Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt einen Hochgeschwindigkeitsaufzug vor, der von einem neu entwickelten sinusförmigen Eingangs-/Ausgangs-Stromquellenwechselrichtersystem von Hitachi gesteuert wird. Er beschreibt detailliert den Hauptschaltkreis, den Steuerschaltkreis, die Pulsweitenmodulation (PWM) und den Sicherheitsschaltkreis des Systems. Zu den Vorteilen des Systems zählen Energieeinsparung und reduzierte Oberschwingungen, wodurch es sich für die Steuerung von Hochgeschwindigkeitsaufzügen und die Energierückgewinnung eignet. Hochgeschwindigkeitsaufzüge wurden viele Jahre lang mit Thyristor-Systemen von Leonardo und Verfahren der einstellbaren Feldsteuerung gesteuert. Diese älteren Systeme weisen jedoch Probleme wie einen niedrigen Leistungsfaktor bei niedriger Ausgangsspannung und hohe Oberschwingungsströme im Wechselstromnetz auf. Eine Lösung besteht in der Verwendung eines Gate-Break-Gleichrichters, der PWM und Phasenanschnittsteuerung integriert. Dies verbessert zwar den Leistungsfaktor, reduziert aber die Oberschwingungsströme nicht effektiv. Ein sinusförmiges Eingangs-/Ausgangs-Stromquellenwechselrichtersystem kann hingegen hinsichtlich der Oberschwingungsströme eine Verbesserung bieten. In diesem System werden Frequenz und Phase des Ausgangsstroms durch das Frequenzumrichtersystem gesteuert, während der Wert des Ausgangsstroms durch das Gleichrichtersystem geregelt wird. Das Frequenzumrichtersystem benötigt keine Stromrückkopplung und ist einfach aufgebaut, weist aber dennoch folgende Probleme auf: (1) Der Induktionsmotor erzeugt Drehmomentpulsationen, sofern kein Regler mit gleichmäßiger sinusförmiger Pulsweitenmodulation (PWM) verwendet wird. (2) Beim Abschalten des Stromregelkreises entsteht eine anormale Überspannung. Diese Probleme behindern die Anwendung dieser Methode zur Aufzugsgeschwindigkeitsregelung, obwohl diese einen komfortablen, ruhigen und zuverlässigen Betrieb gewährleisten soll. Daher wurde ein Hochgeschwindigkeitsaufzug entwickelt, dessen Steuerungssystem ein verbessertes Frequenzumrichtersystem mit sinusförmiger Eingangs-/Ausgangsstromquelle darstellt. Dieses System verwendet zwei unabhängige Mikrocontroller (für Frequenzumrichter und Gleichrichter), um die sinusförmige PWM-Impulsform ohne externe Logikschaltungen mithilfe neuartiger Berechnungsverfahren für Transistor- und Ausgangspulsweitenmodulationssignale zu berechnen. Die neue Pulsweitenmodulations-Steuerungstechnologie ersetzt das alte analoge Steuerungsverfahren. Dabei wird die trapezförmige Modulationswellenform mit der dreieckförmigen Trägerwelle verglichen, und es wurde ein Frequenzumrichtersystem mit geringer Drehmomentpulsation entwickelt, das sich für die Aufzugssteuerung eignet. Andererseits muss im Stromquellen-Frequenzumrichtersystem auch ein Schutzsystem berücksichtigt werden, das Überspannungen im Versorgungsspannungsreduzierungsmodus erkennt und unterdrückt. Das Schutzsystem verwendet einen Varistor und eine DC-Drossel, die zwischen Gleichrichter und Frequenzumrichter geschaltet sind, um einen Kurzschluss zu bilden und so die Probleme bisheriger Stromquellen-Frequenzumrichtersysteme zu beheben. Diese Arbeit untersucht die Berechnungsmethode der sinusförmigen Pulsweitenmodulations-Impulswellenform des Gleichrichters und Frequenzumrichters, die Impulswellenform-Ausgangsmethode des aus 12 Transistoren bestehenden Gleichrichters und Frequenzumrichters, die grundlegende Funktionsweise des Gleichrichters und Frequenzumrichters, die Simulationsergebnisse der Ausgangsstrom-, Spannungs- und Drehmomentpulsation, die neuartige Traktionsmaschine sowie experimentelle Ergebnisse. 1 Haupt- und Regelschaltungsdiagramm 1.1 Hauptschaltungsdiagramm: Abbildung 1 zeigt das Strukturdiagramm der Hauptschaltung des Stromquellen-Transistor-Frequenzumrichtersystems mit sinusförmigem Ein- und Ausgang. Das System besteht aus einem Gleichrichter, einem Frequenzumrichter und einer Gleichstromdrossel (Ld). Der Gleichrichter wandelt eine Konstantfrequenz-Stromversorgung in Gleichstrom um, die Gleichstromdrossel (Ld) stabilisiert diesen, und der Frequenzumrichter wandelt ihn in Wechselstrom mit variabler Frequenz um. Überspannungsableiter (Cc, Ci) an den Wechselstrom-Ein- und -Ausgangsklemmen dienen als Filter und erhalten so bis zu einem gewissen Grad die Sinusform der Ein- und Ausgangsströme aufrecht. Das Transistormodul des Gleichrichters und Frequenzumrichters besteht aus einer unidirektionalen Diode und einem Transistor. Details zu den beiden Pulsweitenmodulations-Regelschaltungen werden später erläutert. 1.2 Regelkreis-Blockdiagramm: Sowohl der Gleichrichter als auch der Frequenzumrichter benötigen Pulsweitenmodulations-Regelschaltungen, um sinusförmige Spannung und Strom zu erzeugen. Des Weiteren nutzt der Gleichrichterteil ein DC-gekoppeltes Spannungsregelgerät zur Stromregelung des Induktionsmotors, während der Frequenzumrichter die Drehzahl des Motors über Frequenz und Phase steuert. Abbildung 2 zeigt das Blockdiagramm des Regelkreises. Die automatische Drehzahlregelung (ASR) und die Signalverarbeitung erfolgen durch einen 16-Bit-Mikrocomputer (CPU-0) als Host. Der Hauptmikrocomputer generiert mittels allgemeiner Vektorrechnung ein Gleichstrom-Sollsignal i1*, ein Frequenz-Sollsignal ω1* und ein Phasen-Sollsignal θ*. ω1*, θ* und i1* werden durch die folgenden Formeln beschrieben: ω1* = ωs + ωr (1) θ* = tan⁻¹(ωs L²/R²) (2) i1* = Im·SQR(1+(ωs L²/R²)²)·sin(ω1*t+θ*) (3) Die automatische Gleichstromregelung (ACR) erfolgt durch einen unabhängigen 16-Bit-Mikrocontroller (CPU-1) mit Pulsweitenmodulationssteuerung. Die Eingangssignale der CPU-1 sind das Abweichungssignal und das Synchronisationssignal zwischen dem Stromsollwert und dem Gleichstromsignal. Das Abweichungssignal wird dem Analog-Digital-Wandler-Port des Mikrocontrollers (mit einer Genauigkeit von 10 Bit) zugeführt, und das Synchronisationssignal wird dem Hochgeschwindigkeitseingang des Mikrocontrollers zugeführt, der die Interruptzeit erfassen kann. Sechs Ausgangsimpulsformen werden vom Hochgeschwindigkeitsausgang des Mikrocontrollers an die Basistreiberschaltung mit externem Hilfsspeicher ausgegeben. Die Frequenz- und Phasensteuersignale werden an die parallelen I/O-Ports (Ein-/Ausgang) des CPU-2-Mikrocontrollers angelegt. 2. Sinusförmiges Pulsweitenmodulations-Steuergerät für Wechselrichter und Gleichrichter 2.1 Berechnungsverfahren der Pulsweitenmodulations-Wellenform: Das ursprüngliche analoge Schaltungsverfahren mit Komparatorschaltung, Dreieck-Trägerwellengenerator und Trapez-Modulationswellengenerator wird nicht mehr verwendet. Eine neue Impulsformgeneratorschaltung und zugehörige Software wurden entwickelt. Das Berechnungsverfahren ist für Gleichrichter und Wechselrichter identisch, jedoch sind für Gleichrichter zusätzlich eine Leistungssynchronisationssteuerung und ein Lastmanagement zur Gleichstromregelung erforderlich. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten des Pulsweitenberechnungsverfahrens erläutert. Die Pulsbreitenberechnungsmethode ist in Abbildung 3 dargestellt. Zunächst wird innerhalb jedes definierten Zeitintervalls das Frequenz-Sollsignal ω1* integriert und das Ergebnis zum Phasen-Sollsignal θ* addiert, um die Gesamtphase θt zu erhalten. Im Wechselrichterteil beziehen sich das Frequenz-Sollsignal ω1* und das Phasen-Sollsignal θ* auf die vom Prozessor 0 berechneten Sollwerte. Im Gleichrichterteil ist θ* die Frequenz der industriellen Wechselstromversorgung und wird anhand der Abweichung zwischen Strom-Sollwert und Gleichstrom berechnet. Anschließend werden die Pulsbreiten t1, t2 und t3 mithilfe der Verhältnisse A, B und C bestimmt, die den Sinuswellen sinωt, sin(ωt-4/3π) und sin(ωt-2/3π) entsprechen. Sie können analog dazu anhand der Gesamtphase θt und der drei Sinuswellen ausgewählt werden. Wird der obige Prozess einmal pro Zeitintervall Δt1 wiederholt, kann die dem Transistor zugeführte Impulsform mithilfe der Mikrocontroller-Software ermittelt werden. In dieser Arbeit wird der Wert von Δt1 auf ca. 370 μs, die Transistor-Schaltfrequenz fs auf ca. 2,7 kHz und das Berechnungsintervall der Impulsbreite auf 370 μs festgelegt. Obwohl das Ergebnis im Wechselrichterteil verwendet werden kann, muss es für die Verwendung im Gleichrichterteil angepasst werden. Ebenso muss ω1 * Gesamtwert (Σω1 * Δt1) basierend auf der Zeit nach dem Synchronisationseingang initialisiert werden, und die Laststeuerung muss die Impulsbreiten t1, t2 und t3 entsprechend der Abweichung zwischen Stromsollwert und Gleichstrom anpassen. 2.2 Ausgabeverfahren für die Impulsform: Bisher erforderte das Ausgabeverfahren für von Mikrocomputern erzeugte Pulsweitenmodulations-Impulsformen eine komplexe externe Schaltung oder Interruptverarbeitung, was die Miniaturisierung der Steuerschaltung erschwerte und eine effektive Reduzierung der minimalen Impulsbreite unmöglich machte. Daher wurde ein neues Verfahren unter Verwendung des Hilfsspeichers des Mikrocontrollers entwickelt (siehe Abbildung 4). Zunächst legt der Hauptprozessor mehrere Ereignissätze und Startzeiten im Hilfsspeicher fest. Der Ereignisteil gibt an, welcher Transistor ein- bzw. ausgeschaltet werden soll. Dies wird anhand der Gesamtphase θt aus der Ein-/Aus-Tabelle (Tabelle 1) ermittelt. Die Startzeit gibt den Zeitpunkt des Ein- bzw. Ausschaltvorgangs an. Abbildung 3 zeigt beispielhafte Startzeiten t1, t2 und t3. Im Hilfsspeicher werden die Startzeit und der interne Timer alle 2 µs verglichen. Stimmen die beiden Zeitpunkte überein, wird der Ereignisteil, d. h. das Ein-/Ausschaltsignal des Transistors, aktiviert. Nachdem die vordefinierten Ereignisse und Startzeiten festgelegt wurden, steuert der Hilfsspeicher das Ausgangssignal, um sicherzustellen, dass die Haupteinheit durch die Ausgabeverarbeitung nicht beeinträchtigt wird. Mit diesem Verfahren wird die minimale Impulsbreite nicht mehr durch die Unterbrechungsverarbeitungszeitbegrenzung beeinflusst und kann auf ca. 10 µs reduziert werden. Dies reduziert die zulässigen Oberschwingungen und das Drehmomentwelligkeit, was mit älteren Regelungsverfahren nicht möglich ist. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für die Pulsweitenmodulation eines Frequenzumrichters, ermittelt mit einem sinusförmigen Pulsbreitenberechnungsverfahren und einer entsprechenden Ausgangstechnik. Die minimale Pulsbreite beträgt hier 10 µs, und die Breite des Durchbruchimpulses variiert mit der Gesamtphase. Die Pulsbreite ist in der Mitte des Modus (θt = 30°) schmaler und an den Rändern (θt = 0°, 60°) breiter. Mit diesem Verfahren ist der Ausgangsstrom nahezu sinusförmig. 2.3 Ergebnisse der Simulationsstudie: Abbildung 6 zeigt einige Ergebnisse der Simulationsstudie. Diese Simulationsstudie wurde unter der Annahme durchgeführt, dass die minimale Pulsbreite nicht begrenzt ist. Durch die Verwendung des sinusförmigen Berechnungsverfahrens weist der Ausgangsstrom sinusförmige Eigenschaften auf. Die Ausgangsspannung wird durch den Ausgangsstrom, den Abschlusskondensator und den Induktionsmotor bestimmt. Der Unterschied im Drehmomentwelligkeit zwischen der alten Trapezwellenmodulation und der Sinuswellenmodulation ist deutlich. 2.4 Die Hardware verwendet den bereits erwähnten Mikrocontroller, wodurch die Schaltung vereinfacht wird. Die Größe der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ist ebenfalls kleiner als die der alten Schaltungen mit diskreten Bauteilen (siehe Abbildung 7). Digitale Schaltungen sind wartungsfrei, und die Einstellzeit beträgt weniger als ein Zehntel der des alten Systems. 3 Hocheffiziente, geräuscharme Traktionsmaschine Das alte Schneckengetriebe wurde im Untersetzungsmechanismus von Aufzügen mittlerer und niedriger Geschwindigkeit eingesetzt, da Untersetzungsmechanismen in Aufzügen besonders geräuscharm sein müssen. Durch die Erhöhung des Untersetzungsverhältnisses sinkt jedoch der Wirkungsgrad, sodass die Motorleistung erhöht werden muss. Daher wurden im neuen Konstruktionskonzept, basierend auf modernster Zahnradkonstruktions- und Fertigungstechnologie, hocheffiziente Schrägverzahnungen ausgewählt und eine neue Art von Traktionsmaschine entwickelt. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass Motor, Antriebsscheibe und Untersetzungsgetriebe in Schichten angeordnet sind. Die Magnetbremse und die Antriebsscheibe sind integriert und am Abtriebsende der Reduktionsgetriebewelle installiert, um plötzliche Drehmomentänderungen durch die Betätigung von Sicherheitseinrichtungen in Hochgeschwindigkeitsaufzügen zu verhindern. Die Reduzierung der von den Schrägverzahnungen erzeugten Vibrationen und des Getriebegeräuschs sind zwei wichtige Faktoren zur Verringerung der Vibrationen und Geräusche des Reduktionsgetriebes. Die Forschung auf diesem Gebiet begann um 1955. Es hat sich gezeigt, dass zur effektiven Reduzierung von Zahnradvibrationen und zur Minimierung des Elastizitätskoeffizienten jedes Zahnpaares die durch Zahnradfehler verursachten Lastvibrationen reduziert, die Änderung des Elastizitätskoeffizienten minimiert und die Wellenform geglättet werden muss. Diese Traktionsmaschine wird von einem vierpoligen Induktionsmotor angetrieben und über ein Frequenzumrichtersystem gesteuert, wodurch die Wärmeentwicklung deutlich reduziert wird. Bei hohen Drehzahlen ist der Motor kompakt, hat eine geringe Trägheit und arbeitet geräuscharm. Nach den oben genannten Maßnahmen ist die aktuelle Traktionsmaschine 40 % leichter und der Geräuschpegel um etwa 10 Dezibel reduziert. Abbildung 8 zeigt diese neue Traktionsmaschine. 4 Experimentelle Ergebnisse 4.1 Grundlegende Eigenschaften: Abbildung 9 zeigt ein Beispiel für die Ausgangsspannungs- und -stromkurven des Frequenzumrichtersystems. Obwohl diese Kurvenformen nahezu sinusförmig sind, müssen auch das Gleichrichterspektrum und die Drehmomentpulsation berücksichtigt werden. Abbildung 10 zeigt das experimentelle Spektrum von Eingangsstrom und -spannung. Alle Harmonischen in der Eingangsstromkurve liegen bei 5 % oder darunter, und der Peak tritt aufgrund der Transistorschaltfrequenz bei etwa 2,7 kHz auf. 4.2 Aufzugssteuerungsleistung Abbildung 11 zeigt das Oszilloskop eines Hochgeschwindigkeitsaufzugs mit variabler Frequenz, der vom neu entwickelten Stromquellen-Frequenzumrichter gesteuert wird. Es ist zu erkennen, dass Beschleunigung und Verzögerung gleichmäßig erfolgen und der Versorgungsstrom sich proportional zur Aufzugsgeschwindigkeit ändert, im Gegensatz zu den älteren, thyristorgesteuerten Aufzügen. Abbildung 12 zeigt ein Beispiel für den Energieverbrauch nach wiederholtem Auf- und Abfahren mit einem Transistor-Frequenzumrichter, der in einem Mittelgeschwindigkeitsaufzug (4 m/s) eingesetzt wird. Durch den Einsatz eines hocheffizienten Motors wird die Blindleistung reduziert, was zu einer Energieeinsparung von über 10 % führt. Abbildung 13 zeigt einen Vergleich der Scheinleistung von Aufzügen mit verschiedenen Regelungsverfahren, darunter das herkömmliche Verfahren und das Frequenzumrichterverfahren. Die effektive und die maximale Scheinleistung werden um mehr als 30 % reduziert (die Messbedingungen entsprechen denen des Energieverbrauchsvergleichs). Abbildung 14 zeigt den Geräuschpegel im Maschinenraum des Aufzugs. Der Gesamtgeräuschpegel der Aufzugsantriebsmaschine liegt unter 73 dB und erfüllt damit den Zielwert (unter 75 dB). 5. Aufzugssicherheitssystem: Abbildung 15 zeigt das Erkennungs- und Schutzsystem für das neu entwickelte Stromquellen-Frequenzumrichtersystem, das den Aufzug im Störfall steuert. In diesem System ist Überspannung ein wichtigeres Problem als Überstrom. Da die Gleichstromdrossel zwischen Gleichrichter und Frequenzumrichter geschaltet ist, steigt der Überstrom nicht so schnell an wie bei älteren SCR-Aufzügen. Daher verfügte auch das ältere System über ein Schutzsystem. Um Überspannungsunfälle zu vermeiden, wurde ein Erkennungs- und Schutzsystem mit variablen Widerständen (Varistoren) und Kurzschlussverfahren entwickelt, das den Transistor (Nennspannung 1200 V, Nennstrom 300 A) vollständig schützt. Zusätzlich ist das System mit gängigen Geschwindigkeitsfehler- und Leistungsreduzierungsdetektoren ausgestattet, die jedoch in dieser Abbildung nicht dargestellt sind. 6. Fazit: In diesem Beitrag wird ein neuartiger, frequenzvariabler Aufzug vorgestellt, der durch ein neu entwickeltes Frequenzumrichtersystem mit sinusförmiger Eingangs-/Ausgangsstromquelle gesteuert wird. Der Einsatz dieses Systems reduziert den Leistungsbedarf des Aufzugs und senkt Oberwellenströme sowie den Energieverbrauch. Diese neue Technologie eignet sich auch für Aufzüge mit Geschwindigkeiten über 4 m/s und findet breite Anwendung in Bereichen, die Energierückgewinnung erfordern.