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高架游览车变频调速控制系统

发布人:谢勇 发布时间:2008-12-13 10:45:22

摘要:充分把握当今变频调速高新技术的发展,将通用变频器用于高架单轨车的调速传动系统,对车辆起动、变速及稳速控制等技术问题做了详尽分析与完善解决。系统技术先进,可靠性高,并降低了设备成本及运行维护费用。
ABSTRACT:In view of the VVVF technical developments now, the first time, We put the common inverter to use in single track car’s drive system. This thesis analyses the technical problemof car’s start and speed control in details. The new control system has the advantage of high performance and high reliability, the cost of equipment, operation and maintenance is remarkably cut down.
一、前言
  乘坐深圳世界之窗高架游览车,穿梭于古今世界名胜,异域风情,尽收眼底,是园内重点游览项目。经过与深圳世界之窗有限公司合作,成功研制了技术先进的高架游览车变频调速控制系统。
  游览车行驶中频繁起动、停车、上坡、下坡,并要求起停平稳,车速恒定,传动控制系统较为复杂,由于是载人工具,运行必须安全可靠,而且常年日晒雨淋,环境恶劣,因此要求变频调速装置性能优良、可靠性高。
  对调速性能要求较高的传动装置,以往都是采用带测速反馈的矢量控制系统,但价格昂贵,且维护不便。能否采用通用变频器实现呢?能否不加测速传感器而使车辆恒速运行呢?针对具体情况,经现场考察、分析,我们认为:采用富士最新系列FRENIC G9S型通用变频器是完全可行的。这是因为交流变频调速技术的发展,采用了先进的控制方式,不仅调速性能大大提高,而且具备参数自整定、转差补偿控制等智能化功能。
二、系统方案
  富士FRENIC G9S变频器功能丰富、性能优良,并将“矢量控制”概念用于通用变频器的控制,可自动测试电机参数,能正确地按照各种负载状况,计算电机的输出转矩,根据计算结果,最佳控制电压、电流矢量。由于运算精度高,转矩响应速度快,因此,无需测速传感器,也能实现高性能的电机控制。
  高架游览车电源电压为三相380V,是由铺设在轨道上的电缆母线通过碳刷供给。共有4台相同的交流异步变频电机,分别驱动游览车的4个车轮。轨道为环形,单轨,宽450mm,全长1800m,其中上下坡长度300m,最大坡度30°,共设有3站,全程运行时间约15min。电机参数为:
额定功率:4.4kW额定电压:380V额定电流:11A
额定频率:40Hz功率因数:0.76极数:4
  游览车的驱动总功率即为17.6kW,电机总额定电流为44A。但计算可知,所用4.4kW变频电机相当于额定功率为5.5kW的普通电机,相应4台电机总功率可视为22kW。由于不仅要保证游览车满载运行,当轨道前方车辆出现故障时,还必须能推动故障车辆继续前进,而且上坡时一旦停车能重新起动,因此变频器的容量选择必须合适。电机过载倍数一般为1.8~2.5,即电机总电流可达110A。经计算、试验,决定选用富士FRN37G9S-4变频器一台,其额定电流为75A,过载能力:150% 1min。另加制动单元选件,以连接刹车电阻,实现刹车功能。设备选型如下:
变频器FRN37G9S-41 台
制动单元BU37-4B1 台
  刹车电阻安装在游览车的底下,便于散热,它由3个72Ω的电阻箱并联组成,即刹车电阻阻值为24Ω。
  利用变频器的多级频率设定功能,通过设定相应的各级频率值,并由变频器输入端子X1、X2、X3输入传感器检测信号,就可方便实现游览车行驶要求的高速、中速、低速三档速度,即正常行驶时高速,进站/出站及部分弯道行驶时中速,手动时低速。
  另外,拟用于电机抱闸控制的变频器频率检测信号FDT是开集电极输出,而非继电器接点输出,使用不便。而电源侧接触器动作命令AX1/AX2的继电器接点输出闲置,因此将变频器主控制板上AX1/AX2信号断开,而将FDT信号接入到AX1/AX2继电器的驱动电路,于是AX1/AX2即变成FDT信号的继电器接点输出。这样就省去继电器单元选件,降低系统成本,并减少故障率。
三、控制要求与措施
  根据富士变频器技术资料,富士FRENIC 5000G9S/P9S变频器选择转矩矢量控制的首要条件有:一台变频器只能控制一台电动机,并只可以与同级容量或低一级容量的电动机配合。而现在游览车用一台变频器控制四台电动机,变频器的容量比这四台电动机总容量大了两级,能否采用转矩矢量控制方式呢?能否达到车辆运行的技术要求呢?由于游览车选用的变频器系交-直-交电压型变频器,而四台电机参数一致,同步在轨运行,因此,如果参数设置得当,变频器完全可以采用转矩矢量控制方式并充分发挥其性能。
  世界之窗高架游览车系统实行无人驾驶,自动运行,集中监控。在轨道和车辆上安装有相应的传感器检测装置,自动控制车辆进站/出站、加速/减速及安全防护。正如汽车的操控性能取决于发动机,变频器作为游览车驱动控制的核心,各项参数的设定,不仅要准确计算,而且要反复调整,才能恰如其分,实现最佳性能。
  游览车的主要运行状态可分为:起动/加速、停车/减速、恒速及变速行驶等,对传动控制系统的要求与相应的技术措施,下面进行具体分析。
起动:为了减少起动/停车时加/减速的冲击,变频器选用S-曲线加速/减速模式,使输出频率在起动时与到达设定频率时,减速开始时与停止时按S-曲线平滑变化。这样使游览车起停非常平滑,大大提高了乘坐的舒适感。
  根据文献[1],如果按标准组合适配电动机,并采用转矩矢量控制方式时,变频器能用1Hz设定实现150% 以上的高起动转矩。但在游览车上坡行驶途中停车重新起动试验时发现,车辆会先下滑后退,然后再加速前进,即有所谓“溜车”现象,且不论空车还是推车试验,都是如此。尽管反复调整变频器参数,仍无法消除此现象。
  如果变频器采用V/F控制方式,也曾在现场进行过试验,结果发现,空车尚可,满载且坡度较大时则无法起动,甚至使车辆产生剧烈颤动。这是由于V/F控制时,电机起动转矩不够,当变频器输出频率按设定的加速时间逐渐增大,电机却静止不动或者反转,而使电机电流迅速增大,在变频器自动加速功能电流限制作用下,变频器调低输出频率,重新加速,如此反复,造成车辆颤动。可见,V/F控制方式不能满足要求。
  据此分析,采用转矩矢量控制方式时,虽然有“溜车”现象,但游览车最终能平稳起动,说明低频起动时变频器还是能够控制电机输出足够的转矩,问题在于从变频器输入运行信号到电机输出较大转矩需要一定的响应时间,因而在变频器起动之初,电压、电流矢量尚在调整,电机输出转矩不够,造成车辆下滑。这对于多数重载起动情况也许并不成问题,但对于游览车,则不希望有下滑失控现象。游览车起动时原是先打开抱闸再逐渐加速的,可以利用变频器的频率检测FDT功能,设定合适的频率检测值FDT LEVEL,当输出频率超过此值时,FDT输出“ON”信号,打开抱闸。这样在抱闸打开时,电机已具备一定的驱动转矩,车辆不再下滑,从而消除了“溜车”现象,即使在推车及满载情况下,上坡时进行停车再起动试验,均能顺利起动。
  停车:当游览车接到停车信号后,变频器按设定的减速时间逐渐降低输出频率,最后停止输出。减速时间的设定应恰当,既让游客感觉舒适,又能使车辆进站时按指定位置准确停车,不发生“冲站”现象。同时为了保障车辆与游客的安全,游览车减速停车后,应及时抱闸,否则上下坡停车时会产生“溜车”现象。但抱闸过程需要一定的响应时间,所以应提前发出抱闸命令,当输出频率降低到一定值尚未到0Hz时,变频器即输出“零速信号”,命令电机抱闸。“零速信号”是由变频器的频率检测信号FDT输出,可通过频率检测设定值FDT LEVEL和频率检测信号滞后幅值FDT HYSTR参数设置,即“零速信号”频率值F ZERO=FDT LEVEL-FDT HYSTR,当变频器输出频率低于该值时,FDT(本系统亦即AX1/AX2)输出“OFF”信号。经计算、测试抱闸响应时间,并调整设置“零速信号”频率值,使游览车减速到零的同时抱闸到位,达到理想的效果。
  上坡:正常情况下,如果没有转速反馈控制,异步电机当负载增大时,转差率增大,转速下降。但使用变频器的转差补偿控制功能后,根据电机的额定转差率,只要设定合适的转差补偿值,当电机负载增大时,变频器自动提高其输出频率,而使电机转速基本不变。因此,即使游览车满载上坡,车速也能保持不变,仍与平路行驶时一样。
  下坡:下坡行驶时,在车体自身重力的作用下,电机处于发电工作状态,并给变频器直流侧的主滤波电容器充电,使电机产生制动转矩。变频器标准能提供10~15%的制动转矩,使用制动单元和制动电阻选件后,能提供100%的制动转矩。当变频器直流侧电压上升到一定值时,制动单元自动工作,接通刹车电阻,进行能耗制动,控制单轨游览车稳速前进。试验表明,下坡时车速稳定,即使途中停车,也能正常减速并停稳。
  经过紧张的安装调试,系统顺利投入试运行,但在炎夏高温天气时,变频器偶尔会出现过热“OH1”故障而造成停车。由于车内空间条件的限制,虽经努力改善散热措施,效果仍不明显。于是将变频器的自动节能运行功能设定为有效,此功能对轻负载运行情况自动降低V/F曲线,以减少电动机的激磁电流和电动机损耗,实现节能运行,同时,变频器自身的损耗减少。因轨道大部分是平路,此时车辆负载较轻,使用自动节能运行功能后,变频器输出电流降低,损耗减少,连续运行时,变频器温升显著下降,未再出现因变频器过热“OH1”故障而造成停车的现象。
四、结论
  世界之窗高架单轨游览车变频调速控制系统,充分发挥了通用变频器的性能,完全满足各项控制要求,成功地经受了高温、震动、潮湿等恶劣条件的严格考验,系统运行情况良好,并具有如下优点:
1.技术先进
  变频器具有先进的转矩矢量控制方式及许多智能化的功能,从而可实现高性能的电机控制,且输出频率精度高,动态响应速度快。
2.操作维护方便
  因无需旋转编码器测速反馈,控制系统硬件部分比较简洁,同时,变频器参数设置直观明了,先进的故障诊断功能使故障处理快速准确。
3.运行安全可靠
  变频器可靠性高,保护功能完善。
参考文献
[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] 陈伯时 编著交流调速系统机械工业出版社
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