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        電梯節(jié)能驅動系統(tǒng)設計

        2020-05-20 01:20:38
        建材技術與應用 2020年2期
        關鍵詞:曳引機電梯芯片

        (山西建筑職業(yè)技術學院,山西 晉中 030619)

        引言

        隨著我國城鎮(zhèn)化建設的穩(wěn)步推進,全國范圍內的城鎮(zhèn)規(guī)模不斷增大,為了提高土地的利用率,高層建筑隨之增加。因此,電梯行業(yè)得到了迅速發(fā)展,產業(yè)規(guī)模得到了進一步提升。我國電梯行業(yè)的特點是:起步晚,技術能力和自主研發(fā)能力薄弱,電梯控制的關鍵技術被國外所壟斷,外資及國外生產廠家掌握著電梯控制的前沿技術,如三菱、日立、奧的斯等企業(yè),國內的大部分市場,特別是中高端市場主要被這些廠家所占據(jù)。國內自主研發(fā)和生產的電梯公司缺乏核心競爭力,在生產制造方面以零部件的生產為主,對于控制系統(tǒng)方面研發(fā)偏少,為了提高電梯的控制技術,我國正積極推進控制系統(tǒng)的自主研發(fā)。

        1 系統(tǒng)結構和工作原理

        1.1 系統(tǒng)結構

        市場上現(xiàn)有的電梯主要有臺箱式和自動扶梯兩種,自動扶梯的用途面窄,主要用于商場,臺箱式電梯主要用于樓層較高的大廈。電梯節(jié)能的關鍵在于控制,基于永磁同步曳引機垂直升降電梯節(jié)能驅動系統(tǒng)的設計是本文研究的重點。電梯控制系統(tǒng)的主要功能與結構如圖1所示。

        圖1 控制系統(tǒng)結構圖

        由圖1可知,此次所設計的電梯控制系統(tǒng)主要由電梯門廳、電梯井道以及控制機房三部分組成。門廳是電梯與用戶之間建立交互聯(lián)系的地方,主要由電梯門框等機械結構部分和電梯呼叫按鈕、電梯運行指示燈等電氣控制部分組成;機械結構部分用于承載客人或者貨物;電氣控制部分用于呼叫電梯以及控制電梯的運行、顯示電梯的運行狀態(tài)等,所有的控制部分均由控制機房來實現(xiàn)。

        1.2 驅動系統(tǒng)設計方案

        如何驅動是實現(xiàn)電梯節(jié)能的關鍵,此次設計的節(jié)能控制系統(tǒng),能夠將電梯運行時的反饋能量充分應用于電梯曳引機的驅動控制,該系統(tǒng)的優(yōu)點在于通過儲能裝置回收電梯的能量,從而解決控制系統(tǒng)中的節(jié)能系統(tǒng)驅動能量的問題,儲能裝置主要由超級電容組成。驅動系統(tǒng)結構如圖2所示。

        圖2 驅動系統(tǒng)功能結構圖

        1.2.1 主控制系統(tǒng)

        主控制系統(tǒng)是整個驅動系統(tǒng)的核心部分。由圖2可知,主控部分主要包括電源、DSP芯片、FPGA處理芯片、信號的采集處理、通訊、隔離以及輸出等部分組成。其主要功能為:接受工作指令(包括門廳指令、急停指令、報警指令等)、獲取電梯運行信息、輸出控制指令,同時根據(jù)具體情況及預先內置的控制邏輯作出相應的決策,實現(xiàn)超級電容模組。

        1.2.2 驅動子系統(tǒng)

        驅動子系統(tǒng)是驅動系統(tǒng)節(jié)能實現(xiàn)的關鍵所在。目前主流的設計方法是交-直-交,因此,此次驅動系統(tǒng)也采用了該方法,主要包括整流、逆變和信號采集等部分,利用市電的380 V交流電為電梯曳引機供電,具體如下:

        (1)整流模塊。將電網(wǎng)輸入的380 V三相交流電進行整流,獲得540 V的直流電到直流母線。

        (2)逆變模塊。通過DSP模塊的輸出的PWM波對直流母線上的電源進行逆變,變換為所需要的交流電,從而驅動曳引機。

        (3)信號采集模塊。為了精準控制電梯的運行,系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制,實時檢測驅動系統(tǒng)的電壓和電流,并作為DSP的輸入信號,根據(jù)芯片的內置程序進行邏輯運算,并根據(jù)運算結果反饋補償電梯的運行控制信號。

        1.2.3 節(jié)能系統(tǒng)

        節(jié)能系統(tǒng)主要包括直流變換器模塊和傳感器模塊。其主要功能是完成節(jié)能的任務。首先是把電梯反饋的能量進行儲蓄,這主要是在電機制動過程中完成的,在電機工作狀態(tài)時,把儲存的能量回饋,保證母線電壓可以保持在穩(wěn)定區(qū)間,并且可以實現(xiàn)能量的雙向流動。

        (1)Buck-Boost變換器模塊。超級電容的充放電功能由此實現(xiàn)。主要是通過控制模塊輸出PWM波形實現(xiàn)在Buck電路和Boost電路之間的轉換。

        (2)傳感器模塊。包括電壓傳感器和電流傳感器,可以采集雙向直流兩側電壓、電流信號,作為DSP控制芯片的反饋輸入信號,從而控制驅動系統(tǒng)的輸出。

        2 電梯節(jié)能驅動系統(tǒng)硬件設計

        2.1 主控制系統(tǒng)硬件電路設計

        主控制系統(tǒng)是電梯驅動系統(tǒng)的的核心,主要用于接收工作指令、采集電壓電流信號、輸出速度控制信號,同時通過變換器和傳感器實時監(jiān)控電梯的運行情況并對電容進行充放電控制。DSP芯片運算速度快,數(shù)據(jù)處理量大,因此,控制系統(tǒng)采用DSP芯片控制、FPGA芯片輔助運算與通信的控制模式。DSP芯片由兩塊芯片組成,一主一從,主芯片用于整體控制,從芯片用于曳引機控制。FPGA作為輔助的運算工具,處理運算過程中的邏輯判斷工作和數(shù)據(jù)通信工作。

        2.2 驅動系統(tǒng)硬件電路設計

        電梯的運行由驅動系統(tǒng)直接控制,曳引機是電梯運動的輸出機構,是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構。在驅動系統(tǒng)的內部,首先通過全橋整流模塊,將三相交流電整流為直流,然后通過控制系統(tǒng)輸出的PWM波形對直流電進行控制輸出,從而獲得頻率可變的交流電,實現(xiàn)曳引機的控制。為了保障曳引機的控制穩(wěn)定可靠,系統(tǒng)擬采用閉環(huán)控制,通過電流傳感器監(jiān)測曳引機的工作電流,從而實時掌握曳引機的工作狀態(tài)。

        2.3 節(jié)能系統(tǒng)硬件電路設計

        Buck-Boost變換器為節(jié)能系統(tǒng)的核心部分,其作用是對節(jié)能模塊進行充放電。變換器由主控制系統(tǒng)控制,主控制系統(tǒng)根據(jù)曳引機的工作狀態(tài)和運行情況,作出邏輯判斷,輸出變換器的控制信號。當出現(xiàn)異常情況時,主控制器會輸出切斷信號,將節(jié)能系統(tǒng)與直流母線斷開,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

        3 測試及分析

        系統(tǒng)的整體試驗主要包括電梯的運行控制和節(jié)能效率兩方面。在電梯的運行控制方面,通常采用“S”形速度曲線對電梯的運行速度進行控制,從而保證電梯內人員的舒適性和電梯本身運行的安全性。

        在控制試驗時,分別將電機的勻速運轉速度設置為20 r/min、50 r/min和100 r/min,根據(jù)電梯曳引機輪子的半徑(0.25 m)計算出電梯運行的線速度分別為:0.52 m/s,1.37 m/s和2.61 m/s。利用試驗塔監(jiān)測上位機對電梯的速度進行跟蹤觀察的曲線得知:在加速和勻速階段速度跟蹤能夠滿足要求,即運行速度和輸出控制的理論云速度能夠匹配。

        節(jié)能效率分析是在電梯運行10次的情況下,測量電梯的空載節(jié)能情況。比較在使用節(jié)能裝置前后的電梯能源消耗。每次試驗過程包括以下步驟:開門、關門、電梯上行5層,開門、關門、電梯下行5層,開門。通過上位機觀察,使用節(jié)能裝置前,電梯系統(tǒng)的最大電流為19.8 A,電力消耗為0.140 kW·h;使用節(jié)能裝置后,電梯系統(tǒng)的最大電流為13.2 A,電能消耗0.100 kW·h。通過計算可知,采用節(jié)能裝置控制之后,系統(tǒng)的電力消耗下降了28.6%。

        由此可見,采用了此次設計后,電梯系統(tǒng)在節(jié)能和控制方面都取得了較大改善。

        4 結語

        通過對電梯驅動系統(tǒng)的系統(tǒng)結構和工作原理進行分析,制定出電梯驅動系統(tǒng)設計方案,闡述了驅動系統(tǒng)的組成部分及其作用,并進行了硬件設計,包括主控、驅動和節(jié)能部分,最終通過對驅動系統(tǒng)的整體測試,驗證了該系統(tǒng)在電梯運行控制和電力節(jié)能方面的優(yōu)越性。

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