CN1189440A

CN1189440A - 电梯系统的电流/电压控制装置

Info

Publication number: CN1189440A
Application number: CN98104126A
Authority: CN
Inventors: 吕焕宰
Original assignee: LG Industrial Systems Co Ltd
Current assignee: Otis Elevator Korea Co Ltd
Priority date: 1997-01-14
Filing date: 1998-01-14
Publication date: 1998-08-05
Anticipated expiration: 2018-01-14
Also published as: US6009003A; JP2835039B2; JPH10194613A; KR100237611B1; KR19980065633A; CN1085182C

Abstract

一种电梯系统的电流/电压控制装置,包括一个限压器,用于设定一个与感应电机的操作频率成正比的限压值,并且向逆变器驱动单元提供低于这一限压值的电压,一个零相分量电流检测器,用于检测零相分量电流,并且在检测到的电流超过一个预定的参考值时向逆变器驱动单元输出一个逆变器驱动停止信号,以及一个电流偏差检测器,用于检测电流的偏差值,并且在超过预定参考值的这一电流偏差值被持续维持了预定的时间时向逆变器驱动单元输出一个逆变器驱动停止信号。

Description

电梯系统的电流/电压控制装置

本发明涉及电梯系统的一种电流/电压控制装置，特别是涉及电梯系统的一种改进的电流/电压控制装置，它可以防止过电流和过电压被传递到逆变器上。

伴随着大功率半导体器件的技术进步，电梯系统的电机种类从直流电机变成了感应电机。为了控制感应电机，近来越来越多地采用了基于VVVF(变压变频)的矢量控制方法。为了对感应电机进行矢量控制，感应电机的输入电流实际上被分成励磁分量电流和转矩分量电流，以便能够控制感应电机的瞬时转矩。

为了实现感应电机的VVVF控制，提供了一个将三相交流电压变换成直流电压的变换器和一个将直流电压变换成可变电压和可变频率的交流电压的逆变器。感应电机的瞬时转矩控制是通过控制逆变器的开关操作来实现的。因此，为此而设计的电流/电压控制装置应该能防止逆变器的异常操作。

图1表示电梯系统中惯用的电流/电压控制装置的内部结构。

如图中所示，惯用的电梯系统包括通过整流将三相交流电压AC变换成直流电压的一个变换器1，和一个将变换的直流电压变换成可变电压和可变频率的交流电压的逆变器2，一个感应电机4采用变换后的交流电压产生驱动电梯轿厢8的动力，电流传感器3A至3C用于检测感应电机4内部流动的三相电流，滚筒5，缆绳6和配重7用于接收来自感应电机4的动力，并且沿着贯通各个楼层的运行路线驱动电梯轿厢8，一个速度检测器9用于检测感应电机4的实际转动频率ω_r，过电流检测器10用于将电流传感器3A至3C检测的各相电流与一个预先设定的限流值相比较，并且在比较的结果显示出其电流超过了限流值时产生一个逆变器2的驱动停止信号，电流放大器11A至11C分别用于将电流传感器3A至3C检测的各相电流放大到预定的电平，一个电流转换器12用于将来自电流放大器11A至11C的三相电流(i_a，i_b，i_c)转换成转矩分量(Q-轴)电流(i_q)和励磁分量(D-轴)电流(i_d)，一个速度指令发生器13用于产生对应操作指令(D^*)的速度指令(W^*)，一个减法器14用于计算感应电机4的实际转动频率(ω_r)与速度指令(W^*)之间的差，一个速度控制器15用于产生与上述差成正比的转矩分量电流指令(i_q ^*)，一个励磁分量电流指令发生器16用于产生对应操作指令(D^*)的励磁分量电流指令(i_d ^*)，一个减法器17用于计算相对于来自电流转换器12的转矩分量电流(i_q)的差，一个减法器18用于计算磁通分量电流指令发生器16输出的磁通分量电流指令(i_d ^*)与电流转换器12输出的磁通分量电流(i_d)之间的差，Q-轴和D-轴电流控制器19A和19B用于产生Q-轴和D-轴电压指令(V_q，V_d)，以便按照减法器17和18输出的电流来控制感应电机4的Q-轴电流和D-轴电流，一个转差计算单元20根据转矩分量电流指令(i_q ^*)来计算感应电机4的转差频率ω_s，加法器21用于将速度检测器9检测的转动频率ω_r与转差计算单元20计算出的转差频率ω_s相加，并且输出感应电机4的操作频率ω_e，一个电压转换器22用于将操作频率ω_e以及Q-轴和D-轴电压指令V_q，V_d转换成三相电压指令V_a，V_b，V_c，一个限压器23用于限制三相电压指令V_a，V_b，V_c的输出范围，以及一个逆变器驱动单元24用于产生对应着来自限压器23或是过电流检测器10的逆变器驱动控制信号的一种脉冲调制信号，并且驱动逆变器2。

以下要参照图1至4来说明惯用的电梯系统的工作方式。

首先，在输入三相交流(AC)电压时，三相交流电压被变换器1变换成直流电压，并且由电容器C平滑之后提供给逆变器2。逆变器2将输入的直流电压变换成可变电压和可变频率的交流电压，然后提供给感应电机4。

此外，速度检测器9检测感应电机4的实际转动频率ω_r，而速度指令发生器13产生对应操作指令D^*的速度指令W^*，由减法器14计算速度指令W^*与转动频率ω_r之间的差。速度控制器产生与这一差值成正比的转矩分量电流指令(i_q ^*)，而磁通分量电流指令发生器16则按照操作指令D^*产生一个磁通分量电流指令(i_d ^*)。

图2A至2C是速度指令W^*，转矩分量电流指令(i_q ^*)和磁通分量电流指令(i_d ^*)的波形图。

当速度指令发生器13产生图2A所示的速度指令W^*时，速度控制器15就产生图2B所示的转矩分量电流指令(i_q ^*)，该指令与速度指令W^*和转动频率ω_r之间的差成正比。磁通分量电流指令发生器16产生图2C所示的具有预定大小的电流指令(i_d ^*)，而操作指令D^*则处于RUN状态。

另外，由电流传感器3A至3C来检测感应电机4内部流动的三相电流，并且用电流放大器11A至11C将检测到的三相电流放大到预定的电平。

此时，过电流检测器10将电流检测器3A至3C检测的电流值与设定的限流值I-limit进行比较。根据比较的结果，如果三相电流超过了限流值，就产生逆变器驱动停止信号。

图3A和3B表示了用于解释过电流检测器10操作定时的波形图。

如图3A所示，在电流检测器3A至3C检测的电流值超过了限流值I-limit的点P上，过电流检测器10产生一个逆变器驱动停止信号，如图3B所示。

另外，电流转换器12按照公式1至3将经过电流放大器11A至11C放大的三相电流i_a，i_b和i_c转换成Q-轴电流i_q和D-轴电流i_d。

ia＝Icos(ω_e-θ)

ib＝Icos(ω_e-2π/3-θ)

ic＝Icos(ω_e-2π/3+θ) ......(公式1)

iα = (ic - ib) / \sqrt{3} = - I \sin (ω_{e} - θ)

iβ＝ia＝Icos(ω_c-θ) ......公式2

id＝cos(ω_et)× iα+sin(ω_et)×iβ＝Isin(θ)

iq＝-sin(ω_et)×iα+cos(ω_et)×iβ＝Icos(θ)...公式3

其中的ω_e代表操作频率，θ表示相位角。

从公式3中可见，Q-轴电流i_q和D-轴电流i_d分别被输入减法器17和18，并且与速度控制器15和磁通分量电流指令发生器16输出的转矩分量电流指令(i_q ^*)和磁通分量电流指令(i_d ^*)相比较。在输出了一个对应这一比较的差值时，Q-轴电流控制器19A和D-轴电流控制器19B就产生Q轴和D轴电压指令V_q和V_d。

此外，当转差计算单元20输出一个与速度控制器15输出的转矩分量电流指令(i_q ^*)成正比的转差频率ω_s时，加法器21将这一转差频率ω_s与感应电机14的转动频率ω_r相加，从而输出一个操作频率ω_e。

另外，电压转换器22按照以下的公式4和5采用加法器21输出的操作频率ω_e以及Q-轴和D-轴电流控制器19A和19B产生的Q轴和D轴电压指令V_q和V_d输出三相的电压指令V_a，V_b，和V_c。

Vα＝-V_q×sin(ω_et)+Vd×cos(ω_et)

Vβ＝+V_q×cos(ω_et)+Vd×sin(ω_et) ...公式4

V_a＝Vβ

V_{c} = - \frac{1}{2} V_{β} + \frac{\sqrt{3}}{2} V_{α}

由此计算出的三相电压指令V_a，V_b，和V_c被输入到限压器23，并且与限压值V-limit相比较。仅有低于这一限压值V-limit的电压才能提供给逆变器驱动单元24，这样，过电压就不会被提供给逆变器2和感应电机4。

图4A和4B表示提供给感应电机4的电压信号的波形图。

在产生了图4A所示的速度指令W^*时，就输出图4B所示的与产生的速度指令W^*成正比的感应电机4的供电电压。图中的V-rate代表额定的电压，而V-limit代表一个限压值。

如图4B所示，被限制在限压值V-limit以下的供电电压被输入到逆变器驱动单元24，当操作指令D^*处于RUN状态即有效状态时，逆变器驱动单元24就向逆变器2输出一个脉冲调制信号，用来切换内部的功率晶体管，从而控制感应电机的速度和电流。

另外，感应电机4的转动力通过滚筒5和缆绳6传递到轿厢8上，使轿厢8沿着运行路线移动到一个目标楼层。

在电梯系统惯用的这种电流/电压控制装置中提供了用于防止过电流和过电压被传递到逆变器2的过电流检测器12和限压器23。

如图4所示，限压器23的限压值V-limit一直维持在恒定值。然而，提供给感应电机4的供电电压总是与感应电机4的速度成正比。

因此，在感应电机4低速操作时，Q-轴和D-轴电流是由低于额定电压V-rate的电压来控制的，因而不可能在系统中实现理想的防护操作。

另外，如果感应电机4的三相参数是平衡的，按照公式1，流经感应电机4的三相电流就应该是平衡的，因此，这三相电流的和，也就是零相分量电流就会变成0。如果由于预定的系数而使三相的参数不平衡，由于流经感应电机4的三相电流是不平衡的，三相电流的总和不会变成零。

在这种情况下，流经感应电机4的电流可能会小于过电流检测器10的限流值I-limit，或是可能大于感应电机4的额定电流。由于惯用的过电流检测器10不能检测到上述问题，尽管存在上述问题，电梯系统仍然会继续工作，这样就有可能发生更严重的问题。

此外，在电流控制电路中，如果由于电流传感器3A至3C的故障而没有检测到电流值，或是传感器的输出电缆发生短路，在低速操作期间就会在Q-轴和D-轴电流控制器19A和19B中产生很大的电压指令。因此，在逆变器和感应电机中就会出现过电流。如果不能检测到这种过电流，逆变器和电机就可能被损坏。

因此，本发明的目的之一是提供一种电梯系统的电流/电压控制装置，它可以克服背景技术中面临的上述问题。

本发明的另一目的是提供一种电梯系统的电流/电压控制装置，它可以设定一个随感应电机的速度而变化的限制电压，以此来限制感应电机的供电电压，从而有效地防止过电压被提供给逆变器。

本发明的再一目的是提供一种电梯系统的电流/电压控制装置，它可以在感应电机的三相参数不平衡的情况下防止过电流被提供给逆变器。

本发明的又一目的是提供一种电梯系统的电流/电压控制装置，它可以在电流指令与实际电流之间的差(以下称为“电流偏差”)在预定时间期间超过一个预定值时停止逆变器的驱动操作，从而防止过电流被提供给逆变器。

为了实现上述目的而提供的电梯系统的电流/电压控制装置包括：一个限压器，用于设定一个与感应电机的操作频率成正比的限压值，并且向逆变器驱动单元提供低于这一限压值的电压，一个零相分量电流检测器，用于检测零相分量电流，并且在检测到的电流超过一个预定的参考值时向逆变器驱动单元输出一个逆变器驱动停止信号，以及一个电流偏差检测器，用于检测电流的偏差值，并且在超过预定参考值的这一电流偏差值被持续维持了预定的时间向逆变器驱动单元输出一个逆变器驱动停止信号。

根据以下的详细说明可以更清楚地看到本发明的其他优点，目的及其特征。

通过以下仅仅为了举例而提供的详细说明和附图可以更加充分地了解本发明，这些说明和附图并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1表示电梯系统中惯用的一种电流/电压控制装置的框图；

图2A至2C是图1的装置中的速度分量，转矩分量电流指令以及励磁分量电流指令的波形图；

图3A和3B表示图1中的过电流检测器输出信号的操作定时波形图；

图4A和4C表示提供给图1装置中的感应电机的电压波形图；

图5是表示按照本发明用于电梯系统的一种电流/电压控制装置的示意性框图；

图6是图5中的零相分量电流检测器的详细电路图；

图7A至7C是零相分量电流检测器输出信号的操作定时波形图；

图8A至8C是图5中的电流偏差检测器输出信号的操作定时波形图；以及

图9A至9C是图5中的限压器输出信号的操作定时波形图。

图5表示了按照本发明用于电梯系统的一种电流/电压控制装置。

如图中所示，按照本发明，用于电梯系统的电流/电压控制装置包括一个变换器101，用于对三相交流(AC)电压整流，并且将其变换成直流电压，一个逆变器102用于将变换后的直流电压逆变成可变电压和可变频率的交流电压，一个感应电机104采用变换后的交流电压来产生驱动电梯轿厢108的动力，电流传感器103A至103C用于检测感应电机104内部流动的三相电流，滚筒105，缆绳106和配重107用于接收来自感应电机104的驱动力，以便沿着一条运行路线驱动电梯轿厢108，一个速度检测器109用于检测感应电机104的实际转动频率ω_r，一个过电流检测器110用于将电流传感器103A至103C检测的各相电流与一个预先设定的限流值I-limit相比较，并且在各相电流超过了限流值I-limit时产生一个逆变器102的驱动停止信号，电流放大器111A至111C分别用于将电流传感器103A至103C检测的各相电流放大到预定的电平，一个电流转换器112用于将三相电流(i_a，i_b，i_c)转换成转矩分量(Q-轴)电流(i_q)和磁通分量(D-轴)电流(i_d)一个速度指令发生器113用于产生对应操作指令D^*的速度指令W^*，一个减法器114用于计算速度指令W^*与感应电机4的实际转动频率ω_r之间的差，一个速度控制器115用于产生与上述差成正比的转矩分量电流指令(i_q ^*)，一个磁通分量电流指令发生器116用于产生对应操作指令D^*的磁通分量电流指令(i_d ^*)，一个减法器117用于计算速度控制器115输出的转矩分量电流指令(i_q ^*)与电流转换器112输出的转矩分量电流(i_q)之间的差，一个减法器118用于计算磁通分量电流指令发生器116输出的磁通分量电流指令(i_d ^*)与电流转换器112输出的磁通分量电流(i_d)之间的差，Q-轴和D-轴电流控制器119A和119B用于产生Q-轴和D-轴电压指令V_q和V_d，以便按照减法器117和118的输出电流来控制感应电机104的Q-轴电流和D-轴电流，一个转差计算单元120根据转矩分量电流指令(i_q ^*)来计算感应电机4的转差频率ω_s，加法器121用于将速度检测器109检测的转动频率ω_r与转差计算单元120计算出的转差频率ω_s相加，并且输出感应电机104的操作频率ω_s，一个电压转换器122用于将操作频率ω_e以及Q-轴和D-轴电压指令V_q和V_d转换成准备提供给感应电机104的三相电压指令V_a，V_b，V_c，一个逆变器驱动单元124用于接收逆变器驱动信号，产生与其对应的一种脉冲调制信号，并且驱动逆变器102。本发明进一步提供了一个限压器123，用于设定一个与操作频率ω_e成正比的限压值，并且向逆变器驱动单元124提供低于这一限压值的电压，一个零相分量电流检测器125，用于检测零相分量电流，并且在检测值超过一个预定的参考值时向逆变器驱动单元124输出一个逆变器驱动停止信号STOP1，以及一个电流偏差检测器126，用于检测Q-轴和D-轴电流指令(i_q ^*，i_d ^*)与实际电流(i_q，i_d)之间的电流偏差，并且在超过预定参考值的这一电流偏差值持续了预定的时间时向逆变器驱动单元124输出一个逆变器驱动停止信号STOP2。

另外，图6表示了图5中的零相分量电流检则器125的详细框图。

如图中所示，零相分量电流检测器125包括一个求和单元201，用于将三相电流(i_a，i_b，i_c)相加，从中计算出零相分量电流，一个比较器202用于比较零相分量电流值和一个参考值Ref1，以及一个寄存器单元203用于在比较结果显示出零相分量电流值超过了参考值Ref1时向逆变器驱动单元124输出一个逆变器驱动停止信号。

以下要参照附图来说明按照本发明的用于电梯系统的电流/电压控制装置的工作方式。

在说明中省略了与现有技术中相同的结构问题。

如图5至9中所示，当被电流放大器111A至111B放大到预定电平的三相电流(i_a，i_b，i_c)被输入到零相分量电流检测器125时，零相分量电流检测器125的求和单元201将三相电流相加，从中得到零相分量电流。

另外，零相分量电流被输入到比较器202，并且与预先设定的参考值Ref1相比较。根据比较的结果，如果零相分量电流值大于参考值Ref1，就通过寄存器单元203输出逆变器驱动停止信号STOP1。

图7A至7C是一些波形图，用来解释零相分量电流检测器125在出现不平衡电流时的操作定时。

在输入图7A所示的三相电流(i_a，i_b，i_c)时，求和运算所得的零相分量电流如图7B所示。

比较器202将由此获得的零相分量电流与预先设定的参考值Ref1进行比较。根据比较的结果，在零相分量电流值超过了参考值Ref1的P1点上，从比较器202输出一个预定电平的高电位，输出的高电位被提供给寄存器单元203，从而将图7C所示的逆变器驱动停止信号STOP1提供给逆变器驱动单元124。

此外，电流偏差检测器126检测减法器117和118输出的Q-轴和D-轴电流指令(i_q ^*，i_d ^*)与Q-轴和D-轴电流(i_q，i_d)之间的差值，也就是电流偏差。如果超过了一个预定参考值Ref2的这一电流偏差持续了一个预定的时间dt2，逆变器驱动单元124就输出逆变器驱动停止信号STOP。

图8A至8C是电流偏差检测器126的输出信号的操作定时图。

图8A是电流偏差值的波形图，它是Q-轴和D-轴电流指令(i_q ^*，i_d ^*)与Q-轴和D-轴电流(i_q，i_d)之间的差值。

如果电流偏差超过参考值Ref2的时间超过了预定的时间dt2，就在点P2处向逆变器驱动单元124输出图8C所示的逆变器驱动停止信号STOP2，从而使逆变器102停止工作。

总之，在正常的控制状态下，由于电流控制器119A和119B的响应级数是几个毫秒(dt1)，作为参考值的预定时间dt2是它的2～3倍。

即使是在电流传感器103A至103C和是过电流检测器110中发生了故障，仍可以利用电流偏差检测器126来避免将过电流提供给逆变器102。

限压器123将电压转换器122转换后提供给感应电机104的三相供电电压限制在限压值下。此时，在最初阶段的预定时间内将限压值维持在一个最高电压。在经过预定时间之后，根据公式6与加法器121输出的操作频率ω_e成正比地设定限压值。

V-limit＝V-offset+ω_e ^*K ......公式6

图9A至9C是限压器123的操作定时波形图。

如图中所示，在发出操作指令D^*时，限压器123在预定时间内将限制电压V-limit维持在最高电压V-max。经过了预定时间之后，就按照公式6与加法器121输出的操作频率ω_e成正比地设定限压值V-limit，从而使供电电压受到限制。

最高电压被维持一个预定的时间，因为在由于感应电机104的过速状态而获得磁通之前可以提供额定电压。

最高电压值V-max被设定在逆变器102可以输出的最高电压和感应电机104的额定电压V-rate之间。

另外，在公式6中设定了一个比例常数K，从而使操作频率在额定频率的大约90％处变成最高电压V-max，因此在按照电梯系统的操作特性完成了加速阶段时提供给感应电机104的是最高电压。在达到90％额定频率时完成加速。

此外，偏差值V-offest被设定在感应电机104在零速度附近产生额定转矩时所用的电压以上。随着操作频率的增加，按照公式6，限压值V-limit成正比地增加。计算的结果被控制在最高电压V-max以下。

如上所述，本发明中，限压器的限压值并不是固定在一个预定的值。也就是说，它是按照感应电机的操作频率而变化的，这样就能在感应电机低速工作时防止向其提供预定量的驱动电压，从而在电流传感器发生预定的故障或是短路时防止过电流。

由于额外提供了零相分量电流检测器，如果由于三相参数的不平衡而在零相分量电流中检测到了预定量的参考值，就向逆变器驱动单元输出逆变器驱动停止信号，这样就能避免向逆变器提供过电流。

此外，如果输入到电流控制器的电流偏差在预定时间内超过了一个预定的参考值，就向逆变器驱动单元输出逆变器驱动停止信号，这样就能避免过电流被传递到逆变器，以免逆变器和电机受到损害。

尽管上文中为了说明而公开了本发明的最佳实施例，本领域的技术人员在不脱离权利要求书所限定的本发明的精神和范围的条件下仍可以作出其他变更和增删。

Claims

1.一种电梯系统的电流/电压控制装置，该电梯系统包括一个逆变器，用于将直流电压逆变成可变电压和可变频率的交流电压，并将其提供给感应电机，一个逆变器控制器，用于检测感应电机内部的电流相位，根据检测的相位产生一个电压指令，并且控制逆变器，还有一个逆变器驱动单元，用于接收逆变器控制器的输出信号，产生与其对应的脉宽调制信号，并且驱动上述逆变器，所说电流/电压控制装置包含：

一个限压器，用于设定一个与感应电机的操作频率成正比的限压值，并且向逆变器驱动单元提供低于这一限压值的电压；

一个零相分量电流检测器，用于检测零相分量电流，并且在检测到的电流超过一个预定的参考值时向逆变器驱动单元输出一个逆变器驱动停止信号；以及

一个电流偏差检测器，用于检测电流的偏差值，并且在超过预定参考值的这一电流偏差值被持续了预定的时间时向逆变器驱动单元输出一个逆变器驱动停止信号。

2.按照权利要求1的装置，其中所述限压器在其操作经过预定的时间，且预定的电压被维持了预定时间之后输出一个与操作频率成正比的限压值。

3.按照权利要求1的装置，其中所述零相分量电流检测器包括：

一个求和单元，用于将三相电流相加，从中获得零相分量电流；

一个比较器用于比较零相分量电流值和一个预定的参考值；以及

一个寄存器单元用于在比较结果显示出零相分量电流值超过了预定值时向逆变器驱动单元输出一个逆变器驱动停止信号。

4.按照权利要求1的装置，其中所述电流偏差值是相对于转矩分量和励磁分量的电流指令与实际检测的电流值之间的差值。