客运索道直流拖动系统速度和转矩特性分析

刘旭升 段 琰 陈 虎 孙安国 赵振邦

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

改革开放以来，我国旅游业的快速发展，客运索道作为一种安全、节能、环保的交通工具已逐渐应用于各大景区，成为景区内重要的基础设施。大中型单线循环脱挂抱索器式滑雪索道越来越多地走进各个雪场，承担着重要的运输任务。更安全可靠、平稳舒适运行是索道行业始终追求的目标，直流电力拖动系统以其良好的启、制动性能和宽范围内平滑调速等优点被广泛选用作为客运索道主驱动系统，深入研究其速度和转矩控制有重要意义。本文详细介绍了客运索道拖动系统组成、直流主电动机的特点及其机械特性、直流调速装置和索道运行中如何通过调整速度环和电流环实现精准的速度控制和转矩控制。

1 客运索道拖动系统组成

客运索道主驱动装置或辅助驱动装置常选用电动机通过联轴器带动减速器和驱动轮运转的方式，电动机根据实际情况可以选择直流电动机或交流电动机。随着永磁直驱技术的发展，很多索道项目选择直驱电动机代替电动机+联轴器+减速器的方式直接驱动轮运转，不同的方式各有特点。本文重点介绍我国客运索道中最常见的拖动系统，此类拖动系统主要包括直流电动机、直流调速装置和相应的外围控制单元、连接电缆等。虽然直流电动机不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便、价格低等，但在速度调节要求高、频繁启制动、点动和制动状态频繁转换的情况下，直流电动机有着无法取代的地位。直流电动机是实现电能转化为机械能的设备，客运索道通常选用空间利用率高、多角形结构的他励式直流电动机，其定子磁轭为叠片式，能承受很高的脉动电流和di/dt情况。本文中谈及的直流调速装置即为晶闸管变流器，实现由交流“变流”为直流向负载电动机供电，主要通过控制晶闸管的导通角的大小和时序来控制输出电压电流，进而实现精准的速度和转矩控制功能。外围控制单元由可变程序控制器或继电回路组成的数字、模拟信号，也可以通过多种总线单元与中央控制系统连接，完成控制和监测功能。

2 直流主电动机的机械特性

国内外索道制造公司首选他励式直流电动机作为主电动机驱动，其主要原因是此类电动机磁场易控可靠，且在额定磁通下电动机具有非常好的机械特性，能够满足客运索道的各种运行需求。客运架空索道的日常运行根据负载特性通常有4种典型工况：空上空下、重上空下、重上重下和重下空上，需要电动机特别是主电动机能够四象限安全可靠运行，如图1所示。空上空下、重上空下和重上重下运行在一三象限，空上重下根据负载转矩大小可能运行在一三或二四象限。我国早期建设的客运索道因为主驱动电动机功率不大常为单机传动，近年来随着运量和运输距离的增加，驱动机功率达到和超过800 kW以上时，常选用中高压电动机或多电动机传动方式，多电动机常选用共轴串联方式，一般通过主从控制模式实现精准的速度和转矩控制。直流电动机的转速和其他参量关系为

图1 励式电动机的固有机械特性

式中：n为转速，U为电枢电压，I为电枢电流，R为电枢回路总电阻，φ为励磁磁通，ke为电动势常数，n0为理想空载转速。

由式（1）可知，他励式直流电动机在索道工程上不考虑电源内阻时，电动机的励磁电流If和磁通φ的大小与电枢电流I无关。在电机学中，电动机转速和转矩是实际应用中最重要的2个力能指标，常把电动机转矩变化dT与相应引起转速变化dn的比值称为电动机的机械特性硬度，在索道行业中选择作为主驱动或者辅助驱动的电动机的机械特性硬度通常要小于10。直流他励式电动机的固有机械特性如图2所示，在额定电压UN和额定磁通ΦN情况下，n=ƒ(T)近似为一条直线，且可以反转运行。图2为额定电压UN和额定磁通ΦN情况下，电枢回路串入附加电阻后的机械特性曲线，其中R1

图2 额定电压额定磁通时机械特性曲线

图3 改变电枢电压的特性曲线

图4 额定电枢电压改变磁通的特性曲线

3 直流调速装置

上述内容介绍了客运索道中直流主电动机的机械特性和3种常用调速方法以及在索道实际工程应用中的分析模型和参数修正情况。由于大功率半导体技术和数字技术的迅速发展，晶闸管变流器已经基本取代了直流发电动机，成为直流电动机的主要供电电源，实现精准的速度和转矩控制。调速方式选用降压调速方式，个别改建索道项目根据实际情况也选用了弱磁调速方式。在客运索道工程项目中，通常选用三相全控桥式整流电路的变流器为电动机电枢回路提供电能（见图5）。一般三相全控桥式变流器供电时，直流电动机可不配置平波电抗器，但对于选择单相全控桥式变流器为直流电动机供电时必须配置平波电抗器，来实现电动机平稳输出功率。尽管晶闸管变流器具有体积小、可靠性高、功率范围大、动态响应快等优点，但由于原理和结构上的原因，变流器输出的直流电压中含有许多谐波分量，特别是三次，五次和七次谐波分量，同样电流中也存在谐波电流，这些纹波电压电流容易造成绕组铜耗增加，且主极和换向磁通中谐波分量在铁磁回路中引起的附加铁损，这些损耗都会使电动机发热，在设计选型时需要特别注意。另外由于谐波分量时换向元件中产生的附加感应电势增加了换向元件中电刷的负担，导致换向困难。变流器供电时，电流的变化速度比较快，容易出现较大的剩余电势，换向片间电压也因电枢电势存在的脉动分量升高，引起较大的火花，影响换向或降低使用寿命。对于300 kW以上直流电动机，因为使用晶闸管整流装置供电，电动机主轴对地之间会有交流感应电压，一般来说，电动机容量越大，轴电压也越高，必要时应将主轴经过电刷可靠接地，以防止电动机轴瓦因轴电压产生的轴电流出现锈蚀或损坏情况。

图5 供电回路

目前直流调速装置产品种类繁多，国外传动公司一直在推出新产品来满足市场需求。在索道工程项目中，不同时期的变流器如DCS500、DCS800和DCS880都被广泛使用；一些国内外索道制造厂家也会选择6RA80等系列直流调速装置。以DCS800变流器为例，其基本硬件部分主要包括：可控硅桥、风扇、控制电路供电和控制板；组成模块的附加部分包括：励磁单元、通讯板、控制盘；此外根据直流电动机功率和励磁功率大小还包括：扩展的励磁单元、扩展I/O板、EMC滤波器、不同通讯协议接口板、隔离输入/输出板、快融等。

4 速度和转矩控制

客运索道直流拖动系统属于典Ⅱ型调速系统，如图6所示，转速和电流双闭环调速系统。在拖动系统中设置了2个调节器分别调整速度和电流，二者之间实行串级联接，即把转速调节器ASR的输出当作电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置，即内环（电流环）和外环（电压环）。ASR和ACR都采用PI调节器。转速调节器是直流调速系统的主导调节器，它使电动机转速快速跟随装置输出电压的变化，速度控制的功能是用于调整转矩控制的转矩给定，以便于使速度的实际值等于速度给定。没有任何一条索道的负载特性完全相同，速度调节器的参数设定和调整必须根据实际情况进行精准确认，需要适应客运索道的4种典型工况下的启动、制动和平稳运行。

图6 调速系统

客运索道速度反馈检测单元常用测速发电机或编码器，速度调节器中的自增益一般常用于滤去由于轻低载和齿隙引起的干扰。转矩给定链的功能是为电流调节器提供所需的输入给定，作为内环的电流环是在外环转速的调解过程中使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。需要保证在转速调整的动态过程中，电动机获得最大允许电流，从而实现快速动态响应。当电动机出现过载或堵转时，电流调节器通过限幅限制电枢电流允许最大值，从而保护电动机和调速装置，具体过程如图7所示。在工程实际中，电流调节器的调整可以自调整完成，也可以根据电动机和电缆线实际参数手动计算得到。一般自调整后得到参数基本可以满足实际变流器的电流环调整，必要时可以进行手动验算和修正，修正时要考虑转矩、转矩变化率和电流限幅以及齿隙补偿等情况。对于晶闸管变流器而言，晶闸管桥的最大输出电压由最大触发角决定，对于ABB调速装置，一般晶闸管桥的最大触发角为150，最小触发角为15，用户不可轻易更改此参数设定以防止出现晶闸管桥崩溃情况。一些索道采用双电动机或多电动机驱动形式，不同电动机需要以相同的速度和转矩同时运行时，通常采用主从方式控制。这种系统中传动结构类型相同，功率可能不同，但供电应使用同一电源，如部分索道改造项目，在功率和转矩不足的情况下增加了附加拖动系统。对于大功率的索道项目，主从应用中需要2台同轴电动机平均分配负载时，通过减速器或齿轮等连接到驱动轮上时，每台电动机分别连接到各自的直流调速装置和励磁单元上，变流器之间通讯宜选用专用通讯板实时交换信号以确保2个电动机在启动、运行和制动阶段平分负载转矩。在GB 12352—2018《客运架空索道安全规范中》，拖动系统选用双电动机或多电动机系统时，所有电动机都必须同时工作且平均分配电磁转矩，不能出现仅有一台电动机独立运行情况。

图7 速度反馈检测单元

根据GB12352—2018《客运架空索道安全规范》中规定，客运索道在任何工况下运行时速度变化不应超出给定速度的±5%范围，主驱动装置应在最不利的载荷情况下以0.15 m/s2的平均加速度启动且应在2个方向都可以运行。在客运索道中对直流主机实现精准的速度和转矩控制，是保证客运索道安全运行的最基本要求。索道从业人员还要考虑电网电源质量要求，一般情况下索道供电属于I类供电设备，而且直流调速装置自身对电网质量的要求比较高，特别是供电电压波形、相位、三相平衡度等参数，都可能会引起索道速度和转矩异常情况。

5 结语

本文从客运索道的实际运行特性要求出发，详细介绍实际索道拖动系统组成、主驱动直流电动机的固有机械特性、直流调速装置的组成，重点分析索道运行特性以及在运行中如何实现精确的速度控制和转矩控制。随着我国旅游业和冰雪产业的快速发展，更先进、更安全、更舒适、更便捷的新型客运索道必将在国民经济发展和建设中承担更重要的运输任务。