客運(yùn)索道直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

賈睿璽 段 琰 陳 虎

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，可控硅作為一種大功率電氣驅(qū)動(dòng)元件，其壽命周期長、體積小、效率高，具有單向?qū)щ娦?，能夠?qū)動(dòng)小功率器件控制大功率設(shè)備。以可控硅為核心元件的可控硅整流拖動(dòng)系統(tǒng)，在客運(yùn)索道電氣系統(tǒng)中占有重要地位，其通過全橋雙向可逆電路將工頻交流電壓逆變?yōu)橹绷麟妷哼M(jìn)而給直流電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速功能。

直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有：1）較寬的調(diào)速范圍，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，對(duì)于不同負(fù)載，實(shí)現(xiàn)快速、均勻、平滑的無級(jí)調(diào)速；2）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，在啟動(dòng)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可提供較大轉(zhuǎn)矩，如卷揚(yáng)機(jī)、軋鋼機(jī)等；3）在操作的舒適性和可靠性方面、在效率和啟動(dòng)方面，均有良好性能。

直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)使得直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速性能，其傳統(tǒng)的控制方式和設(shè)計(jì)理念歷久彌新。對(duì)于負(fù)載類型復(fù)雜、控制精度、快速性要求較高的索道線路，如負(fù)載非均布的索道類型、連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的索道類型以及需要頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)的索道類型，直流調(diào)速系統(tǒng)仍占據(jù)不可動(dòng)搖的地位。

1 直流電機(jī)調(diào)速方式

根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可以分為他勵(lì)直流電機(jī)和自勵(lì)直流電機(jī)。他勵(lì)直流電機(jī)中的勵(lì)磁繞組和電樞繞組由不同直流電源供電；自勵(lì)直流電機(jī)中的勵(lì)磁繞組和電樞繞組由同一直流電源供電。客運(yùn)索道多采用他勵(lì)直流電機(jī)，因其勵(lì)磁電壓和電樞電壓來自不同電源，互不干涉，便于控制。

他勵(lì)直流電機(jī)等效電路如圖1所示。由該等效電路可以得出

圖1 他勵(lì)直流電機(jī)等效電路圖

式中：Uf為勵(lì)磁電壓，If為勵(lì)磁電流，Rf為勵(lì)磁繞組。

式中：Ua為電樞電壓，Ia為電樞電流，Ra為電樞繞組，Ea為電樞回路中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢，φ為勵(lì)磁磁通，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，p為磁極對(duì)數(shù)，a為電樞繞組支路數(shù)，N為電樞繞組匝數(shù)。

由式(1)～式(4)式得出

當(dāng)客運(yùn)索道線路總體設(shè)計(jì)確定之后，對(duì)應(yīng)的直流電機(jī)也隨之選定，Ua/（Ceφ）和Ra/（Ceφ）為常數(shù)，圖2所示為他勵(lì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速特性。反電動(dòng)勢Ea跟隨電樞電壓Ua變化，電樞電流Ia相應(yīng)發(fā)生變化，當(dāng)電樞電流為額定電流IaN時(shí)，電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速nN。

圖2 他勵(lì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速特性圖

忽略轉(zhuǎn)矩?fù)p耗，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩全部由電磁轉(zhuǎn)矩Tem提供

式中：CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

聯(lián)立式(5)和式(6)可得

由式(6)和式(7)得出，電磁轉(zhuǎn)矩Tem只與電樞電流Ia相關(guān)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem相關(guān)。

2 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

直流電機(jī)調(diào)速產(chǎn)品種類繁多，例如安川、西門子、CT、AB、ABB、ANSALDO、PARKER等，本文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方面介紹DCS800直流調(diào)速。

圖3所示為直流調(diào)速系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)參考圖。主電源進(jìn)線形式為三相交流電，由交流電源為DCS800供電。進(jìn)線端使用熔斷器或過流開關(guān)對(duì)DCS800進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)歐洲電氣安裝標(biāo)準(zhǔn)EN50178，電樞回路宜使用合適的半導(dǎo)體熔斷器，以對(duì)短路和接地故障提供充分、必要的保護(hù)，否則在電流過大情況下，極有可能損壞直流模塊甚至引起火災(zāi)。

圖3 主回路設(shè)計(jì)參考圖

對(duì)于連接在主電網(wǎng)上的直流模塊，宜選用進(jìn)線電抗器配置方案。直流模塊運(yùn)行中，遇到晶閘管換流，將產(chǎn)生進(jìn)線電壓瞬間短路現(xiàn)象，即造成主回路進(jìn)線電壓缺口。常用方案如圖4和圖5所示。

直流模塊工作時(shí)，為保證吸收回路正常性能，需要阻值不低于0.01Uk(相對(duì)阻抗電壓)的線路阻抗，以使進(jìn)線電抗器滿足最小阻抗要求?？紤]到整流模塊的輸出電壓會(huì)發(fā)生瞬間較大程度的壓降，故其阻值也不應(yīng)超過0.1Uk，如圖4所示。如果使用隔離變壓器，如圖5所示，則無需額外進(jìn)線電抗器就可以滿足直流模塊工作要求。

圖4 進(jìn)線電抗器選配方案圖

圖5 隔離變壓器選配方案圖

直流模塊的控制來自硬件信號(hào)，其接線圖如圖6所示。當(dāng)收到ON信號(hào)時(shí)，DCS800主接觸器閉合、勵(lì)磁接觸器閉合、模塊冷卻風(fēng)機(jī)閉合，模塊建立勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁的控制，模塊進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。

圖6 DCS800控制回路設(shè)計(jì)接線圖

如將RUN信號(hào)輸入到模塊，DCS800釋放斜波發(fā)生器，所有給定和所有調(diào)節(jié)器進(jìn)入就緒狀態(tài)，此時(shí)模塊可以接收速度給定，調(diào)速范圍可從零速至額定轉(zhuǎn)速。

停止直流模塊的方法有2種：1）直接取消ON信號(hào)，模塊以最快速度斷開主接觸器、斷開勵(lì)磁接觸器、斷開模塊冷卻風(fēng)機(jī)，并取消模塊準(zhǔn)備狀態(tài)；2）取消RUN命令，模塊以設(shè)定好的斜率使電機(jī)減速直至零速，如圖7所示。

圖7 DCS800控制回路設(shè)計(jì)時(shí)序圖

3 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，直流調(diào)速器軟件采用速度及電流雙閉環(huán)設(shè)計(jì)。速度環(huán)為外環(huán)控制，其輸入信號(hào)為采樣的速度給定值與速度反饋值比較值，如圖8所示。經(jīng)過速度PID控制器處理后，其值再經(jīng)濾波、限幅后，作為給定值，再與電樞電流實(shí)際值比較，作為內(nèi)環(huán)即電流環(huán)控制器的輸入。雙閉環(huán)設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的無級(jí)調(diào)速控制。

圖8 速度調(diào)節(jié)器PID設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)語

隨著旅游事業(yè)的迅猛發(fā)展，客運(yùn)索道建設(shè)呈現(xiàn)逐年上升趨勢，索道類型呈多樣化趨勢，索道規(guī)模及驅(qū)動(dòng)能力不斷增大。作為客運(yùn)索道電力拖動(dòng)系統(tǒng)的核心組成部分，索道直流調(diào)速系統(tǒng)正朝著安全性、穩(wěn)定性和快速性發(fā)展。索道電氣設(shè)計(jì)從業(yè)人員應(yīng)對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行深度設(shè)計(jì)和研發(fā)，揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮該系統(tǒng)的優(yōu)勢，以更好地適應(yīng)客運(yùn)索道發(fā)展需求。