客运索道直流电机调速系统

贾睿玺 段 琰 陈 虎

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

随着电力电子技术的发展，可控硅作为一种大功率电气驱动元件，其寿命周期长、体积小、效率高，具有单向导电性，能够驱动小功率器件控制大功率设备。以可控硅为核心元件的可控硅整流拖动系统，在客运索道电气系统中占有重要地位，其通过全桥双向可逆电路将工频交流电压逆变为直流电压进而给直流电机供电，实现直流电机的调速功能。

直流电机的优点有：1）较宽的调速范围，动态响应较快，对于不同负载，实现快速、均匀、平滑的无级调速；2）启动转矩大，在启动或低速运转时，可提供较大转矩，如卷扬机、轧钢机等；3）在操作的舒适性和可靠性方面、在效率和启动方面，均有良好性能。

直流电机的优点使得直流调速系统具有良好的启动、制动、正反转及调速性能，其传统的控制方式和设计理念历久弥新。对于负载类型复杂、控制精度、快速性要求较高的索道线路，如负载非均布的索道类型、连续高速运转的索道类型以及需要频繁启动和制动的索道类型，直流调速系统仍占据不可动摇的地位。

1 直流电机调速方式

根据励磁方式的不同，直流电机可以分为他励直流电机和自励直流电机。他励直流电机中的励磁绕组和电枢绕组由不同直流电源供电；自励直流电机中的励磁绕组和电枢绕组由同一直流电源供电。客运索道多采用他励直流电机，因其励磁电压和电枢电压来自不同电源，互不干涉，便于控制。

他励直流电机等效电路如图1所示。由该等效电路可以得出

图1 他励直流电机等效电路图

式中：Uf为励磁电压，If为励磁电流，Rf为励磁绕组。

式中：Ua为电枢电压，Ia为电枢电流，Ra为电枢绕组，Ea为电枢回路中产生的反电动势，φ为励磁磁通，n为电机转速，p为磁极对数，a为电枢绕组支路数，N为电枢绕组匝数。

由式(1)～式(4)式得出

当客运索道线路总体设计确定之后，对应的直流电机也随之选定，Ua/（Ceφ）和Ra/（Ceφ）为常数，图2所示为他励直流电机转速特性。反电动势Ea跟随电枢电压Ua变化，电枢电流Ia相应发生变化，当电枢电流为额定电流IaN时，电机达到额定转速nN。

图2 他励直流电机转速特性图

忽略转矩损耗，电机输出转矩全部由电磁转矩Tem提供

式中：CT为转矩常数。

联立式(5)和式(6)可得

由式(6)和式(7)得出，电磁转矩Tem只与电枢电流Ia相关，电机转速n与电磁转矩Tem相关。

2 直流电机调速系统硬件设计

直流电机调速产品种类繁多，例如安川、西门子、CT、AB、ABB、ANSALDO、PARKER等，本文从硬件设计和软件设计方面介绍DCS800直流调速。

图3所示为直流调速系统主回路设计参考图。主电源进线形式为三相交流电，由交流电源为DCS800供电。进线端使用熔断器或过流开关对DCS800进行保护。根据欧洲电气安装标准EN50178，电枢回路宜使用合适的半导体熔断器，以对短路和接地故障提供充分、必要的保护，否则在电流过大情况下，极有可能损坏直流模块甚至引起火灾。

图3 主回路设计参考图

对于连接在主电网上的直流模块，宜选用进线电抗器配置方案。直流模块运行中，遇到晶闸管换流，将产生进线电压瞬间短路现象，即造成主回路进线电压缺口。常用方案如图4和图5所示。

直流模块工作时，为保证吸收回路正常性能，需要阻值不低于0.01Uk(相对阻抗电压)的线路阻抗，以使进线电抗器满足最小阻抗要求。考虑到整流模块的输出电压会发生瞬间较大程度的压降，故其阻值也不应超过0.1Uk，如图4所示。如果使用隔离变压器，如图5所示，则无需额外进线电抗器就可以满足直流模块工作要求。

图4 进线电抗器选配方案图

图5 隔离变压器选配方案图

直流模块的控制来自硬件信号，其接线图如图6所示。当收到ON信号时，DCS800主接触器闭合、励磁接触器闭合、模块冷却风机闭合，模块建立励磁电流，实现对励磁的控制，模块进入准备状态。

图6 DCS800控制回路设计接线图

如将RUN信号输入到模块，DCS800释放斜波发生器，所有给定和所有调节器进入就绪状态，此时模块可以接收速度给定，调速范围可从零速至额定转速。

停止直流模块的方法有2种：1）直接取消ON信号，模块以最快速度断开主接触器、断开励磁接触器、断开模块冷却风机，并取消模块准备状态；2）取消RUN命令，模块以设定好的斜率使电机减速直至零速，如图7所示。

图7 DCS800控制回路设计时序图

3 直流电机调速系统软件设计

在硬件结构设计基础上，直流调速器软件采用速度及电流双闭环设计。速度环为外环控制，其输入信号为采样的速度给定值与速度反馈值比较值，如图8所示。经过速度PID控制器处理后，其值再经滤波、限幅后，作为给定值，再与电枢电流实际值比较，作为内环即电流环控制器的输入。双闭环设计最终实现对直流电机的无级调速控制。

图8 速度调节器PID设计图

4 结语

随着旅游事业的迅猛发展，客运索道建设呈现逐年上升趋势，索道类型呈多样化趋势，索道规模及驱动能力不断增大。作为客运索道电力拖动系统的核心组成部分，索道直流调速系统正朝着安全性、稳定性和快速性发展。索道电气设计从业人员应对直流调速系统进行深度设计和研发，扬长避短，充分发挥该系统的优势，以更好地适应客运索道发展需求。