S120驱动永磁同步电机在电梯中的应用
一、公司简介
江苏西德电梯公司公司主要从事各类乘客电梯、观光电梯、扶梯、载货电梯、别墅电梯等研发、设计、制造、销售、安装及维修服务的专业化现代化企业，也是西门子公司在电梯行业重要的战略合作伙伴。西德电梯一直倡导质量**的理念，并致力于不断技术创新，逐步成为电梯行业内具有技术先导的强大竞争力企业。客户原先使用西威和施耐德的变频器驱动电梯主提升永磁同步电机，客户为了提高自身产品的竞争力，希望使用西门子变频器驱动电梯主提升电机。
二、系统的工作原理及组成部分
1、系统组成部分
电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。
电梯系统组成：
曳引系统：曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。
导向系统：导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。
轿厢：轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢体组成。
门系统：门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。
重量平衡系统：系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。系统主要由对重和重量补偿装置组成。
电力拖动系统：电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。
电气控制系统：电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，平层装置，选层器等组成。
安全保护系统：保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。由电梯限速器、安全钳、夹绳器、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。
2、电力拖动系统
电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。
曳引系统主要驱动部分曳引机可分为有齿轮曳引机和无齿轮曳引机。
有齿轮曳引机：由电动机、制动器、减速箱、盘车装置及底座等组成，还有旋转编码器、热保护、制动器闭合确认开关、接线装置。主要机型为蜗轮蜗杆传动曳引机。
无齿轮曳引机：由电动机、制动器、盘车装置及底座等组成，还有旋转编码器、热保护、制动器闭合确认开关、接线装置。主要机型为永磁同步无齿轮曳引机。
有齿轮传动曳引机 永磁同步无齿轮曳引机
永磁同步电机驱动的无齿轮曳引机，由于采用无齿轮曳引技术，省却了传统的蜗轮蜗杆减速器，使机房噪音大大降低，较有齿轮产品可减小噪音10分贝以上；无需润滑油，根除了油污染，更符合环保要求。永磁同步电动机转子由高性能永磁体构成，无励磁电流，大大地提高电动机的运行效能。由于蜗轮蜗杆的机械传递效率比较低，所以永磁同步无齿轮驱动系统比蜗轮蜗杆传动系统具有更高的效率，降低电力耗能。在安全方面，因为其结构简单、具有刚性直轴制动等特点，在提供全时上下行超速保护功能的同时，可利用永磁同步电动机的反向发电的特点，为电梯系统与乘客提供多层保护。在应用方面，因为永磁同步曳引机外型的小型化及薄型化特点，使电梯配置与建筑物间整合空间的搭配性大大提升，为建筑设计师提供更大的弹性设计空间，同时也间接的改善了人对建筑物空间的使用率与使用质量。现在市场上主流的垂直电梯都使用永磁同步曳引机。
因为上述永磁同步无齿轮曳引机相对于传统的有齿轮传动曳引机的优点，近些年来永磁同步无齿轮曳引机在电梯行业推广很快。目前国内载人电梯中，无齿轮曳引机的使用率已达60%左右，国内目前的客梯年产量为20万台，无齿轮曳引机的年销量达12万台，总产值有20亿左右。
三、电力拖动系统控制方案及调试
1、 电机参数及配重的选择
电梯曳引机选用江苏西德电梯有限公司生产的无齿轮永磁同步电梯曳引机。
主要电机参数：曳引轮直径 400mm 额定电流 25.7A
额定速度 1.5m/s 额定功率 11.5Kw
额定负载 1150Kg 额定扭矩 765N
额定电压 380V 悬挂方式 2/1
额定频率 24Hz 工作制 S5 40%
注： S5工作制 包括电制动的断续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段起动时间、一段恒定负载运行时间、一段快速电制动时间和一段断能停转时间。
电梯配重的计算，配重是一种平衡体，其质量应选择大约跟电梯厢(包括平均塔载的乘客)的质量相等。当起动电动机时，它只需要供给提升多搭载的乘客上升或少搭载的乘客下降的动力。其余的重力由配重来平衡。按照国家标，出现电梯里面坐满40%-50%额定载荷的人的概率**，这样**经济的情况下应该是对重的重量等于轿厢的重量加上它额定载荷40%-50%的重量**。减去轿厢重量的有效配重占额定载荷的比例也叫电梯的平衡系数。本样机中的动平衡系数约为45%，且悬挂方式为2/1，则：
正常运行时的**扭矩M按照超载10%来计算，
M = (1.1-ψ) × QD1g/2r
= (1.1-0.45) × 1150 × 0.4 × 9.8/4
= 732N
式中，曳引比 r="2," Q为轿厢载重量，D1为曳引轮直径，D1=400mm， ψ为平衡系数，
ψ=0.45。
2、 电力拖动系统方案
曳引机驱动系统的要求：
1、驱动永磁同步电机，实现闭环矢量控制。
2、西德电梯永磁同步电机的编码器为海德汉 ERN 1387，增量式编码器 SIN/COS (1 Vpp) 。
3、要求变频器带Encoder Simulation TTL差分 5V 输出信号，此信号输出到电梯控制主板监控电梯实际速度。
4、为保证电梯乘坐舒适性，速度环比例积分根据实际速度切换。
5、变频器脉宽调制频率需要8KHz,达到降低电机运行噪音的目的。
基于西门子S120可以提供以下两个方案，
方案1：S120 CU320-2DP+CUA31+PM340+TM41+SMC20
方案2：S120 CU310-2DP+SMC20+PM340+编码器信号转换器
方案1中，西门子提供了整个电力拖动系统，S120为了实现变频器TTL模拟信号的输出，选择了TM41选件，且需要选配CU320-2DP做为变频器的控制单元。相对于方案1，方案2的优点是曳引机驱动变频器结构简单，在实现拖动功能的同时，大大节省了曳引同步电机驱动的成本。选用了可靠的第三方编码器转换器，变频器只负责驱动永磁同步电机实现闭环矢量速度控制，TTL差分5V信号通过编码器信号转换器直接输出到电梯控制主板，调试简单。