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，異域風情，盡收眼底，是園內(nèi)重點游覽項目。經(jīng)過與深圳世界之窗有限公司合作，成功研制了技術(shù)先進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、停車、上坡、下坡，并要求起停平穩(wěn)，車速恒定，傳動控制系統(tǒng)較為復雜，由于是載人工具，運行必須安全可靠，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。

　　對調(diào)速性能要求較高的傳動裝置，以往都是采用帶測速反饋的矢量控制系統(tǒng)，但價格昂貴，且維護不便。能否采用通用變頻器實現(xiàn)呢？能否不加測速傳感器而使車輛恒速運行呢？針對具體情況，經(jīng)現(xiàn)場考察、分析，我們認為：采用富士比較新系列FRENIC G9S型通用變頻器是完全可行的。這是因為交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，采用了先進的控制方式，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，可自動測試電機參數(shù)，能正確地按照各種負載狀況，計算電機的輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)計算結(jié)果，比較佳控制電壓、電流矢量。由于運算精度高，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，因此，無需測速傳感器，也能實現(xiàn)高性能的電機控制。

　　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碳刷供給。共有4臺相同的交流異步變頻電機，分別驅(qū)動游覽車的4個車輪。軌道為環(huán)形，單軌，寬450mm，全長1800m，其中上下坡長度300m，比較大坡度30°，共設(shè)有3站，全程運行時間約15min。電機參數(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)動總功率即為17.6kW，電機總額定電流為44A。但計算可知，所用4.4kW變頻電機相當于額定功率為5.5kW的普通電機，相應(yīng)4臺電機總功率可視為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。電機過載倍數(shù)一般為1.8～2.5，即電機總電流可達110A。經(jīng)計算、試驗，決定選用富士FRN37G9S-4變頻器一臺，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。設(shè)備選型如下：

變頻器FRN37G9S-41 臺

制動單元BU37-4B1 臺

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

　　利用變頻器的多級頻率設(shè)定功能，通過設(shè)定相應(yīng)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，擬用于電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AX1/AX2的繼電器接點輸出閑置，因此將變頻器主控制板上AX1/AX2信號斷開，而將FDT信號接入到AX1/AX2繼電器的驅(qū)動電路，于是AX1/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。

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。而現(xiàn)在游覽車用一臺變頻器控制四臺電動機，變頻器的容量比這四臺電動機總?cè)萘看罅藘杉?，能否采用轉(zhuǎn)矩矢量控制方式呢？能否達到車輛運行的技術(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，而四臺電機參數(shù)一致，同步在軌運行，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。在軌道和車輛上安裝有相應(yīng)的傳感器檢測裝置，自動控制車輛進站/出站、加速/減速及安全防護。正如汽車的操控性能取決于發(fā)動機，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，不僅要準確計算，而且要反復調(diào)整，才能恰如其分，實現(xiàn)比較佳性能。

　　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(yīng)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，大大提高了乘坐的舒適感。

　　根據(jù)文獻[1]，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)生劇烈顫動。這是由于V/F控制時，電機起動轉(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，電機卻靜止不動或者反轉(zhuǎn)，而使電機電流迅速增大，在變頻器自動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，造成車輛顫動?？梢?，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，但游覽車比較終能平穩(wěn)起動，說明低頻起動時變頻器還是能夠控制電機輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，問題在于從變頻器輸入運行信號到電機輸出較大轉(zhuǎn)矩需要一定的響應(yīng)時間，因而在變頻器起動之初，電壓、電流矢量尚在調(diào)整，電機輸出轉(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，可以利用變頻器的頻率檢測FDT功能，設(shè)定合適的頻率檢測值FDT LEVEL，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，比較后停止輸出。減速時間的設(shè)定應(yīng)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，不發(fā)生“沖站”現(xiàn)象。同時為了保障車輛與游客的安全，游覽車減速停車后，應(yīng)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(yīng)時間，所以應(yīng)提前發(fā)出抱閘命令，當輸出頻率降低到一定值尚未到0Hz時，變頻器即輸出“零速信號”，命令電機抱閘。“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FDT LEVEL和頻率檢測信號滯后幅值FDT HYSTR參數(shù)設(shè)置，即“零速信號”頻率值F ZERO=FDT LEVEL-FDT HYSTR，當變頻器輸出頻率低于該值時，F(xiàn)DT（本系統(tǒng)亦即AX1/AX2）輸出“OFF”信號。經(jīng)計算、測試抱閘響應(yīng)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)電機的額定轉(zhuǎn)差率，只要設(shè)定合適的轉(zhuǎn)差補償值，當電機負載增大時，變頻器自動提高其輸出頻率，而使電機轉(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，仍與平路行駛時一樣。

　　下坡：下坡行駛時，在車體自身重力的作用下，電機處于發(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)過緊張的安裝調(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“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。因軌道大部分是平路，此時車輛負載較輕，使用自動節(jié)能運行功能后，變頻器輸出電流降低，損耗減少，連續(xù)運行時，變頻器溫升顯著下降，未再出現(xiàn)因變頻器過熱“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，并具有如下優(yōu)點：

1.技術(shù)先進

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

2.操作維護方便

　　因無需旋轉(zhuǎn)編碼器測速反饋，控制系統(tǒng)硬件部分比較簡潔，同時，變頻器參數(shù)設(shè)置直觀明了，先進的故障診斷功能使故障處理快速準確。

3.運行安全可靠

　　變頻器可靠性高，保護功能完善。

參考文獻

[1] Fuji Electric Co.,ltdED & C and Drive Systems GroupFUJI INVERTERS FRENIC 5000G9S/P9S TECHNICAL INFORMATION

[2] PEOPLE PORTER SHENZHEN SINGLE LINE DIAGRAM CAR

[3] 陳伯時 編著交流調(diào)速系統(tǒng)機械工業(yè)出版社