一、前言

　　乘坐深圳世界之窗高架游覽車，穿梭于古今世界名勝，異域風(fēng)情，盡收眼底，是園內(nèi)重點(diǎn)游覽項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)與深圳世界之窗有限公司合作，成功研制了技術(shù)先進(jìn)的高架游覽車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。

　　游覽車行駛中頻繁起動(dòng)、停車、上坡、下坡，并要求起停平穩(wěn)，車速恒定，傳動(dòng)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，由于是載人工具，運(yùn)行必須安全可靠，而且常年日曬雨淋，環(huán)境惡劣，因此要求變頻調(diào)速裝置性能優(yōu)良、可靠性高。

　　對(duì)調(diào)速性能要求較高的傳動(dòng)裝置，以往都是采用帶測(cè)速反饋的矢量控制系統(tǒng)，但價(jià)格昂貴，且維護(hù)不便。能否采用通用變頻器實(shí)現(xiàn)呢？能否不加測(cè)速傳感器而使車輛恒速運(yùn)行呢？針對(duì)具體情況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察、分析，我們認(rèn)為：采用富士比較新系列FRENIC G9S型通用變頻器是完全可行的。這是因?yàn)榻涣髯冾l調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，采用了先進(jìn)的控制方式，不僅調(diào)速性能大大提高，而且具備參數(shù)自整定、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制等智能化功能。

二、系統(tǒng)方案

　　富士FRENIC G9S變頻器功能豐富、性能優(yōu)良，并將“矢量控制”概念用于通用變頻器的控制，可自動(dòng)測(cè)試電機(jī)參數(shù)，能正確地按照各種負(fù)載狀況，計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，比較佳控制電壓、電流矢量。由于運(yùn)算精度高，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，因此，無(wú)需測(cè)速傳感器，也能實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制。

　　高架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(guò)碳刷供給。共有4臺(tái)相同的交流異步變頻電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)游覽車的4個(gè)車輪。軌道為環(huán)形，單軌，寬450mm，全長(zhǎng)1800m，其中上下坡長(zhǎng)度300m，比較大坡度30°，共設(shè)有3站，全程運(yùn)行時(shí)間約15min。電機(jī)參數(shù)為：

額定功率：4.4kW額定電壓：380V額定電流：11A

額定頻率：40Hz功率因數(shù)：0.76極數(shù)：4

　　游覽車的驅(qū)動(dòng)總功率即為17.6kW，電機(jī)總額定電流為44A。但計(jì)算可知，所用4.4kW變頻電機(jī)相當(dāng)于額定功率為5.5kW的普通電機(jī)，相應(yīng)4臺(tái)電機(jī)總功率可視為22kW。由于不僅要保證游覽車滿載運(yùn)行，當(dāng)軌道前方車輛出現(xiàn)故障時(shí)，還必須能推動(dòng)故障車輛繼續(xù)前進(jìn)，而且上坡時(shí)一旦停車能重新起動(dòng)，因此變頻器的容量選擇必須合適。電機(jī)過(guò)載倍數(shù)一般為1.8～2.5，即電機(jī)總電流可達(dá)110A。經(jīng)計(jì)算、試驗(yàn)，決定選用富士FRN37G9S-4變頻器一臺(tái)，其額定電流為75A，過(guò)載能力：150% 1min。另加制動(dòng)單元選件，以連接剎車電阻，實(shí)現(xiàn)剎車功能。設(shè)備選型如下：

變頻器FRN37G9S-41 臺(tái)

制動(dòng)單元BU37-4B1 臺(tái)

　　剎車電阻安裝在游覽車的底下，便于散熱，它由3個(gè)72Ω的電阻箱并聯(lián)組成，即剎車電阻阻值為24Ω。

　　利用變頻器的多級(jí)頻率設(shè)定功能，通過(guò)設(shè)定相應(yīng)的各級(jí)頻率值，并由變頻器輸入端子X(jué)1、X2、X3輸入傳感器檢測(cè)信號(hào)，就可方便實(shí)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(shí)高速，進(jìn)站/出站及部分彎道行駛時(shí)中速，手動(dòng)時(shí)低速。

　　另外，擬用于電機(jī)抱閘控制的變頻器頻率檢測(cè)信號(hào)FDT是開(kāi)集電極輸出，而非繼電器接點(diǎn)輸出，使用不便。而電源側(cè)接觸器動(dòng)作命令A(yù)X1/AX2的繼電器接點(diǎn)輸出閑置，因此將變頻器主控制板上AX1/AX2信號(hào)斷開(kāi)，而將FDT信號(hào)接入到AX1/AX2繼電器的驅(qū)動(dòng)電路，于是AX1/AX2即變成FDT信號(hào)的繼電器接點(diǎn)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。

三、控制要求與措施

　　根據(jù)富士變頻器技術(shù)資料，富士FRENIC 5000G9S/P9S變頻器選擇轉(zhuǎn)矩矢量控制的首要條件有：一臺(tái)變頻器只能控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，并只可以與同級(jí)容量或低一級(jí)容量的電動(dòng)機(jī)配合。而現(xiàn)在游覽車用一臺(tái)變頻器控制四臺(tái)電動(dòng)機(jī)，變頻器的容量比這四臺(tái)電動(dòng)機(jī)總?cè)萘看罅藘杉?jí)，能否采用轉(zhuǎn)矩矢量控制方式呢？能否達(dá)到車輛運(yùn)行的技術(shù)要求呢？由于游覽車選用的變頻器系交-直-交電壓型變頻器，而四臺(tái)電機(jī)參數(shù)一致，同步在軌運(yùn)行，因此，如果參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，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(shí)行無(wú)人駕駛，自動(dòng)運(yùn)行，集中監(jiān)控。在軌道和車輛上安裝有相應(yīng)的傳感器檢測(cè)裝置，自動(dòng)控制車輛進(jìn)站/出站、加速/減速及安全防護(hù)。正如汽車的操控性能取決于發(fā)動(dòng)機(jī)，變頻器作為游覽車驅(qū)動(dòng)控制的核心，各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，不僅要準(zhǔn)確計(jì)算，而且要反復(fù)調(diào)整，才能恰如其分，實(shí)現(xiàn)比較佳性能。

　　游覽車的主要運(yùn)行狀態(tài)可分為：起動(dòng)/加速、停車/減速、恒速及變速行駛等，對(duì)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求與相應(yīng)的技術(shù)措施，下面進(jìn)行具體分析。

起動(dòng)：為了減少起動(dòng)/停車時(shí)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(dòng)時(shí)與到達(dá)設(shè)定頻率時(shí)，減速開(kāi)始時(shí)與停止時(shí)按S-曲線平滑變化。這樣使游覽車起停非常平滑，大大提高了乘坐的舒適感。

　　根據(jù)文獻(xiàn)[1]，如果按標(biāo)準(zhǔn)組合適配電動(dòng)機(jī)，并采用轉(zhuǎn)矩矢量控制方式時(shí)，變頻器能用1Hz設(shè)定實(shí)現(xiàn)150% 以上的高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但在游覽車上坡行駛途中停車重新起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，車輛會(huì)先下滑后退，然后再加速前進(jìn)，即有所謂“溜車”現(xiàn)象，且不論空車還是推車試驗(yàn)，都是如此。盡管反復(fù)調(diào)整變頻器參數(shù)，仍無(wú)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(chǎng)進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空車尚可，滿載且坡度較大時(shí)則無(wú)法起動(dòng)，甚至使車輛產(chǎn)生劇烈顫動(dòng)。這是由于V/F控制時(shí)，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠，當(dāng)變頻器輸出頻率按設(shè)定的加速時(shí)間逐漸增大，電機(jī)卻靜止不動(dòng)或者反轉(zhuǎn)，而使電機(jī)電流迅速增大，在變頻器自動(dòng)加速功能電流限制作用下，變頻器調(diào)低輸出頻率，重新加速，如此反復(fù)，造成車輛顫動(dòng)。可見(jiàn)，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(shí)，雖然有“溜車”現(xiàn)象，但游覽車比較終能平穩(wěn)起動(dòng)，說(shuō)明低頻起動(dòng)時(shí)變頻器還是能夠控制電機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，問(wèn)題在于從變頻器輸入運(yùn)行信號(hào)到電機(jī)輸出較大轉(zhuǎn)矩需要一定的響應(yīng)時(shí)間，因而在變頻器起動(dòng)之初，電壓、電流矢量尚在調(diào)整，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不夠，造成車輛下滑。這對(duì)于多數(shù)重載起動(dòng)情況也許并不成問(wèn)題，但對(duì)于游覽車，則不希望有下滑失控現(xiàn)象。游覽車起動(dòng)時(shí)原是先打開(kāi)抱閘再逐漸加速的，可以利用變頻器的頻率檢測(cè)FDT功能，設(shè)定合適的頻率檢測(cè)值FDT LEVEL，當(dāng)輸出頻率超過(guò)此值時(shí)，F(xiàn)DT輸出“ON”信號(hào)，打開(kāi)抱閘。這樣在抱閘打開(kāi)時(shí)，電機(jī)已具備一定的驅(qū)動(dòng)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(shí)進(jìn)行停車再起動(dòng)試驗(yàn)，均能順利起動(dòng)。

　　停車：當(dāng)游覽車接到停車信號(hào)后，變頻器按設(shè)定的減速時(shí)間逐漸降低輸出頻率，比較后停止輸出。減速時(shí)間的設(shè)定應(yīng)恰當(dāng)，既讓游客感覺(jué)舒適，又能使車輛進(jìn)站時(shí)按指定位置準(zhǔn)確停車，不發(fā)生“沖站”現(xiàn)象。同時(shí)為了保障車輛與游客的安全，游覽車減速停車后，應(yīng)及時(shí)抱閘，否則上下坡停車時(shí)會(huì)產(chǎn)生“溜車”現(xiàn)象。但抱閘過(guò)程需要一定的響應(yīng)時(shí)間，所以應(yīng)提前發(fā)出抱閘命令，當(dāng)輸出頻率降低到一定值尚未到0Hz時(shí)，變頻器即輸出“零速信號(hào)”，命令電機(jī)抱閘。“零速信號(hào)”是由變頻器的頻率檢測(cè)信號(hào)FDT輸出，可通過(guò)頻率檢測(cè)設(shè)定值FDT LEVEL和頻率檢測(cè)信號(hào)滯后幅值FDT HYSTR參數(shù)設(shè)置，即“零速信號(hào)”頻率值F ZERO=FDT LEVEL-FDT HYSTR，當(dāng)變頻器輸出頻率低于該值時(shí)，F(xiàn)DT（本系統(tǒng)亦即AX1/AX2）輸出“OFF”信號(hào)。經(jīng)計(jì)算、測(cè)試抱閘響應(yīng)時(shí)間，并調(diào)整設(shè)置“零速信號(hào)”頻率值，使游覽車減速到零的同時(shí)抱閘到位，達(dá)到理想的效果。

　　上坡：正常情況下，如果沒(méi)有轉(zhuǎn)速反饋控制，異步電機(jī)當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)速下降。但使用變頻器的轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制功能后，根據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率，只要設(shè)定合適的轉(zhuǎn)差補(bǔ)償值，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增大時(shí)，變頻器自動(dòng)提高其輸出頻率，而使電機(jī)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，仍與平路行駛時(shí)一樣。

　　下坡：下坡行駛時(shí)，在車體自身重力的作用下，電機(jī)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，使電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。變頻器標(biāo)準(zhǔn)能提供10～15%的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻選件后，能提供100%的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)變頻器直流側(cè)電壓上升到一定值時(shí)，制動(dòng)單元自動(dòng)工作，接通剎車電阻，進(jìn)行能耗制動(dòng)，控制單軌游覽車穩(wěn)速前進(jìn)。試驗(yàn)表明，下坡時(shí)車速穩(wěn)定，即使途中停車，也能正常減速并停穩(wěn)。

　　經(jīng)過(guò)緊張的安裝調(diào)試，系統(tǒng)順利投入試運(yùn)行，但在炎夏高溫天氣時(shí)，變頻器偶爾會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱“OH1”故障而造成停車。由于車內(nèi)空間條件的限制，雖經(jīng)努力改善散熱措施，效果仍不明顯。于是將變頻器的自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行功能設(shè)定為有效，此功能對(duì)輕負(fù)載運(yùn)行情況自動(dòng)降低V/F曲線，以減少電動(dòng)機(jī)的激磁電流和電動(dòng)機(jī)損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，同時(shí)，變頻器自身的損耗減少。因軌道大部分是平路，此時(shí)車輛負(fù)載較輕，使用自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行功能后，變頻器輸出電流降低，損耗減少，連續(xù)運(yùn)行時(shí)，變頻器溫升顯著下降，未再出現(xiàn)因變頻器過(guò)熱“OH1”故障而造成停車的現(xiàn)象。

四、結(jié)論

　　世界之窗高架單軌游覽車變頻調(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(xiàng)控制要求，成功地經(jīng)受了高溫、震動(dòng)、潮濕等惡劣條件的嚴(yán)格考驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，并具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.技術(shù)先進(jìn)

　　變頻器具有先進(jìn)的轉(zhuǎn)矩矢量控制方式及許多智能化的功能，從而可實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制，且輸出頻率精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。

2.操作維護(hù)方便

　　因無(wú)需旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速反饋，控制系統(tǒng)硬件部分比較簡(jiǎn)潔，同時(shí)，變頻器參數(shù)設(shè)置直觀明了，先進(jìn)的故障診斷功能使故障處理快速準(zhǔn)確。

3.運(yùn)行安全可靠

　　變頻器可靠性高，保護(hù)功能完善。

參考文獻(xiàn)

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