids※-ωαcL    siqs+K（Ids※-ids）…（10）

在式（9）中，Pωs代表滑差频率;

在式（10）中，Ids代表激励电流指令值（常数值）。

图11所示的是上述矢量控制系统的实施方案，在该系统中，激励由PM反相器29不断地控制。在式（10）的右边第3项的增益R足够高的基础上，第1和第2项可被省略掉。

从激励指令电路91输出的激励电流分量指令值（91a）Ids※输入到减法器92内，与标号为84a的激励电流分量信号ids比较，激励电流分量ids由三相-二相转换器84产生，ids也就是实际流到电机1的电流的激励分量。减法器92输出一个误差信号。该误差信号经激励电压分量指令值Vds※，并输入到二相-三相座标转换器98内。

从速度指令发生电路10输出的由14a表示的速度指令值ωr※输入到减法器94内，与来自速度探测器5的由5a表示的速度信号ωr比较。该减法器输出一个误差信号。该误差信号变成为由95a表示的转矩电流分量指令值iqs，输入到减法器96中，与二相-三相转换器84产生的由84a表示的转矩电流分量信号iqs比较，减法器96输出此误差信号。该误差信号变成为θ，即由97a表示的转矩电压分量指令值Vqs※，然后输入到二相-三相座标转换器98内。

另一方面，减法器85和系数乘法电路86根据公式（9）的第2项输出由86a表示的滑差频率信号Pωs。在加法器88中，这个信号与滑差频率Pωr相加，Pωr是通过下述方法得到的：将速度信号5a与极对数P相乘，以提供一个由88a表示的次级磁通矢量的同步角速度信号。

这个信号由积分器89积分，以提供一个由89a表示的次级磁通矢量θ的相位角信号。在函数发生器中，相对于相位角θ的正弦波信号90a和余弦波信号90b得到计算，并被送到座标转换器84和98。

二相-三相转换器98将输入93a、97a、90a和90b予以转换，以提供初级电压指令值98a至98c，用来操作PWM（脉冲宽度调制）倒相器29的基极驱动电路28。众所周知的PWM控制是通过基极驱动信号28a至28f加到倒相器20来进行的。另一方面，同步角速度信号88a在加法器21中与一个常数值信号22相加。相加所得的信号然后经过触点24b输入到相位控制电路25。相位控制电路25通过检测电压检测器输出19a和同步角速度信号24x，来确定电机1是以电动运行方式还是以再生制动方式工作。在电动运行方式时，门电路27用于将触发信号27a至27f加到电动运行转换器17。在再生制动方式时，门电路26的功能是将触发信号26a至26f加到再生制动转换器16。结果，平流电容器两端的电压就发生变化，以进行众所周知的PAM（脉冲幅度调制）控制。

这样，便为初级电流（为直流）的由84a表示的激励电流分量信号ids和由84b表示的转矩电流分量信号iqs，提供了单独负反馈控制系统。当提供一个给定的激励电流分量指令值Ids※和由95a表示的转矩电流分量指令值iqs※时（iqs※与由10a表示的速度指令值ωr※和由5a表示的速度信号ωr的误差相对应），便对各个电流控制系统中的各电流误差进行比例控制或比例和积分控制。将所产生的初级电压指令值98a至98c作为操纵变量使用，即可实施控制，使电机1的初级电流矢量与初级电流基准矢量相等。这样，有可能对速度进行精确而灵敏的控制。由86a表示的滑差频率信号Pωs用电机1的初级反馈电流计算。电机1的初级电压的自发值根据计算出的信号提供。这也使得有可能进行高精度矢量控制，这种矢量控制可满足等效直流装置在瞬态时间内的要求。

PWM（脉冲宽度调制）逆变器29产生电压和频率 均可变的交流输出29a-29c。电机1用于带动电梯间8，电梯间8的速度能自动得到精确的控制。

如上所述，相位控制电路25的工作使得大功率运行转换器17或再生制动转换器16的输出电压根据电机1的角速度ωr改变（如图30中的曲线120A所示），以防止在低速时产生噪声。当输出电压改变时，功率因数从交流功率R-S-T角度看也随之变化，如图31中的曲线120B所示。

另一方面，当输出节能指令时，节能运行指令继电器触点24a闭合，触点24b和24c断开。当触点24c闭合时，如上所述，加速和减速指令继电器N3和N4不接通，速度指令信号10a变为图14中曲线10a4所表示的低速指令值。电压和频率将根据这一低速指令值在图2中的电路内进行控制，这样，PWM（脉冲宽度调制）倒相器29的输出频率便下降，电机1的转速和电梯间8的运行速度也都降低。由于此时电机是在几乎不改变转差率的情况下受到控制的，所以，其效率将不降低。当电梯间8在大负荷情况下下降时，电机就以高于同步速度的转速转动，该同步速度由上述频率确定。由于再生制动的缘故，能量消耗便减小。

另一方面，当触点24a闭合使带有限幅器23的放大器23的增益变高时，加法器21的输出便通过触点24a加到相位控制电路。结果，同步角速度信号24x变得比正常工作时的高，电动运行转换器17或再生制动转换器16的输出电压将改变，如图30的曲线121A所示。功率因数也改变，如图31的曲线121B所示。即，低速时的功率因数将比正常工作时的高。由于改善了功率因数，加到电动运行转换器17或再生制动转换器16的输入电流减小，这样，转换器的转换损耗、电源线路上的功率损耗、滤波器电源（未标出）的功率损耗均降低。节能效果也相应地得到进一步加强。

当电机1因交流电源R-S-T中断而由一台应急发电机带动时，也可以使用本发明的这一系统。此时，触点24a-24c就作为继电器触点进行工作（这些触点在应急工作时接通），而交流电源R-S-T则作为应急发电机使用。如果在接到应急运行的指令时可产生节能运行指令，那么，我们就不仅可以减小应急工作情况下的能量消耗，而且还可以因初级电流的减小而降低应急发电机的工作容量。

如上文所述，由逆变器转换的具有可变电压和频率的交流电流流入一个感应电机，驱动电梯，使进行节能操作时的速度指令值减小，逆变器频率降低。这样，即使电梯间的速度减小了，其效率也不会降低，从而达到了节能操作的目的。由于此时转换器的输出电压升高了，功率因数便得到改善，能量也进一步得到节省。

Claims (17)

1、一种交流电梯的速控系统，其中由直流电源提供的直流电经一逆变器变换成电压和频率可变的交流电，提供给一感应电动机，以便根据速度指令值控制电动机从而操纵电梯间，该系统的特征在于：

一节能操作指令组件。用于控制节能操作；

一速度指令产生电路，用于输出能逐渐增大或减小电梯加速度或减速度的速度指令值；

一驱动电路，用于为所述逆变器提供驱动信号；

当所述节能操作指令组件工作时，所述速度指令产生电路作为低速指令产生电路工作，减小速度指令值，而所述驱动电路作为减频电路工作，接收来向所述低速指令产生电路的低速指令值，减低所述逆变器的输出频率。

2、在权利要求1中所要求的电梯速控系统中，所述低速指令产生电路能输出一个在加速或减速过程中逐渐变化的速度指令值，其输出的上限可预调为低于正常工作时速度指令值的上限。

3、在权利要求1所要求的交流电梯速控系统中，所述速度指令产生电路将速度指令输出限制到一个给定值，这样，当所述节能操作指令组件工作时，就能减小速度指令值的上限值。

4、在权利要求1所要求的交流电梯速控系统中，所述速度指令产生电路包括若干用于逐渐改变速度指令值的电阻，当所述节能操作指令组件工作时，所述的电阻其阻值变化被限制到一个给定值，并作为低速指令值输出。

5、在权利要求4所要求的交流电梯速控系统中，所述速度指令产生电路包括：一个直流电源、一个与所述直流电源连接的电阻电路和一些触点，这些触点能分别将电阻电路短路，并以这种方法逐渐改变所述电阻电路的阻值，从而使所述触点中的某些预定触点不能工作，这样当节能操作指令组件工作时，速度指令值的上限就受到限制。

6、在权利要求5所要求的交流电梯速控系统中，所述节能操作指令组件包括若干个在进行节能操作时可闭合或断开的触点，这样，所述组件的触点一闭合，用于短路电阻的某些预定触点就会失去作用。

7、在权利要求6所要求的交流电梯速控系统中，所述用于短路电阻的触点是带电磁线圈的继电器触点，所述节能指令触点与用于所述继电器预定电磁线圈的一个激励电路相连接，在进行节能工作时，其电磁线圈就会失去作用。

8、在权利要求1所要求的交流电梯速控系统中，所述逆变器根据来自所述驱动电路（该驱动电路通过交流电驱动所述电机）的驱动信号产生具有电压和频率可变的交流输出，并在节能操作指令组件工作时产生减频的交流输出，以便在保持转差率不变的情况下驱动电机。

9、一种交流电梯速控系统，其中来自公用交流电源线的交流电由一台整流器转换成电压可变的直流电，所述直流电再由一台逆变器转换成电压和频率可变的交流电，提供给一台感应电动机，以便根据速度指令值控制电动机从而操纵电梯间，该系统的特征在于：

-节能操作指令组件。用于控制节能操作;

-电压控制电路。用于升高所述整流器的输出电压，使其高于所述节能操作指令组件工作前的输出电路;

一速度指令产生电路，用于输出能逐渐增大或减小电梯加速度或减速度的速度指令值;

-驱动电路，用于为所述逆变器提供驱动信号;

当所述节能操作指令组件工作时，所述速度指令产生电路作为低速指令产生电路工作，减小速度指令值，而所述驱动电路作为减频电路工作，接收来自所述低速指令产生电路的低速指令值，减低所述逆变器的输出频率。

10、权利要求9中所要求的交流电梯速控系统还包括一个整流器控制电路，该电路用来产生一个驱动信号，并加到所述整流器上，所述电压控制电路能输出一个信号加到所述整流器控制电路。

11、在权利要求9所要求的交流电梯速控系统中，上述电压控制电路包括两个电路，其第一电路能在正常工作时为所述整流器控制电路提供一个输出信号，第二电路能在节能操作时为所述整流器控制电路提供一个高压输出。

12、在权利要求11所要求的交流电梯速控系统中，所述电压控制电路还包括转换装置，它用于将所述整流器控制电路选接到上述第一或第二电路，这样通过该转换装置，就可把第一或第二电路的输出加到整流器上。

13、在权利要求12所要求的交流电梯速控系统中，上述转换装置是由第一和第二电路之间的转换触点提供的，这些转换触点在正常和节能操作时分别将所述整流器驱动电路接到所述第一和第二电路上。

14、在权利要求11所要求的交流电梯速控系统中，所述的第一和第二电路配有一条共用输入线路，第一电路用于将来自该共用输入线路的输入直接输出，第二电路用于将来自所述共用输入线路的输入放大后再输出。

15、在权利要求14所要求的交流电梯速控系统中，所述放大器带有限幅器，该放大器用于对其输入进行放大，并使其在某一给定值上处于饱和状态。

16、在权利要求15所要求的交流电梯速控系统中，一个预定的恒定信号和一个由同步角速度信号所产生的信号被输入到所述共用输入线路中。

17、在权利要求11所要求的交流电梯速控系统中，所述第一电路和第二电路并联连接，而且第一和第二电路分别与触点连接，所述触点可交替闭合和断开，以使这两个电路能选接到所述整流器控制电路上。

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