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    淺論永磁同步無齒輪曳引技術在電梯領域的應用

    作者:未知

      摘 要:隨著現代建筑產業的不斷發展,電梯已成為人們身邊不可或缺的一項生活設施。客戶對電梯節能、環保等的要求更是越來越高。作為耗能量大、運行時間長的生活設備,電梯系統節能已成為國際社會共同關注的課題。與此同時,在科技驅動成為產業發展主推動器的今天,電梯控制技術也將產生各種新的變化,包括新產品功能的出現、驅動技術的革新換代等。
      關鍵詞:電梯;傳動系統;永磁同步;無齒曳引
      1 永磁同步無齒輪電梯驅動技術
      同步無齒輪技術的出現,是電梯驅動的一次改革,它完成了電動機軸與曳引輪同軸的應用先例,此項技術的應用改變了傳統減速箱的負載,傳動效率被提高到85%以上,大大超過傳統曳引機的傳動效率。此外,應用該項技術密封性能高的優點,可以減少使用潤滑油,同時還集重量輕、體積小、使用安全可靠、低轉速、大轉矩、污染小、振動小等優點于一身,受到消費者的青睞。有齒輪傳動系統速度為2m/s,1000kg的載重電梯,對變頻器的容量要求為22kW,若采用永磁同步電動機無齒輪驅動電梯,在電梯型號相同的條件下,對變頻器的容量要求為15kW,要求降低了7kw。
      2 永磁同步無齒輪曳引技術與傳統曳引技術的比較
      一般來說,速度超過2.5m/s的電梯稱為高速電梯,曳引系統應用直流電動機,而由于永磁同步電動機的低轉速、大轉矩特點,可以將曳引技術應用到速度1.0m/s以上的所有電梯系統,大大開拓了永磁同步曳引技術在電梯曳引領域的發展與應用前景。
      高性能的永磁體構成了永磁同步電動機轉子,這種方式將電動機的運行效能大大提高。蝸輪蝸桿的機械傳遞效率不高,永磁同步無齒輪驅動系統與蝸輪傳動相比較而言,可以實現減少約40%電力耗能。安全特點方面,其具有結構簡單、剛性直軸制動等特點,不僅可以提供全時上下行超速度保護功能的同時,還可根據永磁同步電動機的反向發電,為使用者提供全方面保護。[1]
      3 電梯永磁同步無齒輪傳動系統對變頻器的要求
      目前,市場上的很多電梯產品都采用了變頻驅動方式,結束了傳統有齒輪傳動的時代,當然變頻控制方面存在著不同的要求。
      3.1 永磁同步電動機的特點
      首先,永磁同步電機具有電磁轉矩大的特點,比同容量的普通交、直流電動機的轉矩大。此外,效率和功率因數高。由于不需要無功勵磁電流,功率因數可高達1。穩定工作的電機,轉子和定子磁場同步運行,無感應電流,轉子電阻不受任何損耗,電動機效率可以提高2%~8%。永磁同步電動機轉子中無電流,定子繞組中幾乎不存在無功電流,實現電動機溫升低的特點,延長使用壽命。
      3.2 對電梯變頻驅動裝置的設計要求
      通過無齒輪減速直接曳引,電梯轎廂將成為電動機的響應變化的直接作用點,因此要將電梯的振動、舒適感等指標予以考慮。設計控制精度高,響應速度快的高性能變頻調速控制器成為設計的首選。尤其是計算響應速度以及電流環的檢測精度。
      通過無齒輪曳引,通常情況下電機轉速較低,要求編碼器具有較高的分辨率,通常要求在4096C/T以上。
      自起動方面,永磁同步電動機在額定頻率下還不能做到,需要擁有變頻器的驅動。因為永磁同步電動機采用永磁體轉子,具有恒定的轉子磁場,所以定子磁場的產生與轉子磁場磁極的位置要相配合,以確保需要的轉矩。因此在電梯系統中,有通過編碼器反饋檢測磁極位置的信號需要在變頻器設計中體現,并根據電機轉速、所須轉矩、磁極位置等產生定子旋轉磁場的功能。
      采用無齒輪曳引方式需要低速大轉矩,因此電動機的設計一般要采用多極數,一般來說在20極以上,特殊情況還有40極或者更高極數的。所以對變頻器的要求升高到更能適應高電動機極數,如此才能滿足電梯要求。
      傳統的電梯噪音控制方面,因為傳動方式采用的是有齒輪減速箱,所以電梯機房里產生噪音通常是以齒輪箱發出的噪音為主要對象。而永磁同步電動機采用無齒輪的傳動方式,沒有了齒輪減速箱的噪聲,那么電磁噪音取代齒輪減速箱,成為了電梯機房噪音的主要部分。[2]所以變頻器在電動機噪音抑制方面也被高度關注,被提出了更高的要求。
      對于一般的變頻調速電梯的保護尤為必要,變頻器在設計過程中,不僅考慮對自身的保護,也對系統及安全方面的保護做考慮。但是對于永磁同步電動機的無齒輪傳動的電梯,其保護措施更為嚴格,要在傳統系統基礎上,還需考慮無齒輪傳動的特點、永磁同步電動機的特點等,實現安全性方面新的設計。例如,保護電動機可能因磁極位置檢測錯誤而導致的失速動作,這一點硬性要求變頻器具備專門的設計,同時檢測和計算速度更加快速。
      能量回饋電梯是一種垂直運輸的交通工具,它的運輸形式決定其運行過程中存在兩種狀態,即電動和發電狀態。傳統的電梯變頻器在設計上一般是選擇電阻,將電梯在發電狀態運行時反饋的能量消耗掉。首先,考慮簡單的因素,變頻器會這樣設計,成本較低;其次,因為有齒輪減速箱的傳動方式是傳統電梯普遍采用的,效率不高,相對應的,反饋的能量也不多。但是與之相對,永磁同步電動機的無齒輪傳動電梯,不見了齒輪減速箱,使效率大大提高,伴隨的反饋的能量也增加很多。若依然采用傳統方式,依靠安裝電阻,消耗能量,其一,普通的電阻滿足不了,因為功率、體積和成本都大幅提高;其二,能源緊缺的現實導致這種方式不再符合節能環保要求,勢必被淘汰。因此,在永磁同步電動機的無齒輪傳動電梯系統中,能量回饋功能在變頻器的設計中必須予以考慮,這樣的結果還將反饋的能量依托變頻器回饋到電網中,節約能源。
      3.3 實際應用情況舉例
      噪聲控制方面,可以在距電機1米的位置進行測試,選擇上、前、后、左、右五點,結果取平均值。根據該值與環境噪音差值進行修正,結果顯示58dB,低于標準75dB,[3]超越現行電梯傳動系統。
      在電梯運行過程中,采用永磁同步無齒輪傳動系統的電梯勻速運行的振動加速度控制在15gal以內,低于設計值20gal。加、減速過程的振動加速度小于25gal,滿足設計要求。
      永磁同步無齒輪曳引技術在電梯領域的應用已全面實現,市場上廣大客戶普遍反映具有運行噪聲低、耗電少、運行平穩的特點,已成為電梯傳動系統的主導方向。
      參考文獻
      [1]吳瑞祥.機械設計基礎[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.
      [2]岳慶來.電梯現代智能控制技術[M].機械工業出版社,2009.
      [3]黃堅.實用電機設計計算手冊[M].上海科學技術出版社,2010.
    論文來源:《科技創新與應用》 2014年17期
    轉載注明來源:http://www.361tx.com/1/view-12690382.htm

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