客運索道直流電機調速系統

賈睿璽 段 琰 陳 虎

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

隨著電力電子技術的發展，可控硅作為一種大功率電氣驅動元件，其壽命周期長、體積小、效率高，具有單向導電性，能夠驅動小功率器件控制大功率設備。以可控硅為核心元件的可控硅整流拖動系統，在客運索道電氣系統中占有重要地位，其通過全橋雙向可逆電路將工頻交流電壓逆變為直流電壓進而給直流電機供電，實現直流電機的調速功能。

直流電機的優點有：1）較寬的調速范圍，動態響應較快，對于不同負載，實現快速、均勻、平滑的無級調速；2）啟動轉矩大，在啟動或低速運轉時，可提供較大轉矩，如卷揚機、軋鋼機等；3）在操作的舒適性和可靠性方面、在效率和啟動方面，均有良好性能。

直流電機的優點使得直流調速系統具有良好的啟動、制動、正反轉及調速性能，其傳統的控制方式和設計理念歷久彌新。對于負載類型復雜、控制精度、快速性要求較高的索道線路，如負載非均布的索道類型、連續高速運轉的索道類型以及需要頻繁啟動和制動的索道類型，直流調速系統仍占據不可動搖的地位。

1 直流電機調速方式

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

他勵直流電機等效電路如圖1所示。由該等效電路可以得出

圖1 他勵直流電機等效電路圖

式中：Uf為勵磁電壓，If為勵磁電流，Rf為勵磁繞組。

式中：Ua為電樞電壓，Ia為電樞電流，Ra為電樞繞組，Ea為電樞回路中產生的反電動勢，φ為勵磁磁通，n為電機轉速，p為磁極對數，a為電樞繞組支路數，N為電樞繞組匝數。

由式(1)～式(4)式得出

當客運索道線路總體設計確定之后，對應的直流電機也隨之選定，Ua/（Ceφ）和Ra/（Ceφ）為常數，圖2所示為他勵直流電機轉速特性。反電動勢Ea跟隨電樞電壓Ua變化，電樞電流Ia相應發生變化，當電樞電流為額定電流IaN時，電機達到額定轉速nN。

圖2 他勵直流電機轉速特性圖

忽略轉矩損耗，電機輸出轉矩全部由電磁轉矩Tem提供

式中：CT為轉矩常數。

聯立式(5)和式(6)可得

由式(6)和式(7)得出，電磁轉矩Tem只與電樞電流Ia相關，電機轉速n與電磁轉矩Tem相關。

2 直流電機調速系統硬件設計

直流電機調速產品種類繁多，例如安川、西門子、CT、AB、ABB、ANSALDO、PARKER等，本文從硬件設計和軟件設計方面介紹DCS800直流調速。

圖3所示為直流調速系統主回路設計參考圖。主電源進線形式為三相交流電，由交流電源為DCS800供電。進線端使用熔斷器或過流開關對DCS800進行保護。根據歐洲電氣安裝標準EN50178，電樞回路宜使用合適的半導體熔斷器，以對短路和接地故障提供充分、必要的保護，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。

圖3 主回路設計參考圖

對于連接在主電網上的直流模塊，宜選用進線電抗器配置方案。直流模塊運行中，遇到晶閘管換流，將產生進線電壓瞬間短路現象，即造成主回路進線電壓缺口。常用方案如圖4和圖5所示。

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

圖4 進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，其接線圖如圖6所示。當收到ON信號時，DCS800主接觸器閉合、勵磁接觸器閉合、模塊冷卻風機閉合，模塊建立勵磁電流，實現對勵磁的控制，模塊進入準備狀態。

圖6 DCS800控制回路設計接線圖

如將RUN信號輸入到模塊，DCS800釋放斜波發生器，所有給定和所有調節器進入就緒狀態，此時模塊可以接收速度給定，調速范圍可從零速至額定轉速。

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

圖7 DCS800控制回路設計時序圖

3 直流電機調速系統軟件設計

在硬件結構設計基礎上，直流調速器軟件采用速度及電流雙閉環設計。速度環為外環控制，其輸入信號為采樣的速度給定值與速度反饋值比較值，如圖8所示。經過速度PID控制器處理后，其值再經濾波、限幅后，作為給定值，再與電樞電流實際值比較，作為內環即電流環控制器的輸入。雙閉環設計最終實現對直流電機的無級調速控制。

圖8 速度調節器PID設計圖

4 結語

隨著旅游事業的迅猛發展，客運索道建設呈現逐年上升趨勢，索道類型呈多樣化趨勢，索道規模及驅動能力不斷增大。作為客運索道電力拖動系統的核心組成部分，索道直流調速系統正朝著安全性、穩定性和快速性發展。索道電氣設計從業人員應對直流調速系統進行深度設計和研發，揚長避短，充分發揮該系統的優勢，以更好地適應客運索道發展需求。