引 言
   游覽車來(lái)說(shuō),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(dòng)系統(tǒng),對(duì)車輛起動(dòng)、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(dòng)測(cè)試電動(dòng)機(jī)參數(shù),能正確地按照各種負(fù)載狀況,計(jì)">

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技術(shù)頻道

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在高架游覽車上的應(yīng)用

   引 言
   游覽車來(lái)說(shuō),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(dòng)系統(tǒng),對(duì)車輛起動(dòng)、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(dòng)測(cè)試電動(dòng)機(jī)參數(shù),能正確地按照各種負(fù)載狀況,計(jì)算電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,根據(jù)計(jì)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(tái)相同的交流異步變頻電動(dòng)機(jī),分別驅(qū)動(dòng)游覽車的四個(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,最大坡度30°,共設(shè)有三站,全程運(yùn)行時(shí)間約15min。電動(dòng)機(jī)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(dòng)總功率即為17.6kW,電動(dòng)機(jī)總額定電流為44A。但計(jì)算可知,所用變頻電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于額定功率為5.5kW普通電動(dòng)機(jī),相應(yīng)四臺(tái)電動(dòng)機(jī)總功率為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。電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)一般為1.8~2.5,即電動(dòng)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,其額定電流為75A,過載能力: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。剎車電阻安裝在游覽車底,它由三個(gè)72Ω的電阻箱并聯(lián)組成。
   利用變頻器的多級(jí)頻率設(shè)定功能,通過設(shè)定相應(yīng)的各級(jí)頻率值,并由變頻器輸入端子X1、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,用于電動(dòng)機(jī)抱閘控制的變頻器頻率檢測(cè)信號(hào)FDT是開集電極輸出,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)Xl/AX2的繼電器接點(diǎn)輸出閑置,因此將變頻器主控制板上AXl/AX2信號(hào)斷開,而將FDT信號(hào)輸入到AXl/AX2繼電器的驅(qū)動(dòng)電路,于是AXl/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。
   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(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。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)電動(dòng)機(jī)參數(shù)一致,同步運(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。在軌道和車輛上裝有相應(yīng)的傳感器裝置,自動(dòng)控制車輛進(jìn)站/出站、加速/減速及安全防護(hù)。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)定要準(zhǔn)確計(jì)算、反復(fù)調(diào)整,才能實(shí)現(xiàn)最高性能。
   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,提高了乘坐的舒適感。
   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)生劇烈震動(dòng)。這是由于V/f控制時(shí),電動(dòng)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,電動(dòng)機(jī)卻靜止不動(dòng)或者反轉(zhuǎn),而使電動(dòng)機(jī)電流迅速增大,在變頻器自動(dòng)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(fù),造成車輛震動(dòng)。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(shí),雖然有“溜車”現(xiàn)象,但游覽車最終能平穩(wěn)起動(dòng),說(shuō)明低頻起動(dòng)時(shí)變頻器能夠控制電動(dòng)機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩,問題在于從變頻器輸入運(yùn)行信號(hào)到電動(dòng)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,電動(dòng)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)原是先打開抱閘再逐漸加速的,于是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FDTLEVEL,當(dāng)輸出頻率超過此值時(shí),F(xiàn)DT輸出“ON”信號(hào),打開抱閘。這樣在抱閘打開時(shí),電動(dòng)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,最后停止輸出。減速時(shí)間的設(shè)定應(yīng)恰當(dāng),既讓游客感覺舒適,又能使車輛進(jìn)站時(shí)按指定位置準(zhǔn)確停車。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OHz時(shí),變頻器即輸出“零速信號(hào)”,命令電動(dòng)機(jī)抱閘?!傲闼傩盘?hào)”是由變頻器的頻率檢測(cè)信號(hào)FDT輸出,可通過頻率檢測(cè)設(shè)定值FDTLEVEL和頻率檢測(cè)信號(hào)滯后幅值FDTHYSTR參數(shù)設(shè)置,即“零速信號(hào)”頻率值FZERO=FDTLEVEL-FDTHYSTR,當(dāng)變頻器輸出頻率低于該值時(shí),F(xiàn)DT(本系統(tǒng)亦即AXl/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,如果沒有轉(zhuǎn)速反饋控制,異步電動(dòng)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)電動(dòng)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)電動(dòng)機(jī)負(fù)載增大時(shí),變頻器自動(dòng)提高其輸出頻率,而使電動(dòng)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。
   下坡:下坡行駛時(shí),在車體自身重力的作用下,電動(dòng)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,使電動(dòng)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)過熱“OHl”故障而造成停車。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。連續(xù)運(yùn)行時(shí),變頻器溫升顯著下降。
   結(jié)束語(yǔ)
   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(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,并具有技術(shù)先進(jìn)、操作維護(hù)方便、運(yùn)行安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。

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