變頻器在游樂設(shè)備斜坡提升中的應(yīng)用

陳永吉

（南寧市動(dòng)物園，南寧 530003）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)游樂活動(dòng)的需求也不斷擴(kuò)大。作為一種特種設(shè)備，在追求更快、更高、更刺激的情況下，游樂設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行一直是重中之重，同時(shí)更加舒適的體驗(yàn)感受是吸引更多游客的一個(gè)因素?；蓄愑螛吩O(shè)備是通過提升鏈條從斜坡上把車廂提升到一定的高度，利用其重力勢能沿著軌道慣性滑行回到站臺(tái)再剎車減速停車在站臺(tái)位置。整個(gè)過程游客可以體驗(yàn)到高速下滑、離心力等各種強(qiáng)烈刺激的感受。典型的設(shè)備包括過山車、自旋滑車等游樂設(shè)備。因此，提升設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行及為游客提供更加舒適的游玩環(huán)境就是游樂設(shè)備運(yùn)營需要探討的問題。國內(nèi)對(duì)提升電機(jī)加裝變頻器上也做了大量研究，如在煤礦井下斜坡提升絞車上應(yīng)用變頻進(jìn)行調(diào)速［1-6］，主要研究方向還是變頻器在工業(yè)上的運(yùn)用，沒有涉及到游樂設(shè)備領(lǐng)域，因此游樂設(shè)備在出廠時(shí)提升電機(jī)在安全穩(wěn)定運(yùn)行及游玩的舒適體驗(yàn)上還存在一定問題。

本文通過對(duì)滑行類游樂設(shè)備的斜坡提升電機(jī)改裝變頻器進(jìn)行探討，通過加裝變頻器來驅(qū)動(dòng)游樂設(shè)備的提升電機(jī)，以期實(shí)現(xiàn)提升電機(jī)能完成軟啟動(dòng)和平滑調(diào)速［7-8］，減慢提升前車廂掛鉤的速度，減少車廂與鏈條的的沖擊，實(shí)現(xiàn)安靜平穩(wěn)地掛鉤，不僅可以減少電機(jī)及鏈條的磨損，延長設(shè)備使用壽命，還能使游樂設(shè)備獲得更加安全穩(wěn)定的提升過程，從而提供更舒適的游玩環(huán)境，吸引更多的游客到游樂場游玩體驗(yàn)。

1 當(dāng)前游樂設(shè)備的斜坡提升裝置的現(xiàn)狀

（1）鏈?zhǔn)教嵘?/p>

當(dāng)前，游樂設(shè)備的斜坡提升是驅(qū)動(dòng)機(jī)——鏈條拖掛系統(tǒng)，通過鏈條安裝在兩軌道中心線下面，沿著斜坡向上延伸并形成回環(huán)，位于斜坡底部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鏈條旋轉(zhuǎn)向上，車廂底部有鏈鉤卡住鏈條，防止緊急情況下的車輛下滑后退，車輛到達(dá)坡頂后鉸鏈鉤松開車廂，車廂延軌道繼續(xù)向前，向下滑動(dòng)。鏈?zhǔn)教嵘谟瓮骈_始階段比較緩和，可以讓游客的期待值一步步提高，隨著鏈條慢慢把車廂提升到坡頂，游客也完全做好心理準(zhǔn)備。

（2）彈射提升

通過彈射，在極短的時(shí)間內(nèi)將車廂的速度提高，將車廂推到高處。這種方法就是用電磁來加速車廂，在軌道上方和車輛下方各安裝一個(gè)磁場，并使兩個(gè)磁場相互吸引，利用電動(dòng)機(jī)移動(dòng)軌道上方的磁場，牽引后方的車輛以極高的速度向前移動(dòng)。這種提升方式一開始就可以讓游客感受到由極速帶來的刺激體驗(yàn)，因此也成為現(xiàn)在各類過山車流行的提升方式。

2 斜坡提升電機(jī)加裝變頻器的應(yīng)用

本文所述的游樂設(shè)備斜坡提升電機(jī)改裝變頻器僅是對(duì)鏈?zhǔn)教嵘@種提升方式的驅(qū)動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻器改裝。驅(qū)動(dòng)機(jī)-鏈條拖掛系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、上鏈輪、下鏈輪、張緊裝置、鏈條裝置、防倒裝置等組成。以過山車的提升電機(jī)為例，當(dāng)前，大部分提升電機(jī)都是采用軟啟動(dòng)器進(jìn)行啟動(dòng)控制，軟啟動(dòng)器存在不能從零頻率零電壓啟動(dòng)電機(jī)、不能實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)零沖擊啟動(dòng)的不足，而且，軟啟動(dòng)器在電機(jī)完成啟動(dòng)后就不再發(fā)揮作用，對(duì)電機(jī)沒有起到保護(hù)作用。而改裝變頻器后，通過控制變頻器的輸出與提升鏈條掛鏈同步，防止因?yàn)檫^快掛鏈帶來的抖動(dòng)從而避免損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定。另一方面通過調(diào)整提升過程中的運(yùn)行頻率來提高游樂設(shè)備的運(yùn)營效率，增加游樂場的收入。

2.1 提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)改裝變頻器的優(yōu)點(diǎn)

在斜坡提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)改裝變頻器的應(yīng)用中，變頻器主要進(jìn)行恒加速變頻調(diào)速啟動(dòng)。變頻器一般的調(diào)節(jié)范圍在0～400 Hz之間，通過改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入電源的頻率可以達(dá)到調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，改裝變頻器后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和平滑調(diào)速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)軟啟動(dòng)可以從很低的頻率開始加速，減慢車廂掛鉤的速度，減少車廂與鏈條的的沖擊，實(shí)現(xiàn)安靜平穩(wěn)地掛鉤，還可以通過電機(jī)轉(zhuǎn)速控制輸出功率，實(shí)現(xiàn)一定的節(jié)電效果。另一方面，通過調(diào)整變頻器參數(shù)，改變轉(zhuǎn)矩和加減速時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂在斜坡上運(yùn)行時(shí)間的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)游樂設(shè)備根據(jù)游客量在一定時(shí)間幅度內(nèi)的調(diào)節(jié)。同時(shí)，在有較多游客排隊(duì)等待游玩體驗(yàn)游樂設(shè)備的時(shí)候，可以對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)發(fā)完一趟車后，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行安全檢查及檢票驗(yàn)票期間，把運(yùn)行頻率降低到最低值等待下一次的運(yùn)行，減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟停次數(shù)，避免了當(dāng)前電機(jī)頻繁啟動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊，一定程度上減少了電機(jī)及鏈條的磨損，延長設(shè)備使用壽命。

2.2 提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)改裝變頻器的應(yīng)用

當(dāng)前，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，雖然軟啟動(dòng)器通過改變啟動(dòng)力矩，有效減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減小電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)鏈條的沖擊，但是，軟啟動(dòng)無法改變頻率，無法改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。提升電機(jī)運(yùn)行控制線路不做改變，只改變提升電機(jī)主回路，主回路中的三相1L31、1L32、1L33在經(jīng)過濾波器后，分別接變頻器的R、S、T三個(gè)端子，U、V、W分別接電機(jī)1U1、1V1、1W1。電機(jī)能啟動(dòng)運(yùn)行的條件不變：兩個(gè)繼電器KA1，KA2的線圈得電。接近開關(guān)SL2動(dòng)作后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行條件的繼電器KA1得電，常開觸點(diǎn)閉合，滿足其中一個(gè)條件；所有安全壓杠正確壓下，繼電器KA2得電，常開觸點(diǎn)閉合，滿足另一個(gè)條件，此時(shí)提升電機(jī)可以正常啟動(dòng)。

控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確地控制，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的值來自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，PLC輸出信號(hào)控制變頻器，變頻器的運(yùn)行狀態(tài)也返回到PLC中。因此，只需對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定及PLC程序進(jìn)行簡單的修改就能完成提升電機(jī)的啟動(dòng)由軟啟動(dòng)器啟動(dòng)改成變頻器啟動(dòng)。

2.3 提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)改裝變頻器的選用及設(shè)置

以過山車的提升電機(jī)為例，電機(jī)的功率為90 kW，改裝選用ATV71功率為110 kW變頻器，變頻器的主要參數(shù)設(shè)置舉例：（1）控制模式參數(shù)，設(shè)置成恒轉(zhuǎn)矩；（2）指令通道參數(shù)，隔離，給定1通道Modbus格式；（3）電機(jī)熱保護(hù)電流設(shè)置成200 A，電流限幅240 A，低速頻率設(shè)置成5 Hz，高速頻率設(shè)置成50 Hz；（4）停車模式設(shè)置成斜坡停車，停車方式為減速停車，加速時(shí)間0.2 s，減速時(shí)間0.1 s。變頻器內(nèi)電機(jī)參數(shù)根據(jù)電機(jī)銘牌上標(biāo)定的額定功率、額定電流、額定電壓、及額定轉(zhuǎn)速等進(jìn)行設(shè)置，建議執(zhí)行自整定。

2.4 提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)改裝變頻器后的實(shí)際效果

（1）實(shí)現(xiàn)了過山車在提升階段的調(diào)速控制。根據(jù)實(shí)際運(yùn)營情況，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電機(jī)的運(yùn)行頻率，在游客流量較多時(shí)把運(yùn)行頻率調(diào)整到60 Hz以上，加快提升速度，減少提升時(shí)間，從而一定程度上縮短每趟車次的運(yùn)行時(shí)間，減少游客的等待時(shí)間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)還沒有改裝變頻器之前，在保證安全的前提下，按正常發(fā)車時(shí)間流程，過山車每天營運(yùn)時(shí)間段內(nèi)最多可運(yùn)行42趟次，但在提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)改裝變頻器之后，還是以前的時(shí)間流程，每天營運(yùn)時(shí)間段內(nèi)可運(yùn)行46趟次。以滿座計(jì)算，每天可多讓96名游客體驗(yàn)游玩過山車。車廂上升到軌道頂部后降低運(yùn)行頻率到5 Hz以下運(yùn)行，減少了下次運(yùn)行重新啟動(dòng)對(duì)設(shè)備造成的沖擊。

（2）實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的保護(hù)功能。變頻器通過正確地設(shè)置參數(shù)，可以有效地保護(hù)提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)，防止電機(jī)因?yàn)檫^壓、過流等情況的出現(xiàn)對(duì)設(shè)備造成沖擊。同時(shí)以每天正常運(yùn)行次數(shù)計(jì)算，提升電機(jī)每天需頻繁啟停40次左右，改裝變頻器后，當(dāng)車廂在下滑階段及游客安檢上車準(zhǔn)備階段，提升電機(jī)可以保持極低的頻率保持運(yùn)行，避免了提升電機(jī)的頻繁啟停。同時(shí)，變頻器的軟啟動(dòng)功能同樣減少了提升電機(jī)在啟動(dòng)及停止階段對(duì)設(shè)備造成的沖擊，延長了電機(jī)、鏈條掛鉤等部件的使用壽命。

（3）在一定程度上提升了游客乘座游樂設(shè)備的舒適感。由于有了變頻器的低速軟啟動(dòng)，減少了沖擊，游樂設(shè)備的鏈條在掛接時(shí)沒有了沖擊，車廂沒有了之前的頓挫感，提升了游客乘座游樂設(shè)備的舒適感，提高了過山車這項(xiàng)游樂設(shè)備的歡迎程度，從而增加游樂場的營運(yùn)收入。

3 結(jié)束語

游樂設(shè)備是一種特種設(shè)備，對(duì)游樂設(shè)備的維修、改造不能改變?cè)O(shè)備出廠時(shí)的主體結(jié)構(gòu)、各項(xiàng)安全性能參數(shù)和技術(shù)指示。對(duì)游樂設(shè)備的改造應(yīng)確保安全第一的原則并經(jīng)安全評(píng)估后再進(jìn)行。本文僅僅是對(duì)游樂設(shè)備鏈?zhǔn)教嵘男逼绿嵘?qū)動(dòng)電機(jī)改裝變頻器進(jìn)行分析，未改變游樂設(shè)備本來的主體結(jié)構(gòu)，游樂設(shè)備的安全性能參數(shù)并未發(fā)生改變，且變頻器在游樂設(shè)備的斜坡提升應(yīng)用后，游樂設(shè)備在節(jié)能、降低沖擊、降低噪聲等方面有了很大的提高，同時(shí)更舒適的游玩體驗(yàn)也將會(huì)吸引到更多的游客來體驗(yàn)此類游樂設(shè)備，但游樂設(shè)備是一種高風(fēng)險(xiǎn)的特種設(shè)備，施工前必須聯(lián)系游樂設(shè)施原生產(chǎn)廠家分析改裝的可行性，并在原生產(chǎn)廠家的指導(dǎo)下進(jìn)行安裝，在施工完畢后必須經(jīng)過自檢合格并報(bào)設(shè)備對(duì)應(yīng)的特種設(shè)備檢測院檢測合格后且出具合格證明后方可投入運(yùn)營。