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，是園內重點游覽項目。經過與深圳世界之窗有限公司合作，成功研制了技術先進的高架游覽車變頻調速控制系統。

　　游覽車行駛中頻繁起動、停車、上坡、下坡，并要求起停平穩，車速恒定，傳動控制系統較為復雜，由于是載人工具，運行必須安全可靠，而且常年日曬雨淋，環境惡劣，因此要求變頻調速裝置性能優良、可靠性高。

　　對調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，但價格昂貴，且維護不便。能否采用通用變頻器實現呢？能否不加測速傳感器而使車輛恒速運行呢？針對具體情況，經現場考察、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速技術的發展，采用了先進的控制方式，不僅調速性能大大提高，而且具備參數自整定、轉差補償控制等智能化功能。

二、系統方案

　　富士FRENIC G9S變頻器功能豐富、性能優良，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，能正確地按照各種負載狀況，計算電機的輸出轉矩，根據計算結果，比較佳控制電壓、電流矢量。由于運算精度高，轉矩響應速度快，因此，無需測速傳感器，也能實現高性能的電機控制。

　　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，分別驅動游覽車的4個車輪。軌道為環形，單軌，寬450mm，全長1800m，其中上下坡長度300m，比較大坡度30°，共設有3站，全程運行時間約15min。電機參數為：

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：0.76極數：4

　　游覽車的驅動總功率即為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。電機過載倍數一般為1.8～2.5，即電機總電流可達110A。經計算、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，實現剎車功能。設備選型如下：

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的電阻箱并聯組成，即剎車電阻阻值為24Ω。

　　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，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，降低系統成本，并減少故障率。

三、控制要求與措施

　　根據富士變頻器技術資料，富士FRENIC 5000G9S/P9S變頻器選擇轉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容量大了兩級，能否采用轉矩矢量控制方式呢？能否達到車輛運行的技術要求呢？由于游覽車選用的變頻器系交-直-交電壓型變頻器，而四臺電機參數一致，同步在軌運行，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。在軌道和車輛上安裝有相應的傳感器檢測裝置，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動機，變頻器作為游覽車驅動控制的核心，各項參數的設定，不僅要準確計算，而且要反復調整，才能恰如其分，實現比較佳性能。

　　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，大大提高了乘坐的舒適感。

　　根據文獻[1]，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顫動。這是由于V/F控制時，電機起動轉矩不夠，當變頻器輸出頻率按設定的加速時間逐漸增大，電機卻靜止不動或者反轉，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，變頻器調低輸出頻率，重新加速，如此反復，造成車輛顫動。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，但游覽車比較終能平穩起動，說明低頻起動時變頻器還是能夠控制電機輸出足夠的轉矩，問題在于從變頻器輸入運行信號到電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，可以利用變頻器的頻率檢測FDT功能，設定合適的頻率檢測值FDT LEVEL，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，比較后停止輸出。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，不發生“沖站”現象。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，可通過頻率檢測設定值FDT LEVEL和頻率檢測信號滯后幅值FDT HYSTR參數設置，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，FDT（本系統亦即AX1/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，根據電機的額定轉差率，只要設定合適的轉差補償值，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，電機處于發電工作狀態，并給變頻器直流側的主濾波電容器充電，使電機產生制動轉矩。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。

　　經過緊張的安裝調試，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“OH1”故障而造成停車。由于車內空間條件的限制，雖經努力改善散熱措施，效果仍不明顯。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。因軌道大部分是平路，此時車輛負載較輕，使用自動節能運行功能后，變頻器輸出電流降低，損耗減少，連續運行時，變頻器溫升顯著下降，未再出現因變頻器過熱“OH1”故障而造成停車的現象。

四、結論

　　世界之窗高架單軌游覽車變頻調速控制系統，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，并具有如下優點：

1.技術先進

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

2.操作維護方便

　　因無需旋轉編碼器測速反饋，控制系統硬件部分比較簡潔，同時，變頻器參數設置直觀明了，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 編著交流調速系統機械工業出版社