现代变压变频(VVVF)驱动装置

1 引言用于直流(dc)电动机的华特—伦那多驱动系统是1893年发明的，并迅速为电梯系统的驱动装置所选用。百年之后，用于交流(ac)电动机的变压变频(vvvf)驱动系统出现了。过了十多年，这种驱动装置已成为21世纪的主流驱动装置。本文从电动机的基础理论出发，进而探讨各种类型的驱动装置，以及两者之间的匹配原则，还就实际当中的一些问题进行了研究，如正确选定规格、电磁兼容性(emc)、接地问题、能耗等等。最后还对未来的发展趋势及产品走向进行了预测。

2 异步(感应式)电动机的速度控制感应式电动机的同步速度是由电动机的电极数量和所加电流的频率来控制的，力矩则是由转子的转差率(电气转速与实际转速之差)乘以定子激励电流得到的。电动机的力量可以通过调节加在电动机绕组中的“v/hz”比率来改变，运行状况是对称的，要么是电动状态，要么是发电状态。同步速度是所加频率的函数，实际上还可能是0。任何速度下，如果所加的频率、电流和转差合适，额定速度和过载力矩都可以达到。图1所示的是(转)差—频(率)曲线的“光滑”特性因电动机设计各异而不同。

图1 异步感应式电动机特性要控制感应式电动机，就必须能够预知、计算或者用轴向编码器实测转子的转差或者采用可以自测的电动机。许许多多的“伏特/赫兹”(压/频)、“闭还”和“开环”(无编码器)矢量控制方案可以控制电动机的电流和力矩。从根本上说，“矢量”控制就是变频器内计算定子的相对位置和转子电压、电流和发电-电动力以便对电动机实施精确控制的技术。对电动机的反复控制需要知晓电动机的关键性能，而这些性能必须保持稳定。现代“矢量控制”的电动机在很大的温度和转差范围内，呈现出良好的线性特征。老式的电动机设计方案或许不能与精确的矢量控制装置相匹配。

3 交流(ac)电动机基本的变频器控制装置一般的低成本变频器都采用一个简单的整流器前端环节和一个固定电压中间dc总线，以便将馈路电流与电动机电流隔离开，如图2所示。电动机的每个相都可以与脉宽调制器dc总线的+和－端交互相接，目的就是让电动机端子上所加的正常三相电压为正弦波，电压值和频率都可任意调节。由于单一的整流器不能把电力返回到电网中，所以就要设置一个独立的“通—断”开关装置(参见图3)，通常称之为“制动换流器”，以便在电动机制动过程中将再生能量以热的形式消耗在外部的动态制动电阻。

图2 基本的变频器控制装置

图3 普通变频器的电源部分3.1 基本的变频器控制装置应有下列基本的功能特性:(1) 驱动装置必须与电网供电情况匹配:单相或者三相，50/60hz;(2) 供给电动机的可变电压和可变频率,可以控制电动机的速度和力矩;(3) dc总线储能装置要将作为输入的“前端”与电动机控制的后端隔离开;(4) 电动机一侧的功率定置可以与电网动力有所不同;(5) 实际功率转换，即“kw输入=kw输出”;(6) 电动机和变频器都可以再生机械能量，并返回到dc总线;(7) 前端的单一整流器允许单向供电。3.2 变频器驱动控制装置的优点和缺点(1) 优点l 系统维修率低;l 可对电动机进行调速控制;l 经过合成的供给电动机的正弦电压和电流可以实现更加平稳的控制;l 电动机和变频器都能够再生能量;l dc总线的电源是独立的;l dc总线的电源不受电网电源的干扰。(2) 缺点l 内部运行更为复杂;l 功率元件的总体成本;l 需要独立的动力制动装置;l 脉宽调制(pwm)开关造成射频干扰(rfi)增大;l 应当考虑由于较高的dv/dt引起的电动机绝缘故障。3.3 适用于交流(ac)异步感应式电动机的基本表达式力矩≈转速转差×励磁电压电动机≈转速速度×励磁＋电流×定子阻抗转速转差=转速定子电气－转速转子同步转速定子电气=60×频率变频器/极对数励磁≈电流定子-力矩×功率因数看起来或许简单，由于有许多内置的可操作性能，电动机的操作还是复杂的。如果所加电压和频率合适，电动机就会根据上述基本等式，实现自适应控制，将其内置性能(力矩、电流、速度)设定到一个稳定的操作点上。但是，最简单的vvvf变频器只能改变电动机端子上所加的电压和频率。要想精确控制电动机的力矩，进而控制速度，就必须预测要达到控制实际速度所需的力矩，以及电压和频率应当如何变化。对于电梯而言，当驱动到某个楼层时，这一点特别重要，因为电动机转差估计的很小失误就会在速度方面产生很明显的错误，造成平层精确度很不理想。

4 矢量控制驱动技术矢量驱动装置的电源部分与vvvf变频器完全一样，主要的差别是矢量控制驱动装置采用的是更为复杂的算法来控制供给电动机的电源，还要用一个电流传感器来反馈电动机的实际电流，而实际电流又要根据已知的电动机特性进行严密地调节。与反馈经过测量的转差的编码器一同使用时，矢量驱动装置能在所有的速度情况(包括机械转速为0)下，可靠地达到满电动机力矩。采用矢量控制驱动装置(带编码器)时，电梯轿厢能够到达楼层、以很低的速度平层，然后使轿厢在平层位置上保持不动，直至制动装置动作。此外，矢量驱动装置还可用于有齿轮和无齿轮机器设计方案，而且通常情况是在无传感器(无编码器形式)的开环形式中使用。尽管这些驱动装置的性能一般都优于简单的vvvf控制装置，但通常情况下，在达到或者接近0速时，它不能象闭环矢量控制驱动装置那样精确控制力矩。大多数ac电梯驱动装置还要用一组动力制动电阻来消耗过多的再生能量，线性能量再生还要增设控制装置，且有助于满足有关总体谐波畸变的相关规定。v/f与闭环矢量控制装置的比较如下:(1) v/f控制装置l 间接控制力矩;l 控制器调节的是频率，而不是速度;l 反馈仅仅是基于固定的电流和电压的电气数值;l 可以与大多数的机器匹配使用;l 通常用dc注入加上机械制动装置实现可靠制动。(2) 矢量控制装置l 完美的力矩控制;l 整个速度范围内可以调节速度;l 反馈源于电动机轴上的编码器，并能通过相电流来才测量;l 需要已知(并且稳定的)电动机的性能才能达到良好的效果;l 矢量控制通常可以直接可靠地实现位置控制。

5 同步永磁(pm)电动机控制装置pm电动机转子的同步转速是直接由所加频率来控制的。而力矩则是通过将转子从定子的电磁作用力的角度位置移走而产生。通过调节定子电流(受制于绕组中所加的电压)则可以保持电动机的作用力强度。如图4所示，电动拟或是能量再生状态下的运行是对称的，只要所加的电流大小足够，零速(频率)情况下也可以产生满载和超载力矩。

图4 同步/永磁式电动机特性同步电动机的控制是要求能够提供产生预期力矩所必须的足够的电流，但也不能太高而使电动机绕组过热。变频器用于改变频率，调节电动机的电压，也就调节了电流。转子的角度位置通常是用传感器来测量。现代的pm电动机是用很强的磁体来制造的，并将其限定在低速无齿轮电梯曳引机的范围之内，但是，这样做却可以制造成很扁的碟形设计形式，用于无机房(mrl)场合最为理想。一些伺服步进电动机便是pm-ac电动机的雏形，定子和转子在制造时，都有不连续的磁极位置，因此，在低速运行时，都会产生力矩“齿槽效应”。“无刷直流”电动机的结构与相同凸极效应相似。现代pm电梯主机几乎没有了磁性凸极，所以也就不会产生齿槽效应，这也使它们在接近零速时运行状况非常理想，但是，对其控制却相当复杂。转子上的永磁体之间的旋转角度以及定子绕组中的电流引起的旋转角度必须已知并受控，才能产生有用的力矩和速度，而电动机轴却不会振动。测量转子位置的传感器，再加上使用复杂的类似矢量的计算都是必须的，目的就是要确保任何速度下力矩平稳。控制机构略有不同，但是，变频器和电动机的动力线路与标准的异步感应式电动机的基本上一样。

6 能耗现代交流电梯驱动装置是电梯控制装置(包括必要的电磁兼容性滤波器)中电气效率最高的部分，通常效率超过了94%。一般情况下，即使使用老式的双速或者交流调压调速驱动系统，交流电动机本身在额定载荷下的效率介于90~96%之间。在电梯寿命中，轻载阶段用户是要付出代价的，即满厢下行和空厢上行时，电动机载荷很轻，相应的功率因数很低。如果用交流调压调频(ac-vvvf)驱动装置取代交流调压调速(ac-vv)，电力消耗一般降低30%是可以实现的。说ac-vvvf驱动装置的kwh消耗是双速系统的一半也不为过。其它的显著优点就是效率更高，且带有冷却运行装置，特别是在能量再生状态下，这里还要用直流注入式制动系统来制动载荷，这是因为现代驱动系统通过在很广的速度范围内提供近似的正弦输出波形和恒力矩，克服了以前直流注入式制动系统相关的问题。总而言之，配备调速驱动装置的主要优点之一就是各种运行载荷条件下，驱动系统的效率一般可达96~97%，功率因数接近1，kwh能耗降低。

7 驱动装置的规格每台电梯的具体应用要求一个确定的功率峰值和连续功率值，这样才能加速并提升载荷。电动机、传动装置和运行电压的选择将会影响确定变频器应该输出的电流峰值和连续值。即使驱动装置的功率已经给定，电流的连续值和/或峰值常常也是制约因素。实质上，所选驱动装置必须在标准的“i×t”超载反转范围内，适合电梯系统所要求的峰值和运行电流，确保在选定的开关频率时能够输出足够的电流，同时还要考虑在机房环境温度高的情况下运行时，所要求电流额定值的“降低”。选择规格过大的驱动装置一般不会引起任何问题，只不过是增大了硬件成本，有时候还会造成驱动装置和机器之间的电动机“不匹配”的问题，但是这样做有时却是必要的，目的就是要确保igbt功率元件总是在其设计容量的范围内运行，而且可靠性提高，经久耐用。在无齿轮异步和同步机型中，这一点尤为重要，这种情况下的额定运行频率一般要低于50hz。选择规格不足的驱动装置可能会引起可靠性方面的问题、不能达到预期的运行质量或者简单地不能提升、加速或者减速载荷。通常情况下，要想使运行可靠，就必须遵循生产厂家的相关规定。可能的情况下，建议仔细查看电动机的铭牌，找出电压、电流、满载转速和满载电流，在老电动机上可能很难找到，因为铭牌上的数据常常要么模糊不清，要么丢失。弄清准确的满载电流、频率和转速是非常重要的。要正确确定驱动装置的规格，并计算出电动机的转差，在为现有设备选择变频器的规格之前，测量以下满载电动机电流、电压和转速是非常有益的。电动机转差也是一个重要的电动机参数。矢量驱动装置(闭环和开环)是设计用于低转差机型的。“低转差”电动机(低于5%的转差)总是与开环(无编码器)控制装置联系在一起的，闭环矢量驱动装置用于老式的高转差电动机时却很难调试，因为电动机转子电阻高时，电流的调节更加重要，这时，就要设法找到驱动装置生产厂家的相关现场指导规则。

8 正确的安装事项电梯中有四个共有组件:安装在钢制电气柜里一块未喷漆的后板上的交流驱动装置、放置在附近而且是在一个合适的钢制机座上的电梯电动机、直接连接在电动机轴上的速度编码器、位于独立的电气箱里电梯轿厢控制器(也可以不在其里面)。从安全方面考虑，金属骨架及所有柜体与裸露电气元件连接的部分都要求接地，以便于人身保护。地线连接和安装的方法会造成电器噪音的产生及灵敏度的不同。pwm变频器是靠电源的快速开和关来操作的。由于电气线路总是与起周围的东西产生电容性耦合，交流驱动装置的开关噪音就会在电动机和驱动装置底座之间以及驱动装置底座和电网供电侧的其它元件之间流动。降低干扰的最有效方法就是给噪音电流提供一个直接的低电阻路径来流动，高电阻路径它根本就不会流向那里。下面的几条规则有帮助达到完美的效果。推荐在驱动装置外壳上配备接地导电杆，并将其接在金属支架上，还要给这个杆提供接地线:（1) 直接从驱动装置底座上提供;（2) 直接从驱动装置屏的后板上提供;（3) 直接从电动机支架上提供;（4) 从建筑物的钢结构上提供;（5) 从轿厢控制器的外壳上提供。所有的电气动力线路都应当封闭在金属线槽内，而不是裸露在电缆架上。电源输入和电动机输出的三相接线应当分开。接地线的规格应当满足或者超过设备规格所要求的故障电流，而且路径是宜采用的管路。不主张仅仅依靠金属导线管连接装置或者建筑物钢结构来提供接地。编码器外壳和轴应当与电动机架和轴实现电气绝缘。编码器的接线必须采用屏蔽线，确保此电缆屏蔽到接收(驱动装置)端。驱动装置的线路公用点应当用截面适中的导线接到底座接地端。所有的24v逻辑信号电路在驱动装置上有其共用的0v接地。如果24v提供信号，而不是中继触点，那么，就有必要在驱动装置控制器和轿厢控制器线路共用点之间提供导线连接。

9 可靠性考虑事项用户应该得到的是使用寿命长(只有通过完美的工程设计和制作)的很可靠的设备，这包括对周而复始的电梯运行周期而引起的应力的透彻理解;通过与供应商进行周密的合作，对关键部件要精心选择并进行质量测试;控制制作过程;投入与制作事项相关的培训及不断提高质量的计划，同等重要的是利用闭环修正反馈，通过故障分析，迅速判定生产和工地故障的根本原因。设备的寿命在其设计阶段就已注定，原因就在于所有电气元件在电气应力、高温或者反复无常的温度变化的作用下都会老化，这对断定其报废并不是完整的结论。在选择合适的元件时要弄清元件的数据单上标明的正常老化情况，这需要大量的经验积累。理解实际工作环境，增加现场“不可预测”的不能承受的条件引起的不安全运行范畴，这对于提高驱动装置的“现场”可靠性是非常必要的。有两个因素可以确保经久耐用:(1) 按照每个驱动装置生产厂家的要求给驱动装置提供良好的通风和冷却;(2) 确保每个驱动装置牢靠地接地。

10 未来发展趋势随着扁平背包式永磁(pm)同步曳引机使用量的不断扩大，不论是否放置在机房里，使用开伏勒曳引绳或者扁带的带有小直径曳引轮的更高转速的电动机可望促成该工业的变革。但是，影响驱动技术的其它趋势包括:（1) igbt功率装置(“电子开关”)将会变得更大、更有效，这样的话，采用更高开关速度的交流驱动装置的额定功率也会更大，产生的电动噪音更小;(2) 未来的市场趋势要求降低材料成本，更应注意与电源侧畸变、电压浮动及噪音传输/抗扰性。驱动装置应该配备有源前端整流器，以减电源侧中的电流谐波，这样，驱动装置就更加复杂，滤波器元件规格更大;（3) 更加关注能量储存—带有主动的主线供电再生容量将会成为一个标准:即大于25kw;（4) 直流电动机也会采用pwm开关装置供电。一旦更大规格的再生能量和谐波电流可以减小的驱动装置出现，直流电动机就可以用与交流驱动装置相同的控制系统来供电，而且会被广泛应用，最终将取代晶闸管(scr)驱动装置，scr驱动装置的关键就是控制电网供电中的谐波;（5) 能力增强了的位置模式:要想运行时间最短，而且运行质量最佳，就希望看到有所增加的“直达目的楼层”位置模式。这样的服务能够潜在地降低必要的轿厢控制器的复杂程度和制作成本;（6) 功能有所增强的派梯:对驱动装置控制和位置方式的了解增加，将从根本上取代标准的驱动控制电路内部接口，增强故障诊断能力，缩短派梯时间。别的优越性还包括通过轿厢控制器对驱动装置的参数进行编程处理，使得与运行质量调节有关的调节可以在电梯轿厢里进行。（7) 可靠性不断提高，装置体积和成本有所减小:有那么多的关键的设计事项，没有一个不是重要的。但是，所有这些都与价格挂钩着。不变的真理是:一份价钱一份货！

11 结束语电梯是机电一体化产品，许多尖端的控制技术、新型材料、高新技术都在电梯系统中得以应用，尤其是永磁同步电动机的出现和大量应用，对变压变频驱动装置提出了更高、更新的要求，也使电梯的控制技术日趋完美。应当牢记:发展的宗旨始终是改善控制性能，更好地服务用户。