舞臺用恒功率吊桿卷揚機和控制系統研制及應用

姚 亮，謝海岐，薛煥新

（浙江大豐實業有限公司，浙江 余姚 315400）

隨著劇院建設的不斷發展，人們對舞臺設備的性能要求越來越高。某些劇院對演出中最常用的電動調速景吊桿進行了性能優化：要求在低速時具有超大載荷、常規載荷時又能高速運行，而且智能化程度也很高，通過吊桿配置載荷傳感器，用計算機自動判別外部載荷而選擇吊桿的最大運行速度，能最大程度滿足演出需要。其作用是：當載荷常規時能高速升降，從而達到快速換景要求；當載荷很大時或作為燈桿使用，以較低的速度運行。可以說，這些劇院中電動調速景吊桿極大地提高了演出的靈活性，也完全滿足了燈桿、景桿混用更靈活的演藝需求。

山東省會文化藝術中心歌劇院就是一個典型的案例。其配置要求：電動調速景吊桿速度在0.001 m/s～1.0 m/s的范圍內，載重量為1 500 kg（載荷為15 kN）；當速度在1.0 m/s～1.8 m/s范圍內，載重量為750 kg（載荷為7.5 kN）。本文就該案例對減速電機的選型進行詳細分析。

1 初始條件

圖1為吊桿布置總圖，本案的初始條件是：

桿體及鋼絲繩附件自重270 kg（負載力W=2.7 kN），卷揚機卷筒直徑D=340 mm，總效率η=0.85，加速度a=1.5 m/s2；高速狀態最大速度V1=1.8 m/s，額定載重量750 kg（載荷F1=7.5 kN）；低速狀態最大速度V2=1.0 m/s，額定載重量1 500 kg（載荷F2=15 kN）。

圖1 吊桿布置圖

鑒于舞臺機械的實際工況，吊桿全程運轉時間僅為幾十秒，工作循環按斷續工作制設定，一般每個工作循環規定為在最繁重載荷下6次全程運轉并有15分鐘的停頓，因此，我們可將其工作制設定為S3 25%工作制，其運行過程不考慮溫升對電機負載能力的影響。

2 減速電機的選型

如果按電機在工頻狀態下工作，即電機在0~50 Hz范圍內工作，只能按最大速度V1及最大載荷F2計算功率，這時功率為：

P=（F2+W）×V1/η=（15+2.7）×1.8/0.85=37.5 kW

可見，所需電機的功率非常大，按此設計，在0.001~1.8 m/s速度范圍內，吊桿都能提升載荷15 kN。與劇院標書所要求的吊桿性能相比，不僅設備投資上非常浪費，而且給總用電量等也帶來很大負擔。

解決這一問題的有效方法是，用高性能變頻器驅動變頻電機，使其在額定頻率以上工作。

方案一，采用87 Hz特性電機，使得電機工作頻率在87 Hz以內保持恒轉矩輸出。

方案二，使用普通變頻電機在弱磁范圍內工作。即：工作頻率在50 Hz以下時，電機為恒扭矩輸出；工作頻率在50 Hz以上時，電機處于弱磁狀態，此時為恒功率輸出，其轉矩隨著轉速的增大而減小。

2.1 不同工況計算數據

下面就吊桿高速狀態（1.8 m/s）、低速狀態（1.0 m/s）兩種工況，分別計算如下。

（1）高速狀態

高速狀態下，最高速度V1=1.8 m/s，額定載荷F1=7.5 kN；

初選電機功率P1=（F1+W）×V1/η=（7.5+2.7）×1.8/0.85=21.6 kW，取電機功率為22 kW。具體計算見表1。

表1 吊桿高速狀態計算數據

（2）低速狀態

低速狀態下，最高速度V2=1.0 m/s，額定載荷F2=15 kN；

初選電機功率P2=（F2+W）×V2/η=（15+2.7）×1.0/0.85=20.82 kW，取電機功率為22 kW。具體計算見表2。

從上述計算中看出，按高速狀態，減速電機所需要的最大功率為24.43 kW，輸出轉速99.4 r/min；按低速狀態，減速電機所需要的最大功率為23.55 kW，輸出轉速55.2 r/min。

2.2 方案一：87 Hz特性電機的選型

87 Hz特性電機，是指電機工作頻率在0～87 Hz時，保持電機的磁通量為恒定值，在電機不會因自身過熱而引起輸出轉矩減小的情況下，可持續獲得恒定的轉矩。采用87 Hz特性電機的優點在于，電機規格及體積較小，但變頻器往往需要增大幾個等級。

在本案中，由于在低速狀態下電機的計算功率為P2=21.7 kW，因而初選電機的功率為22 kW，87Hz特性電機運行于50 Hz/220 V的△型連接電路，當工作頻率在87 Hz時，其額定電流為I=√3×43=74.5 A，輸出功率P=√3×22=38.1 kW，為避免變頻器出現電流超標而報警現象，需配置45 kW的變頻器，比同等級電機大了4級。

表2 吊桿低速狀態計算數據

本案選用減速電機的型號是SK9052.1AZ-180LX/4DBR，其電機為87 Hz特性電機，額定功率P=22 kW，電機額定轉速n1=1 460 r/min，速比i=23.33，減速機額定輸出轉速n2=62.41 r/min，服務系數fB=1.3。

圖2是所選的87Hz減速電機配45 kW變頻器輸出轉矩曲線及數據對照表。

其中：

——○——Max. Torque 短時轉矩曲線（60 s）Nm；

——◆——Rated Torque 額定轉矩曲線Nm（不考慮溫升影響S3工作制）；

——▲——Torque based on S1 S1工作制自冷方式轉矩曲線Nm（連續工作制）；

——*——Starting Torque 起動轉矩曲線Nm；

——◆——Breakdown Torque 堵轉轉矩曲線Nm；

——□——減速機輸出轉速n2，r/min。

通過圖2對所選的減速電機進行分析，在0～80 Hz范圍（對應吊桿提升速度0～1.8m/s）內，減速電機額定輸出轉矩為3 357 Nm，短時輸出轉矩為5 036 Nm，分別遠遠大于低速狀態（1.0 m/s）減速電機所需要的靜轉矩3 003 Nm和加速轉矩4 281 Nm，同時也分別遠遠大于高速狀態（1.8 m/s）減速電機所需要的靜轉矩1 731 Nm和加速轉矩2 270 Nm，因此從理論上講，選用87 Hz特性22 kW減速電機能滿足本案的需要。

2.3 方案二：普通變頻減速電機的選型

圖2 87Hz減速電機配45 kW變頻器輸出轉矩曲線及數據對照表

在不考慮溫升對電機負載能力的影響前提下，電機工作頻率在0～50 Hz范圍時為恒轉矩輸出；當頻率超過50 Hz時，電機在弱磁范圍內運轉為恒功率輸出，由于其磁通量的下降而帶來電機轉矩的下降，輸出轉矩的計算公式為M工作頻率=Mn×50/f工作頻率，輸出轉矩隨著電機轉速的提高而減小。因此電機的工作頻率不宜選太高，否則其工作轉矩會變得很小。在此案例中，吊桿最高速度（1.8 m/s）時電機的轉速設定在2 336 r/min（80 Hz）；當電機的轉速在1 460 r/min（50 Hz）時，對應吊桿的速度為1.125 m/s；當吊桿在低速狀態最高速度（1.0 m/s）時，對應電機的轉速為1 298 r/min，頻率為44.45 Hz。根據以上我們推斷出減速器的速比i=23.51。

參考上述，根據標書要求選用某品牌減速電機，其型號是SK9052.1AZ-180LX/4DBR，其電機額定功率P=22 kW，電機額定轉速n1=1 455 r/min，速比i=23.33，減速機輸出轉速n2=62.41 r/min，減速機輸出轉矩M=3 369 Nm，服務系數fB=1.3，電機的額定電流為43 A，額定轉矩Mn=145.1 Nm。由于電機需在弱磁范圍內工作，通常，變頻器的選擇必須高出電機一個功率等級，以便能夠供應期望的電流，因此，選用30 kW的變頻器。

圖3是所選減速電機配30 kW的變頻器輸出轉矩曲線及數據對照表。

其中：

——○——Max. Torque 短時轉矩曲線（60 s）Nm；

——◆——Rated Torque 額定轉矩曲線Nm（不考慮溫升影響S3工作制）；

圖3 減速電機配30kW的變頻器輸出轉矩曲線及數據對照表

——▲——Torque based on S1 S1工作制自冷方式轉矩曲線Nm（連續工作制）；

——*——Starting Torque 起動轉矩曲線Nm；

——◆——Breakdown Torque 堵轉轉矩曲線Nm；

——□——減速機輸出轉速n2，r/min。

通過圖3分析，當吊桿在低速狀態最高速度（1.0m/s）以下提升15 kN載荷運行時，電機的工作頻率為44.3 Hz，從圖表中得出減速電機額定輸出轉矩為3 357 Nm，短時輸出轉矩為6 676 Nm，分別大于此頻率處減速電機所需要的靜轉矩3 003 Nm和加速轉矩4 281 Nm，因此，在此頻率運行時，所選擇的減速電機有足夠的能力在低速狀態（1.0 m/s）下提升15 kN載荷；當吊桿在高速狀態最高速度（1.8m/s）提升7.5 kN載荷時，電機的工作頻率為80 Hz，從圖表中得出減速電機額定輸出轉矩為2098 Nm，短時輸出轉矩為2 608 Nm，分別大于此頻率處減速電機所需要的靜轉矩1 731 Nm和加速轉矩2 270 Nm，由此可以看出在80 Hz時，所選擇的減速電機也具有足夠的能力。綜上所述，從圖表中分析得出所選擇的減速電機在0～80 Hz范圍內（對應吊桿提升速度0～1.8 m/s）能滿足載荷的要求。

3 樣機測試

根據上述計算分析的結果，進行了2臺樣機的制作，分別采用普通變頻減速電機（型號是SK9052.1AZ-180LX/4DBR，P=22 kW，速比i=23.33，輸出轉速n=62.41 r/min）配30 kW變頻器和87 Hz特性減速電機（型號是SK9052.1AZ-180L/4DBR，P=22 kW，速比i=23.33，輸出轉速n=62.41 r/min）配45 kW變頻器，在工廠測試平臺模擬實際工況進行測試。在測試中，吊桿卷揚機固定鋼架上，并通過鋼架固定在混凝土地面上，6根固定在卷筒上的鋼絲繩通過安裝在柵頂鋼架上的轉向滑輪與桿體連接，桿體上懸掛沙包（載荷），重量可根據需要進行調整。

吊桿卷揚機配置有速度、位置編碼器、上下限位、超程開關、松繩檢測、跳槽檢測、載荷檢測、過載保護等多種安全保護裝置。通過載荷測量傳感器輸出的電流，直接經PLC自動判別外部載荷的大小而選擇吊桿的運行速度：當載荷為7.5 kN以下時，可選擇的速度在0.001 m/s～1.80 m/s之間；在低速（0.001 m/s～1.0 m/s）的最大載荷達到15 kN。

測試的主要內容：

（1）低速能力測試。按低速狀態最高速度（1.0 m/s）下滿載荷15 kN，在加速度為1.5 m/s2下運行吊桿，每個工作循環規定為在滿載荷下6次全程運行，分別測量電流、電機的噪音、溫升大小及正常制動位移量，觀察在運行過程中有無異常現象。

（2）高速能力測試。按高速狀態最高速度（1.8 m/s）下滿載荷7.5 kN，在加速度為1.5 m/s2時運行吊桿，每個工作循環規定為在滿載荷下6次全程運轉，分別測量電流、電機的噪音、溫升大小及正常制動位移量，觀察在運行過程中有無異常現象。

（3）載荷能力測試。按低速狀態最高速度（1.0 m/s）、測試載荷為1.25倍額定載荷即18.75（1.25×15）kN全程運行，以確認吊桿在測試載荷條件下的升降能力。

（4）超載測試。通過載荷傳感器檢查載荷，其設定值為額定載荷的1.2倍即18（1.2×15）kN，當加載超過18 kN時，載荷傳感器通過PLC發出超載信號，控制系統立即停止吊桿運行或使原來靜止的吊桿不能運行。

（5）運行速度判斷。載荷傳感器通過PLC自動判別外部載荷而選擇吊桿的運行速度：載荷小于7.5 kN時可選擇最高速度為1.8 m/s的，當載荷大于7.5 kN而小于15 kN，可選擇的最高速度為1.0 m/s。在桿體隨機掛載荷5次（要求包含小于7.5 kN、大于7.5 kN），通過載荷測量來判別最高運行速度。

（6）緊急制動測試。低速狀態最高速度（1.0 m/s）下載荷15 kN、及高速狀態最高速度（1.8 m/s）下載荷7.5 kN，分別在全速下降時，按下急停開關，檢測制動效果及制動位移量。

兩臺樣機經過上述項目的測試，性能均符合設計要求。目前這項新技術處于國內領先的地位，已在山東省會文化藝術中心、臺中大都會等劇院得到運用。

4 結論

通過上述理論分析和試驗結果得出以下結論：

（1）舞臺設備吊桿“低速大負載”、“高速低負載”的模式可以采用普通變頻電機來實現。

（2）當采用普通變頻電機弱磁范圍內運行時（恒功率工況），其輸出轉矩與頻率成反比，因此選擇的最大工作頻率不宜過高，原則上不要超過80 Hz。

（3）當選用普通變頻電機在弱磁范圍內運行時，必須對其在弱磁范圍內工作轉矩進行校核。

（4）采用相同功率的電機，87 Hz特性電機需要配置更大的變頻器，因此，如能用同功率普通變頻電機在弱磁范圍內運行替代，可以大大節省成本。