變頻器在游樂設備斜坡提升中的應用

陳永吉

（南寧市動物園，南寧 530003）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，人們生活水平的不斷提高，人們對游樂活動的需求也不斷擴大。作為一種特種設備，在追求更快、更高、更刺激的情況下，游樂設備的安全穩定運行一直是重中之重，同時更加舒適的體驗感受是吸引更多游客的一個因素。滑行類游樂設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再剎車減速停車在站臺位置。整個過程游客可以體驗到高速下滑、離心力等各種強烈刺激的感受。典型的設備包括過山車、自旋滑車等游樂設備。因此，提升設備的安全穩定運行及為游客提供更加舒適的游玩環境就是游樂設備運營需要探討的問題。國內對提升電機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用變頻進行調速［1-6］，主要研究方向還是變頻器在工業上的運用，沒有涉及到游樂設備領域，因此游樂設備在出廠時提升電機在安全穩定運行及游玩的舒適體驗上還存在一定問題。

本文通過對滑行類游樂設備的斜坡提升電機改裝變頻器進行探討，通過加裝變頻器來驅動游樂設備的提升電機，以期實現提升電機能完成軟啟動和平滑調速［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，實現安靜平穩地掛鉤，不僅可以減少電機及鏈條的磨損，延長設備使用壽命，還能使游樂設備獲得更加安全穩定的提升過程，從而提供更舒適的游玩環境，吸引更多的游客到游樂場游玩體驗。

1 當前游樂設備的斜坡提升裝置的現狀

（1）鏈式提升

當前，游樂設備的斜坡提升是驅動機——鏈條拖掛系統，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，位于斜坡底部的驅動電機帶動鏈條旋轉向上，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，車輛到達坡頂后鉸鏈鉤松開車廂，車廂延軌道繼續向前，向下滑動。鏈式提升在游玩開始階段比較緩和，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備。

（2）彈射提升

通過彈射，在極短的時間內將車廂的速度提高，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磁場，并使兩個磁場相互吸引，利用電動機移動軌道上方的磁場，牽引后方的車輛以極高的速度向前移動。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，因此也成為現在各類過山車流行的提升方式。

2 斜坡提升電機加裝變頻器的應用

本文所述的游樂設備斜坡提升電機改裝變頻器僅是對鏈式提升這種提升方式的驅動機進行變頻器改裝。驅動機-鏈條拖掛系統主要由驅動電機、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為例，當前，大部分提升電機都是采用軟啟動器進行啟動控制，軟啟動器存在不能從零頻率零電壓啟動電機、不能實現對電網零沖擊啟動的不足，而且，軟啟動器在電機完成啟動后就不再發揮作用，對電機沒有起到保護作用。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，防止因為過快掛鏈帶來的抖動從而避免損壞機械結構，提高了設備的運行穩定。另一方面通過調整提升過程中的運行頻率來提高游樂設備的運營效率，增加游樂場的收入。

2.1 提升驅動電機改裝變頻器的優點

在斜坡提升驅動電機改裝變頻器的應用中，變頻器主要進行恒加速變頻調速啟動。變頻器一般的調節范圍在0～400 Hz之間，通過改變驅動電機輸入電源的頻率可以達到調節驅動電機轉速的目的，改裝變頻器后，驅動電機可以實現軟啟動和平滑調速。驅動電機軟啟動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，實現安靜平穩地掛鉤，還可以通過電機轉速控制輸出功率，實現一定的節電效果。另一方面，通過調整變頻器參數，改變轉矩和加減速時間，可以實現對車廂在斜坡上運行時間的調整，實現游樂設備根據游客量在一定時間幅度內的調節。同時，在有較多游客排隊等待游玩體驗游樂設備的時候，可以對頻率進行調整，當發完一趟車后，在對設備進行安全檢查及檢票驗票期間，把運行頻率降低到最低值等待下一次的運行，減少驅動電機的啟停次數，避免了當前電機頻繁啟動對電動機的沖擊，一定程度上減少了電機及鏈條的磨損，延長設備使用壽命。

2.2 提升驅動電機改裝變頻器的應用

當前，提升驅動電機采用的是軟啟動器啟動，雖然軟啟動器通過改變啟動力矩，有效減小對電網的沖擊，減小電機啟動時對鏈條的沖擊，但是，軟啟動無法改變頻率，無法改變電機轉速。提升電機運行控制線路不做改變，只改變提升電機主回路，主回路中的三相1L31、1L32、1L33在經過濾波器后，分別接變頻器的R、S、T三個端子，U、V、W分別接電機1U1、1V1、1W1。電機能啟動運行的條件不變：兩個繼電器KA1，KA2的線圈得電。接近開關SL2動作后，驅動電機運行條件的繼電器KA1得電，常開觸點閉合，滿足其中一個條件；所有安全壓杠正確壓下，繼電器KA2得電，常開觸點閉合，滿足另一個條件，此時提升電機可以正常啟動。

控制系統對電機的轉速進行精確地控制，根據預先設定好的值來自動調整轉速，PLC輸出信號控制變頻器，變頻器的運行狀態也返回到PLC中。因此，只需對變頻器的參數進行設定及PLC程序進行簡單的修改就能完成提升電機的啟動由軟啟動器啟動改成變頻器啟動。

2.3 提升驅動電機改裝變頻器的選用及設置

以過山車的提升電機為例，電機的功率為90 kW，改裝選用ATV71功率為110 kW變頻器，變頻器的主要參數設置舉例：（1）控制模式參數，設置成恒轉矩；（2）指令通道參數，隔離，給定1通道Modbus格式；（3）電機熱保護電流設置成200 A，電流限幅240 A，低速頻率設置成5 Hz，高速頻率設置成50 Hz；（4）停車模式設置成斜坡停車，停車方式為減速停車，加速時間0.2 s，減速時間0.1 s。變頻器內電機參數根據電機銘牌上標定的額定功率、額定電流、額定電壓、及額定轉速等進行設置，建議執行自整定。

2.4 提升驅動電機改裝變頻器后的實際效果

（1）實現了過山車在提升階段的調速控制。根據實際運營情況，適當地調整電機的運行頻率，在游客流量較多時把運行頻率調整到60 Hz以上，加快提升速度，減少提升時間，從而一定程度上縮短每趟車次的運行時間，減少游客的等待時間。據統計，在提升驅動電機還沒有改裝變頻器之前，在保證安全的前提下，按正常發車時間流程，過山車每天營運時間段內最多可運行42趟次，但在提升驅動電機改裝變頻器之后，還是以前的時間流程，每天營運時間段內可運行46趟次。以滿座計算，每天可多讓96名游客體驗游玩過山車。車廂上升到軌道頂部后降低運行頻率到5 Hz以下運行，減少了下次運行重新啟動對設備造成的沖擊。

（2）實現了對設備的保護功能。變頻器通過正確地設置參數，可以有效地保護提升驅動電機，防止電機因為過壓、過流等情況的出現對設備造成沖擊。同時以每天正常運行次數計算，提升電機每天需頻繁啟停40次左右，改裝變頻器后，當車廂在下滑階段及游客安檢上車準備階段，提升電機可以保持極低的頻率保持運行，避免了提升電機的頻繁啟停。同時，變頻器的軟啟動功能同樣減少了提升電機在啟動及停止階段對設備造成的沖擊，延長了電機、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備的舒適感。由于有了變頻器的低速軟啟動，減少了沖擊，游樂設備的鏈條在掛接時沒有了沖擊，車廂沒有了之前的頓挫感，提升了游客乘座游樂設備的舒適感，提高了過山車這項游樂設備的歡迎程度，從而增加游樂場的營運收入。

3 結束語

游樂設備是一種特種設備，對游樂設備的維修、改造不能改變設備出廠時的主體結構、各項安全性能參數和技術指示。對游樂設備的改造應確保安全第一的原則并經安全評估后再進行。本文僅僅是對游樂設備鏈式提升的斜坡提升驅動電機改裝變頻器進行分析，未改變游樂設備本來的主體結構，游樂設備的安全性能參數并未發生改變，且變頻器在游樂設備的斜坡提升應用后，游樂設備在節能、降低沖擊、降低噪聲等方面有了很大的提高，同時更舒適的游玩體驗也將會吸引到更多的游客來體驗此類游樂設備，但游樂設備是一種高風險的特種設備，施工前必須聯系游樂設施原生產廠家分析改裝的可行性，并在原生產廠家的指導下進行安裝，在施工完畢后必須經過自檢合格并報設備對應的特種設備檢測院檢測合格后且出具合格證明后方可投入運營。