变频器在游乐设备斜坡提升中的应用

陈永吉

（南宁市动物园，南宁 530003）

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，人们对游乐活动的需求也不断扩大。作为一种特种设备，在追求更快、更高、更刺激的情况下，游乐设备的安全稳定运行一直是重中之重，同时更加舒适的体验感受是吸引更多游客的一个因素。滑行类游乐设备是通过提升链条从斜坡上把车厢提升到一定的高度，利用其重力势能沿着轨道惯性滑行回到站台再刹车减速停车在站台位置。整个过程游客可以体验到高速下滑、离心力等各种强烈刺激的感受。典型的设备包括过山车、自旋滑车等游乐设备。因此，提升设备的安全稳定运行及为游客提供更加舒适的游玩环境就是游乐设备运营需要探讨的问题。国内对提升电机加装变频器上也做了大量研究，如在煤矿井下斜坡提升绞车上应用变频进行调速［1-6］，主要研究方向还是变频器在工业上的运用，没有涉及到游乐设备领域，因此游乐设备在出厂时提升电机在安全稳定运行及游玩的舒适体验上还存在一定问题。

本文通过对滑行类游乐设备的斜坡提升电机改装变频器进行探讨，通过加装变频器来驱动游乐设备的提升电机，以期实现提升电机能完成软启动和平滑调速［7-8］，减慢提升前车厢挂钩的速度，减少车厢与链条的的冲击，实现安静平稳地挂钩，不仅可以减少电机及链条的磨损，延长设备使用寿命，还能使游乐设备获得更加安全稳定的提升过程，从而提供更舒适的游玩环境，吸引更多的游客到游乐场游玩体验。

1 当前游乐设备的斜坡提升装置的现状

（1）链式提升

当前，游乐设备的斜坡提升是驱动机——链条拖挂系统，通过链条安装在两轨道中心线下面，沿着斜坡向上延伸并形成回环，位于斜坡底部的驱动电机带动链条旋转向上，车厢底部有链钩卡住链条，防止紧急情况下的车辆下滑后退，车辆到达坡顶后铰链钩松开车厢，车厢延轨道继续向前，向下滑动。链式提升在游玩开始阶段比较缓和，可以让游客的期待值一步步提高，随着链条慢慢把车厢提升到坡顶，游客也完全做好心理准备。

（2）弹射提升

通过弹射，在极短的时间内将车厢的速度提高，将车厢推到高处。这种方法就是用电磁来加速车厢，在轨道上方和车辆下方各安装一个磁场，并使两个磁场相互吸引，利用电动机移动轨道上方的磁场，牵引后方的车辆以极高的速度向前移动。这种提升方式一开始就可以让游客感受到由极速带来的刺激体验，因此也成为现在各类过山车流行的提升方式。

2 斜坡提升电机加装变频器的应用

本文所述的游乐设备斜坡提升电机改装变频器仅是对链式提升这种提升方式的驱动机进行变频器改装。驱动机-链条拖挂系统主要由驱动电机、上链轮、下链轮、张紧装置、链条装置、防倒装置等组成。以过山车的提升电机为例，当前，大部分提升电机都是采用软启动器进行启动控制，软启动器存在不能从零频率零电压启动电机、不能实现对电网零冲击启动的不足，而且，软启动器在电机完成启动后就不再发挥作用，对电机没有起到保护作用。而改装变频器后，通过控制变频器的输出与提升链条挂链同步，防止因为过快挂链带来的抖动从而避免损坏机械结构，提高了设备的运行稳定。另一方面通过调整提升过程中的运行频率来提高游乐设备的运营效率，增加游乐场的收入。

2.1 提升驱动电机改装变频器的优点

在斜坡提升驱动电机改装变频器的应用中，变频器主要进行恒加速变频调速启动。变频器一般的调节范围在0～400 Hz之间，通过改变驱动电机输入电源的频率可以达到调节驱动电机转速的目的，改装变频器后，驱动电机可以实现软启动和平滑调速。驱动电机软启动可以从很低的频率开始加速，减慢车厢挂钩的速度，减少车厢与链条的的冲击，实现安静平稳地挂钩，还可以通过电机转速控制输出功率，实现一定的节电效果。另一方面，通过调整变频器参数，改变转矩和加减速时间，可以实现对车厢在斜坡上运行时间的调整，实现游乐设备根据游客量在一定时间幅度内的调节。同时，在有较多游客排队等待游玩体验游乐设备的时候，可以对频率进行调整，当发完一趟车后，在对设备进行安全检查及检票验票期间，把运行频率降低到最低值等待下一次的运行，减少驱动电机的启停次数，避免了当前电机频繁启动对电动机的冲击，一定程度上减少了电机及链条的磨损，延长设备使用寿命。

2.2 提升驱动电机改装变频器的应用

当前，提升驱动电机采用的是软启动器启动，虽然软启动器通过改变启动力矩，有效减小对电网的冲击，减小电机启动时对链条的冲击，但是，软启动无法改变频率，无法改变电机转速。提升电机运行控制线路不做改变，只改变提升电机主回路，主回路中的三相1L31、1L32、1L33在经过滤波器后，分别接变频器的R、S、T三个端子，U、V、W分别接电机1U1、1V1、1W1。电机能启动运行的条件不变：两个继电器KA1，KA2的线圈得电。接近开关SL2动作后，驱动电机运行条件的继电器KA1得电，常开触点闭合，满足其中一个条件；所有安全压杠正确压下，继电器KA2得电，常开触点闭合，满足另一个条件，此时提升电机可以正常启动。

控制系统对电机的转速进行精确地控制，根据预先设定好的值来自动调整转速，PLC输出信号控制变频器，变频器的运行状态也返回到PLC中。因此，只需对变频器的参数进行设定及PLC程序进行简单的修改就能完成提升电机的启动由软启动器启动改成变频器启动。

2.3 提升驱动电机改装变频器的选用及设置

以过山车的提升电机为例，电机的功率为90 kW，改装选用ATV71功率为110 kW变频器，变频器的主要参数设置举例：（1）控制模式参数，设置成恒转矩；（2）指令通道参数，隔离，给定1通道Modbus格式；（3）电机热保护电流设置成200 A，电流限幅240 A，低速频率设置成5 Hz，高速频率设置成50 Hz；（4）停车模式设置成斜坡停车，停车方式为减速停车，加速时间0.2 s，减速时间0.1 s。变频器内电机参数根据电机铭牌上标定的额定功率、额定电流、额定电压、及额定转速等进行设置，建议执行自整定。

2.4 提升驱动电机改装变频器后的实际效果

（1）实现了过山车在提升阶段的调速控制。根据实际运营情况，适当地调整电机的运行频率，在游客流量较多时把运行频率调整到60 Hz以上，加快提升速度，减少提升时间，从而一定程度上缩短每趟车次的运行时间，减少游客的等待时间。据统计，在提升驱动电机还没有改装变频器之前，在保证安全的前提下，按正常发车时间流程，过山车每天营运时间段内最多可运行42趟次，但在提升驱动电机改装变频器之后，还是以前的时间流程，每天营运时间段内可运行46趟次。以满座计算，每天可多让96名游客体验游玩过山车。车厢上升到轨道顶部后降低运行频率到5 Hz以下运行，减少了下次运行重新启动对设备造成的冲击。

（2）实现了对设备的保护功能。变频器通过正确地设置参数，可以有效地保护提升驱动电机，防止电机因为过压、过流等情况的出现对设备造成冲击。同时以每天正常运行次数计算，提升电机每天需频繁启停40次左右，改装变频器后，当车厢在下滑阶段及游客安检上车准备阶段，提升电机可以保持极低的频率保持运行，避免了提升电机的频繁启停。同时，变频器的软启动功能同样减少了提升电机在启动及停止阶段对设备造成的冲击，延长了电机、链条挂钩等部件的使用寿命。

（3）在一定程度上提升了游客乘座游乐设备的舒适感。由于有了变频器的低速软启动，减少了冲击，游乐设备的链条在挂接时没有了冲击，车厢没有了之前的顿挫感，提升了游客乘座游乐设备的舒适感，提高了过山车这项游乐设备的欢迎程度，从而增加游乐场的营运收入。

3 结束语

游乐设备是一种特种设备，对游乐设备的维修、改造不能改变设备出厂时的主体结构、各项安全性能参数和技术指示。对游乐设备的改造应确保安全第一的原则并经安全评估后再进行。本文仅仅是对游乐设备链式提升的斜坡提升驱动电机改装变频器进行分析，未改变游乐设备本来的主体结构，游乐设备的安全性能参数并未发生改变，且变频器在游乐设备的斜坡提升应用后，游乐设备在节能、降低冲击、降低噪声等方面有了很大的提高，同时更舒适的游玩体验也将会吸引到更多的游客来体验此类游乐设备，但游乐设备是一种高风险的特种设备，施工前必须联系游乐设施原生产厂家分析改装的可行性，并在原生产厂家的指导下进行安装，在施工完毕后必须经过自检合格并报设备对应的特种设备检测院检测合格后且出具合格证明后方可投入运营。