變頻技術(shù)在客運(yùn)索道上的設(shè)計應(yīng)用

1、 變頻技術(shù)在客運(yùn)索道上的設(shè)計應(yīng)用摘要: 主要介紹了變頻技術(shù)在客運(yùn)索道上的設(shè)計與應(yīng)用。分析了變頻技術(shù)在索道業(yè)的發(fā)展趨勢, 介紹了電動機(jī)、變頻器及制動電阻的設(shè)計選擇思路, 并給出了該技術(shù)在索道中的具體應(yīng)用實例。隨著我國索道業(yè)的不斷發(fā)展, 對索道的制造質(zhì)量和技術(shù)水平要求也越來越高。索道的各個傳動機(jī)構(gòu)所采用的方式、控制系統(tǒng)的技術(shù)水平、用戶的可操作性和可維護(hù)性、游客的乘坐舒適感等方面體現(xiàn)了索道的技術(shù)水平。我國的索道業(yè)從1998年才把PLC與變頻技術(shù)應(yīng)用于索道電氣控制, 索道總體技術(shù)水平低, 自主創(chuàng)新能力不強(qiáng), 遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外索道術(shù)。關(guān)鍵詞: 電動機(jī); 變頻技術(shù); 制動電阻中圖分類號: U18; TN77

2、 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: ADesign and App lication ofInverter 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 of motor, inverter and

3、 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、引言隨著我國索道業(yè)的不斷發(fā)展, 對索道的制造質(zhì)量和技術(shù)水平要求也越來越高。索道的各個傳動機(jī)構(gòu)所采用的方式、控制系統(tǒng)的技術(shù)水平、用戶的可操作性和可維護(hù)性、游客的乘坐舒適感等方面體現(xiàn)了索道的技術(shù)水平。我國的索道業(yè)從1998年才把PLC與變頻技術(shù)應(yīng)用于索道電

4、氣控制, 索道總體技術(shù)水平低, 自主創(chuàng)新能力不強(qiáng), 遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外索道技術(shù)。由于現(xiàn)代系統(tǒng)集成和數(shù)字控制的發(fā)展。對索道系統(tǒng)的要求越來越向著精確控制，數(shù)字化控制的方向發(fā)展，對系統(tǒng)提出了越來越人性化的要求，要求系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定，平穩(wěn)，通過計算機(jī)監(jiān)控實現(xiàn)靜態(tài)上下車，精確定位防止越位，安全舒適等人性化的要求。而且在當(dāng)今能源緊缺的時代對系統(tǒng)的工作效益也提出了要求。然而在系統(tǒng)集成和數(shù)字化的控制中，以往對索道驅(qū)動部份的啟動方式和調(diào)速方式均無法和現(xiàn)代的系統(tǒng)集成和數(shù)字控制相對接。隨著現(xiàn)代全數(shù)字化交流變頻技術(shù)的幾代發(fā)展，在系統(tǒng)集成和數(shù)字化控制中，交流變頻調(diào)速方式的數(shù)字化，精確化，集成化和免維護(hù)的特點(diǎn)正合需求。二、

5、 變頻技術(shù)在索道行業(yè)中的發(fā)展趨勢我國上世紀(jì)90年代建設(shè)的索道大部分驅(qū)動電機(jī)采用的是繞線式異步電動機(jī), 或者是直流電機(jī)。采用直流驅(qū)動的控制方式成本較高, 而繞線式異步電動機(jī)一般采用轉(zhuǎn)子串電阻或頻敏變阻器的啟動方式, 此種啟動方式啟動電流大, 對電網(wǎng)有較大的沖擊, 對電網(wǎng)容量要求高。該系統(tǒng)在變速過程中所產(chǎn)生的機(jī)械沖擊的大小將直接影響索道結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷程度, 對設(shè)備損害大, 尤其是在啟動和停止時的機(jī)械沖擊對減速機(jī)損害較大, 嚴(yán)重時會把減速機(jī)的齒輪損壞, 縮短了設(shè)備的使用壽命。同時這種控制方式在索道運(yùn)行過程中速度不可調(diào)節(jié), 給某些游客上下車帶來不便。傳統(tǒng)控制方式在技術(shù)上落后, 其制造成本以及使用性能

6、等方面也存在一些問題。所以, 需要我們尋求更理想的新的調(diào)速控制技術(shù)。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展, 這項技術(shù)不斷地被人們所認(rèn)識, 它以絕對的優(yōu)勢超越了其它調(diào)速方案, 其優(yōu)點(diǎn)較為突出, 如: 零速抱閘, 對制動器無磨損; 任意低的運(yùn)行速度, 方便游客的上下車; 速度的平滑過渡, 對機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)件無沖擊, 提高了索道的運(yùn)行安全性; 極低的啟動電流, 減輕了用戶電網(wǎng)擴(kuò)容的負(fù)擔(dān); 幾乎任意寬的調(diào)速范圍, 提高了索道的工作效率; 節(jié)能的調(diào)速方式, 減少了系統(tǒng)運(yùn)行能耗; 單速的鼠籠電動機(jī)保證了機(jī)構(gòu)的運(yùn)行可靠性。變頻調(diào)速技術(shù)在我國索道傳動結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已經(jīng)有10年左右的時間, 取得了一些成功的應(yīng)用經(jīng)驗。隨著變頻器價格的不斷

7、降低, 及可靠性的不斷提高,變頻技術(shù)一定能在索道上得到廣泛應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)取代轉(zhuǎn)子串電阻或頻敏變阻器的技術(shù)方式和直流調(diào)速技術(shù)是大勢所趨。三、變頻調(diào)速原理及控制方式選擇：1、調(diào)速原理：變頻調(diào)速是電機(jī)調(diào)速的主要技術(shù)。交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式為： n=其中：f定子供電電源的頻率 p電動機(jī)的極對數(shù) s電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率。由上式可知，當(dāng)平滑地改變f時，n也可得到平穩(wěn)的改變。所以，變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵是如何獲得頻率可變的大功率供電電源。2、（V/f）恒定控制主磁通E1X電動勢Fx頻率KE比例常數(shù)N每相繞組匝數(shù)當(dāng)一臺電機(jī)制造完畢后其kE、N均為常數(shù)，故：=const在電動機(jī)內(nèi)，額定頻率時，定子繞組的阻抗壓降U=I

8、1zZ1，Z1為定子繞組的阻抗，包括電阻r1和漏磁電抗x1所占比例甚小，忽略不計，所以電動勢與電源相電壓相平衡：U1xE1X即=const由此可見，變頻的同時也必須變壓，故稱為V/f恒定控制。因交流電動機(jī)是個多變量、強(qiáng)耦合和非線性被控對象，僅用電壓/頻率（V/f）恒定控制， 可控性和精確性仍然滿足不了現(xiàn)代集成系統(tǒng)中數(shù)字化控制中的精度要求。3、二象限運(yùn)行矢量控制變頻器索道系統(tǒng)是在有一定坡度的面上進(jìn)行人員運(yùn)輸?shù)模栽谌藛T下坡和減速停車過程中電機(jī)將處于反向發(fā)電的狀態(tài)，所以在使用二象限變頻器控制時需要采用加裝功率電阻進(jìn)行能耗制動的方式，而功率電阻的寵大和熱量，在集成系統(tǒng)中帶來了安裝空間和散熱方式等嚴(yán)

9、重的問題。4、四象限運(yùn)行矢量控制變頻器四象限運(yùn)行矢量控制變頻器能將電機(jī)產(chǎn)生的反向電能回饋給電網(wǎng)，從而解決了二象限變頻器的制動電阻帶來的種種問題，而且節(jié)省了大量的電能。所以在對索道的現(xiàn)代化集成數(shù)控系統(tǒng)中優(yōu)先采用高性能四象限運(yùn)行矢量控制變頻器。圖1 四象限變頻器原理圖四、 變頻運(yùn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計4.1 技術(shù)特點(diǎn)國內(nèi)目前所采用的典型方案, 從技術(shù)上來講大同小異, 不同點(diǎn)在于: ( 1)變頻器的品牌不同, 其采用的控制回路不同; ( 2)系統(tǒng)是開環(huán)(不帶PG)或者是閉環(huán)(帶PG) ;( 3)減速機(jī)的類型不一樣, 如: 齒輪、蝸桿、蝸桿、 齒輪等。就傳動控制技術(shù)而言, 均為一臺變頻器控制一臺電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速的

10、典型模式。4. 2 索道變頻運(yùn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計要點(diǎn)4. 2. 1 電動機(jī)極數(shù)和功率的校核當(dāng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的基本參數(shù), 如: 索道運(yùn)行長度、上下站高差、最大起重量、最高工作速度等給定后, 就要對電動機(jī)的極數(shù)和功率進(jìn)行確定和計算, 其設(shè)計要點(diǎn)是: ( 1)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)小于1500 r /m (由減速機(jī)輸入級的工作轉(zhuǎn)速限制); ( 2)系統(tǒng)最高工作頻率應(yīng)小于50 Hz; ( 3)電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩用于校核最大重量(考慮總傳動比、效率、倍率等) ; ( 4)電動機(jī)的額定功率用于校核高速時的起重量(考慮總傳動比、效率、倍率等)。在選擇電機(jī)功率時, 根據(jù)以上的條件就能基本確定減速機(jī)的減速比與電動機(jī)功率和極數(shù)。4.

11、2. 2 電控系統(tǒng)的設(shè)計( 1)變頻器的選取 2 。當(dāng)系統(tǒng)的電動機(jī)確定后, 就可著手進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計。首先是變頻器的選型,現(xiàn)在市場上的國內(nèi)外變頻器品牌不少, 控制水平和可靠性差別較大, 技術(shù)上大體可分為V/F控制、矢量控制和DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制三種。( 2)能耗電阻的選取 3 。作為起重用變頻系統(tǒng), 其設(shè)計的重點(diǎn)在于電動機(jī)處于回饋制動狀態(tài)下的系統(tǒng)可靠性, 也就是說重物下降工況時變頻系統(tǒng)的性能好壞將直接影響整個起升機(jī)構(gòu)能否安全運(yùn)行。變頻器不是自由停車, 變頻器就有輸出, 電機(jī)繞組端就有電壓, 有電流, 有旋轉(zhuǎn)磁場, 就有感生電勢, 這時轉(zhuǎn)子在負(fù)載慣性運(yùn)動下拖著發(fā)電, 并被逆變橋整流成直流回饋到

12、變頻器直流部; 這時, 負(fù)載的慣性動能就轉(zhuǎn)化為直流部的電能, 使直流部電壓升高, 為了不出現(xiàn)直流部過壓, 必須用電阻短接直流電壓放電,這時電動機(jī)處于發(fā)電制動狀態(tài), 如果哪個制動電阻燒斷, 直流部會過壓保護(hù), 變頻器停止輸出, 電機(jī)失去制動, 如果是索道就會發(fā)生溜車。制動電阻阻值的選定有一個不可違背的原則: 應(yīng)保證流過制動電阻的電流Ic小于制動單元的允許最大電流輸出能力, 即: R > 700 /Ic, 其中: 700是變頻器直流側(cè)所可能出現(xiàn)的最大直流電壓, Ic 是制動單元的最大允許電流。( 3)控制方案的確定。首先是系統(tǒng)采用開環(huán)或閉環(huán)控制的選擇, 一般的索道運(yùn)行機(jī)構(gòu)可以采用開環(huán)控制方式

13、, 因為在閉環(huán)系統(tǒng)中, 反饋回路任何細(xì)小的差錯可能造成系統(tǒng)紊亂。其次是速度給定方式的選取, 變頻器的速度給定控制可以是自動的, 也可以是手動的, 絕大多數(shù)的變頻器都有多種速度輸入方式, 如多級開關(guān)量輸入方式和模擬量給定方式。最為簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是由手動開環(huán)調(diào)速方法可以采用外部電位器操作和外部按鈕操作。這樣, 控制柜內(nèi)的連接線最少, 控制最簡單適用。五、 ABB變頻器的應(yīng)用設(shè)計索道采用交流電動機(jī)拖動, 電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制, 能對索道做到精確控制, 控制系統(tǒng)必須具備以下條件:( 1)系統(tǒng)能頻繁啟動、停止;( 2)系統(tǒng)能正、反雙向控制;( 3)系統(tǒng)能做到無極調(diào)速, 調(diào)速范圍大、平滑性較高, 做到平穩(wěn)

14、啟動- 加速- 穩(wěn)定運(yùn)行- 減速- 平穩(wěn)停車;( 4)系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)矩大, 做到平穩(wěn)啟動;( 5)零速時維持大轉(zhuǎn)矩輸出, 防止料車啟動和停車時重載下滑。根據(jù)索道負(fù)載設(shè)計選取55 kW 的標(biāo)準(zhǔn)鼠籠異步電動機(jī), 根據(jù)電機(jī)功率選取55 kW 變頻器。本文將介紹的是ABB 公司的新品ACS800變頻器在分離機(jī)械的設(shè)計和應(yīng)用。ACS800是ABB 公司最新推出的智能性變頻器, 該系列變頻器用于1. 5 110 kW 低壓交流傳動。它能精確地控制速度和轉(zhuǎn)矩, 能匹配現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)鼠籠異步電動機(jī)。ACS800具有三種控制方式, 即標(biāo)量v / f控制、無傳感器矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制, 所以該變頻器不僅能夠適合于最簡單的電

15、機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn), 也可以應(yīng)用在復(fù)雜的工作場合。其可靠的過載能力設(shè)計, 也可以同時滿足普通負(fù)載和重載工作。ACS800系列傳動產(chǎn)品最大的優(yōu)點(diǎn)就是在全功率范圍內(nèi)統(tǒng)一使用了相同的控制技術(shù), 例如啟動向?qū)? 自定義編程, DTC 控制, 通用備件, 通用的接口技術(shù), 以及用于選型、調(diào)試和維護(hù)的通用軟件工具。ACS800的核心技術(shù)就是直接轉(zhuǎn)矩控制( DTC)。它是目前最先進(jìn)的交流異步電機(jī)的控制方式。DTC 穩(wěn)定杰出的性能, 使ACS800傳動產(chǎn)品適用于工業(yè)的各種領(lǐng)域。ABB交流傳動持續(xù)不斷的在完善用戶界面, 啟動向?qū)У膽?yīng)用, ACS800的調(diào)試變得非常簡便。在交流電源和傳動單元之間可以安裝一個手動操作的斷路器。

16、一般情況下傳動單元與電機(jī)之間不加接觸器, 在一些條件下傳動單元與電機(jī)之間需要安裝接觸器的, 要注意在打開接在傳動單元輸出和電機(jī)之間的接觸器之前, 應(yīng)將傳動單元的輸出電壓調(diào)整到零, 否則將會損壞接觸器。在標(biāo)量控制模式下, 該接觸器在傳動單元運(yùn)行時即可以打開。控制電纜最好采用屏蔽型電纜, 在布線時注意與動力線分開, 以防止電磁干擾。電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其它電纜走線, 以避免電機(jī)電纜和其它電纜長距離的并行走線, 進(jìn)而減少變頻器輸出電壓瞬變產(chǎn)生的電磁干擾。直流母線R+ 、R - 端接制動單+ 、- 端, 然后根據(jù)不同的選擇, 如回饋制動接電網(wǎng)三相, 能耗制動則接制動電阻。本設(shè)計采用制動電阻, 根據(jù)變頻器的

17、功率55 kW, 選取13 8 的制動電阻, 電阻功率為5. 5 kW, 制動力矩為100%。tk為制動單元的內(nèi)部繼電器, 制動單元運(yùn)行正常時, tk閉合, 變頻器處于使能狀態(tài)可以正常工作; 當(dāng)本單元出現(xiàn)故障時, tk動作, 通過變頻器的端子di4定義, 瞬間封鎖U2 /V2 /W2 輸出, 起到保護(hù)作用?？刂苹芈份斎?、輸出端子中, 采用宏9902= 5的定義D I1: 手動/自動啟動/停車(手動): 得電啟動D I2: 正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)(手動): 得電轉(zhuǎn)向為反轉(zhuǎn)D I3: ex t1 /ex t2 選擇: 得電選擇故障復(fù)位D I4: 運(yùn)行允許: 一旦斷開變頻器將停車A I1: 外部速度給定1: 0

18、,10V (手動控制, 電位器、參考電壓10VDC )A I2: 外部速度給定2: 0,20mA(自動控制, 參考信號: 0,20mA)Ro12 /13: 繼電輸出1, 可編程(編程動作: 超速)ro22 /23: 繼電輸出2, 可編程(編程動作: 過流)ro32 /33: 繼電輸出3, 可編程(默認(rèn)動作: 故障)ao1: 直流數(shù)顯儀(頻率或轉(zhuǎn)速指示)六、 結(jié)束語該系統(tǒng)采用ACS800變頻器作為索道的電力驅(qū)動, 可根據(jù)需要自由設(shè)定加減速時間使啟動加速和制動減速更加平緩, 大大提高了乘坐的舒適感, 可以在正常運(yùn)行過程中根據(jù)需要自由調(diào)節(jié)運(yùn)行速度, 提高了靈活度。同時變頻器還具有設(shè)備體積小、重量輕、效率高、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn), 成為當(dāng)前最新的索道驅(qū)動系統(tǒng), 它的調(diào)速性能接近或已達(dá)到直流電動機(jī)驅(qū)動索道的水平。變頻器的使用也大大減小了變速齒輪的磨損, 延長了變速箱的使用壽命, 也減輕了設(shè)備的維修任務(wù), 節(jié)約了運(yùn)營成本, 運(yùn)行可靠穩(wěn)定, 取得了良好的效果。參考文獻(xiàn): 1 劉京本, 吳鴻啟. 中國客運(yùn)索道的發(fā)展與所需鋼絲繩 J . 天津冶金, 1999( 6): 4- 7. 2黃文培