分布式控制恒功率舞台吊杆的研究

刘长荣　刘章　王军

【摘 要】 提出分布式控制的恒功率调速电动吊杆的设计理念，并对恒功率调速的可行性、恒转矩段与恒功率段的最佳配 比、励磁同步电动机与变频器的矢量控制等进行分析。

【关键词】 恒功率变频调速；交流励磁同步电动机；矢量控制变频器；分布式控制系统；舞台专用吊杆

文章编号： 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

舞台吊杆卷扬机是剧场使用量最多、最普遍的设备之一，目前国内剧场舞台吊杆卷扬机一般为恒转矩调速，即电动机在额定速度以下调速，从剧场使用情况分析，大吊重景片在高速运行的几率并不多，而小吊重景片在高速运行的几率很高，这样就造成了很大的功率浪费。另外，吊杆卷扬机的控制一般是集中控制，所有电气元器件集中在控制柜中，当剧场需要增减吊杆设备、更换电气元器件或电气系统改造时，集中控制系统很难改变，只能更换部分或全套电气柜。

以国家大剧院歌剧院的电动吊杆为例，载荷750 kg，速度1.8 m/s，电动机的选择是按照高速和高载选择的，电动机功率高达30 kW，总共61台。根据演出使用的统计，吊杆小载荷的情况下速度多在1.0 m/s～1.2 m/s，而满载荷时的速度多在0.3 m/s～0.5 m/s，换景时吊杆速度多在0.6 m/s～0.8 m/s，高速和高载选择电动机功率带来的问题是装机容量的大量闲置。

分布式的模块化控制设备与卷扬机为一体机，仅通过电力电缆、网线连接设备，使用安装简单，设备增减和改造灵活。而采用恒功率调速可以兼顾大吊重适用于低速运行，小吊重可达到高速运行的目的，既满足剧场演出需求，又能降低电动机功率，减小剧场装机总容量，节省剧场投资和用电量。分布式控制恒功率舞台吊杆外观见图1。

恒功率调速电动吊杆的研究核心是：恒功率调速的可行性分析；恒转矩段与恒功率段的最佳配比；工作在恒功率段交流电动机的选配；电动机与变频控制器的性能匹配等研究内容。分布式控制恒功率舞台吊杆部件组合图见图2。

从国外舞台机械的情况看，德国、日本舞台机械一些厂家已经在新建剧场中使用或在老剧场改造中使用分散控制的恒功率调速电动吊杆。如：在广州大剧院建设期间，电动吊杆全部采购进口卷扬机，曾经考虑引进分散控制的恒功率调速电动吊杆，因资金的原因搁浅。而在上海大剧院改造时，采用了分散控制的恒功率调速电动吊杆，一是解决了老剧场改造用电负荷增容问题，二是大大减少了现场设备调试时间。

2 恒功率（弱磁）调速的可行性分析

2.1 恒功率调速的理论基础

目前舞台吊杆调速主要是恒转矩调速，但电动机在高速轻载运行情况下，而采用恒转矩调速，系统效率下降，造成了设备和能源的浪费。为此提出了舞台吊杆恒功率调速系统的研究思路。具体的技术原理：保持电源电压为U1不变，频率越高，磁通Φm 越低，是一种降低磁通升速的方法。

2.2 交流异步电动机恒功率（弱磁）调速特性的分析

恒功率吊杆分两段工作，即在低速时，工作在恒转矩段，转矩（吊重）保持不变，功率随速度升高而降低；运行在中、高速时，工作恒功率段，转矩（吊重）随速度升高而降低，功率保持不变。

恒转矩吊杆的大范围工作在恒功率段，因此，恒功率特性是研究恒功率吊杆有效运转的关键技术。

交流异步电动机在恒功率（弱磁）调速段，随频率和转速的升高，异步电动机的最大转矩按升速倍数的平方关系下降，因此不适合用于恒功率（弱磁）调速范围大（大于2）的场合。

2.3 交流同步电动机恒功率（弱磁）调速特性的分析

2.3.1 电动机的调速

调速系统按驱动电动机类型分为直流调速和交流调速两大类，交流调速的驱动电动机分为异步机和同步机两大类。异步机又分笼型异步机及双馈异步机两类。同步机又分永磁同步机、励磁同步机、开关磁阻电动机等。

由于交流异步电动机在恒功率（弱磁）段的转矩输出不佳，因此，励磁同步电动机和内置式永磁同步电动机可以工作在恒功率（弱磁）段。

2.3.2 同步电动机的恒功率（弱磁）调速

在恒功率（弱磁）调速段，随频率和转速的升高，异步电动机的最大转矩按升速倍数的平方关系下降，因此不适合用于恒功率调速范围大的场合。同步电动机无此问题。但永磁同步电动机调速的最大问题是恒功率（弱磁）调速困难，只有内置式永磁同步电动机才能弱磁，表面式永磁同步电动机不能弱磁。励磁同步电动机和内置式永磁同步电动机适合用于恒功率调速范围大的场合。

励磁同步电动机是同步电动机最常见的类型，转子磁通势由励磁电流产生，它通常由静止励磁装置通过集电环和电刷送到转子励磁绕组中，也可以采用无刷励磁的方式，即在同步电动机轴上安装一台交流发电动机作为励磁电源，感应的交流电经过固定在轴上的整流器变换成直流电供给同步电动机的励磁绕组，励磁电流的调节可以通过控制励磁交流发电动机的定子磁场来实现。

3 恒转矩段与恒功率段的最佳配比分析

根据恒功率（弱磁）调速特性见图5，吊杆工作在恒转矩段与恒功率段的比例多少才能达到最佳，提高恒转矩段比例，减少恒功率段的比例。

第一种方案：当恒转矩段=恒功率段时，恒功率调速范围为2，可以采用笼型异步电动机，采用标准基频为50 Hz，最高工作频率为100 Hz。恒功率段调速比为2：1。以国家大剧院歌剧院电动吊杆为例，载荷750 kg，速度1.8 m/s，电动机功率为30 kW，恒转矩调速。当引入2倍恒功率段调速时，理论上功率可减少一半，即只需15 kW，但采用笼型异步电动机时，由于其恒功率调速的减转矩特性，实际功率还要加大1-2档为18.5 kW～22 kW，实际电动机功率降低了38%～27%。该方案采用笼型异步电动机驱动，电动机造价低，但电动机功率降低不明显，恒功率调速的优点表现不明显。

第二种方案：当恒转矩段<恒功率段时，恒功率调速范围为3时，采用标准基频为50 Hz，最高工作频率为150 Hz。恒功率段调速比为3：1。以国家大剧院歌剧院电动吊杆为例，载荷750 kg，速度1.8 m/s，电动机功率为30 kW，恒转矩调速。当引入3倍恒功率段调速时，理论上功率可减少3倍，即只需11 kW，但采用笼型异步电动机时，由于其恒功率调速的减转矩特性，高频时转矩下降很快，因此笼型异步电动机不能满足要求，采用励磁同步电动机，实际功率为11 kW，实际电动机功率降低了64%。该方案采用励磁同步电动机驱动，电动机造价高于笼型异步电动机，但电动机功率降低明显，恒功率调速的优点有所表现。

第三种方案：当恒转矩段<<恒功率段时，恒功率调速范围为4时，采用标准基频为50 Hz，最高工作频率为200 Hz。恒功率段调速比为4：1。以国家大剧院歌剧院电动吊杆为例，载荷750 kg，速度1.8 m/s，电动机功率为30 kW，恒转矩调速。当引入4倍恒功率段调速时，理论上功率可减少4倍，即只需7.5 kW，采用励磁同步电动机，实际功率为7.5 kW，实际电动机功率降低了75%。该方案采用励磁同步电动机驱动，但电动机功率有很大降低，恒功率调速的优点表现突出，该方案电动机转速已高达6 000 RPM，普通减速机选型困难，造价高，随着转速升高噪声也升高。

为了克服第三种方案工作频率/转速过高所带来不利影响，可以考虑降低基频，选为25 Hz的励磁同步电动机，最高工作频率降低到100 Hz，转速也降低至3 000 RPM，有效地的解决了高频、高速所带来的问题。

由于舞台吊杆电动机实际运行工况为S3工作制，选用S1工作制的电动机在S3工作制可达到11 kW的短时功率，因此，具有一定的短时功率欲量。

笔者认为恒功率舞台吊杆最佳恒转矩段与恒功率段在全调速段的配比为1：3，即全调速段的1/4为恒转矩调速段，3/4为恒功率调速段。比例太小电动机功率的降低的不明显，恒功率的特性优点表现不突出，比例太大电动机最高频率、最高转速太高，因此，经过多次研究试验，其结果最佳恒转矩与恒功率比在全调速段的最佳配比为1：3为宜。

4 励磁同步电动机与变频器的矢量控制

通常同步电动机都运行于恒转矩区域，因此只要控制转子磁链为定值就可以。可是随着交流同步电动机应用领域的扩大，有些场合需要电动机运行于恒功率区域，恒功率特性的实现对于感应电动机来说，相对比较容易实现，只要控制转子磁链，使其与电动机转速成反比地减小即可。为了控制磁链，需要设计转子磁链控制器，来控制励磁电流。转子磁链的控制框图见图6。

由于从磁链控制器的输出iM*到的传递函数内部包含电流控制器，因此比较复杂，可是大多都把磁链控制的交叉角频率设计为数十到数百rad/s，如果电流控制的交叉角频率达到数千rad/s，则在磁链控制的交叉角频率附近可以认为iM*=iM，即

磁链控制不仅能够实现伺服系统的恒功率特性输出，还对电源投入时磁通的建立有影响。如果控制励磁电流一定，则磁链以电流的一阶滞后速度上升。可是在电源投入瞬间，还来不及建立磁链，如果希望电动机马上以恒转矩运行，就会出现转矩电流过大，或者转矩不足、不能驱动负载的现象，这时，通过磁链控制，可以使磁链快速建立起来，能够在电源投入后迅速驱动负载。

异步电动机与同步电动机矢量控制的对比：

① 异步电动机矢量控制按转子磁链定向，可以实现磁链和转矩解耦，同步电动机不存在这个关系，所以按气隙链定向。

② 异步电动机磁路各向同性，可以定义转子任何方向为d轴，不需要转子位置d轴定位，同步电动机d轴固定为励磁绕组轴线，需要d轴定位。

③ 同步电动机的磁链主要靠励磁电流建立，需要一套直流励磁装置，但可以通过控制励磁电流来维持电动机功率因数cos?=1，减少变频器容量。异步电动机靠定子电流磁化分量来建立磁链，无励磁装置，电动机功率因数不可控，变频器容量增大10%～15%。

④ 两种电动机矢量控制系统中的定子电流控制（ACC）部分相同，电压模型也相同，只是计算公式中的漏感值不同，同步电动机用定子漏感，异步电动机用定转子全漏感。

⑤ 两种系统的转速控制部分完全相同。

⑥ 两种电动机的电流模型完全不同。

5 吊重对运行速度的自动限制

恒功率吊杆的最大特点是利用演出现场大吊重不高速的原则，利用电动机恒功率的特性，使电动机容量大大降低。但是吊重与运行速度之间有一个最佳的配比，为了安全起见，恒功率吊杆在运行时必须严格保证这个最佳配比。

因此，系统采用吊重传感器实时检测起吊重量，并通过可编程控制器（PLC）根据起吊重量实时计算最高有效速度并自动限制最高速度的运行，以确保恒功率特性的有效性和安全性。

6 分布式控制系统

控制系统采用分布式控制系统与传统的集中式控制系统不同的是，集中控制是将多台控制设备集中在统一的控制柜中，分布式控制系统是将各个吊杆卷扬机的控制设备分散在各个吊杆卷扬机一体化安装的模块化结构，仅通过电源供电电缆及网络电缆的兀接与控制台连接，控制设备是嵌入在机械设备之中形成机电一体的模块化模式。当吊杆数量增加或减少时，只需简单的解除或增加兀接就完成了，非常方便快捷，实现了快速增减设备的数量，特别是在改造时尤为重要，分布式控制系统框图见图7。

7 结语

图8是分布式控制恒功率吊杆样机，在北京北特圣迪科技发展有限公司机械工厂现场进行速度与载荷测试。

恒功率调速卷扬机与分布式模块化控制系统的研究成果能够满足剧场演出需求，并大大降低电动机功率，从而减小装机总容量，节省投资和用电量，是新一代绿色环保创新的项目，标志着中国舞台机械研制技术与国际同类技术的接轨，带动舞台机械行业整体技术研发和集成水平的提升，将影响中国舞台机械吊杆系统的更新换代。

目前国内剧场建设风起云涌，电动吊杆是剧场中设置最多、使用率最高的设备之一，从节能、技术创新、演艺设备发展的趋势等角度，分散控制的恒功率调速电动吊杆在今后的剧场建设及剧场改造中将发挥巨大的应用潜力。

说明：本研究是基于国家文化科技提升计划项目《舞台恒功率吊杆系统集成技术研发及典型应用》课题，由国家大剧院、北京北特圣迪科技发展有限公司、中国传媒大学联合研发，研发团队由国家大剧院徐奇、王军等，北京北特圣迪科技发展有限公司刘长荣、于雪松、张红强、冯宪武，中国传媒大学任慧、刘章等组成。