某楼层电梯的电气控制系统设计.docx
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某楼层电梯的电气控制系统设计
高等教育自学考试本科毕业论文
某楼层电梯的电气控制系统设计
考生姓名:
准考证号:
专业层次:
本科院(系):
机电一体化
指导教师:
职称:
讲师
重庆科技学院
二O一四年十二月二十日
高等教育自学考试本科毕业论文
某楼层电梯的电气控制系统设计
考生姓名:
准考证号:
专业层次:
本科
指导教师:
院(系):
机电工程学院
重庆科技学院
二O一四年十二月二十日
摘要
随着我国经济的高速发展,微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展,交流变频调速技术已经进入一个崭新的时代,其应用越来越广。
而电梯作为现代高层建筑的垂直交通工具,与人们的生活紧密相关,随着人们对其要求的提高,电梯得到了快速发展。
近年来,我国的电梯生产技术得到了迅速发展.一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。
更新换代生产更新型的电梯,电梯主要分为机械系统与控制系统两大部份,随着自动控制理论与微电子技术的发展,电梯的拖动方式与控制手段均发生了很大的变化,交流调速是当前电梯拖动的主要发展方向。
目前电梯控制系统主要有三种控制方式:
继电路控制系统(“早期安装的电梯多位继电器控制系统)、PLC控制系统、微机控制系统。
继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点,目前已逐渐被淘汰。
微机控制系统虽在智能控制方面有较强的功能,但也存在抗扰性差,系统设计复杂,一般维修人员难以掌握其维修技术等缺陷。
而PLC控制系统由于运行可靠性高,使用维修方便,抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点,倍受人们重视等优点,已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式,目前也广泛用于传统继电器控制系统的技术改造。
本文在已有的通变频器的基础上,采用PLC对电梯进行控制,通过合理的选择和设计,提高了电梯的控制水平,并改善了电梯运行的舒适感,使电梯达到了较为理想的控制效果。
关键词:
PLC控制变频调速电梯舒适感/PLC电梯/可控式编程器
Afloorelevatorelectricalcontrolsystemdesign
ABSTRACT
Withthedevelopmentoftheeconomy,microelectronictechnology,computertechnologyandtheautomatictheoryaredevelopedrapidly,theACvariablefrequencytechnologyhasbeeninanewstate.Itsapplicationisbecomingmoreandmorewidely.Buttheelevatorasanimportanttrafficinskyscraper,italsohasdevelopedquicklywiththeimprovingrequirementofthepeople.therecentyears,ourcountry'selevatorproductiontechnologyobtainedtherapidlyexpand.Someelevatorfactoryunceasinglyisalsoimprovingthedesign,therevisioncraft.Therenewalproductionrenewal'selevator,theelevatormainlydividesintothemechanicalsystemandthecontrolsystemtwomajorparts,alongwiththeautomaticcontroltheoryandmicroelectronictechnology'sdevelopment,elevator'sdraggingwayandthecontrolmethodhashadtheverybigchange,theexchangevelocitymodulationisthecurrentelevatordraggingmaindevelopmentdirection.Atpresenttheliftcontrolsystemmainlyhasthreecontrolmodes:
Followingelectriccircuitcontrolsystem(“earlyinstallmentelevatormanyblack-whitecontrolsystem),PLCcontrolsystem,microcomputercontrolsystem.Becausetheblack-whitecontrolsystemthefailurerateishigh,thereliabilityisbad,controlmodenotnimbleaswellasconsumedpowerbigandsoonshortcomings,atpresenthasbeeneliminatedgradually.
Thearticleisbasedonthenow-beinggeneralfrequencyconverter,usingPLCtocontroltheelevator,thereliabilityisimprovedandthefeelingofcomfortisbetterthroughthereasonableselectionanddesign,sotheeffectofcontrolismoreideal.
Keywords:
PLCcontrolfrequencyconversiontimingelevatorfeelingofcomfort,PLCelevator,controllable-likeprogrammer
论文原创性声明
1绪论
1.1电梯的发展动态
进入九十年代,随着现代建筑的发展,日益增高的高层建筑已成为现代都市的重要标志,作为高层建筑的垂直运载工具—电梯得到了快速发展,人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高,继电器控制的弱点就越来越明显。
可编程序控制器(PLC)是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的,是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。
鉴于其种种优点,目前,电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。
同时,由于电机交流变频调速技术的发展电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡交流变频调速。
因此,PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行业的一个热点。
PLC是一种用于自动化控制的专用计算机,实质上属于计算机控制方PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特。
电梯采用了PLC控制,用软件实现对电梯运行的自动控制,可靠性大大提高。
控制系统结构简单,外部线路简化.另外可方便地增加或改变控制功能。
也可进行故障自动检测与报警显示,提高运行安全性,并便于检修。
随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展,交流变频调速技术的发展也十分迅速。
电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
1.1.1电梯技术发展概况
(1)电梯的速度要求越来越快,高速、超高速电梯的数量愈来愈多。
(2)电梯的拖动技术有了较大的发展,直流电梯由于能耗大、维修量大等缺点。
逐步被交流电梯所替代,液压电梯由于运行平稳,机房位置灵活等特点,使得在低楼层场合得到愈来愈广泛的应用。
交流拖动电梯更是得到迅速的发展,己由以前的变级调速(AC-VP)发展成为调压调速(AC-VV)及调频调压调速(AC-VVVF),使得电梯的速度、加速度、加加速度控制更加符合人们的生理要求,电梯的舒适感大为改善。
(3)电梯的逻辑控制己从过去简单的继电器—接触器控制发展为可编程序控制(PLC)和微机控制,控制方式也从手柄控制、信号控制发展为集选控制、并联控制、群控等,电梯可靠性得到很大提高。
(4)电梯的管理功能不断加强,电梯广泛采用微机控制技术,不断满足用户的使用功能要求。
如紧急停车操作、消防员专用、防捣乱系统等。
(5)智能群控管理得到广泛应用。
(6)机械传动方面,由于国际上机械加工水平的不断提高,使斜齿轮和行星齿轮在电梯上的应用日益广泛,已使电梯的传动形式日益多样化。
1.2电梯的发展展望
(1)结构不断紧凑化,体积不断轻型化、小巧化随着新技术、新结构、新材料、新工艺的发展,电梯的机械系统结构简单化、体积小型化、材料轻型化、工艺先进化、外观漂亮化。
同时,无机房电梯在新世纪将会有较大速度发展。
技术含量更高,性能更好
(2)电梯行业技术发展非常迅速,几年前推出的具有先进性能、高舒适性的VVVF电梯,如今已成为电梯行业的标准配置,因为永磁同步无齿轮曳引机具有更节能、更洁挣、更安全、更安静、更经济的特点,所以永磁同步曳引机逐步成为新型曳引机的主流:
由于永磁技术的先进性,将来很有可能取代VVVF技术。
另外,网络控制和智能群控系统.以其控制的先进性、快速性、准确性和可靠性亦是电梯的发展潮流。
(3)安装更方便、更快捷高效、安全、可重复使用的无脚手架安装,将是高层电梯安装的主要方式;随着新技术的开发、应用,电梯的硬件系统给安装带来更大的方便,使电梯安装更快、效率更高。
此外,电梯的双向安全装置、无底坑、无线控制、绿色环保—安全、环保、节能、舒适,也将是未来电梯的重要发展方向。
本设计采用了先进的SPWM技术,明显改善了电梯运行质量和性能;调速范围广、控制精度高,动态性能好,舒适、安静、快捷,几乎可与直流电机媲美。
同时明显改善了电动机供电电源的质量,减少了谐波,提高了效率和功率因数,节能显著。
另外,为安全考虑,还应设计好入口安全保护系统,计划安装红外线光幕式保护装置,以保证乘客安全。
2电梯的电力拖动系统方案设计
电力拖动系统是电梯的动力来源,它驱动电梯部件完成相应的运动。
在电梯中主要有如下两个运动:
轿厢的升降运动,轿门及厅门的开关运动。
轿厢的运动由曳引电动机产生动力,经曳引传动系统进行减速、改变运动形式(将旋转运动改变为直线运动)来实现驱动,其功率在几千瓦到几十千瓦,是电梯的主驱动。
轿门及厅门的开与关则由开门电动机产生动力,经开门机构进行减速、改变运动形式来实现驱动,其驱动功率较小(通常在200W以下),是电梯的辅助驱动。
本部分内容主要是电梯的电力拖动系统方案设计。
2.1电梯门机拖动系统方案的创新性设计
2.1.1电梯门机系统简介
在电梯系统中,为了使其能够正常工作,也为了提高电梯系统的可靠性一般在电梯系统中都有一些附属装置,电梯门机系统即是其中一个。
舒适的电梯系统应该有较短的候梯时间,门运行快捷、安静,使乘客不会觉得候梯和运行时间过长,因此,高效的电梯应该有一个良好的门机驱动系统。
在电梯中,门机系统的主要任务是接收来自上位管理与调度系发送的门机控制信号,驱动门电动机运行,以控制电梯轿厢门和厅门的联动开关。
电梯门机系统主要由门电动机、门电动机控制器、门电动机驱动装置、门结构(门系统机械部分)、安全检测系统、大厅内乘客监测系统等组成。
下面简单介绍各个组成部分及其速度曲线和运行过程。
(1)梯门电机控制系统这部分主要由门电机控制器、门电机驱动装置以及门电动机等组成。
其中门电机控制器主要用来控制门电机,使其沿给定门机曲线运行,以快速、安静、准确的开关电梯轿厢门和厅门。
这部分如同一个小型的电机拖动控制系统。
(2)电梯的门结构此部分主要由门扇、导轨、厅门门锁等构成,目前主要采用单扇门和中分门两种结构。
为了提高门系统的快捷性,高性能的电梯系统多采用中分门结构。
其中门扇必须具有坚固、防火的特点;导轨用来支撑门扇,故必须表面光滑、坚固且足够大,以便门扇可靠的移动;厅门门锁必须满足安全要求,当门扇到达关门点时应及时的锁住门。
这部分对乘客安全非常重要。
(3)安全检测在电梯控制系统中,为了避免乘客被正在关闭的门扇伤害,在门系统中大都设置安全检测系统,以检测关门时是否还有乘客从电梯门上通过。
当轿厢门正在关闭时,如果此时有乘客欲进、出入电梯轿厢(包括乘客位于轿厢门前某段距离或乘客阻挡轿厢门关闭),则轿厢门应该停止关闭,且重新打开。
轿厢门打开则不必有此过程。
目前的安全系统主要大都采用光电式装置(如光敏元件),也有的采用电磁式装置。
(4)大厅内乘客检测系统在一些高性能的电梯系统中,都设置了大厅内乘客检测装置,确定乘客是否全部进入电梯。
当乘客或物体仍在门检测区域内时,电梯的门系统能自动延时关门,确保乘客全部进入电梯。
目前主要采用光电装置和红外光幕保护装置来检测乘客或物体。
有的门机系统还采用热敏电磁装置和图像采集系统检测乘客或物体,由于受到性能和成本的限制,应用的并不多。
(5)门过载保护装置有的门系统设有门过载保护开关装置,当电梯在开关门过程中,因轿厢门受阻而导致动作力矩过大,梯门会自动向反方向动作,从而达到保护门电机的作用。
(6)速度曲线及运行过程电梯门机系统的速度曲线如图1-1所示。
速度曲线大致可分为四个阶段:
加速阶段、匀速阶段、减速阶段和厅门锁定阶段。
tl-t2时间段为加速阶段;t2-t5为匀速阶段;t5-t6为减速阶段;t6-t7为门锁定阶段。
以关轿厢门为例,在t1时刻,门电机得到控制信号(一般为脉冲信号),经过一段时间延迟,轿厢门开始动作,一直到t2时刻,此段时间为加速阶段,其运行距离一般较短。
从t4开始到t5时刻,为匀速阶段。
此时,如果有乘客在轿厢门前一定距离内或者在门扇中间阻挡轿厢门的关闭,则电机得到一个脉冲信号,则电机提前进入减速阶段,如t3-t4时刻所示,然后反转,轿厢门重新打开。
直到全部乘客进入轿厢,从时刻t5开始进入减速阶段。
在t6时刻,轿厢门实际已经关闭。
在t6-t7的门锁定阶段电机继续转动,轿厢门被压紧,门刀关门同时通过机械结构关闭厅门直到t7时刻,电机停止转动,门关闭过程结束。
图2.1电梯门机运行速度曲线
以上简要叙述了电梯门系统的组成和功能。
在电梯门系统中,还有一个重要的问题就是门保持时间的选择。
因为门的保持时间过长,会影响电梯的运行效率,而保持时间过短又不能保证乘客全部安全的进入轿厢。
因此应对门保持时间进行很好的选择:
在保证乘客全部安全进出电梯的情况下,尽可能的缩短电梯开关门时间。
2.1.2门机拖动系统方案设计
电梯门机拖动系统作为一个子系统,相对整个电梯系统来说,是不容忽视的。
它是电梯系统中动作最频繁,也是直接面对乘客的部分。
因此在实际应用中需要一个运行安全可靠、性能稳定的电梯门机控制系统,其设计就显得尤为重要。
一、各种门机拖动系统的比较
门机拖动系统从电流型式上分为直流调速拖动和交流调速拖动两大类,在交流调速拖动中,异步电动机门机调速拖动系统和同步电动机门机调速拖动系统已发展成为占有相当比例的两类调速拖动系统。
目前有三大类门机拖动系统:
直流电动机门机拖动系统、异步电动机门机拖动系统、永磁同步门机拖动系统。
最老式的用传统直流电动机调速的电梯门机一般由电动机配以继电器、限位开关和电阻实现开关门的控制,由于控制简单,调速性能好,变流装置结构简单,长期以来在调速系统领域里占统治地位。
但是由于直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大,经常因火花大而影响生产;机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度;接触式的电流传输又限制了直流电动机的使用场合;电枢在转子上,电动机效率低,散热条件差,冷却费用高,这些固有的缺点限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。
在交流电网上,因异步电动机具有结构简单,工作可靠、寿命长、成本低,保养维护简单等优点,所以长期以来,在不要求调速的场合,异步电动机占有主导地位,例如风机、水泵、普通机床的驱动中,人们广泛使用交流异步电动机来拖动机械工作。
但是,它调速性能差,起动转矩小,过载能力和效率低,并且在这类拖动中,其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率,故功率因数低,轻载时尤甚,这大大增加了线路和电网的损耗,无形中损失了大量电能。
当前,电梯门机控制系统主要有由交流电机及其VVVF调速系统构成的,也有少数由直流电机及其调速系统构成的。
这些系统均有其固有的缺陷。
除整套系统的成本较高外,前者虽然体积小,寿命长,但控制较复杂,对控制系统中的处理器性能要求较高,而且如果为同步电机,在带载情况下还易出现失步现象。
而后者尽管控制简单,但直流电机体积大,维护困难,寿命短,电刷结构带来电磁火花,易形成干扰。
这些缺陷在电梯实际运行中就表现为电梯门开关不正常,维护工作量大等困扰操作人员的问题,进一步可造成严重经济损失甚至人身伤害。
相对而言,永磁同步电机结合了直流电机与交流同步电机的优点,具有体积小,寿命长,控制简单,调速精度高,且不会失步的特点。
而且,从提高效率,节约能量方面看,永磁同步电机也有优势。
据报道,美国55%以上的电力是消耗在电动机运行上,因此提高电动机的效率很有意义。
在所有类型电机中,永磁同步电动机的损耗最小、效率最高。
有资料做过对比分析,对于7.5kW的异步电机系统效率可达86.4%,但是同样容量的永磁同步电动机效率可达92.4%。
随着电子技术的进步,电子工业的发展,电子元器件的价格不断下降。
考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗等)之后,永磁同步电机的应用正处于上升趋势,其主要的原因有:
(1)高性能永磁材料的发展
1983年问世的钦铁硼永磁材料,由于其磁特性和物理特性优异,成本低廉且材料来源有保证(我国占有世界蕴藏量8%以上的钦资源),所以在开发高磁场永磁材料(特别是钦铁硼永磁材料)方面具有得天独厚的有利条件,我国的钦铁硼永磁材料特性水平已达到世界的先进水平,为永磁同步电机的发展提供了物质基础。
永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。
在同步电动机中用永磁体取代传统的电励磁磁极的好处是:
简化了结构,消除了转子的滑环、电刷,实现了无刷结构,缩小了转子体积:
省去励磁直流电源,消除了励磁损耗和发热。
当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。
(2)新型电力电子技术器件和脉宽调制(PWM)技术应用
电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口,是弱电与被控强电之间的桥梁。
自1958年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来,电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管,第二代有自关断能力的半导体器件、第三代复合场控器件直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。
半导体开关器件性能不断提高,容量迅速增大,成本大大降低,控制电路日趋完善,它极大地推动了各类电机的控制。
70年代出现了通用变频器的系列产品,为交流电机的变频调速创造了条件。
同时对同步电动机而言解决了起动问题。
对最新的自同步永磁同步电动机,高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统中必不可少的功率环节。
(3)电子技术和控制理论的发展
集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表,规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制。
随着电子技术的发展,各种集成化的数字信号处理器(DSP)发展很快,性能不断改善,软件和开发工具越来越多,数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很大提高,出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP。
这使以单片机为核心的全数字控制系统取代模拟器件控制系统成为可能。
计算机技术的应用除了实现复杂控制规律,便于故障监视、诊断和保护等功能外,还可以用于计算机辅助分析和数字仿真。
集成电路和计算机技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。
它们的飞速发展促进了电机控制理论的发展与创新。
70年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。
这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量,从而将交流电动机模拟成直流电动,获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。
目前,交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻;结构简单,运行可靠;损耗小,效率高等一系列优点,越来越引起人们重视。
永磁电机几乎遍及航空,国防,工农业生产和日常生活的各个领域。
如汽车工业,电机现以永磁电机为主;数控和精密机床也大量应用永磁电机;信息产业中永磁电机的应用面广、类型多;家用电器中永磁电机取代异步电机的地方也不少,如空调器己开始用永磁直流无刷电动机带动空调压缩机和通风机,洗衣机用永磁直流无刷电动机带动洗衣桶旋转等。
随着高磁场永磁材料价格和电动机转子制造价格降低,以及驱动系统的理论研究和实践应用的不断完善与提高,永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发展及应用。
可以毫不夸张地说,永磁同步电动机己从小到大,从一般控制驱动到高精度的伺服驱动,从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现,而且前景会越来越明显。
为便于比较,永磁同步电动机与其它电动机的综合特性比较如下表1-1。
表2-1三种伺服系统控制方案比较
伺服系统
直流伺服系统
永磁同步伺服系统
异步交流伺服系统
电机结构
有电刷和换向器,结构复杂
比较简单
简单
最大转矩约束
整流火花,永磁体退磁
永磁体退磁
无特殊要求
发热情况
转子发热,不利
只有定子线圈发
热,有利
定转子均发热,
需要采取措施
高速化
稍有困难
比较容易
容易
大容量化
难
稍微困难
容易
制动
容易
容易
较容易
控制方法
简单
稍复杂
复杂
磁通产生
永磁体
永磁体
二次感应磁通
环境适应性
受火花限制
好
好
维护性
较麻烦
无需保护
无需保护
以上分析可以看出,在工业应用及民用中,永磁同步电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显优势。
但是随着交流伺服在国内的成熟发展,三相交流电机伺服控制器控制三相永磁伺服电机应用于电梯开门机将是一大趋势,它是继VVVF驱动技术后的、更新一代的驱动和控制技术。
正是在这一背景下,电梯技术的门控电机也逐渐向永磁无刷化方向发展。
随着我国国民经济的蓬勃发展,高层建筑如雨后春鱼般涌现,对电梯的需求就越来越大以及对电梯系统的性能要求也越来越高。
然而,据统计,电梯故障的75%出在轿门处,即电梯门控系统。
因此对电梯门控系统,具有相当高的要求。
开发硬件体积小、运行可靠、开关快速性、智能化更高、易维护的门机控制系统是势在必行的,发展永磁同步电动机控制系统是一大趋势,它不仅能实现了门机的全电动控制(包括检测门位移参数的闭环控制),而且开关门无碰撞、噪声小,开关速度快;另外相对于数控机床方面伺服控制系统,伺服控制精度不要求那么高,成本也相对低很多;同时也采用了限位开关位置检测和光幕传感器,起到多重保护功能;最后很容易实现门机堵转力矩保护,实现多重保护措施,安全性和可靠性相当高。
二、永磁同步电动机的分类
根据永磁同步电动机变频调速系统的控制方式不同,可将其分为两大类:
一类是他控式变频调速系统;另一类是自控式变频调速系统。
他控式变频调速系统中所用的变频装置是独立的,其输出频率直接由速度给定信号决定,属于速度开环控制系统。
他控式变频调速虽然能够解决永磁同步电机的起动问题,
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