劉長(zhǎng)榮　劉章　王軍

【摘 要】 提出分布式控制的恒功率調(diào)速電動(dòng)吊桿的設(shè)計(jì)理念，并對(duì)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(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)與變頻器的矢量控制等進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】 恒功率變頻調(diào)速；交流勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)；矢量控制變頻器；分布式控制系統(tǒng)；舞臺(tái)專用吊桿

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.10.009

【Abstract】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.

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

1 前言

舞臺(tái)吊桿卷?yè)P(yáng)機(jī)是劇場(chǎng)使用量最多、最普遍的設(shè)備之一，目前國(guó)內(nèi)劇場(chǎng)舞臺(tái)吊桿卷?yè)P(yáng)機(jī)一般為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，即電動(dòng)機(jī)在額定速度以下調(diào)速，從劇場(chǎng)使用情況分析，大吊重景片在高速運(yùn)行的幾率并不多，而小吊重景片在高速運(yùn)行的幾率很高，這樣就造成了很大的功率浪費(fèi)。另外，吊桿卷?yè)P(yáng)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(chǎng)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(shí)，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(guó)家大劇院歌劇院的電動(dòng)吊桿為例，載荷750 kg，速度1.8 m/s，電動(dòng)機(jī)的選擇是按照高速和高載選擇的，電動(dòng)機(jī)功率高達(dá)30 kW，總共61臺(tái)。根據(jù)演出使用的統(tǒng)計(jì)，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(shí)的速度多在0.3 m/s～0.5 m/s，換景時(shí)吊桿速度多在0.6 m/s～0.8 m/s，高速和高載選擇電動(dòng)機(jī)功率帶來(lái)的問(wèn)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?yè)P(yáng)機(jī)為一體機(jī)，僅通過(guò)電力電纜、網(wǎng)線連接設(shè)備，使用安裝簡(jiǎn)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(yùn)行，小吊重可達(dá)到高速運(yùn)行的目的，既滿足劇場(chǎng)演出需求，又能降低電動(dòng)機(jī)功率，減小劇場(chǎng)裝機(jī)總?cè)萘?，?jié)省劇場(chǎng)投資和用電量。分布式控制恒功率舞臺(tái)吊桿外觀見(jiàn)圖1。

恒功率調(diào)速電動(dòng)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(dòng)機(jī)的選配；電動(dòng)機(jī)與變頻控制器的性能匹配等研究?jī)?nèi)容。分布式控制恒功率舞臺(tái)吊桿部件組合圖見(jiàn)圖2。

從國(guó)外舞臺(tái)機(jī)械的情況看，德國(guó)、日本舞臺(tái)機(jī)械一些廠家已經(jīng)在新建劇場(chǎng)中使用或在老劇場(chǎng)改造中使用分散控制的恒功率調(diào)速電動(dòng)吊桿。如：在廣州大劇院建設(shè)期間，電動(dòng)吊桿全部采購(gòu)進(jìn)口卷?yè)P(yáng)機(jī)，曾經(jīng)考慮引進(jìn)分散控制的恒功率調(diào)速電動(dòng)吊桿，因資金的原因擱淺。而在上海大劇院改造時(shí)，采用了分散控制的恒功率調(diào)速電動(dòng)吊桿，一是解決了老劇場(chǎng)改造用電負(fù)荷增容問(wèn)題，二是大大減少了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試時(shí)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(tái)吊桿調(diào)速主要是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，但電動(dòng)機(jī)在高速輕載運(yùn)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(fèi)。為此提出了舞臺(tái)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。

2.2 交流異步電動(dòng)機(jī)恒功率（弱磁）調(diào)速特性的分析

恒功率吊桿分兩段工作，即在低速時(shí)，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(yùn)行在中、高速時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

交流異步電動(dòng)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(dòng)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(chǎng)合。

2.3 交流同步電動(dòng)機(jī)恒功率（弱磁）調(diào)速特性的分析

2.3.1 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

調(diào)速系統(tǒng)按驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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(dòng)電動(dòng)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(lì)磁同步機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。

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

2.3.2 同步電動(dòng)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(dòng)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(chǎng)合。同步電動(dòng)機(jī)無(wú)此問(wèn)題。但永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的最大問(wèn)題是恒功率（弱磁）調(diào)速困難，只有內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)才能弱磁，表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)不能弱磁。勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)和內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)適合用于恒功率調(diào)速范圍大的場(chǎng)合。

勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)是同步電動(dòng)機(jī)最常見(jiàn)的類型，轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)由勵(lì)磁電流產(chǎn)生，它通常由靜止勵(lì)磁裝置通過(guò)集電環(huán)和電刷送到轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中，也可以采用無(wú)刷勵(lì)磁的方式，即在同步電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)交流發(fā)電動(dòng)機(jī)作為勵(lì)磁電源，感應(yīng)的交流電經(jīng)過(guò)固定在軸上的整流器變換成直流電供給同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)可以通過(guò)控制勵(lì)磁交流發(fā)電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)來(lái)實(shí)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(jiàn)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(shí)，恒功率調(diào)速范圍為2，可以采用籠型異步電動(dòng)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(guó)家大劇院歌劇院電動(dòng)吊桿為例，載荷750 kg，速度1.8 m/s，電動(dòng)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(shí)，理論上功率可減少一半，即只需15 kW，但采用籠型異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于其恒功率調(diào)速的減轉(zhuǎn)矩特性，實(shí)際功率還要加大1-2檔為18.5 kW～22 kW，實(shí)際電動(dòng)機(jī)功率降低了38%～27%。該方案采用籠型異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)造價(jià)低，但電動(dòng)機(jī)功率降低不明顯，恒功率調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)不明顯。

第二種方案：當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩段<恒功率段時(shí)，恒功率調(diào)速范圍為3時(shí)，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(guó)家大劇院歌劇院電動(dòng)吊桿為例，載荷750 kg，速度1.8 m/s，電動(dòng)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(shí)，理論上功率可減少3倍，即只需11 kW，但采用籠型異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于其恒功率調(diào)速的減轉(zhuǎn)矩特性，高頻時(shí)轉(zhuǎn)矩下降很快，因此籠型異步電動(dòng)機(jī)不能滿足要求，采用勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，實(shí)際功率為11 kW，實(shí)際電動(dòng)機(jī)功率降低了64%。該方案采用勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)造價(jià)高于籠型異步電動(dòng)機(jī)，但電動(dòng)機(jī)功率降低明顯，恒功率調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)有所表現(xiàn)。

第三種方案：當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩段<<恒功率段時(shí)，恒功率調(diào)速范圍為4時(shí)，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(guó)家大劇院歌劇院電動(dòng)吊桿為例，載荷750 kg，速度1.8 m/s，電動(dòng)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(shí)，理論上功率可減少4倍，即只需7.5 kW，采用勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，實(shí)際功率為7.5 kW，實(shí)際電動(dòng)機(jī)功率降低了75%。該方案采用勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但電動(dòng)機(jī)功率有很大降低，恒功率調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)突出，該方案電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已高達(dá)6 000 RPM，普通減速機(jī)選型困難，造價(jià)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(guò)高所帶來(lái)不利影響，可以考慮降低基頻，選為25 Hz的勵(lì)磁同步電動(dòng)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(lái)的問(wèn)題。

由于舞臺(tái)吊桿電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況為S3工作制，選用S1工作制的電動(dòng)機(jī)在S3工作制可達(dá)到11 kW的短時(shí)功率，因此，具有一定的短時(shí)功率欲量。

筆者認(rèn)為恒功率舞臺(tái)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(dòng)機(jī)功率的降低的不明顯，恒功率的特性優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)不突出，比例太大電動(dòng)機(jī)最高頻率、最高轉(zhuǎn)速太高，因此，經(jīng)過(guò)多次研究試驗(yàn)，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(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)與變頻器的矢量控制

通常同步電動(dòng)機(jī)都運(yùn)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(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，有些場(chǎng)合需要電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于恒功率區(qū)域，恒功率特性的實(shí)現(xiàn)對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，只要控制轉(zhuǎn)子磁鏈，使其與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成反比地減小即可。為了控制磁鏈，需要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈控制器，來(lái)控制勵(lì)磁電流。轉(zhuǎn)子磁鏈的控制框圖見(jiàn)圖6。

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(jì)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

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(duì)電源投入時(shí)磁通的建立有影響。如果控制勵(lì)磁電流一定，則磁鏈以電流的一階滯后速度上升?？墒窃陔娫赐度胨查g，還來(lái)不及建立磁鏈，如果希望電動(dòng)機(jī)馬上以恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，就會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流過(guò)大，或者轉(zhuǎn)矩不足、不能驅(qū)動(dòng)負(fù)載的現(xiàn)象，這時(shí)，通過(guò)磁鏈控制，可以使磁鏈快速建立起來(lái)，能夠在電源投入后迅速驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

異步電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的對(duì)比：

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

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

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

④ 兩種電動(dòng)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(jì)算公式中的漏感值不同，同步電動(dòng)機(jī)用定子漏感，異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)的電流模型完全不同。

5 吊重對(duì)運(yùn)行速度的自動(dòng)限制

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

因此，系統(tǒng)采用吊重傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)起吊重量，并通過(guò)可編程控制器（PLC）根據(jù)起吊重量實(shí)時(shí)計(jì)算最高有效速度并自動(dòng)限制最高速度的運(yùn)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(tái)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(gè)吊桿卷?yè)P(yáng)機(jī)的控制設(shè)備分散在各個(gè)吊桿卷?yè)P(yáng)機(jī)一體化安裝的模塊化結(jié)構(gòu)，僅通過(guò)電源供電電纜及網(wǎng)絡(luò)電纜的兀接與控制臺(tái)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(shí)，只需簡(jiǎn)單的解除或增加兀接就完成了，非常方便快捷，實(shí)現(xiàn)了快速增減設(shè)備的數(shù)量，特別是在改造時(shí)尤為重要，分布式控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖7。

7 結(jié)語(yǔ)

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(chǎng)進(jìn)行速度與載荷測(cè)試。

恒功率調(diào)速卷?yè)P(yáng)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(chǎng)演出需求，并大大降低電動(dòng)機(jī)功率，從而減小裝機(jī)總?cè)萘浚?jié)省投資和用電量，是新一代綠色環(huán)保創(chuàng)新的項(xiàng)目，標(biāo)志著中國(guó)舞臺(tái)機(jī)械研制技術(shù)與國(guó)際同類技術(shù)的接軌，帶動(dòng)舞臺(tái)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(guó)舞臺(tái)機(jī)械吊桿系統(tǒng)的更新?lián)Q代。

目前國(guó)內(nèi)劇場(chǎng)建設(shè)風(fēng)起云涌，電動(dòng)吊桿是劇場(chǎng)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(shì)等角度，分散控制的恒功率調(diào)速電動(dòng)吊桿在今后的劇場(chǎng)建設(shè)及劇場(chǎng)改造中將發(fā)揮巨大的應(yīng)用潛力。

說(shuō)明：本研究是基于國(guó)家文化科技提升計(jì)劃項(xiàng)目《舞臺(tái)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(guó)家大劇院、北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司、中國(guó)傳媒大學(xué)聯(lián)合研發(fā)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)由國(guó)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(zhǎng)榮、于雪松、張紅強(qiáng)、馮憲武，中國(guó)傳媒大學(xué)任慧、劉章等組成。