电梯拖动系统发展过程简析
摘要：本文主要探讨曳引式电梯的工作特点，及人类对电梯的安全快捷舒适节能的要求推动下，对电梯拖动方式发展演变的过程做简单的梳理比较。
毕业论文网 关键词：曳引式电梯 工作特点 拖动方式 发展过程 比较 电梯是人类现代社会不或缺的重要交通工具，随着城市化进程的不断加快，人类在生活和生产的各个领域都要依赖电梯这种用于垂直方向的运输设备。
可以说，电梯的发展史是与人类社会科学技术的发展进步息息相关，相得益彰。
作为电梯的前身升降机， 早期主要靠人力驱动，后面发展到利用动物（如驴）来驱动。
随着瓦特发明蒸汽机后引发的以蒸汽为动力的第一次工业革命，接着以电磁现象的发现引发的电的开发利用的第二次工业革命，用于升降机的动力源也与时俱进。
1889年起，过去的升降机开始采用电力驱动，成为名副其实的电梯。
经过一个多世纪的发展，以电力为动力源的电梯驱动技术也日臻完善。
电梯的定义和内涵也随着时代不断发展变化。
如在有关标准里对电梯的定义是：服务于规定楼层的固定式升降设备，它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15的刚性导轨之间，轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。
而在《特种设备安全监察条例》中对电梯的定义却是：电梯，是指动力驱动，利用沿刚性导轨运行的厢体或者沿固定线路运行的梯级（踏步），进行升降或者平行运送人、货物的机电设备，包括载人（货）电梯，自动扶梯，自动人行道等。
可以说，标准里的“电梯”指的是狭义的电梯，而条例里的“电梯”泛指广义的电梯。
本文试着以占主导地位的曳引式（曳引式代替鼓轮卷筒式，为长行程和具有高度安全性的现代电梯奠定基础）电梯的工作特点及其拖动方式的发展变化来梳理现代电梯驱动发展脉络，并比较其优劣性。
一、电梯的工作特点 从曳引式电梯的定义知道电梯的运行就是电机要拖动轿厢（载人或载物，重量变化）与对重（取轿厢重量与额载重量的0.4至0.5倍之和，重量不变）的差重做上、下运行。
重复做着起动，加速，匀速，减速，停止，按不同的运行距离，选择预定的不同的速度曲线，循环往复地运动。
在重载上行和轻载下行时，电机是电动状态，在轻载上行和重载下行时，电机是发电制动状态，在平衡或接近平衡时，电机工作最节能。
总的说来，现代电梯一般具备以下工作特点： （1）电梯为位能性负载（不但有动能，还有势能）； （2）要求曳引电动机在四象限内运行（一、三象限为电动状态，二、四象限为发电制动状态）； （3）要求启制动频繁； （4）速度快且制动平稳，平层精度高（快捷）； （5）要求低速力矩大； （6）更安全； （7）要求各种负载下启动、换速、换向平稳无冲击（舒适）； （8）节能。
从电梯的工作特点知道用于电梯拖动系统的电机要进行频繁的启制动，加减速、正反转等运动。
对于舒适高效节能的运行需要不断促进电机的制造与驱动控制技术向前发展。
下面，我们试着从电机的运行原理和操控性来看电梯拖动系统的发展演变过程。
二、电机运动方程式与调速指标 （一）运动方程式 根据交流电机旋转运动的运动方程式： （1） 式中：电机产生的电磁转矩TM单位为牛顿米（Nm）；电机轴上的负载转矩TL单位为（Nm）；惯性转矩 的单位为（Nm）,其中转动惯量J的单位为（kgm2）、角速度 的单位为弧度/秒（rad/s）。
J可用 表示，其中m和G是旋转部分的质量（kg）和重量（N）；P和D是惯性半径和直径（m）；g是重力加速度g=9.81m/s2。
角速度与转速n的关系为 ，这样，式（1）可化成实用形式（2）： TM—TL （2） GD2=4gJ称为飞轮矩，单位是Nm2。
电机转子和机械飞轮矩GD2的数值可由相应的产品目录中查到,数字375具有加速度的量纲(m/s2)，上式反映了转矩与转速的关系。
拖动系统的工作状态（是稳速，还是加速或减速）由电磁转矩TM与负载转矩TL的关系确定。
负载转矩TL的大小和许多因素有关，通常把负载转矩与转速的关系TL=f(n)称为生产机械的负载转矩特性，有时也简称为负载特性。
生产机械的负载特性基本上可归纳为三大类。
1、恒转矩负载，（又分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载）；2、恒功率负载；3、通风机负载。
从电梯的运行特点知道其曳引电机负载特性是位能性恒转矩负载，有电动状态，还有发电制动状态，即电机须在四象限内运行。
（二）调速指标 为了评价各种电机，各种调速方法的优缺点，对调速方式提出了一定的技术经济指标，即调速指标，主要包括以下四个方面。
1、调速范围，指生产机械可能达到最高转速nmax和最低转速nmin之比，用系数D表示：D=nmax/nmin（3） 2、静差率（相对稳定性），指负载转矩变化时系统转速变化的程度，用 %= ×100%= ×100%（4） 表示,其中no表示理想空载时的速度,nN表示额定负载时的速度。
3、调速平滑性，用平滑系数 来衡量，它是相邻两级（如i与i—1级）的转速之比，即 =ni/ni—1 （5） ≈1称为无级调速或转速连续可调。
4、调整的经济性 调速的经济性，它包含两方面的内容，一是调速所需的设备投资和调速过程的能量损耗，另一方面指电机在调速时能否得到充分的利用。
三、电梯拖动方式的发展与比较 回顾电梯驱动控制技术的发展史，可发现它先后经历了直流电机，交流单速电机、交流双速电机、直流有齿轮、无齿轮调速、交流调压调速、交流变压变频调速、交流永磁同步电机变频调速等阶段。
结合各阶段的特点，我们认识到电梯拖动系统的发展演变过程是与电力电子技术，微电子技术、计算机技术、通信技术等的发展相辅相成，相互促进，互为因果。
其中，晶体管、集成电路、计算机技术、变频控制技术的发明应用对电梯的技术进步均有里程碑式的意义。
从19世纪末电梯发明到20世纪六七十年代中，直流调速一直在中、高速电梯中占较大比例，在低速场合主要使用交流双速调速系统。
1967年，晶闸管用于电梯驱动，交流调压调速驱动控制的电梯出现了。
1983年，日本三菱率先推出了变压变频驱动控制的电梯，并迅速成为电梯主流产品。
1996年，芬兰通力又率先推出了采用交流永磁同步电动机驱动技术的无机房电梯。
这些新技术新产品的出现为开发公司提高市场竞争力起到了巨大的作用，也为电梯技术革新起到推波助澜的作用。
目前电梯的拖动系统可分为直流调速（直流电机拖动）和交流调速（交流电机拖动）两大类。
（一）直流驱动 直流电梯具有速度快，舒适感好，平层准确度高的特点。
直流电动机电枢电磁转矩公式： （6） 其中Cm= 为转矩常数，是一个与电机结构有关的量，对已制成的电机，Cm是一个常数，当励磁绕组主磁通 不变时，电磁转矩与通入电枢电流 成正比，控制电枢电流就等于控制转矩，所以良好的动态性能是比较容易实现的。
例如采用转速，电流闭环反馈控制可获得四象限的恒加（减）速特性。
他励（并励）电动机的转速公式： （7） 其中Ce= 称为电势常数，是一个与电机结构有关的量，对已制成的电机，Ce是一个常数，Cm与Ce的关系是Cm= =9.55Ce 从公式（7）可知直流电动机的调速方法有三种。
（1）电枢串电阻调速（改变Rs）：简便易行，价格便宜，但属有级调速，低速下稳定性差，特性软，并且耗能大，所以只在要求不高的场合下使用。
（2）改变励磁磁通调速（改变Ф）：弱磁调速在电流较小的励磁回路调节，易于实现，属无级调速，但转速太高对直流电动机换向不利，所以调节范围有限，一般都与调压配合使用。
（3）改变电枢端电压调速（改变us）：降压调速特性硬度不变，所以低速稳定性好，调节范围宽，平滑性好，但可调直流电源造价高。
目前应用的直流电梯的拖动系统通常有两种：（1）用发电机组构成的可控硅励磁的发电机―电动机的拖动系统；（2）可控硅直接供电的可控硅―电动机拖动系统。
前者通过调节发电机的励磁电流改变发电机的输出电压（即电动机的端电压），实现了电动机的调压调速，调节电动机的励磁电流就实现了电动机的弱磁调速。
降压、弱磁并用，增大了调速的范围。
后者是用三相可控硅整流器，把交流变为可控直流，供给直流电动机的调速系统，省去了发电机组，降低了造价，使结构更加紧凑，后者相对于前者，具有很多优点，如机房占地节省35%，重量减轻40%，节能25%—35%，世界上很多在用的高速电梯即采用可控硅直接供电的系统。
其调速比可达1：1200。
直流电梯因其存在交流转直流的环节，设备多，造价高，耗能多，维护较为复杂，所以不是发展的主流。
但同时又具有调速范围宽，平滑性高，适用于快高速电梯拖动系统。
直流电动机的制动方法有能耗制动，反接制动和回馈制动等，电梯中常采用能耗制动方式，断电后在电枢回路中串入一个能耗制动电阻，使以惯性旋转的电机将动能转变为惯性发电的电能消耗在电枢回路电阻中，同时产生制动力矩，达到快速停车的目的。
回馈制动是一种节能的制动方法，它将制动时的动能或势能转变成电能回送电网，所以这种制动方法还需配有源能量回馈器，成本也较高，且制动稳态运行的转速太高。
反接制动由于制动电流大，效果强烈，舒适感也差，所以在电梯控制中很少采用。
（二）交流驱动 交流异步电动机由于具有结构紧凑，使用方便，维护简单，制造成本低等特点，得到了广泛的使用。
由异步电动机的转矩公式： T=CmφI2COS 2（8） 可知，除Cm是常数外，每极气隙磁通φ，转子电流I2，转子功率因数COS 2都是转差率S的函数，都是难以直接控制的。
比较容易直接控制的是定子电流I1。
而它又是I2的折合值与励磁电流I0的矢量和。
因此，要在动态中控制转矩显然比较困难。
异步电动机转速公式 n=n1(1—s)= （9） 可知，要改变异步电动机的转速，可有以下三种方法： （1）改变电动机的极对数p； （2）改变电动机的转差率s； （3）改变电动机的电源频率f。
在电梯拖动系统中，使用改变极对数P进行调速的场合主要是货梯，它的优点是造价低，线路简单，使用方便。
缺点是由于有级调速，舒适感差，速度较低。
能耗较大。
异步电动机应用改变转差率s的调速方式也有三种，分别是改变定子电压调速，转子串接电阻调速和串级调速，后面两种调速方法仅适用于绕线式异步电动机，目前电梯拖动系统中主要应用改变定子电压的调速方法。
其特点就是在恒定交流电源与电动机之间接入反并联晶闸管或双向晶闸管组成变压电路，通过改变晶闸管的导通角来改变输出电压的有效值，即电动机输入电压来实现调速。
由于异步电动机的工作电压不允许超过额定值，所以调节电压只能在额定电压以下进行，因此，调压调速也称为降压调速。
由于调压调速是靠增大转差率使转速降低的，转差功率又不能加以利用，所以转速愈低损耗愈大，由于晶闸管采用相位控制，输出电压、电流都是非正弦波，引起高次谐波。
高次谐波不仅使电动机总感抗加大，降低COS 中，从而影响了输出转矩，高次谐波电流又会产生六倍于基波频率的脉动转矩，严重影响电动机的正常工作；高次谐波还使电动机的损耗加大。
交流调压调速电梯的制动方式主要也有以下三种：分别是反接制动，能耗制动和涡流制动。
反接制动特点是改变定子绕组两相相序。
能耗制动是特点把电机定子绕组接至直流电源后产生磁场与转子的感应电流相互作用，涡流制动的特点是由涡流制动器实施。
其转子与主电机转子同轴相连，给同轴的涡流制动器定子绕组施加直流电源以产生一个静止的直流磁场来产生制动力矩。
近年来交流调速中最活跃，发展最快的就是变压变频调速技术，即改变电源频率f，又称VVVF技术。
变频技术就是应交流电机无级调速的需求诞生的，随着20世纪60年代后期以来电力电子技术飞速发展，电力电子器件从晶体管SOR、门极可关断晶体管GTO、双极型功率晶体管BJT、金属氧化物场效应管MOSFET、静电感应晶体管SITH发展到目前的绝缘栅双极型晶体管IGBT，作为新型电力电子器件，IGBT将MOSFET的电压控制大、控制功率小，易于并联，开关速度高的特点和双极晶体管的电流密度大，电流处理能力强，饱和压降低的特点集中于一身，表现高耐压大电流，高频率等优越的综合性能，是整机系统提高性能指标和节能指标的首选产品。
另外，变频器的控制技术也不断发展完善，从能满足一般风机、泵类调速要求的恒压频比控制方式，到调速范围、精度、响应相对好一点的转差频率控制方式，再到性能更佳的能满足各种需要的空间矢量控制方式，直到目前最先进的直接转矩控制方式。
还有，随着数字控制器（DSP）与智能功率模块（IPM）的不断发展完善，结构更小，造价更低，性能更高的变频驱动控制一体化的电梯调速装置已经投入市场。
完全满足了现代电梯运行需要的调速范围大，启动电流小，而启动力矩大，启动平滑，功率因数高，节能效果好等要求。
变频调速的制动方式主要有能耗制动和回馈制动，对高层高速电梯采用有源逆变器的反馈制动节能效果好。
随着高层建筑日益增多，对速度更高更节能的高性能电梯的电力拖动系统要求越来越高，自控式永磁同步电动机逐渐成为新型电梯拖动系统发展的主流。
从直流电动机（6）与交流异步电动机（8）的电磁转矩公式知，制约电磁转矩增大的几个因素为：（1）、转矩常数Cm与磁极对数P中成正比，P增加，T可增加。
（2）磁通φ为磁感应强度B与极距及电枢长度之积。
增大两个参数则增大电机尺寸，增加体积和成本。
（3）提高电流I则引起导体发热的绝缘老化，且使磁路易于饱和。
另外异步电动机功率因数不高，变频调速低频时，要采用定子压降补偿来提高出力，使控制系统趋于复杂。
直流电动机具有换向器及电刷，体积大，价格贵，且维护保养工作量大。
相对它们，永磁同步电动机却具有如下特点（1）电磁转矩比同容量的普通交、直流电机大。
（2）效率和功率因数高。
（3）电动机温升低，延长寿命。
（4）动态转矩响应快，控制精度高。
（5）变频器容量小。
（6）抗负载扰动能力强。
所以，自1996年推出以后，无齿轮永磁同步电动机迅速成为电梯拖动系统的新宠和主角，被冠以“绿色驱动”， 从此，电梯拖动系统的驱动技术又展开新的篇章。
电梯拖动系统发展简图 参考文献： [1] 《电梯维修与操作》 中国劳动社会保障出版社 [2] 《电机及拖动控制》姚光国 魏启超上海交通大学出版社 [3] 《同步电动机变频调速的崛起和发展》《变频器和变频调速技术的发展趋势》陈伯时 [4] 《电气传动系统技术的回顾与展望 》 杨耕 冬雷 邹俊 陈伯时 [5]《IGBT绝缘栅双极晶体管发展简述》 王树振 单威 宋玲玲 作者简介：张勇、男、1974年9月、电梯科科长、机械工程师、质量工程师、电梯检验师、起重机检验师，海南省锅炉压力容器与特种设备检验所 注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。