CN86102904A - 交流升降机的控制装置 - Google Patents

Abstract

在升降机减速等情况下需要制动转矩时，使反馈电功率在电动机发热允许的范围内消耗在电动机内，将电动机发热允许值以上的部分消耗在反馈电阻上，因此可以推测装置是小型的。本发明在制动转矩指令小于规定值时固定转差，仅控制电流的大小，当该指令超过规定值时不增加电流的大小，转差变小，从而控制了制动转矩。

Description

本发明涉及交流升降机控制装置的改进装置，该装置控制由感应电动机驱动的升降机。

运用感应电动机作为驱动升降机箱体的电动机，对它进行转差频率控制，从而控制了电动机的转矩，使箱体运行。如图5、图6所示。

图中，（1）是三相交流电源接头。（2）是接在接头（1）上，使后面所述的箱体（11）启动时关闭、停止时打开的电磁接触器接点，（3）是通过接点（2）的交直变换器，该变换器由把三相交流电压整流成为直流的整流电路所组成。（4）是连接在交直变换器（3）直流侧的滤波电容器。（5）是一端与滤波电容器（4）的一端相接的电阻。（6）是与电阻（5）的另一端和滤波电容器（4）另一端相接的晶体管。（7）是脉宽调制方式的众所周知的逆变器，该逆变器连接在滤波电容器（4）两端，由晶体管以及二极管构成，它将一定的直流电压转换为任意电压及任意频率的交流电。（8）是由逆变器（7）带动的三相感应电动机。（9）是由电动机（8）驱动的卷扬机的传动绳轮。（10）是卷挂在绳轮（9）上的主钢缆。（11）、（12）分别是连接在主钢缆（10）两端的箱体和平衡块。（13）是连接在电动机（8）上并发出表示电动机（8）运转速度的速度信号（13a）的测速发电机。（14）是速度指令信号。（15）是输出速度指令信号（14）和速度信号（13a）之间偏差信号的加法器。（16）与加法器（15）相接，是为使速度控制系统响应良好的补偿器，G（S）为传递函数。（16a）为补偿器（16）输出的转差频率指令信号。（17）是输出转差频率指令信号（16a）与速度信号（13a）的加法运算值的加法器。（18）是根据加法器（17）的输出发出电压指令信号（18a）的电压指令发生器。（19）是同样发出频率指令信号（19a）的频率指令发生器。（20）是根据电压指令信号（18a）和频率指令信号（19a）来控制逆变器（7）的输出电压及输出频率的逆变器控制装置。

在有关的结构中，补偿器（16）输出与速度指令信号（14）和速度信号（13a）的偏差对应的转差频率指令信号（16a），该转差频率指令信号（16a）相当于转矩指令信号，由于用加法器（17）把速度信号（13a）加在其上，所以要使电压/频率大致满足一定的关系，就能决定电压指令信号（18a）和频率指令信号（19a）。控制装置（20）根据这些指令值对逆变器（7）的元件（当交直变换器（3）由可控硅组成时，根据情况也可以是交直变换器）进行开关控制，并由电动机（8）产生相当于转差频率信号（16a）的转矩。这样，电动机（8）启动，使箱体（11）运行，并且其速度受到高精度的自动控制。

图6表示电动机（8）的转速与转矩的关系曲线（21）。其中，n₀是同步速度，为电动机（8）用相当于逆变器（7）输出频率的转速运转时的工作点。一般说来，感应电机在同步速度n₀附近，其转矩与转差频率（例如相当于n₀-n₁或n₀-n₂）成正比。因此，如果控制相当于转差X频率的量n₀-n₁，也就可以控制转矩了。

然而，对于升降机，在使箱体（11）减速停止时，当在重负载的情况下以一定速度下降运行时，电动机（8）必须产生制动力。如将此表示在图6上，就是所需的制动转矩为T₂时的情况。这种情况下，电动机（8）的转速n₂比同步速度n₀高。在这样的运转中，机械能通过电动机（8）转换为电能。反馈电功率通过逆变器（7）返回到直流侧。因此，直流侧电压上升，逆变器（7）内的元件有可能被破坏。电阻（5）就具有保护元件不受破坏的作用，由于晶体管（6）导通，上述反馈电功率消耗在电阻（5）上。此外，设置反馈用逆变器代替电阻（5），也使反馈电功率返回到电源侧。

可是，不管什么情况，处理反馈电功率用的装置价格都高，控制装置也大。

如特开昭59-17879号及58-36866号公报中所示，解决该缺点的办法是在电动机内部把反馈电功率消耗掉。

在图7中，（101）是把交流转变为直流的整流器。（102）是使该直流平滑的电容器。（103）是众所周知的脉宽调制式逆变器装置，它用晶体管转换直流电功率，使其变换为电压可变、频率可变的交流输出。（104）是由逆变器（103）驱动的感应电动机。（105）是由该电动机（104）驱动的卷扬机的传动绳轮。（108）是绕挂在绳轮（105）上的主钢缆。（107）和（108）分别是接在主钢缆（106）两端的箱体和平衡块。

而（109）是接在感应电动机（104）上的测速发电机，它产生表示电动机转速的实际角速度信号ω_r。（110）是速度控制运算装置，该装置根据角速度指令信号ω_p和实际角速度信号ω_r之差，发出指令T^＊。（111）是频率运算装置，该装置在电动机（104）发出制动转矩时，计算在电动机内将反馈电功率全部消耗掉的供给频率。（112）是电流数值运算装置，该装置根据由速度控制运算装置（110）发出的转矩指令T^＊（这种情况为制动转矩）计算必需的电流I^＊的大小。（113）是根据电流I^＊的大小和频率运算值ω^＊来计算各相电流的瞬时值指令iu^＊、iv^＊、iw^＊的电流指令发生器。（114）是脉宽调制（以下称PWM）转换电路，该电路把这个电流指令和电流检测器（115）测得的实际电流作比较，并使实际电流接近指令值。（115）是电流检测器，它要检测U和V两相电流，并可以其差求出W相电流。

下面，在说明以前实例的工作情况之前，先用图8、图9说明其原理。图8为注意了感应电动机内部电阻部分的单相部分的简易等效电路。图9为由该等效电路求出的转差与电动机产生的电功率及电动机内消耗的电功率的图解。在这些图上，反馈电功率全部消耗在电动机内的条件是要满足下式

（r₁+r₂）I²+ (1-S)/(S) r₂I²＝0 ……（1）

∴S= - (r₂)/(r₁) ……（2）

其中，r₁、r₂表示电动机的初级、次级电阻部分，S为转差。就是说，如果转差满足式（2），则反馈电动率全部消耗在电动机内，若比该值大（绝对值变小），电功率就返回到直流侧。转矩T为

T= 1/(ωr) · (1-S)/(S) r₂I²……（3）

ω_r＝ω（1-S）

所以T= (r₂)/(ωS) I²……（4）

其中ω_r表示电动机实际运转角速度，ω表示驱动频率。根据（4）式，如果S取一定的值且满足式（2），那么转矩T与电流I的平方成正比，与驱动频率成反比。

根据这些条件，在图7的结构中，根据与升降机的理想速度曲线对应的电动机理想角速度指令ω_p和实际角速度ω_r的差，一旦速度控制运算装置（110）输出的转矩指令T^＊变为制动转矩指令，就能控制电动机（104）。当然，由微型计算机的S/ω运算也可以做到，所以，在这种情况下，假如能由转矩指令T^＊的正负代替S/ω运算方法，就能容易地做到从牵引向制动的转换。

在此，如果T^＊为制动转矩指令，就可以用电流值运算装置（106）求出满足（4）式的电流的大小。另外，可由频率运算装置（111）产生转差满足（2）式的频率。通过这些计算求出驱动电动机（104）的电流的大小和频率，使得产生必要的制动转矩，同时不产生反馈电功率。因此，用电流指令发生器（113）可以求出各相电流指令值，并与输入到PWM转换电路（114）的实际电流作比较，然后启动逆变器（103），给电动机（104）供电，这样，电动机（104）产生必须的制动转矩，同时按照理想速度曲线开动箱体（107）。

然而，以前的装置在发生制动转矩时产生反馈电功率的效率高，并把它全部消耗在直流侧的电阻上（图中未示出），而如前所述，要在电动机内把反馈电功率全部消耗完可采取两种方法，前者电阻的功率容量大而装置价格高，另一种将反馈电功率消耗在电动机内的方法，其转差的绝对值必须大，因此，如由（4）式表明的，电流值变大，逆变器（103）的电流容量也变大，代价反而高了，同时，一旦电动机内消耗的电功率大，则其发热就大，恐怕会导致电动机的大型化，又会使电动机提前损坏。

本发明的目的就是为解决上述问题，将逆变器电流控制在规定值以下，使电动机发热降低，同时，消耗反馈电功率用的电阻的功率容量也就小了，这样就考虑了包括电动机在内的装置的整体热平衡，因此，该装置可以小型、廉价。

对于本发明的交流升降机的控制装置，在升降机减速等情况下需要制动转矩时，在电动机发热可以允许的范围内将反馈电功率消耗在电动机内，由于将发热允许范围以上的部分消耗在反馈电阻上，所以可以推测该项装置是小型的。

本发明在制动转矩指令处于规定值以下时，固定转差，只控制电流大小，在制动转矩指令超过规定值时，不使电流大小增加，转差变小，从而控制了制动转矩。

在本发明中，为了使反馈电功率返回到直流一侧，并把电流控制在规定值内，可以控制逆变器的电流容量，在直流侧消耗反馈电力的电阻又不太大，而且电动机内消耗的电力也减少了，所以可以控制电动机的发热，从而能构成考虑了整体热平衡的系统。

（实施例）

以下是关于本发明实施例的说明。

首先叙述一下本发明的原理。

图2是简单说明本发明的电动机的简易等效电路。

在此，如果反馈运转时的机械输入P_G用规定的转差值S′（取作S的绝对值，S′＝-S）表示，则：

P_G＝（ (1+S′)/(S′) ）r₂I²（r₂：次级电阻） ……（5）

但，在反馈运转时S′＞0。

再则，在电动机内部的绕线电阻r₁、r₂（r₁：初级电阻）上消耗的损失P_M为：

P_M＝（r₁+r₂）I²……（6）

因此，转换到直流侧，并由反馈电阻消耗的电力P_R为：

P_R=P_G-P_M

= ( (r)/(S′) - r₁)I²…… ( 7 )

其中，在反馈电阻上消耗的电功率P_R和在电动机上被消耗的电功率P_M之比η为：

$\mathrm{\eta \; =}\frac{\frac{r_2}{\mathrm{S\; \prime }}{\mathrm{-\; r}}_1}{r_1{\mathrm{+\; r}}_2}\mathrm{\dots \dots \; (\; 8\; )}$

它与电流大小无关，只与转差成函数关系。它与转差S的关系如第3图所示。

由图可以明显看出，如S=- (r₂)/(r₁) 则，在反馈电阻上消耗的分量为0，所以η＝0。

另外，如果S=- (r₂)/(2r₁+r₂) 则η＝1，即由电动机消耗的电功率和在反馈电阻上消耗的电功率大致相等。

在转差S的绝对值很小的范围内，图3和实际状态相比差别悬殊，但是，在反馈电功率大的范围内，与实际状态基本一致。

本发明选择转差S，把电动机的发热作为从绝缘及寿命的观点来看是充分允许的损失，同时在电阻上把残余部分消耗掉，把消耗反馈电功率用的电阻控制得很小，这样也能把电动机的发热控制在允许的范围内。

本发明的具体实施例如图1所示。图中和图5相同的部分用同一符号表示，说明省略。

图中，（229）是转换装置，该装置在转矩指令为正时用以前众所周知的转矩控制装置（230）控制逆变器（207）的方式接通开关（229a），而当转矩指令为负时则变换成新的控制方法，（231）是频率指令电路，它用由电动机的转速预先决定的转差率S′（＝-S）驱动电动机，从而决定逆变器（207）的输出频率。（232）是根据转矩指令决定电流绝对值的电流值指令电路。（233）是电流指令复合电路，根据电流的绝对值和频率，把逆变器（207）输出的电流以瞬时值传到各相，此指令值的输出如下：

R相 I_1R＝I₁Sinω_ot

S相 I_1S＝I₁Sin（ω_ot+2/3π）

T相 I_1T＝I₁Sin（ω_ot+4/3π）

另外，（234）是电流检测器，检测与上述指令电流对应的，由逆变器（207）实际输出的各相电流（电动机电流）。（235）是把实测值与上述电流指令值作比较的比较器。（236）是按这个比较器的输出控制逆变器（207）中晶体管的众所周知的PWM（脉宽控制）装置。再则，（237）为预先设定的电压指令值，（238）为比较器，（239）是晶体管基极驱动电路。

上述结构中，当电梯启动时，补偿器（216）的输出发出牵引转矩指令，所以，在这种情况下用众所周知的控制装置就可以开动电梯。然而，当它一进入减速过程，由于补偿器（216）发出制动转矩指令，就由电流指令电路（232）输出了与转矩指令对应的电流绝对值。此外，频率指令电路（231）根据电动机转速输出必要的频率指令。因此，用电流指令复合电路（233）将其复合，并输出逆变器（207）输出电流（电动机中流出的电流）的指令值。把实际电流与这个值作比较，使接近指令值的电流流过，用PWM装置（236）来控制逆变器（207）的晶体管。

另一方面，在此实施例中，反馈电功率能够返回，并且电功率一旦返回到直流侧，直流侧的电压就上升。再用比较器（238）将此直流侧的电压和预先决定的直流值电压指令值（237）作比较，当直流侧电压高时，通过晶体管基极驱动电路（239）使晶体管（206）导通，并用电阻（205）消耗反馈电功率。

如上所述，如果按该发明图1的实施例，则在电梯减速等情况下需要制动转矩时，在电动机发热可以允许的范围内把反馈电功率消耗在电动机内，且将其消耗在反馈电阻上，所以可以推测装置是小型的。

以下是由图4说明的本发明的另一个实施例。图4与图7中相同的部分用相同的符号表示。图中，（316）是电流值计算装置，若由转矩指令计算必需的电流，那就是和以前一样的装置，但当转矩指令超过规定值时，该装置能保持一定的电流值。（317）是转差运算装置，转矩指令T^＊在规定值内时，它输出与以前同样的一定的转差值，当转矩指令T^＊超过规定值时，由（3）式计算得出转差S的值，

S= (r₂I²max)/(ω_rT^*+r₂I²max) …… (9)

然后将其输出。其中Imax为转矩指令超过规定值时的一定的电流指令值。由于用（9）式，取转矩指令T^＊为负值，所以求得的S也取负值。如果转矩指令T^＊的绝对值变大，转差S的绝对值就变小，一部分反馈电功率返回到直流侧。

再则，（318）表示电压检测电路，当反馈电功率向直流侧返回时，就使晶体管（319）导通，使电功率消耗在电阻（320）上。

因此，上述结构中，制动转矩指令T^＊小的时候，转差运算装置（317）的输出取S=- (r₂)/(r₁) 在频率运算装置（111）上进行下列计算，

${\omega }^{*}=\frac{{\omega }_r}{\mathrm{1\; +}\frac{r_2}{r_1}}$

然后由电流指令发生器（113）输出。另外，用电流值运算装置（316）计算满足（4）式的电流I^＊，同样由电流指令发生器（113）输出。

另一方面，如果制动转矩T^＊变大，那么转差运算装置（317）算出满足（9）式的转差S，并将其输出，同时把电流值运算装置（316）的输出固定在规定值I_max上。因此，由于反馈电功率一部分返回到直流一侧，直流侧电压则上升，并通过电压检测电路（318）导通晶体管（319），电流流过电阻（320）将电功率消耗掉。

在实施例中，把转矩指令在规定值内时的转差作为将反馈电功率全部消耗在电动机内的值（- (r2)/(r1) ），但是由于原来的直流侧具有反馈电功率消耗装置，所以如果有绝对值，那么这个值是小的，可在图9上取S=- (r₂)/(r₁) 左侧的值，同时考虑电动机发热和逆变器容量的限度，就可以选择最适当的值。

另外，为了作简单的说明，本实施例只采用单相的简易等效电路进行了说明，但是，假如使用较详细的等效电路来计算，就能进行更精密的控制，这在本质上是相同的。

如上所述，如果按本发明图4的实施例，制动转矩在规定值以下时，将转差固定，只控制电流的大小，一旦制动转矩指令超过规定值而又不使电流的大小增加，转差就变小，从而控制制动转矩，所以为了使反馈电功率返回到直流一侧，而电流控制在规定值内，可以控制逆变器的电流容量，另外，在直流侧消耗反馈电功率的电阻也不太大，并且，电动机内消耗的电功率也就减少，所以可以制止电动机的发热，从而能够构成考虑了整体热平衡的系统。

附图的简单说明

图1是表示该发明一个实施例的交流升降机控制装置的结构图。图2和图3的目的是说明该发明的原理。图2是电动机的等效电路图，图3是转差特性曲线图。图5是以前实例的结构图，图6为图5中电动机的转矩特性曲线。

第4图是表示该发明另一个实施例的结构图。图7为现有技术的结构图。图8是电动机内部等效电路图。图9是产生电功率和消耗电功率与转差的特性图。

Claims (1)

1、一个交流升降机的控制装置，将直流电源接在逆变器上，使直流电转变为电压可变及频率可变的交流电，并用这种转换了的交流电驱动感应电动机。使升降机箱体运行，该升降机具有接在上述直流电源上的反馈电功率消耗装置；根据与速度指令信号和上述电动机速度信号之差对应的转矩指令信号控制上述电动机牵引转矩的第1装置；以及根据上述转矩指令信号将上述电动机的转差固定在规定值上，控制初级电压或次级电流的频率及大小，来控制制动转矩的第2装置；还有当上述转矩指令为正时使用上述第1装置，当上述转矩指令为负时转换成上述第2装置的转换装置，其特征在于：上述第2装置根据反馈电功率消耗在上述电动机内而发热的允许发热量来设定上述转差值，并将它设定在不超过允许发热量的转差值上，同时，如果上述电动机内一旦产生没有消耗完的剩余反馈电功率，即检测出来并将其消耗掉。

(2)一个交流升降机的控制装置，将直流电源接在逆变器上，使直流电转换成电压可变及频率可变的交流电，并用这种转换了的交流电驱动感应电动机，使升降机箱体运行，该升降机具有：按上述电动机的角速度指令和实际运转角速度的差输出转矩指令的速度控制运算装置，输入实际运转角速度并且按上述转矩指令值计算转差值的转差运算装置；按实际运转角速度和转差值输出频率指令的频率运算装置；按上述转矩指令计算电流指令的电流值运算装置；按上述电流指令和频率指令发出各相电流指令的电流指令发生器，以及把各相电流指令与实际电流值作比较并控制上述逆变器装置的脉宽调制转换电路，其特征在于：当使电动机产生的制动转矩比电动机规定值小时，固定电动机内消耗反馈电功率的转差值，控制电流，从而控制制动转矩，同时，当产生的制动转矩比规定值大时，固定电流的大小，控制转差值，从而控制制动转矩。

(3)一个交流升降机的控制装置，其中，转差运算装置在制动转矩值小于规定值时，把转差S用下式

S = - (r₂)/(r₁) ( r₁:电动机的初级电阻值

r₂：电动机的次级电阻值)

所表示的指令值，以一定的值输出，如果制动转矩值比规定值大，把转差S用下式

S = (r₂I²max)/(ω_rT^*+r₂I²m a x)

I_{m a x}:一定的电流指令值

T^*：转矩指令值

ω_r：实际角速度

r₁：电动机的初级电阻值

r₂：电动机的次级电阻值

所表示的指令值输出。

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