变频技术在客运索道上的设计方案应用

1、变频技术在客运索道上的设计应用 摘要 : 主要介绍了变频技术在客运索道上的设计与应用。分析了变 频技术在索道业的发展趋势 , 介绍了电动机、变频器及制动电阻 的设计选择思路 , 并给出了该技术在索道中的具体应用实例。 随 着我国索道业的不断发展 , 对索道的制造质量和技术水平要求也越来 越高。索道的各个传动机构所采用的方式、控制系统的技术水平、用 户的可操作性和可维护性、游客的乘坐舒适感等方面体现了索道的技 术水平。我国的索道业从1998年才把PLC与变频技术应用于索道电气 控制, 索道总体技术水平低 , 自主创新能力不强 , 远远落后于国外索 道术。 关键词 : 电动机。 变频技术。 制动电

2、阻 中图分类号 : U18 。 TN77 文献标识码 : A Design and App lication of Inverter Technology in Passenger Ropeway ( Institute of Automation, Shandong Academy of Sciences, J inan 250014, China Abstract: We ana lyze the deve lopment tendency of invertr technology in ropew ay industry. We alsopresent the design idea

3、of motor, inverter and brak ing resistor. W e finally present som e spec ificapp lication instances of inverter techno logy in a ropew ay. Key words: motor 。 inverter technology 。 brak ing resistor 一、引言 随着我国索道业的不断发展 , 对索道的制造质量和技术水平 要求也越来越高。索道的各个传动机构所采用的方式、控制系统 的技术水平、用户的可操作性和可维护性、游客的乘坐舒适感等 方面体现了索道的技术

4、水平。我国的索道业从1998年才把PLC与变 频技术应用于索道电气控制 , 索道总体技术水平低 , 自主创新能 力不强 , 远远落后于国外索道技术。 由于现代系统集成和数字控制的发展。对索道系统的要求越来 越向着精确控制，数字化控制的方向发展，对系统提出了越来越 人性化的要求，要求系统的运行更加稳定，平稳，通过计算机监 控实现静态上下车，精确定位防止越位，安全舒适等人性化的要 求。而且在当今能源紧缺的时代对系统的工作效益也提出了要 求。 然而在系统集成和数字化的控制中，以往对索道驱动部份的 启动方式和调速方式均无法和现代的系统集成和数字控制相对 接。随着现代全数字化交流变频技术的几代发展，在系

5、统集成和 数字化控制中，交流变频调速方式的数字化，精确化，集成化和 免维护的特点正合需求。 二、变频技术在索道行业中的发展趋势 我国上世纪 90年代建设的索道大部分驱动电机采用的是绕线式 异步电动机 , 或者是直流电机。采用直流驱动的控制方式成本较 高 , 而绕线式异步电动机一般采用转子串电阻或频敏变阻器的启 动方式 , 此种启动方式启动电流大 , 对电网有较大的冲击 , 对电 网容量要求高。该系统在变速过程中所产生的机械冲击的大小将 直接影响索道结构件的疲劳损伤程度 , 对设备损害大 , 尤其是在 启动和停止时的机械冲击对减速机损害较大 , 严重时会把减速机 的齿轮损坏 , 缩短了设备的使用

6、寿命。同时这种控制方式在索道 运行过程中速度不可调节 , 给某些游客上下车带来不便。传统控 制方式在技术上落后 , 其制造成本以及使用性能等方面也存在一 些问题。所以 , 需要我们寻求更理想的新的调速控制技术。随着 变频技术的发展 , 这项技术不断地被人们所认识 , 它以绝对的优 势超越了其它调速方案 , 其优点较为突出 , 如 : 零速抱闸 , 对制 动器无磨损。 任意低的运行速度 , 方便游客的上下车。 速度的 平滑过渡 , 对机构和结构件无冲击 , 提高了索道的运行安全性。 极低的启动电流 , 减轻了用户电网扩容的负担。 几乎任意宽的调 速范围 , 提高了索道的工作效率。 节能的调速方式

7、 , 减少了系统 运行能耗。 单速的鼠笼电动机保证了机构的运行可靠性。变频调 速技术在我国索道传动结构的应用已经有 10年左右的时间 , 取得 了一些成功的应用经验。随着变频器价格的不断降低 , 及可靠性 的不断提高 , 变频技术一定能在索道上得到广泛应用。变频调速技 术取代转子串电阻或频敏变阻器的技术方式和直流调速技术是大 势所趋。 三、变频调速原理及控制方式选择： 1、调速原理： 变频调速是电机调速的主要技术。交流电动机转速的表达式 为： n=回 其中：f定子供电电源的频率 p 电动机的极对数 s 电动机的转差率。 由上式可知，当平滑地改变f时，n也可得到平稳的改变 所以，变频调速技术的关

8、键是如何获得频率可变的大功率供电电 源。 2、V/f ）恒定控制 网主磁通 E1X电动势 Fx 频率 Ke比例常数 N每相绕组匝数 当一台电机制造完毕后其 kE、N均为常数，故： 在电动机内，额定频率时，定子绕组的阻抗压降 U=IizZi,乙 为定子绕组的阻抗，包括电阻ri和漏磁电抗Xi所占比例甚小，忽 略不计，所以电动势与电源相电压相平衡： 八E1X 即忖=const 由此可见，变频的同时也必须变压，故称为V/f恒定控制 因交流电动机是个多变量、强耦合和非线性被控对象，仅用 电压/频率V/f ）恒定控制，可控性和精确性仍然满足不了现代 集成系统中数字化控制中的精度要求。 3、二象限运行矢量控

9、制变频器 索道系统是在有一定坡度的面上进行人员运输的，所以在人 员下坡和减速停车过程中电机将处于反向发电的状态，所以在使 用二象限变频器控制时需要采用加装功率电阻进行能耗制动的方 式，而功率电阻的宠大和热量，在集成系统中带来了安装空间和 散热方式等严重的问题。 4、四象限运行矢量控制变频器 四象限运行矢量控制变频器能将电机产生的反向电能回馈给 电网，从而解决了二象限变频器的制动电阻带来的种种问题，而 且节省了大量的电能。所以在对索道的现代化集成数控系统中优 先采用高性能四象限运行矢量控制变频器。 FE f 11! II 图1四象限变频器原理图 器第聲S世 + HVDC v_. 1 J : -H

10、VDC 四、变频运行机构的设计 4.1技术特点 国内目前所采用的典型方案，从技术上来讲大同小异，不同点 在于：（1变频器的品牌不同，其采用的控制回路不同。 （2系统是开环（不带PG或者是闭环（带PG。 （3减速机的类型不一样，如：齿轮、蜗杆、蜗杆、齿轮 等。就传动控制技术而言，均为一台变频器控制一台电动机进行 调速的典型模式。 4. 2索道变频运行机构的设计要点 4. 2. 1电动机极数和功率的校核 当运行机构的基本参数，如：索道运行长度、上下站高差、最大 起重量、最高工作速度等给定后，就要对电动机的极数和功率进 行确定和计算，其设计要点是： （1电动机输出转速应小于1500 r /m （由减

11、速机输入级的工作转 速限制 。 ( 2 系统最高工作频率应小于 50 Hz 。 ( 3 电动机额定转矩用于校核最大重量 ( 考虑总传动比、效率、倍 率等 。 ( 4 电动机的额定功率用于校核高速时的起重量( 考虑总传动比、 效率、倍率等 。在选择电机功率时 , 根据以上的条件就能基本确 定减速机的减速比与电动机功率和极数。 4. 2. 2 电控系统的设计 ( 1 变频器的选取 2 。当系统的电动机确定后 , 就可着手进行 控制系统的设计。首先是变频器的选型 , 现在市场上的国内外变频 器品牌不少 , 控制水平和可靠性差别较大 , 技术上大体可分为 V/F 控制、矢量控制和 DTC 直接转矩控制

12、三种。 ( 2 能耗电阻的选取 3 。作为起重用变频系统 , 其设计的重点 在于电动机处于回馈制动状态下的系统可靠性 , 也就是说重物下 降工况时变频系统的性能好坏将直接影响整个起升机构能否安全 运行。变频器不是自由停车 , 变频器就有输出 , 电机绕组端就有 电压, 有电流 , 有旋转磁场 , 就有感生电势 , 这时转子在负载惯 性运动下拖着发电 , 并被逆变桥整流成直流回馈到变频器直流 部。 这时 , 负载的惯性动能就转化为直流部的电能 , 使直流部电 压升高 , 为了不出现直流部过压 , 必须用电阻短接直流电压放电 , 这时电动机处于发电制动状态 , 如果哪个制动电阻烧断 , 直流部 会

13、过压保护 , 变频器停止输出 , 电机失去制动 , 如果是索道就会 发生溜车。制动电阻阻值的选定有一个不可违背的原则 : 应保证 流过制动电阻的电流 Ic 小于制动单元的允许最大电流输出能力 , 即: R 700 /Ic,其中 : 700 是变频器直流侧所可能出现的最大 直流电压 , Ic 是制动单元的最大允许电流。 ( 3 控制方案的确 定。首先是系统采用开环或闭环控制的选择 , 一般的索道运行机 构可以采用开环控制方式 , 因为在闭环系统中 , 反馈回路任何细 小的差错可能造成系统紊乱。其次是速度给定方式的选取 , 变频 器的速度给定控制可以是自动的 , 也可以是手动的 , 绝大多数的 变

14、频器都有多种速度输入方式 , 如多级开关量输入方式和模拟量 给定方式。最为简洁的系统结构应该是由手动开环调速方法可以 采用外部电位器操作和外部按钮操作。这样 , 控制柜内的连接线 最少 , 控制最简单适用。 五、ABB变频器的应用设计 索道采用交流电动机拖动 , 电机正、反转控制 , 能对索道做到 精确控制 , 控制系统必须具备以下条件 : ( 1 系统能频繁启动、停止。 ( 2 系统能正、反双向控制。 ( 3 系统能做到无极调速 , 调速范围大、平滑性较高 , 做到平稳 启动 - 加速 - 稳定运行 - 减速 - 平稳停车。 ( 4 系统启动转矩大 , 做到平稳启动。 ( 5 零速时维持大转

15、矩输出 , 防止料车启动和停车时重载下滑。 根据索道负载设计选取 55 kW 的标准鼠笼异步电动机 , 根据电机 功率选取 55 kW 变频器。本文将介绍的是 ABB 公司的新品 ACS800 变频器在分离机械的设计和应用。 ACS80C是ABB公司最新推出的 智能性变频器 , 该系列变频器用于 1. 5 110 kW 低压交流传动。 它能 精确地控制速度和转矩 , 能匹配现有的标准鼠笼异步电动机。 ACS80具有三种控制方式，即标量v / f控制、无传感器矢量控 制、转矩控制 , 所以该变频器不仅能够适合于最简单的电机运转 也可以应用在复杂的工作场合。其可靠的过载能力设计 , 也可以 同时满

16、足普通负载和重载工作。ACS80系列传动产品最大的优点 就 是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术 , 例如启动向导 , 自定义编程 , DTC 控制 , 通用备件 , 通用的接口技术 , 以及用于 选型、调试和维护的通用软件工具。ACS8O0勺核心技术就是直接 转矩控制（DTC。它是目前最先进的交流异步电机的控制方式。 DTC稳定杰出的性能，使ACS80赁动产品适用于工业的各种领 域。AB咬流传动持续不断的在完善用户界面，启动向导的应用, ACS80啲调试变得非常简便。 在交流电源和传动单元之间可以安装一个手动操作的断路器。一 般情况下传动单元与电机之间不加接触器 , 在一些条件下传动单

17、元与电机之间需要安装接触器的 , 要注意在打开接在传动单元输 出和电机之间的接触器之前 , 应将传动单元的输出电压调整到零 否则将会损坏接触器。在标量控制模式下 , 该接触器在传动单元 运行时即可以打开。控制电缆最好采用屏蔽型电缆 , 在布线时注 意与动力线分开 , 以防止电磁干扰。电机电缆应独立于其它电缆 走线 , 以避免电机电缆和其它电缆长距离的并行走线 , 进而减少 变频器输出电压瞬变产生的电磁干扰。直流母线R+ 、 R - 端接制 动单 + 、- 端, 然后根据不同的选择 , 如回馈制动接电网三相 , 能耗制动则接制动电阻。本设计采用制动电阻 , 根据变频器的功 率55 kW, 选取1

18、3 8 的制动电阻 , 电阻功率为 5. 5 kW, 制动力矩 为100% tk为制动单元的内部继电器，制动单元运行正常时，tk 闭合 , 变频器处于使能状态可以正常工作。 当本单元出现故障时 tk 动作, 通过变频器的端子 di4 定义, 瞬间封锁 U2 /V2 /W2 输出, 起到保护作用。 控制回路输入、输出端子中 , 采用宏 9902= 5 的定义 D I1: 手动 / 自动启动 / 停车（手动 : 得电启动 D I2: 正转/ 反转（手动 : 得电转向为反转 D I3: ex t1 /ex t2 选择 : 得电选择故障复位 D I4: 运行允许 : 一旦断开变频器将停车 A I1:

19、外部速度给定 1: 0,10V （ 手动控制 , 电位器、参考电压 10VDC A I2: 外部速度给定 2: 0,20mA（ 自动控制 , 参考信号 : 0,20mA Ro12 /13:继电输出1,可编程 （编程动作:超速 ro22 /23:继电输出2,可编程 （编程动作:过流 ro32 /33:继电输出3,可编程 （默认动作:故障 ao1: 直流数显仪 ( 频率或转速指示 六、结束语 该系统采用ACS80变频器作为索道的电力驱动，可根据需要自由 设定加减速时间使启动加速和制动减速更加平缓 , 大大提高了乘 坐的舒适感 , 可以在正常运行过程中根据需要自由调节运行速度 提高了灵活度。同时变频器还具有设备体积小、重量轻、效率 高、节约能源等优点 , 成为当前最新的索道驱动系统 , 它的调速 性能接近或已达到直流电动机驱动索道的水平。变频器的使用也 大大减小了变速齿轮的磨损 , 延长了变速箱的使用寿命 , 也减轻 了设备的维修任务 , 节约了运营成本 , 运行可靠稳定 , 取得了良 好的效果。 参考文献 : 1 刘京本 , 吴鸿启 . 中国客运索道的发展与所需钢丝绳 J . 天