基于PLC和变频器的电梯控制系统的设计（河南理工大学毕业设计）

1 绪论

电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。在电梯的变频调速系统中，电机的实际最大转速为其额定转速，因此，电梯的变频调速属“恒转矩调速”。

1.1 课题的研究背景

电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。然而，只有在电梯的制造、安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高质量。

同时，随着电梯拖动技术、控制技术的快速发展，电梯已从直流电动机拖动到交流单速电动机驱动、交流双速电动机驱动，到交流调压调速（ACVV，Alternating Current Voltage）控制，发展到交流调压调频技术（VVVF，Variable Voltage Variable Frequency）控制，其逻辑控制也由可编程序控制器（PLC）代替原来的继电器控制，使得电梯运行的可靠性、安全性、舒适感、平层精度、运行速度、节能降耗、降低噪音等方面得到了极大的发展。新制造的电梯都采用了对电动机实现线性调速的调压调频技术，由于VVVF电梯采用PLC控制，有完善的自检测、自诊断、自保护功能，因而十分安全可靠。

PLC是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器， 它是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。可编程序控制器不同于顺序控制器和通用的微机控制装置，它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，具有可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、远程通信联网功能，易与计算机接口，能对模拟量进行控制，具备高速计数与位控等高性能模块等优异性能，同

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时可以取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统的继电——接触控制系统。由此，可编程序控制器PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。

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手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、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。

总之，利用PLC和变频器对旧电梯进行改造，不但可以增加电梯的舒适感、安全性、可靠性，还可以降低能耗，节约能源，减少运行费用。本文所选用的VS-616G5通用变频器，可自行设置速度曲线来实现平稳操作和精确控制，使乘客在乘坐电梯时更加舒适。为满足电梯安全性的要求，变频器通过与电动机同轴连接的旋转编码器和脉冲发生器（PG， Pulse Generator ），完成速度检测及反馈，形成闭环系统。PLC负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出起、停等信号，同时变频器也将工作状态信号送给PLC，形成双向联络关系，这是系统的核心。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲，旋转编码器根据A、B脉冲的相序，可判断电动机转动方向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此反馈信号送给变频器内部，以便进行运算调节，所以旋转编码器和PG卡实现了闭环运行。控制系统结构图如下图1.1所示。

安全装置显示装置可可编编程程逻逻辑辑控控制制器器M拖动控制系统变频器旋转编码器信息控制系统轿厢操作盘厅外呼梯盒图1.1 电梯的控制系统

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1.2 交流曳引电梯调速方式的发展

交流电梯与交流电机的发展紧密相连，至今已有三十多年的发展历史，经历了由简单到复杂、由低级到高级的发展历程，大致可以分化为三个阶段。

第一个阶段是七十年代，其主要标志是交流双速电梯，它采用改变牵引电机极对数来实现调速。电机通常采用两种或两种以上不同极对数的绕组制成，其中极对数少的绕组成为高速绕组，用于电梯的启动及稳速运行，极对数多的绕组成为低速绕组，用于电梯的制动及维修。这种电梯结构简单，价格低廉，使用和维护都很方便，但调速不够平滑，舒适感较差。

第二个阶段是八十年代盛行的交流调压调速电梯，其性能优越于交流双速电梯。调压调速的方法是通过改变三相异步电机定子端的供电电压实现电机的调速，其制动多采用能耗制动。

第三个阶段是九十年代至今，变压变频调速电梯开始占据了世界电梯的市场。VVVF电梯通过调节电机定子绕组供电电压的幅值和频率来实现转速的调节。电梯传动系统技中，由于大量采用微机控制技术和脉宽调制技术（PWM），其运行效率得到了大幅度的提高，电梯的体积大为缩小。现代交流调速技术向电梯控制领域的渗透，使得交流调速电梯的调速性能几乎完全可以和直流电梯相媲美。VVVF电梯以其独特的先进技术和性能，实现了节能、快速、舒适、平层准确、低噪音、安全等目标。由于其优越的调速性能，显著的节能效果，在很多应用场合已取代交流调压调速电梯，而成为现代电梯市场的主流。

目前，生产VVVF电梯的公司已经遍布世界各国，如日本的三菱公司、东芝公司、日立公司，美国的奥的斯公司等大的电梯制造厂家，他们在VVVF电梯的研制和进一步开发等方面，都取得了骄人的成就。在我国，电梯工业起步较晚，改革开放以来，也取得了很大的进步，如上海三菱、天津奥的斯、中国迅达、苏州迅达、广州电梯工业公司等电梯生产厂家，其产品都有一定的市场份额和技术含量。但遗憾的是，这些公司多为合资企业，电梯控制的关键部分的变频器、控制器等重要组成部分，很大程度依赖进口，其核心技术牢牢控制在国外大公司手中。

1.3 电梯发展展望

（1）不断紧凑化，体积不断轻型化、小巧化。

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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。

（2）技术含量更高，性能更好。

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、更洁净、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，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。

1.4 变频器的特点和其在电梯中应用

变频器是利用电力半导体器间的通断作用，将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电动机的启动、变频调速，提高运转精度，改变功率因数，过流/过压/过载保护等功能。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分。变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变化为直流功率的“整流器”，吸收变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

1.1.1 变频器的工作原理

电压反馈信号Uf与交流电源同步，信号US送入PWM1回路产生出符合电动机的信号，作为电动运行状态的PWM1信号，控制正弦与再生部分中开关器件，使之作为二极管整流桥工作。当电动机减速或制动时产生再生作用，功率器件在PWM1信号作用下进入再生状态，电能回馈交流电网。交流电抗器主要是限制回馈到电网的再生电

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