变频技术在客运索道上的设计应用.doc

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; 制动电阻中图分类号: U18; TN77 文献标识码: 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 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, 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=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：=const在电动机内，额定频率时，定子绕组的阻抗压降U=I1zZ1，Z1为定子绕组的阻抗，包括电阻r1和漏磁电抗x1所占比例甚小，忽略不计，所以电动势与电源相电压相平衡：U1xE1X即=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。图1 四象限变频器原理图四、 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。ACS800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。ACS800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, 也可以同时满足普通负载和重载工作。ACS800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。ACS800的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ACS800传动产品适用于工业的各种领域。ABB交流传动持续不断的在完善用户界面, 启动向导的应用, ACS800的调试变得非常简便。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13 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: 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ACS800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 . 天津冶金, 1999( 6): 4- 7. 2黄文培,