客運索道直流拖動系統(tǒng)速度和轉(zhuǎn)矩特性分析

劉旭升 段 琰 陳 虎 孫安國 趙振邦

北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

改革開放以來，我國旅游業(yè)的快速發(fā)展，客運索道作為一種安全、節(jié)能、環(huán)保的交通工具已逐漸應用于各大景區(qū)，成為景區(qū)內(nèi)重要的基礎(chǔ)設(shè)施。大中型單線循環(huán)脫掛抱索器式滑雪索道越來越多地走進各個雪場，承擔著重要的運輸任務。更安全可靠、平穩(wěn)舒適運行是索道行業(yè)始終追求的目標，直流電力拖動系統(tǒng)以其良好的啟、制動性能和寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等優(yōu)點被廣泛選用作為客運索道主驅(qū)動系統(tǒng)，深入研究其速度和轉(zhuǎn)矩控制有重要意義。本文詳細介紹了客運索道拖動系統(tǒng)組成、直流主電動機的特點及其機械特性、直流調(diào)速裝置和索道運行中如何通過調(diào)整速度環(huán)和電流環(huán)實現(xiàn)精準的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。

1 客運索道拖動系統(tǒng)組成

客運索道主驅(qū)動裝置或輔助驅(qū)動裝置常選用電動機通過聯(lián)軸器帶動減速器和驅(qū)動輪運轉(zhuǎn)的方式，電動機根據(jù)實際情況可以選擇直流電動機或交流電動機。隨著永磁直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展，很多索道項目選擇直驅(qū)電動機代替電動機+聯(lián)軸器+減速器的方式直接驅(qū)動輪運轉(zhuǎn)，不同的方式各有特點。本文重點介紹我國客運索道中最常見的拖動系統(tǒng)，此類拖動系統(tǒng)主要包括直流電動機、直流調(diào)速裝置和相應的外圍控制單元、連接電纜等。雖然直流電動機不及交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護方便、價格低等，但在速度調(diào)節(jié)要求高、頻繁啟制動、點動和制動狀態(tài)頻繁轉(zhuǎn)換的情況下，直流電動機有著無法取代的地位。直流電動機是實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機械能的設(shè)備，客運索道通常選用空間利用率高、多角形結(jié)構(gòu)的他勵式直流電動機，其定子磁軛為疊片式，能承受很高的脈動電流和di/dt情況。本文中談及的直流調(diào)速裝置即為晶閘管變流器，實現(xiàn)由交流“變流”為直流向負載電動機供電，主要通過控制晶閘管的導通角的大小和時序來控制輸出電壓電流，進而實現(xiàn)精準的速度和轉(zhuǎn)矩控制功能。外圍控制單元由可變程序控制器或繼電回路組成的數(shù)字、模擬信號，也可以通過多種總線單元與中央控制系統(tǒng)連接，完成控制和監(jiān)測功能。

2 直流主電動機的機械特性

國內(nèi)外索道制造公司首選他勵式直流電動機作為主電動機驅(qū)動，其主要原因是此類電動機磁場易控可靠，且在額定磁通下電動機具有非常好的機械特性，能夠滿足客運索道的各種運行需求。客運架空索道的日常運行根據(jù)負載特性通常有4種典型工況：空上空下、重上空下、重上重下和重下空上，需要電動機特別是主電動機能夠四象限安全可靠運行，如圖1所示。空上空下、重上空下和重上重下運行在一三象限，空上重下根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩大小可能運行在一三或二四象限。我國早期建設(shè)的客運索道因為主驅(qū)動電動機功率不大常為單機傳動，近年來隨著運量和運輸距離的增加，驅(qū)動機功率達到和超過800 kW以上時，常選用中高壓電動機或多電動機傳動方式，多電動機常選用共軸串聯(lián)方式，一般通過主從控制模式實現(xiàn)精準的速度和轉(zhuǎn)矩控制。直流電動機的轉(zhuǎn)速和其他參量關(guān)系為

圖1 勵式電動機的固有機械特性

式中：n為轉(zhuǎn)速，U為電樞電壓，I為電樞電流，R為電樞回路總電阻，φ為勵磁磁通，ke為電動勢常數(shù)，n0為理想空載轉(zhuǎn)速。

由式（1）可知，他勵式直流電動機在索道工程上不考慮電源內(nèi)阻時，電動機的勵磁電流If和磁通φ的大小與電樞電流I無關(guān)。在電機學中，電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩是實際應用中最重要的2個力能指標，常把電動機轉(zhuǎn)矩變化dT與相應引起轉(zhuǎn)速變化dn的比值稱為電動機的機械特性硬度，在索道行業(yè)中選擇作為主驅(qū)動或者輔助驅(qū)動的電動機的機械特性硬度通常要小于10。直流他勵式電動機的固有機械特性如圖2所示，在額定電壓UN和額定磁通ΦN情況下，n=?(T)近似為一條直線，且可以反轉(zhuǎn)運行。圖2為額定電壓UN和額定磁通ΦN情況下，電樞回路串入附加電阻后的機械特性曲線，其中R1

圖2 額定電壓額定磁通時機械特性曲線

圖3 改變電樞電壓的特性曲線

圖4 額定電樞電壓改變磁通的特性曲線

3 直流調(diào)速裝置

上述內(nèi)容介紹了客運索道中直流主電動機的機械特性和3種常用調(diào)速方法以及在索道實際工程應用中的分析模型和參數(shù)修正情況。由于大功率半導體技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展，晶閘管變流器已經(jīng)基本取代了直流發(fā)電動機，成為直流電動機的主要供電電源，實現(xiàn)精準的速度和轉(zhuǎn)矩控制。調(diào)速方式選用降壓調(diào)速方式，個別改建索道項目根據(jù)實際情況也選用了弱磁調(diào)速方式。在客運索道工程項目中，通常選用三相全控橋式整流電路的變流器為電動機電樞回路提供電能（見圖5）。一般三相全控橋式變流器供電時，直流電動機可不配置平波電抗器，但對于選擇單相全控橋式變流器為直流電動機供電時必須配置平波電抗器，來實現(xiàn)電動機平穩(wěn)輸出功率。盡管晶閘管變流器具有體積小、可靠性高、功率范圍大、動態(tài)響應快等優(yōu)點，但由于原理和結(jié)構(gòu)上的原因，變流器輸出的直流電壓中含有許多諧波分量，特別是三次，五次和七次諧波分量，同樣電流中也存在諧波電流，這些紋波電壓電流容易造成繞組銅耗增加，且主極和換向磁通中諧波分量在鐵磁回路中引起的附加鐵損，這些損耗都會使電動機發(fā)熱，在設(shè)計選型時需要特別注意。另外由于諧波分量時換向元件中產(chǎn)生的附加感應電勢增加了換向元件中電刷的負擔，導致?lián)Q向困難。變流器供電時，電流的變化速度比較快，容易出現(xiàn)較大的剩余電勢，換向片間電壓也因電樞電勢存在的脈動分量升高，引起較大的火花，影響換向或降低使用壽命。對于300 kW以上直流電動機，因為使用晶閘管整流裝置供電，電動機主軸對地之間會有交流感應電壓，一般來說，電動機容量越大，軸電壓也越高，必要時應將主軸經(jīng)過電刷可靠接地，以防止電動機軸瓦因軸電壓產(chǎn)生的軸電流出現(xiàn)銹蝕或損壞情況。

圖5 供電回路

目前直流調(diào)速裝置產(chǎn)品種類繁多，國外傳動公司一直在推出新產(chǎn)品來滿足市場需求。在索道工程項目中，不同時期的變流器如DCS500、DCS800和DCS880都被廣泛使用；一些國內(nèi)外索道制造廠家也會選擇6RA80等系列直流調(diào)速裝置。以DCS800變流器為例，其基本硬件部分主要包括：可控硅橋、風扇、控制電路供電和控制板；組成模塊的附加部分包括：勵磁單元、通訊板、控制盤；此外根據(jù)直流電動機功率和勵磁功率大小還包括：擴展的勵磁單元、擴展I/O板、EMC濾波器、不同通訊協(xié)議接口板、隔離輸入/輸出板、快融等。

4 速度和轉(zhuǎn)矩控制

客運索道直流拖動系統(tǒng)屬于典Ⅱ型調(diào)速系統(tǒng)，如圖6所示，轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在拖動系統(tǒng)中設(shè)置了2個調(diào)節(jié)器分別調(diào)整速度和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出當作電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置，即內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）和外環(huán)（電壓環(huán)）。ASR和ACR都采用PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是直流調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使電動機轉(zhuǎn)速快速跟隨裝置輸出電壓的變化，速度控制的功能是用于調(diào)整轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩給定，以便于使速度的實際值等于速度給定。沒有任何一條索道的負載特性完全相同，速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定和調(diào)整必須根據(jù)實際情況進行精準確認，需要適應客運索道的4種典型工況下的啟動、制動和平穩(wěn)運行。

圖6 調(diào)速系統(tǒng)

客運索道速度反饋檢測單元常用測速發(fā)電機或編碼器，速度調(diào)節(jié)器中的自增益一般常用于濾去由于輕低載和齒隙引起的干擾。轉(zhuǎn)矩給定鏈的功能是為電流調(diào)節(jié)器提供所需的輸入給定，作為內(nèi)環(huán)的電流環(huán)是在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)解過程中使電流緊緊跟隨外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量變化。需要保證在轉(zhuǎn)速調(diào)整的動態(tài)過程中，電動機獲得最大允許電流，從而實現(xiàn)快速動態(tài)響應。當電動機出現(xiàn)過載或堵轉(zhuǎn)時，電流調(diào)節(jié)器通過限幅限制電樞電流允許最大值，從而保護電動機和調(diào)速裝置，具體過程如圖7所示。在工程實際中，電流調(diào)節(jié)器的調(diào)整可以自調(diào)整完成，也可以根據(jù)電動機和電纜線實際參數(shù)手動計算得到。一般自調(diào)整后得到參數(shù)基本可以滿足實際變流器的電流環(huán)調(diào)整，必要時可以進行手動驗算和修正，修正時要考慮轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩變化率和電流限幅以及齒隙補償?shù)惹闆r。對于晶閘管變流器而言，晶閘管橋的最大輸出電壓由最大觸發(fā)角決定，對于ABB調(diào)速裝置，一般晶閘管橋的最大觸發(fā)角為150，最小觸發(fā)角為15，用戶不可輕易更改此參數(shù)設(shè)定以防止出現(xiàn)晶閘管橋崩潰情況。一些索道采用雙電動機或多電動機驅(qū)動形式，不同電動機需要以相同的速度和轉(zhuǎn)矩同時運行時，通常采用主從方式控制。這種系統(tǒng)中傳動結(jié)構(gòu)類型相同，功率可能不同，但供電應使用同一電源，如部分索道改造項目，在功率和轉(zhuǎn)矩不足的情況下增加了附加拖動系統(tǒng)。對于大功率的索道項目，主從應用中需要2臺同軸電動機平均分配負載時，通過減速器或齒輪等連接到驅(qū)動輪上時，每臺電動機分別連接到各自的直流調(diào)速裝置和勵磁單元上，變流器之間通訊宜選用專用通訊板實時交換信號以確保2個電動機在啟動、運行和制動階段平分負載轉(zhuǎn)矩。在GB 12352—2018《客運架空索道安全規(guī)范中》，拖動系統(tǒng)選用雙電動機或多電動機系統(tǒng)時，所有電動機都必須同時工作且平均分配電磁轉(zhuǎn)矩，不能出現(xiàn)僅有一臺電動機獨立運行情況。

圖7 速度反饋檢測單元

根據(jù)GB12352—2018《客運架空索道安全規(guī)范》中規(guī)定，客運索道在任何工況下運行時速度變化不應超出給定速度的±5%范圍，主驅(qū)動裝置應在最不利的載荷情況下以0.15 m/s2的平均加速度啟動且應在2個方向都可以運行。在客運索道中對直流主機實現(xiàn)精準的速度和轉(zhuǎn)矩控制，是保證客運索道安全運行的最基本要求。索道從業(yè)人員還要考慮電網(wǎng)電源質(zhì)量要求，一般情況下索道供電屬于I類供電設(shè)備，而且直流調(diào)速裝置自身對電網(wǎng)質(zhì)量的要求比較高，特別是供電電壓波形、相位、三相平衡度等參數(shù)，都可能會引起索道速度和轉(zhuǎn)矩異常情況。

5 結(jié)語

本文從客運索道的實際運行特性要求出發(fā)，詳細介紹實際索道拖動系統(tǒng)組成、主驅(qū)動直流電動機的固有機械特性、直流調(diào)速裝置的組成，重點分析索道運行特性以及在運行中如何實現(xiàn)精確的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。隨著我國旅游業(yè)和冰雪產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，更先進、更安全、更舒適、更便捷的新型客運索道必將在國民經(jīng)濟發(fā)展和建設(shè)中承擔更重要的運輸任務。