第3章 电梯的电力拖动与电气控制
3.1 电梯用电动机及其调速
3.1.1 三相交流异步电动机
（1）交流感应电动机的原理
三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜，应用广泛。其缺点是功率因子滞后，轻载功率因子低，调速性能稍差。三相笼形感应电动机，在定子上具有3个完全相同、在空间上互差120°电角度的绕组；在转子槽内放有导条，导体两端用短路环相互连接起来，形成一个笼形的闭合绕组。根据旋转磁场理论，当给定子对称三相绕组施以对称的三相交流电压，则电流流过时，会在电动机的气隙中形成一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速n1，被称为同步转速，它与电网频率f1及电机的极对数p的关系如下：
（3-1）
旋转磁场切割转子导体，在转子导条中产生感应电动势，因为转子闭合，于是在转子绕组上产生感应电流。而感应电流与旋转磁场相互作用，使导条受到电磁力，产生电磁力矩，使转子以与旋转磁场相同的方向旋转。在电磁转矩的拖动下，转子沿着旋转磁场的方向旋转，但是转子永远不可能加速到与n1相等（即使轴上不带任何负载）。因为n=n1时，转子导条不再切割磁力线，故T=0，转子便减速运行，使n<n1；在运行中如果负载转矩TZ增加，转子就会减速，切割加剧，使电磁转矩T变大，当n降低，使T=TZ时，会达到新的平衡，转子便以较低的转速稳定运行。
综上所述，感应电动机工作在电动状态时，把从电网输入的电能转换成轴上的机械能，带动曳引系统以低于同步转速n1的速度旋转。由于产生电磁转矩的转子电流是靠电磁感应所产生的，故称为感应电动机。由于其转速始终低于同步转速，即n与n1，之间必然存在着差异，因此称为“异步”电动机。转差（n1-n）的存在是感应电动机运行的必要条件，我们将转差（n1-n）与同步转速n1的比值称为转差率，用符号s表示，即s=（n1-n）/n1，则感应电动机的转速公式为：
（3-2）
（2）电动机的机械特性
感应电动机的电磁转矩为：
（3-3）
显然，当其他参数不变时，电磁转矩T与转差率s有关，作出n=f（T）曲线，即为电动机的机械特性曲线（见图3-1）。
图3-1 电动机的机械特性曲线
感应电动机机械特性曲线上几个特殊运行点的含义如下：
A点：启动点。该点的s=1，对应的电磁转矩为启动转矩。
B点：临界点。该点的s=sm，对应的电磁转矩为电动机所能提供的最大转矩。
C点：额定点。该点表明该电动机处于额定状态，其参数为额定参数。
D点：同步点。同步点又称为理想的空载点，该点n=n1，表明电动机处于理想的空载状态。
通常改变电动机的参数，如改变定子端电压，或在定子电路中串入电抗、电阻，可以使其机械特性发生变化。我们把定子不经任何阻抗施以额定电源，转子不串任何阻抗直接短接时的n=f（T）曲线，称为固有机械特性，而把人为改变某参数所获得机械特性称为人为特性。如图3-2所示，降低定子端电压的感应电动机人为特性有以下几个特点。
图3-2 降低定子端电压的感应电动机人为特性
①降压后同步转速n1不变，即不同定子端电压U1的人为特性都是同一个理想的空载点。
②降压后，最大转矩Tm随着U1的平方成比例下降，但是临界点的sm并不变化。
③降压后的启动转矩，随着U1的平方成比例下降。
从降低定子端电压的人为特性可以看出，当端电压改变时，对于同一负载，电动机的转差率s就会改变，因而可以得到不同的转速，以达到调速的目的。
（3）三相感应电动机的调速
从感应电动机的转速公式可知，调节电动机的转速有两个基本途径，即改变同步转速n1和改变转差率s。而改变n1的方法可以通过改变电动机的极对数p，或是改变电源频率f1来实现。改变s的方法，主要是改变定子的端电压或是给绕线转子回路串接电阻。
①感应电动机的变极调速。变极调速就是通过改变电动机的极对数p来实现调速。变极调速，是一种有级调速而且只能限于有限的几挡速度。但因其简单可靠，成本低，效率高，机械特性硬，既适合恒转矩调速也适合恒功率调速，因此，适用于对速度要求不高且不需要平滑调速的场合。
②感应电动机的变频调速。由感应电动机的转速公式可知，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。实现变频调速的关键是如何获得一个向感应电动机供电的经济可靠的变频电源。目前在变频调速系统中广泛采用的是静止变频装置。它是利用大功率半导体器件，先将50Hz的工频电源整流成直流，然后再经逆变器转换成频率与电压均可调节的变频电流输出给感应电动机，这种系统被称为交-直-交变频系统。当然，也可以将50Hz的工频电源直接经三相变频器转换成频率与电压均可调节的变频电流输出给感应电动机，此系统称为交-交变频系统。在电梯上广泛使用的是交-直-交变频系统。变频调速平滑性好，效率高，机械特性硬，调速范围广，只要控制端电压的变化规律，便可以适应不同负载特性的要求。它是感应电动机尤其是笼型电动机调速的发展方向。
③感应电动机的调压调速。从感应电动机的电磁转矩公式及降低定子端电压的人为特性可以看出，当端电压改变时，对于同一负载，电动机的转差率s就会改变，因而可以得到不同的转速，达到调速的目的。调压调速系统，结构简单，控制方便，价格便宜；调速装置可兼作启动设备；利用转速回馈可以获得较硬的机械特性；调压调速与变极调速的配合使用可以获得较好的调速性能。因此，调压调速在阻力与速度平方成正比的风机等负载中得到了广泛应用。但是，调压调速系统必须采用高滑差电动机或在绕线式转子回路中串入电阻，低速时转子的转差功率很大，使损耗增加，效率降低，电动机发热严重。
3.1.2 交流同步电动机
交流三相同步电动机的构造与三相感应电动机的构造完全相同，其绕组可接成星形，也可接成三角形，不同的是其转子具有凸形磁极，各个磁极分别产生一定方向的磁通。交流同步电动机转子的磁通可以是永磁的，也可以是通入直流电励磁的。定子绕组中通过三相交流电后，便产生旋转磁场，旋转磁场的磁极与转子上的异性磁极产生极强的吸力，吸住转子，强迫转子按照旋转磁场的方向并以同步转速而旋转，称其为同步电动机。交流同步永磁电动机是指转子用高磁性稀土制成永磁转子，具有一个恒定磁场的交流同步电动机。
交流同步电动机的转速公式为：
（3-4）
采用变频技术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。当电源的频率和定子绕组的磁极一定时，旋转磁场的转速恒定不变，这时无论同步电动机轴上的负载增大还是减少（只要没有超过最大允许量），转子的转速总是保持不变。由此可见，同步电动机具有绝对硬的机械特性。
3.1.3 直流电动机
直流电动机是由定子产生磁极固定不变的磁场（可以是励磁线圈产生的，也可以是永久磁铁产生的），电机的电枢（转子）经换向片及电刷的逆变后通入直流电，如同通电磁线圈在磁场中的受力旋转一样，这就是直流电动机的工作原理。
直流电动机的转速公式为：
（3-5）
式中 Ua——电动机进线端的电压；
Ia——电枢电流；
Ra——电枢电阻；
Rt——外接调速电阻；
Ce——电势常数；
Φ——励磁磁通。
由式（3-5）可知，直流电动机的转速主要与输入电动机的端电压、外接调速电阻及励磁磁通有关，只要改变其中的某个参数，均可改变电动机的转速。其中改变电动机进线端的电压Ua比较理想，所以一般采用改变端电压的方法进行调速。直流电动机在不同电压时的特性曲线是平行的，而且比较平直，即在同一电压下负载变化时，其转速变化不大。
3.1.4 电梯的电力拖动系统
电梯由机械部分和电气部分组成，机械部分仅构成了电梯运动的主体结构，但缺少驱动和控制，电梯还不能运行和操纵。电梯的电气部分是由电力拖动和电气控制系统组成的。若要使电梯能够在操纵控制下按照预期自动运行，还必须对其进行拖动和控制。电梯的电力拖动系统由曳引电动机、供电系统、调速装置及速度回馈装置等构成。其工作过程是由曳引电动机为电梯提供动力，供电系统为电动机提供电源，速度回馈装置为调速系统提供电梯运行速度信号，调速装置对曳引电动机实行调速控制。
①供电系统主要由断路器、相序继电器、热继电器、变压器及整流装置等组成。
②调速装置主要是指交流异步电动机VVVF变频调速拖动方式——采用交流异步电动机，结构简单、运行平稳、效率高，因而被普遍采用。
③速度回馈装置主要是指旋转编码器。旋转编码器是一种通过光电转换将固定轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器之一。旋转编码器由光栅盘和光电检测装置组成。
这些任务由电梯的电气部分来完成，电气系统的原理结构如图3-3所示。
图3-3 电梯电气系统的原理结构
由图可见，拖动系统是电气系统核心，因为电梯的运行是由拖动系统完成的，从电梯的运行情况可看出拖动系统在电梯系统中的重要性。轿厢的上下、启动、加速、匀速运行、减速、平层停车等动作，完全由曳引电动机拖动系统完成，曳引拖动的规律就是电梯轿厢的运动规律，电梯运行的速度、舒适感、平层精度由拖动系统决定。另外，电梯运行方向的确定、电梯的选层、电梯层楼的检测和指示、电梯门的开关、电梯轿内指令和轿外召唤记忆响应与消除等，这些控制功能是由电气系统中除拖动系统以外的逻辑控制部分来完成的。该部分又称为电梯的电气控制系统，它负责电梯的运行、控制以及安全保护等。目前用于电梯的电力拖动系统主要有如下几类。
①交流变极调速系统。交流感应电动机要获得两种或三种转速，由于它的转速是与其极对数成反比，因此变速的最简单方法是只要改变电动机定子绕组的极对数就可改变电动机的同步转速。该系统大多采用开环方式控制，线路比较简单，造价较低，因此被广泛用在电梯上，但由于乘坐舒适感较差，该系统一般只应用于额定速度不大于1m/s的货梯。
②交流调压调速系统。由于大规模集成电路和计算机技术的发展，使交流调压调速拖动系统在电梯中得到广泛应用。该系统采用可控硅闭路调速，其制动减速可采用涡流制动、能耗制动、反接制动等方式，使得所控制的电梯乘坐舒适感好，平层准确度高，明显优于交流双速拖动系统，多用于速度2.0m/s以下的电梯。但随着调速技术和电子器件的发展，已经被变频变压调速系统淘汰。
③变频变压调速系统。变频调速是通过改变异步电动机供电电源的频率而调节电动机的同步转速，也就是改变施加于电动机进线端的电压和电源频率来调节电动机的转速。目前交流可变电压可变频率（VVVF）控制技术得到迅速发展，利用向量变换控制的变频变压系统的电梯的调速性能已达到直流电动机的水平。且具有节能、效率高、驱动控制设备体积小、重量轻和乘坐舒适感好等优点，目前已在很大范围内替代了直流拖动。
④直流拖动系统。直流电动机具有调速性能好，调速范围大的特点，因此具有速度快、舒适感好、平层准确度高的优点。电梯上常用的有两种系统：一是发电机组构成的可控硅励磁发电机-电动机系统；二是可控硅直接供电的可控硅-电动机系统。前者是通过调节发电机的励磁来改变电机的输出电压，后者是用三相可控硅整流器，把交流电变成可控的直流电，供给直流电动机，这样可省去了发电机组，节省能源，降低造价，且结构紧凑。但随着变频变压调速的发展，目前电梯已很少使用直流拖动。
曳引电梯因其负载和运行的特点，与其他提升机械相比，在电力拖动方面有下列特点。
①四象限运行。虽然电梯与其他提升机械的负载都属于位能负载，但一般提升机械的负载力矩方向是恒定的，都是由负载的重力产生的。但在曳引电梯中，负载力矩的方向却随着轿厢载荷的不同而变化，因为它是由轿厢侧与对重侧的重力差决定的。当电梯重载上行时，电动机处于电动状态，工作在第Ⅰ象限；当电梯轻载上行时，电动机处于再生发电状态，工作在第Ⅱ象限；当电梯轻载下行时，电动机处于电动状态，工作在第Ⅲ象限；当电梯重载下行时，电动机处于再生发电状态，工作在第Ⅳ象限。
②运行速度高。一般用途的起重机的提升速度为0.1～0.4m/s，而电梯速度大都在0.5m/s以上，最高的可超过20m/s。
③速度控制要求高。电梯属于输送人员的提升设备，在考虑人的安全和舒适的基础上也要讲究效率。故规定电梯的最大加减速度不能大于1.5m/s2，平均加速度不能小于0.48～0.65m/s2。在直流驱动和交流调压调速和变频调速中，均由速度给定电路提供两个较理想的运行速度曲线，通过回馈的拖动装置的速度调节，使电梯实时跟踪给定的曲线。若在加速、减速段中，加速度变化的部位跟踪精度不高或各曲线段过渡不平滑，都影响乘坐的舒适感。
④定位精度高。一般提升机械如起重机的定位精度要求都不甚高，在要求较精确的定位如安装工件时，也是在工作人员的指挥和操作人员的控制下才能达到。而电梯在平层停靠时依靠自动操作，定位精度都在15mm左右，变压变频调速电梯可在5mm以内。