Abstract: In this paper, the principle of induction motor speed control, the basic structure of the inverter circuit and speed control principle are introduced, the system consists of S7-200PLC, MM420 inverter and AC asynchronous motor and other components, through a combination of PLC and inverter control , Simulate the actual operation of the elevator status. Through the experimental test and verification, the elevator motor can carry out the smooth control of the speed under the control of the inverter to drive the car to reciprocate up and down, and can realize the basic functions required for normal elevator operation, with high reliability and good stability.

Key Words: Elevator; Frequency converter; PLC; Asynchronous motor; Control of motor speed

【中图分类号】TN773 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）01-0000-00

1 引言

电梯是我们日常生活中很常见的一种载人或载货的升降设备，它是一种以电动机作为驱动力的垂直升降设备，广泛应用于生产和生活的各个领域。无论是哪一类电梯，基本上都是采用变频器进行调速控制的，通常为了达到节电和改善系统控制品质及运行效率等目的，均采用了PLC与变频器结合的最佳控制方法。

该控制系统由S7-200PLC、MM420变频器及三相交流异步电动机等部分组成。电梯在运行过程中，上行和下行则是通过电机的正反转实现的，电机正向运转，拖动轿厢上行；电机反向运转，拖动轿厢下行。通过采用变频器控制方式可以改变电机定子频率，使电机能随着定子频率的不断变化而不断改变电机转子转速，实现变频调速的目的。由于变频器具有调速范围广、调速精度高、动态性能好等优点，因此在电梯的控制中得到了广泛的应用。

2 电梯变频调速系统原理框图

电梯变频调速系统原理简图如图1所示。该电梯实验装置主要由西门子S7-200PLC、MM420变频器、三相交流异步电动机、光电编码器、轿厢、配重物体、导轮和曳引机等组成。电梯的上行或下行动力驱动由三相交流异步电动机提供，PLC检测外部输入信号（包括按钮信号、限位开关信号、光电信号等），信号通过PLC内部进行运算处理后输出给变频器，通过变频器事先设定好的频率，拖动交流电动机的实现平滑调速并带动轿厢上下运行。为了平衡载重量，通常钢丝绳的一端连接轿箱，另一端连接配重物体。配重物体的重量随电梯载重量大小而定。计算方法是：

配重的重量=（载重量/2+轿箱自重）45%                      （1）

式（1）中：45%是平衡系数，一般取45～50%。

曳引机是用来调速、磨擦驱动曳引钢丝绳以及停车时的制动。这种结构的电梯载重量大，安全系数高。在电梯重载上下行以及轻载上下行时，为了满足乘客的舒适感和平层精度，要求电动机在各种负载下都有良好的调速性能和准确停车性能。

3 异步电动机的调速原理

3.1 异步电动机结构

异步电机结构图如图2所示，其主要由端盖、风扇、接线盒、机座、散热筋、定子绕组、端环、鼠笼转子、轴、轴承等组成。

从式（3）可知，对E和f进行适当控制即可维持磁通量不变。因此，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频器获得电压和频率均可调节的供电电源。设频率f=50Hz，极对数p=2，转差率s=0.04，由式（2）计算可得电机转速为1440r/min，依次类推可以得到如表1所示的电机定子频率f与电机转速n对照表，从图3绘制曲线可以看出电机转速与定子频率成正比。

表1 电机转速随频率变化表

4 变频器主电路及控制电路

变频器是一种将工频交流电变为频率和电压均可调的单相或三相交流电的电气设备，用于驱动交流电动机进行连续平滑的调速。MM420变频器主电路采用AC-DC-AC的方式，其基本思想是先把工频（50Hz）的交流电通过整流变成直流电，然后再把直流电通过逆变电路变换成电压、频率均可控制的交流电，从而来实现电机的平滑调速的目的。变频器的电路结构如图4所示，其主要由整流器部分、中间直流环节、逆变器及控制电路（PWM）等部分组成。图4中R、S、T为电源输入的三相交流电，VD1～VD6构成三相桥式整流电路，380V（线电压）交流电经过二极管整流以后变为脉动的直流电。SL为继电器常开触点，RL为缓冲电阻，与RL并联的为双向晶闸管，通常在变频器刚接通运行时，电容中将流过较大的充电电流(亦称浪涌电流)，有可能烧坏二极管，必须采取这种方式进行浪涌保护。RL串联在主电路中起到限流的作用，防止母线电流过大损坏二极管，在接通运行一段时间以后，RL常开触点闭合，将RL电阻短接。经过整流以后的直流电压和电流均是脉动的，因此需要进行滤波（滤除交流信号成分），同时由于三相交流电直接进行整流，并没有通过变压器降压，所以直流母线侧两端电压很高，单独一个电容往往达不到耐压要求，通常需要耐压值大的两个电解电容C1和C2进行并联，为了解决电容生产耐压值的不一致问题，外接两个均压电阻R1和R2使C1和C2分得相同的电压，同时电解电容在整流电路与逆变电路之间起到了去耦作用，消除了两边电路的相互干扰。由于电容两端电压不能突变，所以用电容滤波就构成了电压源型变频器。HL为变频器指示灯，制动电路介于整流器与逆变器之间，由RB（制动电阻）、晶体管VB等组成，其作用是当电机快速减速或停车时，由于惯性作用，会产生大量的再生电能，电能通过续流二极管返回到直流母线侧上会导致直流母线侧电压过高，这时通过外接制动电阻RB消耗这部分再生电能，以保护电路器件，晶体管VB的作用是控制流经RB电阻的放电电流。

逆变电路部分主要由VT1～VT6（三相逆变桥），续流二极管，以及阻容吸收电路等组成。VT1～VT6工作在开关状态，VT1～VT6导通时相当于开关接通，VT1～VT6截止时相当于开关断开。VT1～VT6交替通断，将整流后的直流电压变成交流电压。通过不断控制电力半导体器件（IGBT）的通断，将工频交流电源变换为另一频率或电压均可控的交流电，驱动电机进行变频调速。续流电路由反向并联在六个逆变管和六个续流二极管VD01～VD06组成，作用是吸收逆变管关断后，电机回馈的电能，并将其能量返回到直流电源侧。阻容吸收电路(缓冲电路)由电容、电阻、二极管组成，其作用是当逆变管VT1～VT6每次由导通状态切换至截止状态的关断瞬间，集电极和发射极（即C、E）之间的电压Uce很快地由0V升至直流电压Ud，过高的电压增长率会导致逆变管损坏。C3～C8的作用就是减少电压增长率。当逆变管VT1～VT6每次由截止状态切换到导通状态的瞬间，C3～C8上所充的电压将向VT1～VT6放电。该放电电流的初始值是很大的，R4～R9的作用就是减小C3～C8的放电电流。而VD01～VD06接入后，在VT1～VT6的关断过程中，使R4～R9不起作用。而在VT1～VT6的接通过程中，又迫使C3～C8的放电电流流经R4～R9。

5 PLC软件算法设计

5.1 PLC-I/O分配表

I/O分配表如表2所示。

表2 PLC软元件I/O分配表

5.2 PLC编程算法流程图

电梯控制过程：开始时电梯处于任意一层且处于关门待运行状态，当电梯门外有人呼叫电梯时，轿厢响应该呼梯信号并到达该层，此时轿厢停止运行，轿厢门打开，人进入轿厢，再延时3s后自动关门。当有内呼电梯信号到来是，轿厢响应该呼梯信号，并到达该层，轿厢停止运行，轿厢门打开，延时3s后自动关门。电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。轿厢到达平层且电梯轿厢停止运行后，按开门按钮轿厢开门，按关门按钮轿厢关门（不按关门按钮，则轿厢过3s自动关门）。电梯必须在关门之后才能运行，利用指示灯显示轿厢外召唤信号，厢内指令信号和电梯到达信号。接受厢内选层指令，判断“上行”与“下行”。假定为上行方向，接通电磁制动器线圈，使其释放。电梯按给定升速曲线上行。在上行过程中，速度给定信号不断地与反馈信号相比较，且不断地进行调整，使速度曲线尽量符合理想的运行曲线，而达到平稳运行。在上行过程中，轿厢位置传感器每经过一个楼层就检测到一个楼层信号，并且核对一下位置，更换一次楼层显示数字，PLC控制软件算法流程图如图5所示。

5.3 MM420变频器

变频器MM420系列（MicroMaster420）是德国西门子公司广泛应用与工业场合的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，广泛应用于工业控制等领域。电动机起动、制动必须平稳，加速度一般控制在0.9m/s²以下，并采用S形升、降速方式。上下行的速度通常要求在30～105m/min。当电机将要起动或停车时，在开始升速或减速时，有一种冲击感，这是由于起动或制动转矩过大造成的。为了消除这种感觉，在有些电梯专用变频器中，增加了“S形转矩控制模式”，在起动与停车时逐渐增加或减小转矩，使乘客无冲击感。电梯运行过程中，给定信号不断地与速度比较，并且不断地进行速度校正，使之尽量接近理想的电梯运行曲线，理想电梯运行曲线如图6所示。

使用BOP对变频器进行快速参数化（严格按照电机的铭牌进行相关参数的设置），MM420变频器主要参数设置如表3所示。

表3 变频器参数设定

6 结语

本文通过采用PLC与变频器结合的控制方式，对电梯拖动系统中的交流异步电动机进行了变频调速控制，通过西门子STEP7编程软件进行上位机编程和调试，实现电梯的逻辑控制功能。PLC电梯实验装置是简化版的电梯控制系统，通过学习变频器及PLC的逻辑控制功能，可以对电梯的工作及运行有更清晰的认识和了解，为后期学习更复杂的电梯控制系统打下理论和实践基础。

参考文献

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