【摘要】隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，高層建筑、超高層建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，電梯自然成為城市高層和大型公共建筑中不可或缺的設(shè)備之一。高層建筑數(shù)量的增加對(duì)電梯的需求量也在逐漸增大，同時(shí)對(duì)電梯性能的要求也在不斷提高。對(duì)于一部電梯而言，其性能主要取決于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)控能力，這包括穩(wěn)定停車、平穩(wěn)啟動(dòng)和平滑加減速等，以滿足大眾對(duì)于舒適、快捷乘坐體驗(yàn)的需求。

【關(guān)鍵詞】交流變壓變頻調(diào)速；電梯；技術(shù)；趨勢(shì)

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.04.027

Discussion and Research on the Technology of AC Variable Voltage Variable Frequency Speed Regulating Elevator

YANG Wei， ZHAO Zhipeng， ZHAO Yun

（Binzhou Special Equipment Inspection and Research Institute， Binzhou 256600， China）

Abstract： With the rapid development of the social economy and the acceleration of urbanization， high-rise and super high-rise buildings have sprung up like mushrooms after rain， and elevators have naturally become an indispensable equipment in urban high-rise and large public buildings. With the increase in the number of high-rise buildings， the demand for elevators is gradually increasing， and the requirements for elevator performance are also constantly improving. For an elevator， its performance mainly depends on the ability to regulate the motor speed， including stable parking， smooth starting， and smooth acceleration and deceleration， to meet the public’s demand for a comfortable and fast riding experience.

Keywords： AC variable voltage variable frequency speed regulation； elevators； technology； trend

交流變壓變頻電梯控制系統(tǒng)（VVVF）是一種全新的電梯控制技術(shù)，于20世紀(jì)中后期得到廣泛推廣。交流電通過VVVF轉(zhuǎn)換成直流電，并通過逆變器整定成符合各不同電壓頻率、等級(jí)的交流電，最終實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。交流變壓變頻調(diào)速電梯控制系統(tǒng)會(huì)依據(jù)收到的指令，采用計(jì)算機(jī)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、電流及電壓等的有效控制，以準(zhǔn)確操作的方式保證電梯安全、穩(wěn)定運(yùn)行。目前，我國(guó)電梯大多采用可控硅調(diào)壓調(diào)速或者交流雙速控制，且大多在20世紀(jì)裝設(shè)，該電梯是借助選層器、繼電器實(shí)現(xiàn)變速邏輯[1]。在電梯長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)變速邏輯的部件很容易會(huì)由于磨損過度而接觸不良。人為因素也會(huì)提升部件的磨損速度，如果電梯設(shè)備老化太過嚴(yán)重，會(huì)降低其運(yùn)行效率，增加耗電量，甚至?xí)l(fā)困人、墩底、亂層以及沖頂?shù)入娞莨收蟍2]。盡管這類電梯控制系統(tǒng)存在一些缺陷，但其機(jī)械性能仍然保持在較好的水平。如果能夠按照規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)維護(hù)和保養(yǎng)工作，將能夠有效降低電梯出現(xiàn)故障的可能性。該研究主要就交流變壓變頻調(diào)速電梯的相關(guān)技術(shù)展開研究。

1交流變壓變頻調(diào)速電梯的技術(shù)分析

1.1直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速電梯

直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速電梯是一種利用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的電梯。這種電梯具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速連續(xù)平滑、損耗小、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)。

直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速電梯的核心是直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。一般來說，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速可以通過改變電機(jī)的電壓、電流、脈沖寬度等方式來實(shí)現(xiàn)。其中，電壓調(diào)制和電流調(diào)制是最常用的調(diào)速方式。通過改變電機(jī)的電壓或電流，可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電梯的調(diào)速。除了電壓和電流調(diào)制，脈寬調(diào)制也是一種常用的調(diào)速方式。通過改變電機(jī)控制器輸出的脈沖寬度，可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電梯的調(diào)速。脈寬調(diào)制具有響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速電梯中得到了廣泛應(yīng)用。此外，向量控制和磁場(chǎng)定向控制也是比較先進(jìn)和精確的電梯調(diào)速方式。通過對(duì)電機(jī)的電壓、電流和相位進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)電梯的調(diào)速。在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速電梯中，一般采用晶閘管作為主要的控制元件。通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，可以改變電機(jī)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電梯的調(diào)速。這種控制方式具有響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速電梯中得到了廣泛應(yīng)用。

1.2異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變磁極對(duì)數(shù)調(diào)速電梯

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變磁極對(duì)數(shù)調(diào)速電梯是一種利用異步電動(dòng)機(jī)改變磁極對(duì)數(shù)進(jìn)行調(diào)速的電梯。這種電梯具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速連續(xù)性好、調(diào)速響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

異步電動(dòng)機(jī)改變磁極對(duì)數(shù)調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組的接法來實(shí)現(xiàn)的。通過改變定子繞組的接法，可以改變電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方式可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)速，通?？梢赃_(dá)到100∶1以上，使得電梯在不同工況下的應(yīng)用更加靈活。由于改變磁極對(duì)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的調(diào)速，因此可以達(dá)到較好的調(diào)速精度和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，能夠滿足對(duì)速度精度要求較高的系統(tǒng)。同時(shí)，由于改變磁極對(duì)數(shù)不需要改變電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此這種調(diào)速方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。需要注意的是，繞線式異步電機(jī)是不能用改變磁極對(duì)數(shù)來調(diào)整的，這是由繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)決定的[3]。鼠籠式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子每一根導(dǎo)條可以認(rèn)為是一個(gè)磁極，也可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子的磁極與定子磁極是相對(duì)應(yīng)的。這是因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)可以通過端環(huán)任意連通。但繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子在制造時(shí)已經(jīng)把磁極位置固定，且沒有端環(huán)存在，感應(yīng)出來的電動(dòng)勢(shì)也不是任意導(dǎo)通的。這時(shí)候，如果改變定子磁極，轉(zhuǎn)子與定子之間的磁場(chǎng)無法相互耦合，或者會(huì)產(chǎn)生作用相反的力矩，致使電機(jī)無法運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變電壓調(diào)速電梯

交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變電壓調(diào)速電梯是一種利用交流異步電動(dòng)機(jī)改變電壓進(jìn)行調(diào)速的電梯。這種電梯具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速連續(xù)平滑、損耗小、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)。

交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源電壓之間存在一定的關(guān)系。當(dāng)電源電壓變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)相應(yīng)地變化。因此，通過改變電源電壓，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電梯的調(diào)速。在交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變電壓調(diào)速電梯中，通常采用交流變頻器作為主要的控制設(shè)備。變頻器可以根據(jù)電梯運(yùn)行的需要，將電源電壓改變?yōu)樗璧碾妷褐担瑥亩刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器可以通過調(diào)整電源頻率、相位等參數(shù)來達(dá)到精確控制的目的。除了改變電源電壓，還可以通過改變電機(jī)的極數(shù)來進(jìn)行調(diào)速。當(dāng)電機(jī)的極數(shù)改變時(shí)，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)電梯的調(diào)速。但是，這種方法需要改變電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此在實(shí)踐中應(yīng)用較少。

1.4交流變壓變頻調(diào)速電梯

交流變壓變頻調(diào)速電梯是一種采用交流電動(dòng)機(jī)，并通過變壓變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電梯。

交流變壓變頻調(diào)速電梯可以在寬廣的范圍內(nèi)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)精細(xì)的速度控制，從而適應(yīng)不同的使用場(chǎng)景和需求[4]。與傳統(tǒng)的電梯相比，交流變壓變頻調(diào)速電梯的調(diào)速過程更加連續(xù)和平滑，可以提供更好的乘坐舒適感。同時(shí)交流變壓變頻調(diào)速電梯采用了先進(jìn)的變壓變頻技術(shù)，可以根據(jù)電梯的實(shí)際運(yùn)行需求調(diào)整電機(jī)的電壓和頻率，避免了傳統(tǒng)電梯常見的高功率和過載運(yùn)行，從而降低了能耗。它還具有再生能量回饋功能，可以將制動(dòng)過程中產(chǎn)生的電能反饋到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)能量的再利用。由于交流變壓變頻調(diào)速電梯采用了高性能的微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制軟件，設(shè)計(jì)了多重故障保護(hù)措施，排除了傳統(tǒng)電梯存在的各種故障隱患，可充分保證電梯的安全、可靠運(yùn)行。另外，交流變壓變頻調(diào)速電梯的電力拖動(dòng)系統(tǒng)采用了矢量控制交流變頻調(diào)速技術(shù)，配備了適應(yīng)人體生理特征的速度運(yùn)行曲線，提高了乘坐的舒適性。

2電梯變頻器

2.1交-交電梯變頻器

交-交電梯變頻器是一種電梯控制系統(tǒng)中使用的變頻器，也稱作交流-交流電梯變頻器。這種變頻器的主要特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)電梯的高效、平穩(wěn)和精確控制[5]。

交-交電梯變頻器的工作原理是將輸入的交流電源通過一系列復(fù)雜的電路和變換器轉(zhuǎn)換為可調(diào)頻率和可調(diào)電壓的交流電源，以供給電梯電機(jī)使用。與傳統(tǒng)的交流電機(jī)調(diào)速方式相比，交-交變頻器具有更高的效率和更靈活的控制性能。

交-交電梯變頻器可以實(shí)現(xiàn)寬廣的調(diào)速范圍，滿足電梯在不同樓層和不同負(fù)載條件下的需求。通過調(diào)整變頻器的輸出頻率和電壓，可以精確控制電梯的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的加速和減速[6]。交-交電梯變頻器可以根據(jù)電梯的實(shí)際運(yùn)行需求進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，避免能源的浪費(fèi)。在電梯輕載或空載時(shí)，變頻器可以降低電機(jī)的運(yùn)行速度，從而減少能耗。同時(shí)，在電梯制動(dòng)過程中，交-交電梯變頻器可以實(shí)現(xiàn)能量回饋，將制動(dòng)產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)中，進(jìn)一步提高節(jié)能效果。同時(shí)，交-交電梯變頻器采用了先進(jìn)的控制技術(shù)和保護(hù)措施，具有較高的可靠性。它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯的運(yùn)行狀態(tài)，并在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，確保電梯的安全運(yùn)行。

交-交電梯變頻器是一種具有優(yōu)異性能的電梯控制設(shè)備，可以提高電梯的運(yùn)行效率、乘坐舒適性和節(jié)能效果。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這種變頻器的性能和功能還將不斷提高，為人們的生活和工作帶來更多的便利和舒適。

2.2交-直-交電梯變頻器

交-直-交電梯變頻器是一種廣泛應(yīng)用于電梯控制系統(tǒng)中的變頻器，其工作原理是將輸入的交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換為直流電源，然后再通過逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為可調(diào)頻率和可調(diào)電壓的交流電源，以供給電梯電機(jī)使用[7]。

交-直-交電梯變頻器可以實(shí)現(xiàn)寬廣的調(diào)速范圍，滿足電梯在不同樓層和不同負(fù)載條件下的需求。通過調(diào)整變頻器的輸出頻率和電壓，可以精確控制電梯的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的加速和減速。交-直-交電梯變頻器還可以根據(jù)電梯的實(shí)際運(yùn)行需求進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，使電梯電機(jī)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而提高電梯的運(yùn)行效率。它還可以通過能量回饋技術(shù)，將制動(dòng)過程中產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)能量的再利用，降低能耗。

另外，交-直-交電梯變頻器具有快速的響應(yīng)速度和高的控制精度，可以實(shí)現(xiàn)電梯的快速啟動(dòng)、平穩(wěn)運(yùn)行和準(zhǔn)確停車。通過優(yōu)化控制算法和參數(shù)設(shè)置，可以進(jìn)一步提高電梯的動(dòng)態(tài)性能，減少運(yùn)行時(shí)的沖擊和振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電梯的平穩(wěn)啟動(dòng)和停止，減少乘客的不適感。同時(shí)，它還可以通過降低電梯運(yùn)行時(shí)的噪聲和振動(dòng)，提高乘坐舒適性。

交-直-交電梯變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，不僅適用于高層建筑、辦公樓、購(gòu)物中心等場(chǎng)所的電梯控制，還可以用于地鐵、機(jī)場(chǎng)、火車站等公共交通設(shè)施的電梯和自動(dòng)扶梯控制系統(tǒng)中。

3交流變壓變頻調(diào)速電梯發(fā)展趨勢(shì)

電梯是高層建筑的一種垂直運(yùn)載工具，其需求量也隨著高層建筑的增多而逐漸增大，電梯性能也隨之提升。對(duì)于一部電梯來說，其性能主要由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控決定。對(duì)于交流變壓變頻調(diào)速電梯來說，其特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)為：1）智能化。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，電梯的智能化程度越來越高。未來電梯將更加智能化，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷、預(yù)測(cè)維護(hù)等功能，提高電梯的運(yùn)行效率和安全性。2）節(jié)能環(huán)保化。隨著環(huán)保意識(shí)的提高，電梯的節(jié)能環(huán)保性能越來越受到重視。未來電梯將更加注重節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)，采用高效節(jié)能的電機(jī)和控制系統(tǒng)，減少能源消耗和環(huán)境污染。3）舒適性。電梯作為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾煌üぞ?，其舒適性越來越受到關(guān)注。未來電梯將更加注重舒適性設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的減震、降噪技術(shù)，提高乘坐舒適性。4）安全性。電梯的安全性是人們最關(guān)心的問題之一。未來電梯將更加注重安全性設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的防墜落、防夾等功能，提高電梯的安全性能。

【參考文獻(xiàn)】

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【作者簡(jiǎn)介】

楊偉，男，1988年出生，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)闄C(jī)電類特種設(shè)備檢驗(yàn)。

趙志鵬，男，1983年出生，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)闄C(jī)電類特種設(shè)備檢驗(yàn)。

趙云，男，1984年出生，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)闄C(jī)電類特種設(shè)備檢驗(yàn)。

（編輯：劉一童）