分布式控制恒功率舞臺吊桿的研究

劉長榮，劉 章，王 軍（.北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司，北京 0008；.中國傳媒大學(xué)，北京 0004；.國家大劇院，北京 000）

分布式控制恒功率舞臺吊桿的研究

劉長榮1，劉 章2，王 軍3（1.北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司，北京 100028；2.中國傳媒大學(xué)，北京 100024；3.國家大劇院，北京 100031）

提出分布式控制的恒功率調(diào)速電動吊桿的設(shè)計理念，并對恒功率調(diào)速的可行性、恒轉(zhuǎn)矩段與恒功率段的最佳配比、勵磁同步電動機(jī)與變頻器的矢量控制等進(jìn)行分析。

恒功率變頻調(diào)速；交流勵磁同步電動機(jī)；矢量控制變頻器；分布式控制系統(tǒng)；舞臺專用吊桿

1 前言

舞臺吊桿卷揚機(jī)是劇場使用量最多、最普遍的設(shè)備之一，目前國內(nèi)劇場舞臺吊桿卷揚機(jī)一般為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，即電動機(jī)在額定速度以下調(diào)速，從劇場使用情況分析，大吊重景片在高速運行的幾率并不多，而小吊重景片在高速運行的幾率很高，這樣就造成了很大的功率浪費。另外，吊桿卷揚機(jī)的控制一般是集中控制，所有電氣元器件集中在控制柜中，當(dāng)劇場需要增減吊桿設(shè)備、更換電氣元器件或電氣系統(tǒng)改造時，集中控制系統(tǒng)很難改變，只能更換部分或全套電氣柜。

以國家大劇院歌劇院的電動吊桿為例，載荷750 kg，速度1.8 m/s，電動機(jī)的選擇是按照高速和高載選擇的，電動機(jī)功率高達(dá)30 kW，總共61臺。根據(jù)演出使用的統(tǒng)計，吊桿小載荷的情況下速度多在1.0 m/s～1.2 m/s，而滿載荷時的速度多在0.3 m/s～0.5 m/s，換景時吊桿速度多在0.6 m/s～0.8 m/s，高速和高載選擇電動機(jī)功率帶來的問題是裝機(jī)容量的大量閑置。

分布式的模塊化控制設(shè)備與卷揚機(jī)為一體機(jī)，僅通過電力電纜、網(wǎng)線連接設(shè)備，使用安裝簡單，設(shè)備增減和改造靈活。而采用恒功率調(diào)速可以兼顧大吊重適用于低速運行，小吊重可達(dá)到高速運行的目的，既滿足劇場演出需求，又能降低電動機(jī)功率，減小劇場裝機(jī)總?cè)萘浚?jié)省劇場投資和用電量。分布式控制恒功率舞臺吊桿外觀見圖1。

圖1 分布式控制恒功率舞臺吊桿外觀圖

圖2 分布式控制恒功率舞臺吊桿部件組合圖

圖3 基速下調(diào)（恒轉(zhuǎn)矩）負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

恒功率調(diào)速電動吊桿的研究核心是：恒功率調(diào)速的可行性分析；恒轉(zhuǎn)矩段與恒功率段的最佳配比；工作在恒功率段交流電動機(jī)的選配；電動機(jī)與變頻控制器的性能匹配等研究內(nèi)容。分布式控制恒功率舞臺吊桿部件組合圖見圖2。

從國外舞臺機(jī)械的情況看，德國、日本舞臺機(jī)械一些廠家已經(jīng)在新建劇場中使用或在老劇場改造中使用分散控制的恒功率調(diào)速電動吊桿。如：在廣州大劇院建設(shè)期間，電動吊桿全部采購進(jìn)口卷揚機(jī)，曾經(jīng)考慮引進(jìn)分散控制的恒功率調(diào)速電動吊桿，因資金的原因擱淺。而在上海大劇院改造時，采用了分散控制的恒功率調(diào)速電動吊桿，一是解決了老劇場改造用電負(fù)荷增容問題，二是大大減少了現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試時間。

2 恒功率（弱磁）調(diào)速的可行性分析

2.1 恒功率調(diào)速的理論基礎(chǔ)

目前舞臺吊桿調(diào)速主要是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，但電動機(jī)在高速輕載運行情況下，而采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，系統(tǒng)效率下降，造成了設(shè)備和能源的浪費。為此提出了舞臺吊桿恒功率調(diào)速系統(tǒng)的研究思路。具體的技術(shù)原理：保持電源電壓為U1不變，頻率越高，磁通Φm越低，是一種降低磁通升速的方法。

保持U1不變升高頻率時，電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩方程式升高電源頻率的機(jī)械特性，其運行段近似平行，為理想的高速無極調(diào)速運行狀態(tài)。

升高頻率保持U1不變時，電磁功率為：

由于正常運行時，可以忽略r1和, 則

在正常運行時，若I1保持額定不變，s變化就很小，可近似認(rèn)為是不變的，則PM≈常數(shù)，近似為恒功率調(diào)速方式。

在此理論基礎(chǔ)上，實現(xiàn)電動機(jī)恒功率調(diào)速理論可行。

2.2 交流異步電動機(jī)恒功率（弱磁）調(diào)速特性的分析

交流異步電動機(jī)的機(jī)械特性——即速度/轉(zhuǎn)矩特性為：

基速（額定速度）以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速、基速以上為恒功率調(diào)速。

傳統(tǒng)的吊桿均為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，即吊桿的最大轉(zhuǎn)矩（吊重）在整個調(diào)速范圍內(nèi)是恒定的，見圖3。

基頻上調(diào)（恒功率）的機(jī)械特性

圖4 基速上調(diào)（恒功率）負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

圖5 恒功率（弱磁）調(diào)速特性

機(jī)械特性的定義是：電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與轉(zhuǎn)速n或轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系，

可見，當(dāng)頻率上升時，有：

負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系稱為負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，即。

恒功率負(fù)載特性的特點是負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n成反比。即。這時對應(yīng)的負(fù)載功率為

由于n變化時，負(fù)載功率PL基本不變，故稱之為恒功率機(jī)械負(fù)載特性見圖4。

恒功率吊桿分兩段工作，即在低速時，工作在恒轉(zhuǎn)矩段，轉(zhuǎn)矩（吊重）保持不變，功率隨速度升高而降低；運行在中、高速時，工作恒功率段，轉(zhuǎn)矩（吊重）隨速度升高而降低，功率保持不變。

恒轉(zhuǎn)矩吊桿的大范圍工作在恒功率段，因此，恒功率特性是研究恒功率吊桿有效運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

交流異步電動機(jī)在恒功率（弱磁）調(diào)速段，隨頻率和轉(zhuǎn)速的升高，異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩按升速倍數(shù)的平方關(guān)系下降，因此不適合用于恒功率（弱磁）調(diào)速范圍大（大于2）的場合。

2.3 交流同步電動機(jī)恒功率（弱磁）調(diào)速特性的分析

2.3.1 電動機(jī)的調(diào)速

調(diào)速系統(tǒng)按驅(qū)動電動機(jī)類型分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩大類，交流調(diào)速的驅(qū)動電動機(jī)分為異步機(jī)和同步機(jī)兩大類。異步機(jī)又分籠型異步機(jī)及雙饋異步機(jī)兩類。同步機(jī)又分永磁同步機(jī)、勵磁同步機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)等。

交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：

異步電動機(jī)：n= 60f/p(1-s)

同步電動機(jī)：n= 60f/p

式中：f為定子頻率；p為極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。

由上式可見，異步電動機(jī)與同步電動機(jī)只差轉(zhuǎn)差率，即同步電動機(jī)無轉(zhuǎn)差。

由于交流異步電動機(jī)在恒功率（弱磁）段的轉(zhuǎn)矩輸出不佳，因此，勵磁同步電動機(jī)和內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)可以工作在恒功率（弱磁）段。

2.3.2 同步電動機(jī)的恒功率（弱磁）調(diào)速

在恒功率（弱磁）調(diào)速段，隨頻率和轉(zhuǎn)速的升高，異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩按升速倍數(shù)的平方關(guān)系下降，因此不適合用于恒功率調(diào)速范圍大的場合。同步電動機(jī)無此問題。但永磁同步電動機(jī)調(diào)速的最大問題是恒功率（弱磁）調(diào)速困難，只有內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)才能弱磁，表面式永磁同步電動機(jī)不能弱磁。勵磁同步電動機(jī)和內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)適合用于恒功率調(diào)速范圍大的場合。

勵磁同步電動機(jī)是同步電動機(jī)最常見的類型，轉(zhuǎn)子磁通勢由勵磁電流產(chǎn)生，它通常由靜止勵磁裝置通過集電環(huán)和電刷送到轉(zhuǎn)子勵磁繞組中，也可以采用無刷勵磁的方式，即在同步電動機(jī)軸上安裝一臺交流發(fā)電動機(jī)作為勵磁電源，感應(yīng)的交流電經(jīng)過固定在軸上的整流器變換成直流電供給同步電動機(jī)的勵磁繞組，勵磁電流的調(diào)節(jié)可以通過控制勵磁交流發(fā)電動機(jī)的定子磁場來實現(xiàn)。

3 恒轉(zhuǎn)矩段與恒功率段的最佳配比分析

根據(jù)恒功率（弱磁）調(diào)速特性見圖5，吊桿工作在恒轉(zhuǎn)矩段與恒功率段的比例多少才能達(dá)到最佳，提高恒轉(zhuǎn)矩段比例，減少恒功率段的比例。

第一種方案：當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩段=恒功率段時，恒功率調(diào)速范圍為2，可以采用籠型異步電動機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)基頻為50 Hz，最高工作頻率為100 Hz。恒功率段調(diào)速比為2∶1。以國家大劇院歌劇院電動吊桿為例，載荷750 kg，速度1.8 m/s，電動機(jī)功率為30 kW，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。當(dāng)引入2倍恒功率段調(diào)速時，理論上功率可減少一半，即只需15 kW，但采用籠型異步電動機(jī)時，由于其恒功率調(diào)速的減轉(zhuǎn)矩特性，實際功率還要加大1-2檔為18.5 kW～22 kW，實際電動機(jī)功率降低了38%～27%。該方案采用籠型異步電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)造價低，但電動機(jī)功率降低不明顯，恒功率調(diào)速的優(yōu)點表現(xiàn)不明顯。

第二種方案：當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩段＜恒功率段時，恒功率調(diào)速范圍為3時，采用標(biāo)準(zhǔn)基頻為50 Hz，最高工作頻率為150 Hz。恒功率段調(diào)速比為3∶1。以國家大劇院歌劇院電動吊桿為例，載荷750 kg，速度1.8 m/s，電動機(jī)功率為30 kW，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。當(dāng)引入3倍恒功率段調(diào)速時，理論上功率可減少3倍，即只需11 kW，但采用籠型異步電動機(jī)時，由于其恒功率調(diào)速的減轉(zhuǎn)矩特性，高頻時轉(zhuǎn)矩下降很快，因此籠型異步電動機(jī)不能滿足要求，采用勵磁同步電動機(jī)，實際功率為11 kW，實際電動機(jī)功率降低了64%。該方案采用勵磁同步電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)造價高于籠型異步電動機(jī)，但電動機(jī)功率降低明顯，恒功率調(diào)速的優(yōu)點有所表現(xiàn)。

第三種方案：當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩段＜＜恒功率段時，恒功率調(diào)速范圍為4時，采用標(biāo)準(zhǔn)基頻為50 Hz，最高工作頻率為200 Hz。恒功率段調(diào)速比為4∶1。以國家大劇院歌劇院電動吊桿為例，載荷750 kg，速度1.8 m/s，電動機(jī)功率為30 kW，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。當(dāng)引入4倍恒功率段調(diào)速時，理論上功率可減少4倍，即只需7.5 kW，采用勵磁同步電動機(jī)，實際功率為7.5 kW，實際電動機(jī)功率降低了75%。該方案采用勵磁同步電動機(jī)驅(qū)動，但電動機(jī)功率有很大降低，恒功率調(diào)速的優(yōu)點表現(xiàn)突出，該方案電動機(jī)轉(zhuǎn)速已高達(dá)6 000 RPM，普通減速機(jī)選型困難，造價高，隨著轉(zhuǎn)速升高噪聲也升高。

為了克服第三種方案工作頻率/轉(zhuǎn)速過高所帶來不利影響，可以考慮降低基頻，選為25 Hz的勵磁同步電動機(jī)，最高工作頻率降低到100 Hz，轉(zhuǎn)速也降低至3 000 RPM，有效地的解決了高頻、高速所帶來的問題。

由于舞臺吊桿電動機(jī)實際運行工況為S3工作制，選用S1工作制的電動機(jī)在S3工作制可達(dá)到11 kW的短時功率，因此，具有一定的短時功率欲量。

筆者認(rèn)為恒功率舞臺吊桿最佳恒轉(zhuǎn)矩段與恒功率段在全調(diào)速段的配比為1∶3，即全調(diào)速段的1/4為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速段，3/4為恒功率調(diào)速段。比例太小電動機(jī)功率的降低的不明顯，恒功率的特性優(yōu)點表現(xiàn)不突出，比例太大電動機(jī)最高頻率、最高轉(zhuǎn)速太高，因此，經(jīng)過多次研究試驗，其結(jié)果最佳恒轉(zhuǎn)矩與恒功率比在全調(diào)速段的最佳配比為1∶3為宜。

4 勵磁同步電動機(jī)與變頻器的矢量控制

通常同步電動機(jī)都運行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，因此只要控制轉(zhuǎn)子磁鏈為定值就可以?？墒请S著交流同步電動機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，有些場合需要電動機(jī)運行于恒功率區(qū)域，恒功率特性的實現(xiàn)對于感應(yīng)電動機(jī)來說，相對比較容易實現(xiàn)，只要控制轉(zhuǎn)子磁鏈，使其與電動機(jī)轉(zhuǎn)速成反比地減小即可。為了控制磁鏈，需要設(shè)計轉(zhuǎn)子磁鏈控制器，來控制勵磁電流。轉(zhuǎn)子磁鏈的控制框圖見圖6。

圖6 轉(zhuǎn)子磁鏈的控制框圖

轉(zhuǎn)子磁鏈不能直接檢測，但是可以通過矢量控制，利用im一階滯后來推算可得：

由于從磁鏈控制器的輸出iM*到的傳遞函數(shù)內(nèi)部包含電流控制器，因此比較復(fù)雜，可是大多都把磁鏈控制的交叉角頻率設(shè)計為數(shù)十到數(shù)百rad/s，如果電流控制的交叉角頻率達(dá)到數(shù)千rad/s，則在磁鏈控制的交叉角頻率附近可以認(rèn)為iM*=iM，即

這也是一階滯后控制系統(tǒng)。如果采用PI控制來控制磁鏈，則

磁鏈控制不僅能夠?qū)崿F(xiàn)伺服系統(tǒng)的恒功率特性輸出，還對電源投入時磁通的建立有影響。如果控制勵磁電流一定，則磁鏈以電流的一階滯后速度上升。可是在電源投入瞬間，還來不及建立磁鏈，如果希望電動機(jī)馬上以恒轉(zhuǎn)矩運行，就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流過大，或者轉(zhuǎn)矩不足、不能驅(qū)動負(fù)載的現(xiàn)象，這時，通過磁鏈控制，可以使磁鏈快速建立起來，能夠在電源投入后迅速驅(qū)動負(fù)載。

異步電動機(jī)與同步電動機(jī)矢量控制的對比：

① 異步電動機(jī)矢量控制按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，可以實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦，同步電動機(jī)不存在這個關(guān)系，所以按氣隙鏈定向。

② 異步電動機(jī)磁路各向同性，可以定義轉(zhuǎn)子任何方向為d軸，不需要轉(zhuǎn)子位置d軸定位，同步電動機(jī)d軸固定為勵磁繞組軸線，需要d軸定位。

③ 同步電動機(jī)的磁鏈主要靠勵磁電流建立，需要一套直流勵磁裝置，但可以通過控制勵磁電流來維持電動機(jī)功率因數(shù)cos￠=1，減少變頻器容量。異步電動機(jī)靠定子電流磁化分量來建立磁鏈，無勵磁裝置，電動機(jī)功率因數(shù)不可控，變頻器容量增大10%～15%。

④ 兩種電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)中的定子電流控制（ACC）部分相同，電壓模型也相同，只是計算公式中的漏感值不同，同步電動機(jī)用定子漏感，異步電動機(jī)用定轉(zhuǎn)子全漏感。

⑤ 兩種系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制部分完全相同。

⑥ 兩種電動機(jī)的電流模型完全不同。

5 吊重對運行速度的自動限制

恒功率吊桿的最大特點是利用演出現(xiàn)場大吊重不高速的原則，利用電動機(jī)恒功率的特性，使電動機(jī)容量大大降低。但是吊重與運行速度之間有一個最佳的配比，為了安全起見，恒功率吊桿在運行時必須嚴(yán)格保證這個最佳配比。

因此，系統(tǒng)采用吊重傳感器實時檢測起吊重量，并通過可編程控制器（PLC）根據(jù)起吊重量實時計算最高有效速度并自動限制最高速度的運行，以確保恒功率特性的有效性和安全性。

6 分布式控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)不同的是，集中控制是將多臺控制設(shè)備集中在統(tǒng)一的控制柜中，分布式控制系統(tǒng)是將各個吊桿卷揚機(jī)的控制設(shè)備分散在各個吊桿卷揚機(jī)一體化安裝的模塊化結(jié)構(gòu)，僅通過電源供電電纜及網(wǎng)絡(luò)電纜的兀接與控制臺連接，控制設(shè)備是嵌入在機(jī)械設(shè)備之中形成機(jī)電一體的模塊化模式。當(dāng)?shù)鯒U數(shù)量增加或減少時，只需簡單的解除或增加兀接就完成了，非常方便快捷，實現(xiàn)了快速增減設(shè)備的數(shù)量，特別是在改造時尤為重要，分布式控制系統(tǒng)框圖見圖7。

7 結(jié)語

圖8是分布式控制恒功率吊桿樣機(jī)，在北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司機(jī)械工廠現(xiàn)場進(jìn)行速度與載荷測試。

圖7 分布式控制系統(tǒng)框圖

圖8 分布式控制恒功率吊桿速度與載荷測試

恒功率調(diào)速卷揚機(jī)與分布式模塊化控制系統(tǒng)的研究成果能夠滿足劇場演出需求，并大大降低電動機(jī)功率，從而減小裝機(jī)總?cè)萘?，?jié)省投資和用電量，是新一代綠色環(huán)保創(chuàng)新的項目，標(biāo)志著中國舞臺機(jī)械研制技術(shù)與國際同類技術(shù)的接軌，帶動舞臺機(jī)械行業(yè)整體技術(shù)研發(fā)和集成水平的提升，將影響中國舞臺機(jī)械吊桿系統(tǒng)的更新?lián)Q代。

目前國內(nèi)劇場建設(shè)風(fēng)起云涌，電動吊桿是劇場中設(shè)置最多、使用率最高的設(shè)備之一，從節(jié)能、技術(shù)創(chuàng)新、演藝設(shè)備發(fā)展的趨勢等角度，分散控制的恒功率調(diào)速電動吊桿在今后的劇場建設(shè)及劇場改造中將發(fā)揮巨大的應(yīng)用潛力。

說明：本研究是基于國家文化科技提升計劃項目《舞臺恒功率吊桿系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)及典型應(yīng)用》課題，由國家大劇院、北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司、中國傳媒大學(xué)聯(lián)合研發(fā)，研發(fā)團(tuán)隊由國家大劇院徐奇、王軍等，北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司劉長榮、于雪松、張紅強、馮憲武，中國傳媒大學(xué)任慧、劉章等組成。

[1] 天津電氣傳動設(shè)計研究所. 電氣傳動自動化技術(shù)手冊(第2版)[M]. 北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 李崇堅. 交流同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[M]. 北京∶科學(xué)出版社,2006.

[3] 寇寶泉,等. 交流伺服電動機(jī)及其控制[M]. 北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[4] 馬小亮. 高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)[M]. 北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

（編輯 王 芳）

A Study of the Stage Boom on Distributed Control and Constant Power

LIU Chang-rong1, LIU Zhang2, WANG Jun3
(1.Beijing BSD Technology Development Co.LTD., Beijing 100028, China; 2.Communication University of China, Beijing 100024, China; 3.National Centre for the Performing Arts, Beijing 100031, China)

This paper proposed a concept of the stage boom on distributed control and constant power, and also analyzed the feasibility about constant power control of motor speed, the optimal ratio of constant torque and constant power section, vector control of excitation synchronous motor and frequency converter.

constant power variable frequency speed regulation; AC excitation synchronous motor; vector control inverter; distributed control system; stage boom

10.3969/j.issn.1674-8239.2016.10.009