文摘：本文介紹的是日立公司最新開發(fā)的正弦波輸入/輸出的電流源變頻器系統(tǒng)控制的高速電梯，詳細(xì)說明了該系統(tǒng)的主回路、控制回路、脈寬調(diào)制及安全回路，系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約能源，減少諧波，可用于高速電梯控制及電力再生的領(lǐng)域。 多年來，人們一直采用可控硅萊昂納多系統(tǒng)和可調(diào)磁場控制方法控制高速電梯。但是，這些老式系統(tǒng)中存在一些問題，如輸出電壓低時(shí)的功率因數(shù)及交流線路較高的諧波電流。解決這些問題的一個(gè)方案就是使用門斷路整流器，這種整流器自身帶有脈寬控制裝置和相位控制裝置。采用此方法，功率因數(shù)提高了，但諧波電流卻沒有得到有效地減小。另一方面，采用正弦波輸入/輸出的電流源變頻系統(tǒng)可能會在諧波電流方面有所改善。在該系統(tǒng)中，輸出電流的頻率和相位受變頻系統(tǒng)的控制，而輸出電流的值則受整流系統(tǒng)的控制，變頻系統(tǒng)中無須電流反饋環(huán)路，電路結(jié)構(gòu)簡單，但仍存在以下問題： （1）感應(yīng)電機(jī)會產(chǎn)生力矩脈動，除非采用平穩(wěn)的正弦波脈寬調(diào)制控制裝置。 （2）切斷電流環(huán)路時(shí)產(chǎn)生異常過電壓。 這些問題妨礙了用此方法對電梯速度的控制，而電梯速度控制的目的就是要使運(yùn)行舒適、平穩(wěn)可靠。 因此，人們研制出了一種高速電梯，其控制系統(tǒng)為改進(jìn)后的正弦波輸入/輸出的電流源變頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)（分別用于變頻器和整流器）利用晶體管脈沖波形及輸出脈寬調(diào)制波形的新一代計(jì)算方法，在沒有外部邏輯回路的情況下，計(jì)算正弦脈寬調(diào)制的脈沖波形。采用新的脈寬調(diào)制控制技術(shù)替代老式的模擬控制方法，即將梯形調(diào)制波形與三角形載波相比較，開發(fā)出了適用于電梯控制的小力矩脈動變頻器系統(tǒng)。 另一方面，電流源變頻系統(tǒng)中還要考慮設(shè)置保護(hù)系統(tǒng)，它能檢測和抑制電源降低模式下的過電壓。保護(hù)系統(tǒng)中采用一個(gè)壓敏變阻器，還有一個(gè)連接在整流器和變頻器之間的直流電抗器形成的短路，克服了以前的電流源變頻器系統(tǒng)存在的問題。 本文研究的是整流器和變頻器的正弦波脈寬調(diào)制脈沖波形的計(jì)算方法，由12個(gè)晶體管構(gòu)成的整流器和變頻器的脈沖波形輸出方法，整流器和變頻器的基本操作，輸出電流、電壓和力矩脈動的模擬結(jié)果，新型曳引機(jī)，還有實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 1 主回路及控制回路結(jié)構(gòu)圖 1.1 主回路結(jié)構(gòu)圖： 圖1所示的是正弦波輸入、輸出的電流源晶體管變頻器系統(tǒng)主回路的結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)由一個(gè)整流器、一個(gè)變頻器和一個(gè)直流電抗器（Ld）構(gòu)成。整流器將恒定頻率的電源變?yōu)橹绷麟娫?，直流電抗器（Ld）則使直流電源更加平穩(wěn)，變頻器則將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)樽儔鹤冾l交流電源。連接在交流輸入、輸出端的過電壓吸收電容器（Cc，Ci）起到濾波器的作用，這樣，在一定程度上，輸入和輸出電流能夠保持正弦波形。構(gòu)成整流器和變頻器的晶體管模塊是由一個(gè)單向?qū)щ姷亩O管和晶體管構(gòu)成。兩種脈寬調(diào)制控制線路的詳細(xì)情況以后再論。 1.2 控制回路框圖： 從根本上說，整流器和變頻器裝置都要配用脈寬調(diào)制控制裝置來產(chǎn)生正弦波電壓和電流。另外，整流器部分采用直流耦合電壓控制裝置來調(diào)節(jié)感應(yīng)電機(jī)的電流值，而變頻器部分利用頻率和相位控制電機(jī)響應(yīng)速度。圖2所示的是控制回路的框圖。自動速度調(diào)節(jié)（ASR）和各種信號的管理由一個(gè)16位微機(jī)（CPU-0）作為主機(jī)來完成。主微機(jī)通過一般的矢量計(jì)算產(chǎn)生直流電流指令信號i1＊，頻率指令信號ω1＊和相位指令信號θ＊，ω1＊、θ＊、i1＊由下式給出： ω1＊ = ωs + ωr （1） θ＊ = tan-1（ωs L2/R2） （2） i1＊ = Im·SQR（1+（ωs L2/R2）2）·sin（ω1＊t+θ＊） （3） 自動直流電流調(diào)節(jié)（ACR）由一個(gè)帶有脈寬調(diào)制控制裝置的獨(dú)立的16位單片機(jī)（CPU-1）來完成。CPU-1的輸入信號就是電流指令信號與直流電流信號之間的偏差信號和同步信號。偏差信號供給了單片機(jī)上的模擬——數(shù)字轉(zhuǎn)換端口（精確度為10位），同步信號則提供給了單片機(jī)的高速輸入端口，它可以記錄中斷時(shí)間，6個(gè)輸出脈沖波形從單片機(jī)的高速輸出端口提供給了基極驅(qū)動電路，該端口有一個(gè)外加的輔助存儲器。頻率和相位指令信號則提供給了CPU-2單片機(jī)上的并行I/O（輸入/輸出）端口。 2 變頻器和整流器的正弦波脈寬調(diào)制控制裝置 2.1 脈寬調(diào)制脈沖波形的計(jì)算方法： 原來的模擬電路方法由比較電路、三角形載波發(fā)生電路和梯形調(diào)制波發(fā)生電路構(gòu)成，現(xiàn)在已不再使用。新的脈沖波形發(fā)生電路及配套軟件已開發(fā)出來，整流器和變頻器的計(jì)算方法是相同的，但對于整流器，還必須進(jìn)行電源同步控制和對直流電流值控制的負(fù)荷管理。首先來討論脈寬計(jì)算方法的共用部分。 脈寬計(jì)算方法如圖3所示。第一，在每一個(gè)確定的時(shí)間間隔內(nèi)，對頻率指令信號ω1＊進(jìn)行積分，其結(jié)果加到相位指令信號θ＊上得到總相位θt。在變頻器部分，頻率指令信號ω1＊和相位指令信號θ＊是指CPU-0計(jì)算所得的指令值。在整流器部分，θ＊是工業(yè)用交流電源的頻率，θ＊是依照電流指令與直流電流之間的偏差信號計(jì)算所得的。第二，脈寬t1，t2，t3可利用與正弦波sinωt，sin（ωt-4/3π）和sin（ωt-2/3π）相對應(yīng)的比值A(chǔ)、B、C來確定。同樣地，也可以根據(jù)總相位θt和三個(gè)正弦波來選取。如果上述過程每個(gè)時(shí)間段Δt1重復(fù)一次，只要通過單片機(jī)軟件就可求得供給晶體管的脈沖波形。本文中Δt1的值設(shè)置為大約370μs，晶體管的開關(guān)頻率fs大約為2.7kHz，脈寬的計(jì)算間隔為370μs。盡管結(jié)果可以用于變頻器部分，但用于整流器部分時(shí)就必須加以修改。同樣，ω1＊總值（Σω1＊Δt1）必須根據(jù)同步輸入后的時(shí)間進(jìn)行初始化，而負(fù)載控制又必須根據(jù)電流指令與直流電流間的偏差信號，使脈寬t1，t2，t3擴(kuò)大和縮小。 2.2 脈沖波形的輸出方式： 以前，微機(jī)發(fā)出的脈寬調(diào)制脈沖波形，其輸出方法要用一個(gè)復(fù)雜的外部電路或中斷處理，控制電路小型化很困難，有效縮小最小脈寬也不可能。為此，開發(fā)出了一種采用單片機(jī)上的輔助存儲器的新方法，脈沖波形輸出方法如圖4所示。首先，主處理機(jī)在輔助存儲器中設(shè)置了幾組事件和啟動時(shí)間，事件部分指示哪個(gè)晶體管應(yīng)該接通/斷開，這可以根據(jù)總相位θt參照通/斷表（表1）來確定。另一方面，啟動時(shí)間又表明通/斷動作什么時(shí)間進(jìn)行。參看圖3，t1，t2，t3是啟動時(shí)間的示例。在輔助存儲器中，啟動時(shí)間和內(nèi)置計(jì)時(shí)器每隔2μs進(jìn)行一次比較。當(dāng)兩個(gè)時(shí)間一致時(shí)，事件部分，即晶體管的通/斷信號就啟動。同樣地，預(yù)定事件和啟動時(shí)間設(shè)定后，輔助存儲器就會對輸出信號進(jìn)行控制，確保主機(jī)部分不受輸出處理的影響。采用此方法，最小脈寬就不受中斷處理時(shí)間極限的影響，可以減小到大約10μs，這樣，允許的高次諧波和力矩脈動可以減小，而老式控制方法卻達(dá)不到這一點(diǎn)。 變頻器脈寬調(diào)制脈沖波形的一個(gè)示例，所用正弦波脈寬計(jì)算方法和輸出技術(shù)如圖5所示。這里，最小脈寬的極限為10μs，擊穿脈沖的寬度隨總相位而變化。同樣地，在波模中心處（θt=30°）脈沖寬度較窄，在波模的兩邊（θt=0°，60°）較寬。采用此方法，輸出電流的波形幾乎是正弦的。 2.3 模擬研究結(jié)果： 圖6所示的是一些模擬研究的結(jié)果。這一模擬研究是在假設(shè)最小脈寬沒有極限的情況下進(jìn)行的。由于采用正弦波計(jì)算方法，輸出電流具有正弦特性。 輸出電壓由輸出電流、終端電容器和感應(yīng)電機(jī)來確定。老式的梯形波調(diào)制與正弦波在力矩脈動方面的差別顯而易見。 2.4 硬件 采用上述單片機(jī)，電路簡化，程序控制（PC）板的規(guī)格也比采用分立元件的老式線路變小，參見圖7。數(shù)字電路不會老化，調(diào)節(jié)時(shí)間也不足老式系統(tǒng)的1/10。 3 高效率低噪音曳引機(jī) 老式的蝸輪蝸桿用于中、低速電梯的減速機(jī)構(gòu)，因?yàn)殡娞轀p速機(jī)構(gòu)要求噪音特別低。但是，由于減速比增大，效率降低，所以，電機(jī)容量必須提高。因此新的設(shè)計(jì)方案在最新齒輪設(shè)計(jì)和加工工藝的基礎(chǔ)上，選用了高效斜齒輪，研制出了新型曳引機(jī)。其特點(diǎn)是電機(jī)、曳引輪及減速齒輪層狀布置。磁力制動器和曳引輪和為一體，安裝在減速齒輪軸輸出端，以防在高速電梯上，由于安全裝置動作而產(chǎn)生力矩突變。 減小斜齒輪產(chǎn)生的振動以及減速箱產(chǎn)生的噪音是減小減速機(jī)振動和噪音的兩個(gè)重要因素。這方面的研究始于1955年前后。已經(jīng)證明：要想有效地減小齒輪的振動，使每一對齒的彈性系數(shù)為最小，就要減小齒輪誤差引起的負(fù)荷振動，使彈性系數(shù)值的變化盡量縮小，波形平滑。 該曳引機(jī)以四極感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動，應(yīng)用變頻系統(tǒng)控制，大大減小了熱量的產(chǎn)生。高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)緊湊，慣量小，噪音低。 經(jīng)過上述各項(xiàng)措施，現(xiàn)在的曳引機(jī)減輕了40%，而且噪音減小了大約10分貝。圖8所示就是這種新型曳引機(jī)。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 4.1 基本特性： 圖9所示的是變頻器系統(tǒng)輸出電壓和電流波形的一個(gè)實(shí)例，盡管這些波形非常接近正弦波，但是，還必須檢測整流器的頻譜和力矩脈動。 圖10所示的是輸入電流和電壓的實(shí)驗(yàn)頻譜。輸入電流波形中的所有諧波為5%，甚至更少，由于晶體管開關(guān)頻率的緣故，峰值出現(xiàn)在2.7kHz附近。 4.2 電梯控制性能 圖11所示的是由最新開發(fā)的電流源變頻器控制的高速變頻電梯的示波圖。可以看出加速、減速平穩(wěn)，電源電流隨電梯速度正比變化，不同于老式的可控硅控制電梯。 圖12所示的是經(jīng)過重復(fù)上—下運(yùn)行所得的能耗實(shí)例，晶體管變頻器用于中速電梯（4m/s）。由于采用了高效電機(jī)，減小了無功功率，因而，能耗降低高達(dá)10%以上。 圖13所示的是采用不同電梯控制方式的電梯，包括老式控制方式和變頻器控制方式，其視在功率的比較情況。有效視在功率和最大視在功率降低高于30%。（測量條件與能耗比較相同）。 圖14所示的是電梯機(jī)房的噪音級，電梯曳引機(jī)噪音的整體值低于73dB，可以滿足規(guī)定目標(biāo)（低于75dB）。 5 電梯安全系統(tǒng) 圖15所示的是新開發(fā)的電流源變頻器系統(tǒng)控制電梯在事故情況下的檢測保護(hù)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，過電壓是比過電流更重要的問題。由于直流電抗器是接在整流器和變頻器中間，過電流的增加不如老式可控硅電梯那樣快，因此，老式系統(tǒng)中也采用了保護(hù)系統(tǒng)。為防止過電壓事故，采用可變電阻器（壓敏電阻）和短路方法的檢測保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來，晶體管（額定電壓1200V，額定電流300A）完全得以保護(hù)。而且，還裝有普通的錯(cuò)誤速度探測器和電源降低探測器，但在本圖中沒有標(biāo)出。 6 結(jié)論 本文介紹的是最新開發(fā)的正弦波輸入、輸出的電流源變頻器系統(tǒng)控制的新型變頻電梯，該系統(tǒng)的應(yīng)用降低了電梯系統(tǒng)對電力的要求，降低了諧波電流和能耗。 這一新技術(shù)也可用于速度高于4m/s的電梯，還可廣泛用于要求能量再生的電力領(lǐng)域。