變頻調速控制系統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，因此要求變頻調速裝置性能優良、可靠性高。本文將通用變頻器用于高架單軌車的調速傳動系統，對車輛起動、變速及穩速控制等技術問題作了分析與解決。
系統方案
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，能正確地按照各種負載狀況，計算電動機的輸出轉矩，根據計算結果最佳控制電壓、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，分別驅動游覽車的四個車輪。軌道為環形，單軌，寬450mm，全長1800m，其中上下坡長度300m，最大坡度30°，共設有三站，全程運行時間約15min。電動機參數如下：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,功率因數為0.76，極數為4極。
游覽車的驅動總功率即為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故障時，還必須能推動故障車輛繼續前進，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。電動機過載倍數一般為1.8~2.5，即電動機總電流可達110A。經計算、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的電阻箱并聯組成。
利用變頻器的多級頻率設定功能，通過設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，而四臺電動機參數一致，同步運行。因此，如果參數設置得當，變頻器完全可以采用轉矩矢量控制方式并充分發揮其性能。
世界之窗高架游覽車系統實行無人駕駛，自動運行，集中監控。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動控制的核心，各項參數的設定要準確計算、反復調整，才能實現最高性能。
游覽車的主要運行狀態可分為：起動/加速、停車/減速、恒速及變速行駛等，對傳動控制系統的要求與相應的技術措施，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，并采用轉矩矢量控制方式時，變頻器能用1Hz設定實現150％以上的高起動轉矩。但在游覽車上坡行駛途中停車重新起動試驗時發現，車輛會先下滑后退，然后再加速前進，即有所謂“溜車”現象，且不論空車還是推車試驗，都是如此。盡管反復調整變頻器參數，仍無法消除此現象。
如果變頻器采用V/f控制方式，也曾在現場進行過試驗，結果發現，空車尚可，滿載且坡度較大時則無法起動，甚至使車輛產生劇烈震動。這是由于V/f控制時，電動機起動轉矩不夠，當變頻器輸出頻率按設定的加速時間逐漸增大，電動機卻靜止不動或者反轉，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。
據此分析，采用轉矩矢量控制方式時，雖然有“溜車”現象，但游覽車最終能平穩起動，說明低頻起動時變頻器能夠控制電動機輸出足夠的轉矩，問題在于從變頻器輸入運行信號到電動機輸出較大轉矩需要一定的響應時間，因而在變頻器起動之初，電壓、電流矢量尚在調整，電動機輸出轉矩不夠，造成車輛下滑。這對于多數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，設定合適的頻率檢測值FDTLEVEL，當輸出頻率超過此值時，FDT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動轉矩，車輛不再下滑，從而消除了“溜車”現象，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生“溜車”現象。但抱閘過程需要一定的響應時間，所以應提前發出抱閘命令，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，可通過頻率檢測設定值FDTLEVEL和頻率檢測信號滯后幅值FDTHYSTR參數設置，即“零速信號”頻率值FZERO=FDTLEVEL-FDTHYSTR，當變頻器輸出頻率低于該值時，FDT（本系統亦即AXl/AX2） 輸出“OFF”信號。經計算、測試抱閘響應時間，并調整設置“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，如果沒有轉速反饋控制，異步電動機當負載增大時，轉差率增大，轉速下降。但使用變頻器的轉差補償控制功能后，根據電動機的額定轉差率，只要設定合適的轉差補償值，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，電動機處于發電工作狀態，并給變頻器直流側的主濾波電容器充電，使電動機產生制動轉矩。變頻器標準能提供10％~15％的制動轉矩，使用制動單元和制動電阻選件后，能提供100％的制動轉矩。當變頻器直流側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，控制單軌游覽車穩速前進。試驗表明，下坡時車速穩定，即使途中停車，也能正常減速并停穩。
經過安裝調試，系統順利投入試運行，但在炎夏高溫天氣時，變頻器偶爾會出現過熱“OHl”故障而造成停車。于是將變頻器的自動節能運行功能設定為有效，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，實現節能運行，同時，變頻器自身的損耗減少。連續運行時，變頻器溫升顯著下降。
結束語
該變頻調速控制系統充分發揮了通用變頻器的性能，完全滿足各項控制要求，成功地經受了高溫、震動、潮濕等惡劣條件的嚴格考驗，系統運行情況良好，并具有技術先進、操作維護方便、運行安全可靠的優點。
游覽車來說，舒適安全為第一要求，因此要求變頻調速裝置性能優良、可靠性高。本文將通用變頻器用于高架單軌車的調速傳動系統，對車輛起動、變速及穩速控制等技術問題作了分析與解決。
系統方案
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，能正確地按照各種負載狀況，計算電動機的輸出轉矩，根據計算結果最佳控制電壓、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，分別驅動游覽車的四個車輪。軌道為環形，單軌，寬450mm，全長1800m，其中上下坡長度300m，最大坡度30°，共設有三站，全程運行時間約15min。電動機參數如下：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,功率因數為0.76，極數為4極。
游覽車的驅動總功率即為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故障時，還必須能推動故障車輛繼續前進，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。電動機過載倍數一般為1.8~2.5，即電動機總電流可達110A。經計算、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的電阻箱并聯組成。
利用變頻器的多級頻率設定功能，通過設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，而四臺電動機參數一致，同步運行。因此，如果參數設置得當，變頻器完全可以采用轉矩矢量控制方式并充分發揮其性能。
世界之窗高架游覽車系統實行無人駕駛，自動運行，集中監控。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動控制的核心，各項參數的設定要準確計算、反復調整，才能實現最高性能。
游覽車的主要運行狀態可分為：起動/加速、停車/減速、恒速及變速行駛等，對傳動控制系統的要求與相應的技術措施，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，并采用轉矩矢量控制方式時，變頻器能用1Hz設定實現150％以上的高起動轉矩。但在游覽車上坡行駛途中停車重新起動試驗時發現，車輛會先下滑后退，然后再加速前進，即有所謂“溜車”現象，且不論空車還是推車試驗，都是如此。盡管反復調整變頻器參數，仍無法消除此現象。
如果變頻器采用V/f控制方式，也曾在現場進行過試驗，結果發現，空車尚可，滿載且坡度較大時則無法起動，甚至使車輛產生劇烈震動。這是由于V/f控制時，電動機起動轉矩不夠，當變頻器輸出頻率按設定的加速時間逐漸增大，電動機卻靜止不動或者反轉，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。
據此分析，采用轉矩矢量控制方式時，雖然有“溜車”現象，但游覽車最終能平穩起動，說明低頻起動時變頻器能夠控制電動機輸出足夠的轉矩，問題在于從變頻器輸入運行信號到電動機輸出較大轉矩需要一定的響應時間，因而在變頻器起動之初，電壓、電流矢量尚在調整，電動機輸出轉矩不夠，造成車輛下滑。這對于多數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，設定合適的頻率檢測值FDTLEVEL，當輸出頻率超過此值時，FDT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動轉矩，車輛不再下滑，從而消除了“溜車”現象，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生“溜車”現象。但抱閘過程需要一定的響應時間，所以應提前發出抱閘命令，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，可通過頻率檢測設定值FDTLEVEL和頻率檢測信號滯后幅值FDTHYSTR參數設置，即“零速信號”頻率值FZERO=FDTLEVEL-FDTHYSTR，當變頻器輸出頻率低于該值時，FDT（本系統亦即AXl/AX2） 輸出“OFF”信號。經計算、測試抱閘響應時間，并調整設置“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，如果沒有轉速反饋控制，異步電動機當負載增大時，轉差率增大，轉速下降。但使用變頻器的轉差補償控制功能后，根據電動機的額定轉差率，只要設定合適的轉差補償值，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，電動機處于發電工作狀態，并給變頻器直流側的主濾波電容器充電，使電動機產生制動轉矩。變頻器標準能提供10％~15％的制動轉矩，使用制動單元和制動電阻選件后，能提供100％的制動轉矩。當變頻器直流側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，控制單軌游覽車穩速前進。試驗表明，下坡時車速穩定，即使途中停車，也能正常減速并停穩。
經過安裝調試，系統順利投入試運行，但在炎夏高溫天氣時，變頻器偶爾會出現過熱“OHl”故障而造成停車。于是將變頻器的自動節能運行功能設定為有效，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，實現節能運行，同時，變頻器自身的損耗減少。連續運行時，變頻器溫升顯著下降。
結束語
該變頻調速控制系統充分發揮了通用變頻器的性能，完全滿足各項控制要求，成功地經受了高溫、震動、潮濕等惡劣條件的嚴格考驗，系統運行情況良好，并具有技術先進、操作維護方便、運行安全可靠的優點。
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