1引言

近幾年來(lái)，隨著無(wú)機(jī)房、小機(jī)房電梯的廣泛應(yīng)用，永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)齒輪傳動(dòng)成為目前電梯行業(yè)的技術(shù)發(fā)展主要趨勢(shì)。無(wú)齒輪傳動(dòng)電梯由電動(dòng)機(jī)的輸出軸直接與主機(jī)的曳引輪連接，不需要齒輪減速或其它減速機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)電梯運(yùn)行。這種傳動(dòng)方式具有傳動(dòng)效率高、噪音低、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是電梯眾多曳引傳動(dòng)方式中最佳方案。目前，大多數(shù)電梯產(chǎn)品都采用了變頻驅(qū)動(dòng)的方式，由傳統(tǒng)的有齒輪傳動(dòng)電梯到永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)齒輪傳動(dòng)電梯，在變頻控制方面有那些不同和要求，這正是本文要討論的問題。

2永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

（1）永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩比同容量的普通交、直流電動(dòng)機(jī)大

忽略了附加轉(zhuǎn)矩后，永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為:

從式（1）、（2）可見，t與φ即與b成正比，而永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極采用高性能、低價(jià)格的釹鐵硼（ndfeb）稀土永磁材料制成，這種材料在室溫下的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá)1.47t，最大磁能積達(dá)397.9kj/m2，比普通電機(jī)的b大得多，因而其輸出轉(zhuǎn)矩要大得多。

（2）效率和功率因數(shù)高

該電機(jī)不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，可顯著提高功率因數(shù)（可高達(dá)1），并減少了定子電流和定子電阻損耗。在電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子無(wú)感應(yīng)電流，也就不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，兩者使電動(dòng)機(jī)效率提高2%～8%，而且該電機(jī)負(fù)載率（p2/pn）在25%～120%范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更顯著，見圖1及圖2。[3]

圖1永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)的效率曲線比較

圖2永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)曲線比較

從圖1與圖2也可看出，由于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組要從電網(wǎng)吸收部分電能勵(lì)磁，使得電機(jī)得效率及功率因數(shù)較低，尤其電機(jī)在負(fù)載率小于50%時(shí)，兩者都大幅度下降。

（3）永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)電流流過，定子繞組中較小或幾乎不存在無(wú)功電流，使電動(dòng)機(jī)溫升低，延長(zhǎng)了電機(jī)使用壽命

綜上所述，雖然采用了高性能的永磁材料，使電機(jī)的成本有所提高，但是消除了減速機(jī)構(gòu)后，減低了機(jī)械制造成本，同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)效率及傳動(dòng)效率的提高，使得電梯的變頻調(diào)速裝置容量大為減少。例如，有齒輪傳動(dòng)的速度為2m/s，載重1000kg的電梯，需要變頻器的容量為22kw，采用永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)齒輪驅(qū)動(dòng)的同樣電梯，變頻器的容量為15kw。

3電梯變頻驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要求

（1）由于是無(wú)齒輪減速直接曳引，電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)變化將通過鋼絲繩直接作用在電梯轎廂上，因此為考慮電梯的振動(dòng)、舒適感等指標(biāo)，需要設(shè)計(jì)控制精度高，響應(yīng)速度快的高性能變頻調(diào)速控制器。特別是電流環(huán)的檢測(cè)精度和計(jì)算響應(yīng)的速度。

（2）旋轉(zhuǎn)編碼器

在永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，編碼器除了反饋電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，還需要檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的磁極位置，所以編碼器需要能夠反饋磁極位置信號(hào)。另外，無(wú)齒輪曳引方式，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，因此要求編碼器的分辨率更高，一般要求在4096c/t以上才能使系統(tǒng)有良好的控制性能。所以這種電梯系統(tǒng)一般會(huì)選用絕對(duì)值或正、余弦的高性能旋轉(zhuǎn)編碼器。而目前一般的變頻器標(biāo)準(zhǔn)配置為a、b相的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，這就要求在變頻器的設(shè)計(jì)中要考慮新的旋轉(zhuǎn)編碼器的接口和應(yīng)用設(shè)計(jì)。

（3）與交流異步電動(dòng)機(jī)比較，永磁同步電動(dòng)機(jī)在額定頻率下并不能自起動(dòng)，需要在變頻器驅(qū)動(dòng)下起動(dòng)。這是因?yàn)橛来磐诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，其轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是恒定的，所以定子磁場(chǎng)的產(chǎn)生需要配合轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)磁極的位置，以產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩。因此在永磁同步電動(dòng)機(jī)的電梯系統(tǒng)中，變頻器需要設(shè)計(jì)有通過編碼器反饋檢測(cè)磁極位置信號(hào)，并根據(jù)磁極位置、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、所須轉(zhuǎn)矩等產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的功能。

（4）在目前的系統(tǒng)中，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極檢測(cè)，在變頻器的設(shè)計(jì)上，需要對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)定。很多時(shí)變頻器需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行空載運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)作設(shè)定，但是對(duì)于電梯產(chǎn)品，當(dāng)一臺(tái)電梯安裝完成后，這是電動(dòng)機(jī)上已經(jīng)掛上了轎廂、對(duì)重等負(fù)載，再進(jìn)行空載運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)作磁極位置初始化設(shè)定并不實(shí)際，所以在這種電梯系統(tǒng)中，變頻器需要有不需空載運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)作磁極位置初始化設(shè)定的功能。

（5）為了保證在各種負(fù)載條件下電梯都獲得較好的起動(dòng)特性和制動(dòng)特性，在無(wú)齒輪曳引驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中設(shè)置負(fù)載檢測(cè)裝置是十分必要的。在系統(tǒng)中，由于如前所述，采用絕對(duì)值或正、余弦的高性能旋轉(zhuǎn)編碼器，變頻器的設(shè)計(jì)可以利用旋轉(zhuǎn)編碼器的性能，在電梯起動(dòng)瞬間，計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)牧兀⒀a(bǔ)償進(jìn)輸出力矩上，從而達(dá)到平穩(wěn)起動(dòng)。這需要變頻器在信號(hào)檢測(cè)精度、抗干擾能力和計(jì)算響應(yīng)速度上都有一定程度的提高。

（6）考慮到無(wú)齒輪曳引，需要低速大轉(zhuǎn)矩，因此電動(dòng)機(jī)要采用多極數(shù)的設(shè)計(jì)，一般都在20極以上，甚至有40及或更高的。所以電梯用的變頻器比以前需要能適應(yīng)更高電動(dòng)機(jī)極數(shù)的要求。

（7）噪音

傳統(tǒng)的電梯系統(tǒng)，由于采用的是有齒輪減速箱的傳動(dòng)方式，所以電梯機(jī)房的噪音一般是以齒輪箱的噪音為主。而采用永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)齒輪傳動(dòng)的電梯，由于沒有了齒輪減速箱，電動(dòng)機(jī)的電磁噪音就成了電梯機(jī)房噪音的主要成分。所以系統(tǒng)對(duì)變頻器在電動(dòng)機(jī)噪音抑制方面也提出了更高的要求。

（8）保護(hù)

一般的變頻調(diào)速電梯，其變頻器的設(shè)計(jì)在對(duì)自身的保護(hù)和對(duì)系統(tǒng)及安全方面的保護(hù)都作了不少的考慮，但是對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)齒輪傳動(dòng)的電梯，在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還需要根據(jù)無(wú)齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)以及永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，在電梯的安全性方面進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。如對(duì)電動(dòng)機(jī)可能因磁極位置檢測(cè)錯(cuò)誤而發(fā)生的失速動(dòng)作進(jìn)行保護(hù)，這需要變頻器有專門的設(shè)計(jì)，同時(shí)有更高的檢測(cè)和計(jì)算速度。

（9）能量回饋

電梯作為垂直運(yùn)輸?shù)慕煌üぞ?，其特點(diǎn)決定其運(yùn)行過程中必然存在電動(dòng)和發(fā)電兩種狀態(tài)。傳統(tǒng)的電梯變頻器在設(shè)計(jì)上，一般是將電梯在發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)反饋的能量通過電阻消耗掉。一方面，變頻器這樣的設(shè)計(jì)會(huì)比較簡(jiǎn)單，成本較低；另一方面，傳統(tǒng)的電梯采用有齒輪減速箱的傳動(dòng)方式，效率較低，所以反饋的能量也較少。但是采用永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)齒輪傳動(dòng)的電梯，由于沒有齒輪減速箱，效率提高了，所以反饋的能量也相應(yīng)增加了不少。如果還是采用傳統(tǒng)的方法，通過電阻消耗，一個(gè)是電阻的功率、體積和成本都大幅提高，另一個(gè)在能源緊缺的今天，也不符合節(jié)能環(huán)保的趨勢(shì)。因此在永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)齒輪傳動(dòng)的電梯系統(tǒng)中，變頻器的設(shè)計(jì)需要有能量回饋的功能，將這些反饋的能量通過變頻器回饋到電網(wǎng)。

4系統(tǒng)的一些實(shí)際應(yīng)用情況

4.1電梯運(yùn)行過程的噪音

在距電機(jī)1米的上、前、后、左、右五點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，取平均值根據(jù)該值與環(huán)境噪音差值進(jìn)行修正，結(jié)果為58db，小于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)75db，比現(xiàn)行電梯系統(tǒng)噪音低得多。

4.2電梯運(yùn)行舒適感

它指電梯運(yùn)行過程中加、減速及勻速過程中的振動(dòng)加速度，從圖3、圖4可見，勻速運(yùn)行的振動(dòng)加速度小于15gal，低于20gal設(shè)計(jì)值。加、減速過程的振動(dòng)加速度超過20gal但小于25gal滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3電梯上行時(shí)的振動(dòng)加速度曲線

圖4電梯上行時(shí)的振動(dòng)加速度曲線

該系統(tǒng)經(jīng)過應(yīng)用設(shè)計(jì)被成功運(yùn)用在電梯產(chǎn)品上，到今年已經(jīng)在全國(guó)多個(gè)客戶安裝運(yùn)行，客戶普遍反映該產(chǎn)品具有運(yùn)行噪聲低、耗電少、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。