變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在高架游覽車上的應用
引 言
游覽車來說，舒適安全為第一要求，因此要求變頻調(diào)速裝置性能優(yōu)良、可靠性高。本文將通用變頻器用于高架單軌車的調(diào)速傳動系統(tǒng)，對車輛起動、變速及穩(wěn)速控制等技術(shù)問題作了分析與解決。
系統(tǒng)方案
富士FRENIC G9S變頻器功能豐富，將“矢量控制”概念用于通用變頻器的控制，可自動測試電動機參數(shù)，能正確地按照各種負載狀況，計算電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)計算結(jié)果最佳控制電壓、電流矢量。
游覽車電源電壓為三相380V，是由鋪設(shè)在軌道上的電纜母線通過碳刷供給。共有四臺相同的交流異步變頻電動機，分別驅(qū)動游覽車的四個車輪。軌道為環(huán)形，單軌，寬450mm，全長1800m，其中上下坡長度300m，最大坡度30°，共設(shè)有三站，全程運行時間約15min。電動機參數(shù)如下：額定功率為4.4kW，額定電壓為380V,額定電流為11A，額定頻率為40Hz,功率因數(shù)為0.76，極數(shù)為4極。
游覽車的驅(qū)動總功率即為17.6kW，電動機總額定電流為44A。但計算可知，所用變頻電動機相當于額定功率為5.5kW普通電動機，相應四臺電動機總功率為22kW。由于不僅要保證游覽車滿載運行，當軌道前方車輛出現(xiàn)故障時，還必須能推動故障車輛繼續(xù)前進，而且上坡時一旦停車能重新起動，因此變頻器的容量選擇必須合適。電動機過載倍數(shù)一般為1.8~2.5，即電動機總電流可達110A。經(jīng)計算、試驗，決定選用富士FRN37G9S—4變頻器，其額定電流為75A，過載能力：150％1min。另加制動單元選件，以連接剎車電阻，實現(xiàn)剎車功能。剎車電阻安裝在游覽車底，它由三個72Ω的電阻箱并聯(lián)組成。
利用變頻器的多級頻率設(shè)定功能，通過設(shè)定相應的各級頻率值，并由變頻器輸入端子X1、X2、X3輸入傳感器檢測信號，就可方便實現(xiàn)游覽車行駛要求的高速、中速、低速三檔速度，即正常行駛時高速，進站/出站及部分彎道行駛時中速，手動時低速。
另外，用于電動機抱閘控制的變頻器頻率檢測信號FDT是開集電極輸出，而非繼電器接點輸出，使用不便。而電源側(cè)接觸器動作命令AXl/AX2的繼電器接點輸出閑置，因此將變頻器主控制板上AXl/AX2信號斷開，而將FDT信號輸入到AXl/AX2繼電器的驅(qū)動電路，于是AXl/AX2即變成FDT信號的繼電器接點輸出。這樣就省去繼電器單元選件，降低系統(tǒng)成本，并減少故障率。
控制要求與措施
富士FRENIC 5000G9S/P9S變頻器選擇轉(zhuǎn)矩矢量控制的條件有：一臺變頻器只能控制一臺電動機，并只可以與同級容量或低一級容量的電動機配合。由于游覽車選用的變頻器系交－直－交電壓型變頻器，而四臺電動機參數(shù)一致，同步運行。因此，如果參數(shù)設(shè)置得當，變頻器完全可以采用轉(zhuǎn)矩矢量控制方式并充分發(fā)揮其性能。
世界之窗高架游覽車系統(tǒng)實行無人駕駛，自動運行，集中監(jiān)控。在軌道和車輛上裝有相應的傳感器裝置，自動控制車輛進站/出站、加速/減速及安全防護。變頻器作為游覽車驅(qū)動控制的核心，各項參數(shù)的設(shè)定要準確計算、反復調(diào)整，才能實現(xiàn)最高性能。
游覽車的主要運行狀態(tài)可分為：起動/加速、停車/減速、恒速及變速行駛等，對傳動控制系統(tǒng)的要求與相應的技術(shù)措施，下面進行具體分析。
起動：為了減少起動/停車時加/減速的沖擊，變頻器選用S－曲線加速/減速模式，使輸出頻率在起動時與到達設(shè)定頻率時，減速開始時與停止時按S－曲線平滑變化。這樣使游覽車起停非常平滑，提高了乘坐的舒適感。
如果按標準組合適配電動機，并采用轉(zhuǎn)矩矢量控制方式時，變頻器能用1Hz設(shè)定實現(xiàn)150％以上的高起動轉(zhuǎn)矩。但在游覽車上坡行駛途中停車重新起動試驗時發(fā)現(xiàn)，車輛會先下滑后退，然后再加速前進，即有所謂“溜車”現(xiàn)象，且不論空車還是推車試驗，都是如此。盡管反復調(diào)整變頻器參數(shù)，仍無法消除此現(xiàn)象。
如果變頻器采用V/f控制方式，也曾在現(xiàn)場進行過試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空車尚可，滿載且坡度較大時則無法起動，甚至使車輛產(chǎn)生劇烈震動。這是由于V/f控制時，電動機起動轉(zhuǎn)矩不夠，當變頻器輸出頻率按設(shè)定的加速時間逐漸增大，電動機卻靜止不動或者反轉(zhuǎn)，而使電動機電流迅速增大，在變頻器自動加速功能作用下，變頻器調(diào)低輸出頻率，重新加速，如此反復，造成車輛震動。可見，V/f控制方式不能滿足要求。
據(jù)此分析，采用轉(zhuǎn)矩矢量控制方式時，雖然有“溜車”現(xiàn)象，但游覽車最終能平穩(wěn)起動，說明低頻起動時變頻器能夠控制電動機輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，問題在于從變頻器輸入運行信號到電動機輸出較大轉(zhuǎn)矩需要一定的響應時間，因而在變頻器起動之初，電壓、電流矢量尚在調(diào)整，電動機輸出轉(zhuǎn)矩不夠，造成車輛下滑。這對于多數(shù)重載起動情況也許并不成問題，但對于游覽車，則不希望有下滑失控現(xiàn)象。游覽車起動時原是先打開抱閘再逐漸加速的，于是利用變頻器的頻率檢測FDT功能，設(shè)定合適的頻率檢測值FDTLEVEL，當輸出頻率超過此值時，F(xiàn)DT輸出“ON”信號，打開抱閘。這樣在抱閘打開時，電動機已具備一定的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，車輛不再下滑，從而消除了“溜車”現(xiàn)象，即使在推車及滿載情況下，上坡時進行停車再起動試驗，均能順利起動。
停車：當游覽車接到停車信號后，變頻器按設(shè)定的減速時間逐漸降低輸出頻率，最后停止輸出。減速時間的設(shè)定應恰當，既讓游客感覺舒適，又能使車輛進站時按指定位置準確停車。同時為了保障車輛與游客的安全，游覽車減速停車后，應及時抱閘，否則上下坡停車時會產(chǎn)生“溜車”現(xiàn)象。但抱閘過程需要一定的響應時間，所以應提前發(fā)出抱閘命令，當輸出頻率降低到一定值尚未到OHz時，變頻器即輸出“零速信號”，命令電動機抱閘。“零速信號”是由變頻器的頻率檢測信號FDT輸出，可通過頻率檢測設(shè)定值FDTLEVEL和頻率檢測信號滯后幅值FDTHYSTR參數(shù)設(shè)置，即“零速信號”頻率值FZERO=FDTLEVEL-FDTHYSTR，當變頻器輸出頻率低于該值時，F(xiàn)DT（本系統(tǒng)亦即AXl/AX2） 輸出“OFF”信號。經(jīng)計算、測試抱閘響應時間，并調(diào)整設(shè)置“零速信號”頻率值，使游覽車減速到零的同時抱閘到位，達到理想的效果。
上坡：正常情況下，如果沒有轉(zhuǎn)速反饋控制，異步電動機當負載增大時，轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)速下降。但使用變頻器的轉(zhuǎn)差補償控制功能后，根據(jù)電動機的額定轉(zhuǎn)差率，只要設(shè)定合適的轉(zhuǎn)差補償值，當電動機負載增大時，變頻器自動提高其輸出頻率，而使電動機轉(zhuǎn)速基本不變。因此，即使游覽車滿載上坡，車速也能保持不變。
下坡：下坡行駛時，在車體自身重力的作用下，電動機處于發(fā)電工作狀態(tài)，并給變頻器直流側(cè)的主濾波電容器充電，使電動機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。變頻器標準能提供10％~15％的制動轉(zhuǎn)矩，使用制動單元和制動電阻選件后，能提供100％的制動轉(zhuǎn)矩。當變頻器直流側(cè)電壓上升到一定值時，制動單元自動工作，接通剎車電阻，進行能耗制動，控制單軌游覽車穩(wěn)速前進。試驗表明，下坡時車速穩(wěn)定，即使途中停車，也能正常減速并停穩(wěn)。
經(jīng)過安裝調(diào)試，系統(tǒng)順利投入試運行，但在炎夏高溫天氣時，變頻器偶爾會出現(xiàn)過熱“OHl”故障而造成停車。于是將變頻器的自動節(jié)能運行功能設(shè)定為有效，此功能對輕負載運行情況自動降低V/f曲線，以減少電動機的激磁電流和電動機損耗，實現(xiàn)節(jié)能運行，同時，變頻器自身的損耗減少。連續(xù)運行時，變頻器溫升顯著下降。
結(jié)束語
該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了通用變頻器的性能，完全滿足各項控制要求，成功地經(jīng)受了高溫、震動、潮濕等惡劣條件的嚴格考驗，系統(tǒng)運行情況良好，并具有技術(shù)先進、操作維護方便、運行安全可靠的優(yōu)點。
游覽車來說，舒適安全為第一要求，因此要求變頻調(diào)速裝置性能優(yōu)良、可靠性高。本文將通用變頻器用于高架單軌車的調(diào)速傳動系統(tǒng)，對車輛起動、變速及穩(wěn)速控制等技術(shù)問題作了分析與解決。
系統(tǒng)方案
富士FRENIC G9S變頻器功能豐富，將“矢量控制”概念用于通用變頻器的控制，可自動測試電動機參數(shù)，能正確地按照各種負載狀況，計算電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)計算結(jié)果最佳控制電壓、電流矢量。
游覽車電源電壓為三相380V，是由鋪設(shè)在軌道上的電纜母線通過碳刷供給。共有四臺相同的交流異步變頻電動機，分別驅(qū)動游覽車的四個車輪。軌道為環(huán)形，單軌，寬450mm，全長1800m，其中上下坡長度300m，最大坡度30°，共設(shè)有三站，全程運行時間約15min。電動機參數(shù)如下：額定功率為4.4kW，額定電壓為380V,額定電流為11A，額定頻率為40Hz,功率因數(shù)為0.76，極數(shù)為4極。
游覽車的驅(qū)動總功率即為17.6kW，電動機總額定電流為44A。但計算可知，所用變頻電動機相當于額定功率為5.5kW普通電動機，相應四臺電動機總功率為22kW。由于不僅要保證游覽車滿載運行，當軌道前方車輛出現(xiàn)故障時，還必須能推動故障車輛繼續(xù)前進，而且上坡時一旦停車能重新起動，因此變頻器的容量選擇必須合適。電動機過載倍數(shù)一般為1.8~2.5，即電動機總電流可達110A。經(jīng)計算、試驗，決定選用富士FRN37G9S—4變頻器，其額定電流為75A，過載能力：150％1min。另加制動單元選件，以連接剎車電阻，實現(xiàn)剎車功能。剎車電阻安裝在游覽車底，它由三個72Ω的電阻箱并聯(lián)組成。
利用變頻器的多級頻率設(shè)定功能，通過設(shè)定相應的各級頻率值，并由變頻器輸入端子X1、X2、X3輸入傳感器檢測信號，就可方便實現(xiàn)游覽車行駛要求的高速、中速、低速三檔速度，即正常行駛時高速，進站/出站及部分彎道行駛時中速，手動時低速。
另外，用于電動機抱閘控制的變頻器頻率檢測信號FDT是開集電極輸出，而非繼電器接點輸出，使用不便。而電源側(cè)接觸器動作命令AXl/AX2的繼電器接點輸出閑置，因此將變頻器主控制板上AXl/AX2信號斷開，而將FDT信號輸入到AXl/AX2繼電器的驅(qū)動電路，于是AXl/AX2即變成FDT信號的繼電器接點輸出。這樣就省去繼電器單元選件，降低系統(tǒng)成本，并減少故障率。
控制要求與措施
富士FRENIC 5000G9S/P9S變頻器選擇轉(zhuǎn)矩矢量控制的條件有：一臺變頻器只能控制一臺電動機，并只可以與同級容量或低一級容量的電動機配合。由于游覽車選用的變頻器系交－直－交電壓型變頻器，而四臺電動機參數(shù)一致，同步運行。因此，如果參數(shù)設(shè)置得當，變頻器完全可以采用轉(zhuǎn)矩矢量控制方式并充分發(fā)揮其性能。
世界之窗高架游覽車系統(tǒng)實行無人駕駛，自動運行，集中監(jiān)控。在軌道和車輛上裝有相應的傳感器裝置，自動控制車輛進站/出站、加速/減速及安全防護。變頻器作為游覽車驅(qū)動控制的核心，各項參數(shù)的設(shè)定要準確計算、反復調(diào)整，才能實現(xiàn)最高性能。
游覽車的主要運行狀態(tài)可分為：起動/加速、停車/減速、恒速及變速行駛等，對傳動控制系統(tǒng)的要求與相應的技術(shù)措施，下面進行具體分析。
起動：為了減少起動/停車時加/減速的沖擊，變頻器選用S－曲線加速/減速模式，使輸出頻率在起動時與到達設(shè)定頻率時，減速開始時與停止時按S－曲線平滑變化。這樣使游覽車起停非常平滑，提高了乘坐的舒適感。
如果按標準組合適配電動機，并采用轉(zhuǎn)矩矢量控制方式時，變頻器能用1Hz設(shè)定實現(xiàn)150％以上的高起動轉(zhuǎn)矩。但在游覽車上坡行駛途中停車重新起動試驗時發(fā)現(xiàn)，車輛會先下滑后退，然后再加速前進，即有所謂“溜車”現(xiàn)象，且不論空車還是推車試驗，都是如此。盡管反復調(diào)整變頻器參數(shù)，仍無法消除此現(xiàn)象。
如果變頻器采用V/f控制方式，也曾在現(xiàn)場進行過試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空車尚可，滿載且坡度較大時則無法起動，甚至使車輛產(chǎn)生劇烈震動。這是由于V/f控制時，電動機起動轉(zhuǎn)矩不夠，當變頻器輸出頻率按設(shè)定的加速時間逐漸增大，電動機卻靜止不動或者反轉(zhuǎn)，而使電動機電流迅速增大，在變頻器自動加速功能作用下，變頻器調(diào)低輸出頻率，重新加速，如此反復，造成車輛震動。可見，V/f控制方式不能滿足要求。
據(jù)此分析，采用轉(zhuǎn)矩矢量控制方式時，雖然有“溜車”現(xiàn)象，但游覽車最終能平穩(wěn)起動，說明低頻起動時變頻器能夠控制電動機輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，問題在于從變頻器輸入運行信號到電動機輸出較大轉(zhuǎn)矩需要一定的響應時間，因而在變頻器起動之初，電壓、電流矢量尚在調(diào)整，電動機輸出轉(zhuǎn)矩不夠，造成車輛下滑。這對于多數(shù)重載起動情況也許并不成問題，但對于游覽車，則不希望有下滑失控現(xiàn)象。游覽車起動時原是先打開抱閘再逐漸加速的，于是利用變頻器的頻率檢測FDT功能，設(shè)定合適的頻率檢測值FDTLEVEL，當輸出頻率超過此值時，F(xiàn)DT輸出“ON”信號，打開抱閘。這樣在抱閘打開時，電動機已具備一定的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，車輛不再下滑，從而消除了“溜車”現(xiàn)象，即使在推車及滿載情況下，上坡時進行停車再起動試驗，均能順利起動。
停車：當游覽車接到停車信號后，變頻器按設(shè)定的減速時間逐漸降低輸出頻率，最后停止輸出。減速時間的設(shè)定應恰當，既讓游客感覺舒適，又能使車輛進站時按指定位置準確停車。同時為了保障車輛與游客的安全，游覽車減速停車后，應及時抱閘，否則上下坡停車時會產(chǎn)生“溜車”現(xiàn)象。但抱閘過程需要一定的響應時間，所以應提前發(fā)出抱閘命令，當輸出頻率降低到一定值尚未到OHz時，變頻器即輸出“零速信號”，命令電動機抱閘。“零速信號”是由變頻器的頻率檢測信號FDT輸出，可通過頻率檢測設(shè)定值FDTLEVEL和頻率檢測信號滯后幅值FDTHYSTR參數(shù)設(shè)置，即“零速信號”頻率值FZERO=FDTLEVEL-FDTHYSTR，當變頻器輸出頻率低于該值時，F(xiàn)DT（本系統(tǒng)亦即AXl/AX2） 輸出“OFF”信號。經(jīng)計算、測試抱閘響應時間，并調(diào)整設(shè)置“零速信號”頻率值，使游覽車減速到零的同時抱閘到位，達到理想的效果。
上坡：正常情況下，如果沒有轉(zhuǎn)速反饋控制，異步電動機當負載增大時，轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)速下降。但使用變頻器的轉(zhuǎn)差補償控制功能后，根據(jù)電動機的額定轉(zhuǎn)差率，只要設(shè)定合適的轉(zhuǎn)差補償值，當電動機負載增大時，變頻器自動提高其輸出頻率，而使電動機轉(zhuǎn)速基本不變。因此，即使游覽車滿載上坡，車速也能保持不變。
下坡：下坡行駛時，在車體自身重力的作用下，電動機處于發(fā)電工作狀態(tài)，并給變頻器直流側(cè)的主濾波電容器充電，使電動機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。變頻器標準能提供10％~15％的制動轉(zhuǎn)矩，使用制動單元和制動電阻選件后，能提供100％的制動轉(zhuǎn)矩。當變頻器直流側(cè)電壓上升到一定值時，制動單元自動工作，接通剎車電阻，進行能耗制動，控制單軌游覽車穩(wěn)速前進。試驗表明，下坡時車速穩(wěn)定，即使途中停車，也能正常減速并停穩(wěn)。
經(jīng)過安裝調(diào)試，系統(tǒng)順利投入試運行，但在炎夏高溫天氣時，變頻器偶爾會出現(xiàn)過熱“OHl”故障而造成停車。于是將變頻器的自動節(jié)能運行功能設(shè)定為有效，此功能對輕負載運行情況自動降低V/f曲線，以減少電動機的激磁電流和電動機損耗，實現(xiàn)節(jié)能運行，同時，變頻器自身的損耗減少。連續(xù)運行時，變頻器溫升顯著下降。
結(jié)束語
該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了通用變頻器的性能，完全滿足各項控制要求，成功地經(jīng)受了高溫、震動、潮濕等惡劣條件的嚴格考驗，系統(tǒng)運行情況良好，并具有技術(shù)先進、操作維護方便、運行安全可靠的優(yōu)點。
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