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展有限公司，北京 0008；.中國傳媒大學，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展有限公司，北京 100028；2.中國傳媒大學，北京 100024；3.國家大劇院，北京 100031）

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

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

1 前言

舞臺吊桿卷揚機是劇場使用量最多、最普遍的設備之一，目前國內劇場舞臺吊桿卷揚機一般為恒轉矩調速，即電動機在額定速度以下調速，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，當劇場需要增減吊桿設備、更換電氣元器件或電氣系統改造時，集中控制系統很難改變，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，電動機的選擇是按照高速和高載選擇的，電動機功率高達30 kW，總共61臺。根據演出使用的統計，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功率帶來的問題是裝機容量的大量閑置。

分布式的模塊化控制設備與卷揚機為一體機，僅通過電力電纜、網線連接設備，使用安裝簡單，設備增減和改造靈活。而采用恒功率調速可以兼顧大吊重適用于低速運行，小吊重可達到高速運行的目的，既滿足劇場演出需求，又能降低電動機功率，減小劇場裝機總容量，節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（恒轉矩）負載轉矩曲線

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

從國外舞臺機械的情況看，德國、日本舞臺機械一些廠家已經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速電動吊桿。如：在廣州大劇院建設期間，電動吊桿全部采購進口卷揚機，曾經考慮引進分散控制的恒功率調速電動吊桿，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速電動吊桿，一是解決了老劇場改造用電負荷增容問題，二是大大減少了現場設備調試時間。

2 恒功率（弱磁）調速的可行性分析

2.1 恒功率調速的理論基礎

目前舞臺吊桿調速主要是恒轉矩調速，但電動機在高速輕載運行情況下，而采用恒轉矩調速，系統效率下降，造成了設備和能源的浪費。為此提出了舞臺吊桿恒功率調速系統的研究思路。具體的技術原理：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，電動機電磁轉矩為：

根據電磁轉矩方程式升高電源頻率的機械特性，其運行段近似平行，為理想的高速無極調速運行狀態。

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，可近似認為是不變的，則PM≈常數，近似為恒功率調速方式。

在此理論基礎上，實現電動機恒功率調速理論可行。

2.2 交流異步電動機恒功率（弱磁）調速特性的分析

交流異步電動機的機械特性——即速度/轉矩特性為：

基速（額定速度）以下為恒轉矩調速、基速以上為恒功率調速。

傳統的吊桿均為恒轉矩調速，即吊桿的最大轉矩（吊重）在整個調速范圍內是恒定的，見圖3。

基頻上調（恒功率）的機械特性

圖4 基速上調（恒功率）負載轉矩曲線

圖5 恒功率（弱磁）調速特性

機械特性的定義是：電動機的電磁轉矩Tem與轉速n或轉差率s的關系，

可見，當頻率上升時，有：

負載轉矩TL與轉速n的關系稱為負載轉矩特性，即。

恒功率負載特性的特點是負載轉矩TL與轉速n成反比。即。這時對應的負載功率為

由于n變化時，負載功率PL基本不變，故稱之為恒功率機械負載特性見圖4。

恒功率吊桿分兩段工作，即在低速時，工作在恒轉矩段，轉矩（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，轉矩（吊重）隨速度升高而降低，功率保持不變。

恒轉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的關鍵技術。

交流異步電動機在恒功率（弱磁）調速段，隨頻率和轉速的升高，異步電動機的最大轉矩按升速倍數的平方關系下降，因此不適合用于恒功率（弱磁）調速范圍大（大于2）的場合。

2.3 交流同步電動機恒功率（弱磁）調速特性的分析

2.3.1 電動機的調速

調速系統按驅動電動機類型分為直流調速和交流調速兩大類，交流調速的驅動電動機分為異步機和同步機兩大類。異步機又分籠型異步機及雙饋異步機兩類。同步機又分永磁同步機、勵磁同步機、開關磁阻電動機等。

交流電動機的轉速公式：

異步電動機：n= 60f/p(1-s)

同步電動機：n= 60f/p

式中：f為定子頻率；p為極對數；s為轉差率。

由上式可見，異步電動機與同步電動機只差轉差率，即同步電動機無轉差。

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

2.3.2 同步電動機的恒功率（弱磁）調速

在恒功率（弱磁）調速段，隨頻率和轉速的升高，異步電動機的最大轉矩按升速倍數的平方關系下降，因此不適合用于恒功率調速范圍大的場合。同步電動機無此問題。但永磁同步電動機調速的最大問題是恒功率（弱磁）調速困難，只有內置式永磁同步電動機才能弱磁，表面式永磁同步電動機不能弱磁。勵磁同步電動機和內置式永磁同步電動機適合用于恒功率調速范圍大的場合。

勵磁同步電動機是同步電動機最常見的類型，轉子磁通勢由勵磁電流產生，它通常由靜止勵磁裝置通過集電環和電刷送到轉子勵磁繞組中，也可以采用無刷勵磁的方式，即在同步電動機軸上安裝一臺交流發電動機作為勵磁電源，感應的交流電經過固定在軸上的整流器變換成直流電供給同步電動機的勵磁繞組，勵磁電流的調節可以通過控制勵磁交流發電動機的定子磁場來實現。

3 恒轉矩段與恒功率段的最佳配比分析

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

第一種方案：當恒轉矩段=恒功率段時，恒功率調速范圍為2，可以采用籠型異步電動機，采用標準基頻為50 Hz，最高工作頻率為100 Hz。恒功率段調速比為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，電動機功率為30 kW，恒轉矩調速。當引入2倍恒功率段調速時，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時，由于其恒功率調速的減轉矩特性，實際功率還要加大1-2檔為18.5 kW～22 kW，實際電動機功率降低了38%～27%。該方案采用籠型異步電動機驅動，電動機造價低，但電動機功率降低不明顯，恒功率調速的優點表現不明顯。

第二種方案：當恒轉矩段＜恒功率段時，恒功率調速范圍為3時，采用標準基頻為50 Hz，最高工作頻率為150 Hz。恒功率段調速比為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，電動機功率為30 kW，恒轉矩調速。當引入3倍恒功率段調速時，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時，由于其恒功率調速的減轉矩特性，高頻時轉矩下降很快，因此籠型異步電動機不能滿足要求，采用勵磁同步電動機，實際功率為11 kW，實際電動機功率降低了64%。該方案采用勵磁同步電動機驅動，電動機造價高于籠型異步電動機，但電動機功率降低明顯，恒功率調速的優點有所表現。

第三種方案：當恒轉矩段＜＜恒功率段時，恒功率調速范圍為4時，采用標準基頻為50 Hz，最高工作頻率為200 Hz。恒功率段調速比為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，電動機功率為30 kW，恒轉矩調速。當引入4倍恒功率段調速時，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，實際功率為7.5 kW，實際電動機功率降低了75%。該方案采用勵磁同步電動機驅動，但電動機功率有很大降低，恒功率調速的優點表現突出，該方案電動機轉速已高達6 000 RPM，普通減速機選型困難，造價高，隨著轉速升高噪聲也升高。

為了克服第三種方案工作頻率/轉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，最高工作頻率降低到100 Hz，轉速也降低至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實際運行工況為S3工作制，選用S1工作制的電動機在S3工作制可達到11 kW的短時功率，因此，具有一定的短時功率欲量。

筆者認為恒功率舞臺吊桿最佳恒轉矩段與恒功率段在全調速段的配比為1∶3，即全調速段的1/4為恒轉矩調速段，3/4為恒功率調速段。比例太小電動機功率的降低的不明顯，恒功率的特性優點表現不突出，比例太大電動機最高頻率、最高轉速太高，因此，經過多次研究試驗，其結果最佳恒轉矩與恒功率比在全調速段的最佳配比為1∶3為宜。

4 勵磁同步電動機與變頻器的矢量控制

通常同步電動機都運行于恒轉矩區域，因此只要控制轉子磁鏈為定值就可以。可是隨著交流同步電動機應用領域的擴大，有些場合需要電動機運行于恒功率區域，恒功率特性的實現對于感應電動機來說，相對比較容易實現，只要控制轉子磁鏈，使其與電動機轉速成反比地減小即可。為了控制磁鏈，需要設計轉子磁鏈控制器，來控制勵磁電流。轉子磁鏈的控制框圖見圖6。

圖6 轉子磁鏈的控制框圖

轉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*到的傳遞函數內部包含電流控制器，因此比較復雜，可是大多都把磁鏈控制的交叉角頻率設計為數十到數百rad/s，如果電流控制的交叉角頻率達到數千rad/s，則在磁鏈控制的交叉角頻率附近可以認為iM*=iM，即

這也是一階滯后控制系統。如果采用PI控制來控制磁鏈，則

磁鏈控制不僅能夠實現伺服系統的恒功率特性輸出，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，如果希望電動機馬上以恒轉矩運行，就會出現轉矩電流過大，或者轉矩不足、不能驅動負載的現象，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動負載。

異步電動機與同步電動機矢量控制的對比：

① 異步電動機矢量控制按轉子磁鏈定向，可以實現磁鏈和轉矩解耦，同步電動機不存在這個關系，所以按氣隙鏈定向。

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

③ 同步電動機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功率因數cos￠=1，減少變頻器容量。異步電動機靠定子電流磁化分量來建立磁鏈，無勵磁裝置，電動機功率因數不可控，變頻器容量增大10%～15%。

④ 兩種電動機矢量控制系統中的定子電流控制（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，同步電動機用定子漏感，異步電動機用定轉子全漏感。

⑤ 兩種系統的轉速控制部分完全相同。

⑥ 兩種電動機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場大吊重不高速的原則，利用電動機恒功率的特性，使電動機容量大大降低。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格保證這個最佳配比。

因此，系統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

控制系統采用分布式控制系統與傳統的集中式控制系統不同的是，集中控制是將多臺控制設備集中在統一的控制柜中，分布式控制系統是將各個吊桿卷揚機的控制設備分散在各個吊桿卷揚機一體化安裝的模塊化結構，僅通過電源供電電纜及網絡電纜的兀接與控制臺連接，控制設備是嵌入在機械設備之中形成機電一體的模塊化模式。當吊桿數量增加或減少時，只需簡單的解除或增加兀接就完成了，非常方便快捷，實現了快速增減設備的數量，特別是在改造時尤為重要，分布式控制系統框圖見圖7。

7 結語

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

圖7 分布式控制系統框圖

圖8 分布式控制恒功率吊桿速度與載荷測試

恒功率調速卷揚機與分布式模塊化控制系統的研究成果能夠滿足劇場演出需求，并大大降低電動機功率，從而減小裝機總容量，節省投資和用電量，是新一代綠色環保創新的項目，標志著中國舞臺機械研制技術與國際同類技術的接軌，帶動舞臺機械行業整體技術研發和集成水平的提升，將影響中國舞臺機械吊桿系統的更新換代。

目前國內劇場建設風起云涌，電動吊桿是劇場中設置最多、使用率最高的設備之一，從節能、技術創新、演藝設備發展的趨勢等角度，分散控制的恒功率調速電動吊桿在今后的劇場建設及劇場改造中將發揮巨大的應用潛力。

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集成技術研發及典型應用》課題，由國家大劇院、北京北特圣迪科技發展有限公司、中國傳媒大學聯合研發，研發團隊由國家大劇院徐奇、王軍等，北京北特圣迪科技發展有限公司劉長榮、于雪松、張紅強、馮憲武，中國傳媒大學任慧、劉章等組成。

[1] 天津電氣傳動設計研究所. 電氣傳動自動化技術手冊(第2版)[M]. 北京∶機械工業出版社,2005.

[2] 李崇堅. 交流同步電動機調速系統[M]. 北京∶科學出版社,2006.

[3] 寇寶泉,等. 交流伺服電動機及其控制[M]. 北京∶機械工業出版社,2008.

[4] 馬小亮. 高性能變頻調速及其典型控制系統[M]. 北京∶機械工業出版社,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