3.2　电梯的变压变频调速系统

3.2.1　中低速电梯的VVVF系统

由公式可知，均匀连续地改变定子绕组上的供电频率，可以平滑地改变电动机的同步转速。但是根据电梯是恒负载的特点，应采用恒转矩的调速技术。即在变频调速时需要维持磁通恒定，保持电动机最大转矩不变。这就要求给电动机供电的变频器具有调压和调频两种功能，使变频电源输出电压的大小与其频率成比例地调节，即U'/f'=U/f=常数。变压变频简称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）。图3-4为变频器的结构，通常包括整流电路（交-直交换），直流滤波电路（能耗电路）、控制电路、驱动电路、逆变电路（直-交变换）等几大部分。该电路首先用二极管整流器接入电网，将交流电变成直流电，整流之后采用电容滤波，获得平直的直流电压，再由逆变器将直流能量逆变成可以调频调压的新交流电。

中低速电梯的VVVF拖动系统均采用脉宽调制器PWM来控制逆变器。

①采用PWM的优势。如果使用晶体管逆变器将直流电压直接转变为频率和电压可调的交流电，其输出电压为方波电压，除了基波外，还含有较大成分的高次谐波分量。这样会使曳引电动机的运行效率降低5%～7%，功率因子下降8%，而电路电流需要增大10倍左右。虽说可在逆变器的输出端采用滤波器来消除高次谐波分量，但又非常不经济，且增大了系统的输出阻抗，使逆变器的输出特性变坏。因此，在电梯的VVVF调速系统中，广泛使用了更为合理的脉宽调制器PWM。PWM是按一定的规律控制逆变器中功率开关的通与断，从而在逆变器的输出端获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波，用以近似等效正弦波。

②PWM的工作过程。PWM的控制是利用等幅的三角波（称为载波）与正弦波的相交点发出开关组件的触发脉冲，因此也称为SPWM，即正弦脉宽调制。将幅值（U_m）和角频率（ω）可变的正弦波与幅值和频率固定的三角波进行比较，如果正弦波的幅值大于三角波，输出正脉冲，可使逆变器的功率开关导通，相反使之截止。于是在逆变器的输出端可以得到一组幅值U_m等于整流电路的输出电压U_D，而宽度却不同的矩形脉冲列，它等效于正弦波曲线U_Dsinωt。提高U_D和U_m的幅值可以提高等效输出正弦波的幅值；改变正弦调制波的角频率ω，就可以改变等效输出正弦波的频率。

3.2.2　向量变换控制的VVVF拖动系统

图3-5所示的变频调速机械特性是非线性的，在接近最大转矩时开始弯曲，在最大转矩点上下侧，曲线斜率改变符号，这样的非线性会造成控制困难。采用向量控制，可以使异步电动机的机械特性曲线变得和直流电动机的机械特性一样，是一条直线，从而使异步电动机具有和直流电动机一样的可控性，如图3-6所示。向量控制，也称磁场定向控制。向量控制在各类电动机的控制中均获得普遍应用。向量变换控制对于三相异步电动机，主要用于变频器-电动机调速系统或交流伺服系统（尤其是在大功率伺服场合）。

向量控制变频调速的基本思想是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流i_U、i_V、i_W，通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流i_α、i_β，再通过按转子磁场定向旋转变换，把两相交流电流i_α、i_β等效变换成两相旋转轴系M、T的直流电流i_M、i_T。（i_M相当于直流电动机的励磁电流，i_T相当于直流电动机的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制，如图3-7所示。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流i_U、i_V、i_W分解成转矩分量和励磁分量，以便像直流电动机那样实现精确控制。向量控制方法的提出具有划时代的意义。

3.2.3　永磁同步电动机+VVVF系统

电梯性能随着计算机控制技术和变频技术的发展有很大的提高，但是非同步变频电动机存在低频低压低速时的转矩不够平稳，进而影响低速段运行不理想的缺点。用永磁同步调速电动机替代交流异步电动机，用同步变频替代异步变频可以解决低速段的缺点和启动及运行中的抖动问题，进而使电梯运行更平稳、更舒适，同时也能减小电动机的体积，减小噪声。永磁同步电动机的VVV系统，由VVVF调整系统与永磁同步的电梯专用曳引系统组成。VVVF系统可使永磁同步电动机进行变频启动，实现变频调速。永磁同步电梯专用的曳引系统由三部分组成：交流永磁同步电动机、制动器和曳引轮。

电动机的励磁部分由稀土永磁材料制成，因稀土材料磁性大，所以电动机的体积和质量可以大幅度地减少。又因曳引轮可与电动机同体，还可使曳引主机的体积更小，做得小巧轻便，从而实现无机房和小机房。交流永磁同步调速电梯电动机具有如下优点。

①结构简单，运行可靠。由于永磁电动机转子不需要励磁，省去了线圈或鼠笼，简化了结构，减少了故障，维修方便，维修复杂系数大大降低。

②永磁同步VVVF电梯的曳引系统，无滑差损耗，无励磁损耗，也不消耗润滑油，还因无需励磁，定子铜耗也相对较小，因此电动机的功率因子接近于1，曳引系统的效率极高。

③调速范围宽，可达1∶1000甚至于更高，调速精度极高，可大大提高电梯的品质。

④永磁同步电梯电动机在额定转速内保持恒转矩，对于提高电梯的运行稳定性至关重要。可以做到给定曲线与运行曲线重合，特别是电动机在低频、低压、低速时可提供足够的转矩，避免电梯在启动换速过程抖动，改善电梯启动、制动过程的舒适感。

⑤永磁同步电动机满载启动运行时电流不超过额定电流的1.5倍，配置变频器无需提高功率配置，降低了变频器的成本。

⑥采用永磁同步电动机的电梯可节约能源40%，每台每年节约电费近万元计。

目前交流变压变频调速（VVVF）控制技术发展迅速，利用向量变换控制的变频变压系统的电梯，其调速性能已达到直流电动机的调速水平，具有节能、效率高、拖动控制设备体积小、质量轻和乘坐舒适等优点，在很大范围内替代了直流拖动和其他调速系统，成为电梯的最理想调速方法。