舞臺用恒功率吊桿卷揚機和控制系統(tǒng)研制及應(yīng)用

姚 亮，謝海岐，薛煥新

（浙江大豐實業(yè)有限公司，浙江 余姚 315400）

隨著劇院建設(shè)的不斷發(fā)展，人們對舞臺設(shè)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(diào)速景吊桿進行了性能優(yōu)化：要求在低速時具有超大載荷、常規(guī)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(dāng)載荷常規(guī)時能高速升降，從而達到快速換景要求；當(dāng)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(diào)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(shù)中心歌劇院就是一個典型的案例。其配置要求：電動調(diào)速景吊桿速度在0.001 m/s～1.0 m/s的范圍內(nèi)，載重量為1 500 kg（載荷為15 kN）；當(dāng)速度在1.0 m/s～1.8 m/s范圍內(nèi)，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(xì)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(fù)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(tài)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(tài)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(zhuǎn)時間僅為幾十秒，工作循環(huán)按斷續(xù)工作制設(shè)定，一般每個工作循環(huán)規(guī)定為在最繁重載荷下6次全程運轉(zhuǎn)并有15分鐘的停頓，因此，我們可將其工作制設(shè)定為S3 25%工作制，其運行過程不考慮溫升對電機負(fù)載能力的影響。

2 減速電機的選型

如果按電機在工頻狀態(tài)下工作，即電機在0~50 Hz范圍內(nèi)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(shè)計，在0.001~1.8 m/s速度范圍內(nèi)，吊桿都能提升載荷15 kN。與劇院標(biāo)書所要求的吊桿性能相比，不僅設(shè)備投資上非常浪費，而且給總用電量等也帶來很大負(fù)擔(dān)。

解決這一問題的有效方法是，用高性能變頻器驅(qū)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(nèi)保持恒轉(zhuǎn)矩輸出。

方案二，使用普通變頻電機在弱磁范圍內(nèi)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(tài)，此時為恒功率輸出，其轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。

2.1 不同工況計算數(shù)據(jù)

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

（1）高速狀態(tài)

高速狀態(tài)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(tài)計算數(shù)據(jù)

（2）低速狀態(tài)

低速狀態(tài)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(tài)，減速電機所需要的最大功率為24.43 kW，輸出轉(zhuǎn)速99.4 r/min；按低速狀態(tài)，減速電機所需要的最大功率為23.55 kW，輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩減小的情況下，可持續(xù)獲得恒定的轉(zhuǎn)矩。采用87 Hz特性電機的優(yōu)點在于，電機規(guī)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(tài)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(dāng)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(xiàn)電流超標(biāo)而報警現(xiàn)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(tài)計算數(shù)據(jù)

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(zhuǎn)速n1=1 460 r/min，速比i=23.33，減速機額定輸出轉(zhuǎn)速n2=62.41 r/min，服務(wù)系數(shù)fB=1.3。

圖2是所選的87Hz減速電機配45 kW變頻器輸出轉(zhuǎn)矩曲線及數(shù)據(jù)對照表。

其中：

——○——Max. Torque 短時轉(zhuǎn)矩曲線（60 s）Nm；

——◆——Rated Torque 額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩曲線Nm（連續(xù)工作制）；

——*——Starting Torque 起動轉(zhuǎn)矩曲線Nm；

——◆——Breakdown Torque 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩曲線Nm；

——□——減速機輸出轉(zhuǎn)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(yīng)吊桿提升速度0～1.8m/s）內(nèi)，減速電機額定輸出轉(zhuǎn)矩為3 357 Nm，短時輸出轉(zhuǎn)矩為5 036 Nm，分別遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低速狀態(tài)（1.0 m/s）減速電機所需要的靜轉(zhuǎn)矩3 003 Nm和加速轉(zhuǎn)矩4 281 Nm，同時也分別遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高速狀態(tài)（1.8 m/s）減速電機所需要的靜轉(zhuǎn)矩1 731 Nm和加速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩曲線及數(shù)據(jù)對照表

在不考慮溫升對電機負(fù)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(zhuǎn)矩輸出；當(dāng)頻率超過50 Hz時，電機在弱磁范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)為恒功率輸出，由于其磁通量的下降而帶來電機轉(zhuǎn)矩的下降，輸出轉(zhuǎn)矩的計算公式為M工作頻率=Mn×50/f工作頻率，輸出轉(zhuǎn)矩隨著電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速設(shè)定在2 336 r/min（80 Hz）；當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速在1 460 r/min（50 Hz）時，對應(yīng)吊桿的速度為1.125 m/s；當(dāng)?shù)鯒U在低速狀態(tài)最高速度（1.0 m/s）時，對應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速為1 298 r/min，頻率為44.45 Hz。根據(jù)以上我們推斷出減速器的速比i=23.51。

參考上述，根據(jù)標(biāo)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(zhuǎn)速n1=1 455 r/min，速比i=23.33，減速機輸出轉(zhuǎn)速n2=62.41 r/min，減速機輸出轉(zhuǎn)矩M=3 369 Nm，服務(wù)系數(shù)fB=1.3，電機的額定電流為43 A，額定轉(zhuǎn)矩Mn=145.1 Nm。由于電機需在弱磁范圍內(nèi)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(yīng)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(zhuǎn)矩曲線及數(shù)據(jù)對照表。

其中：

——○——Max. Torque 短時轉(zhuǎn)矩曲線（60 s）Nm；

——◆——Rated Torque 額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩曲線及數(shù)據(jù)對照表

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

——*——Starting Torque 起動轉(zhuǎn)矩曲線Nm；

——◆——Breakdown Torque 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩曲線Nm；

——□——減速機輸出轉(zhuǎn)速n2，r/min。

通過圖3分析，當(dāng)?shù)鯒U在低速狀態(tài)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(zhuǎn)矩為3 357 Nm，短時輸出轉(zhuǎn)矩為6 676 Nm，分別大于此頻率處減速電機所需要的靜轉(zhuǎn)矩3 003 Nm和加速轉(zhuǎn)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(tài)（1.0 m/s）下提升15 kN載荷；當(dāng)?shù)鯒U在高速狀態(tài)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(zhuǎn)矩為2098 Nm，短時輸出轉(zhuǎn)矩為2 608 Nm，分別大于此頻率處減速電機所需要的靜轉(zhuǎn)矩1 731 Nm和加速轉(zhuǎn)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(nèi)（對應(yīng)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(jù)上述計算分析的結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向滑輪與桿體連接，桿體上懸掛沙包（載荷），重量可根據(jù)需要進行調(diào)整。

吊桿卷揚機配置有速度、位置編碼器、上下限位、超程開關(guān)、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(jīng)PLC自動判別外部載荷的大小而選擇吊桿的運行速度：當(dāng)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(nèi)容：

（1）低速能力測試。按低速狀態(tài)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(huán)規(guī)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?，F(xiàn)象。

（2）高速能力測試。按高速狀態(tài)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(huán)規(guī)定為在滿載荷下6次全程運轉(zhuǎn)，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?，F(xiàn)象。

（3）載荷能力測試。按低速狀態(tài)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(rèn)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(shè)定值為額定載荷的1.2倍即18（1.2×15）kN，當(dāng)加載超過18 kN時，載荷傳感器通過PLC發(fā)出超載信號，控制系統(tǒng)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(dāng)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(tài)最高速度（1.0 m/s）下載荷15 kN、及高速狀態(tài)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(guān)，檢測制動效果及制動位移量。

兩臺樣機經(jīng)過上述項目的測試，性能均符合設(shè)計要求。目前這項新技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先的地位，已在山東省會文化藝術(shù)中心、臺中大都會等劇院得到運用。

4 結(jié)論

通過上述理論分析和試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：

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

（2）當(dāng)采用普通變頻電機弱磁范圍內(nèi)運行時（恒功率工況），其輸出轉(zhuǎn)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(dāng)選用普通變頻電機在弱磁范圍內(nèi)運行時，必須對其在弱磁范圍內(nèi)工作轉(zhuǎn)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(nèi)運行替代，可以大大節(jié)省成本。