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      針對不同舞臺應用,電機該如何選?看這里...

      來源:www.agence-immobiliereparis.com 發布時間:2022年06月21日

      1 關于電機的初步認識

      在當前的舞臺機械行業中,傳動的方式多種多樣,如液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動等,其原動機都是電機驅動。隨著電技術的進步以及液壓和氣壓傳動中的一些應用限制,目前更多的應用場景采用電機驅動機械傳動的方式,在本文,筆者重點討論機械傳動下的電機選型。

      電機劃分的種類多種多樣,根據供電方式可分為直流電機和交流電機,按照結構和工作原理可分為異步電動機和同步電動機。舞臺機械行業采用的電機主要有兩種,一種為交流三相異步電機中的籠型異步電機(即鼠籠式異步電機),采用變頻驅動方式;一種為永磁同步電機,多采用專用的伺服驅動器進行驅動。對于其他類型的電機,由于舞臺機械行業應用相對較少,在此不做介紹。這里需要說明的是,文中所述異步電機特指三相交流籠型異步電機(見圖1)。同步電機或者伺服電機特指永磁同步電機(見圖2);對于文中所涉及的舞臺機械行業中的應用場景,主要包括固定場館的秀場、流動演出,以及威亞中的應用等。


       

      1)籠型異步電機

      籠型三相交流異步電機是用三相交流電產生的旋轉磁場帶動電機轉子旋轉的,轉子不是永磁的,也不是線組   是籠型結構,俗稱鼠籠,如圖3所示。

       

       

      籠型是不可能與磁場同步旋轉的,只有籠型比磁場轉得慢時才有籠型與磁場的相對轉動,才能切割磁力線感生電流,感生電流在洛倫茲力作用下推動鼠籠轉子異步旋轉?;\型與磁場轉速之差稱為轉差,轉差大則感生電流大,電流大則力大,力大則增加籠型轉速。

      轉差與力會形成平衡,籠型轉速將穩定在某一轉差值。由于轉子旋轉速度比旋轉磁場慢,故稱之為異步電機。

      交流異步電機沒有電刷與換向器,沒有直接磨損部件,故障率與維護大大減少;電機采用密封,避免粉塵、雜質的污染,可靠性大大提高。

      (2)永磁同步電機

      永磁同步電機與籠型異步電機最大的區別是在轉子的結構和原理上,同步電機轉子鐵芯由導磁良好的硅鋼片和永磁體構成。把永久磁鐵轉子放在能產生旋轉磁場的定子鐵芯中,它將會跟隨旋轉磁場同步旋轉,其轉速與旋轉磁場一致,故稱之為同步電動機。

      為提高電機效率,提高調速精度,對電機非傳動端軸安裝位置與速度檢測裝置,多采用編碼器進行速度和位置反饋。

      為防止鐵屑與磁性粉塵進入電機,永磁電機均采用密封機殼,散熱問題尤為重要,主要采用風冷或水冷方式。

      2 兩種電機的特點比較

      針對舞臺機械應用領域的特點,從基本參數、驅動方式、精度、制動幾個方面進行比較。

      (1)基本參數

      異步電機體積相對較大,但工藝比較簡單,性能穩定可靠,功率可做得比較大,幾百千瓦的異步電機也很常見。異步電機可改裝性比較強,一般可以在電機尾軸出軸的部位進行額外的改裝和加工。

      同步伺服電機體積相對較小,一般同等功率下體積要比異步電機小。

      (2)驅動方式

      異步電機可采用變頻器進行驅動,也可直接采用交流電進行直通控制,對于變頻器的選型無特定要求。一個電機可以通過不同廠家的變頻器進行驅動。交流電機也可以通過軟啟動器驅動電機使其緩起緩停,但是對于舞臺機械提升類應用并不適合。

      同步伺服電機則通常采用電機廠家的伺服驅動來進行電機控制。采用第三方的驅動單元則相對麻煩,需要對電機參數進行匹配,操控人員的工作相對更繁瑣。需要指出的是,由于異步電機可采用直通控制的方式,可在某些情況下采用三相交流電進行應急直接

      動,而同步伺服則無法做到,這主要是電機構造原理所決定的。

      (3)精度

      對于舞臺機械行業,異步電機和伺服電機的精度都足夠,最終控制效果都能輕松達到毫米級。電機的響應速度和運行精度(如升降臺、吊桿等舞臺設備的運行精度最終體現在實際的定位精度和同步精度,特別是異步電機運行的高精度得益于變頻器矢量控制理論

      快速發展)都不存在實質的區別。

      (4)制動

      異步電機制動可直接在電機尾軸根據需要選擇配置無制動、單制動、雙制動,均為電機的常見配置。同步伺服電機則基本上只能配置單制動或者無制動,并且由于體積限制,制動單元制動力矩一般只用于保持靜態力矩,并不適合在運行情況下失電制動停車。

      伺服電機一般無法帶雙制動,并且自帶的制動單元力矩不夠,在舞臺機械提升應用一般都需要配置單獨的外置制動單元,某種程度上使得演出設備的體積、重量以及復雜度都會增加。而配置了雙制動的異步電機的制動力矩往往是同類型伺服電機力矩的3~8倍,

      特性使得異步電機一般不需要額外外置制動模塊。

      異步電機的制動單元可選擇加裝制動檢測微動開關,這種對于需要滿足SIL3安全標準的設備非常有幫助,同等情況假如采用同步伺服電機,則無法加裝反饋檢測,則需采用其他措施,如加裝外部雙制動,再在雙制動上增加制動反饋檢測開關。

      3 安裝和使用

      在舞臺機械行業的應用中,可根據項目周期、實際需求關注點(安全、精度以及工作制度)、工程技術人員、實用操作人員的知識結構和經驗閱歷、工程及運維成本等因素,選擇使用的電機類型,具體的考量內容見表1。

       

      異步電機常用于劇場、秀場等固定場所。該類場所一般所需電機功率較大,臺上吊掛類設備和臺下升降平移類設備功率通常都在5.5 kW 以上。

      同步伺服電機目前則主要應用于威亞裝置上,同時應用于﹣些流動演出,此類應用的特點是設備功率相對較小,機械類裝置需要經常換場。在此類應用中,伺服電機通常采用5 kW 功率大小的電機,實際使用過程中所掛載荷一般遠小于理論載荷,同時采用蝸輪蝸

      減速機,可在一定程度上保證安全,使得設備在常規使用過程中能正常工作。但是該類設備一股也存在缺陷,比如在懸掛重載并持續下降過程中,會不同程度地出現各種問題。

      關于電機產品的選型,同步伺服電機歐美系相比其他日韓和國內品牌的伺服而言,編碼器可選擇不需要加裝電池的機械式多圈值編碼器,而國內的同服品牌和日韓系品牌同服申機值編碼器幾乎都采用需要加裝電池的磁性編碼器。機械多圈編碼器在﹣些特殊應用

      合優勢比較明顯,比如一些安裝完成后無法經常校準位置的場合,或者校準比較麻煩的場合,如三維威亞,一般校準位置需要廠家人員去現場校準,此類情況一般建議優先選擇機械式多圈值編碼器。

      2019年,筆者在武漢軍運會活動中(見圖4),在前期威亞設備研制的過程中,由于威亞行業普遍采用伺服電機,因此,對同等功率的同步伺服和異步電機進行了實地測試和比較,伺服制動過程異常(國內不少伺服電機的共性)、報警異常、剎車力矩不夠等狀況不

      斷。最終,196臺電機均采用異步電機(見圖5),運行平穩。異步電機由于獲取渠道簡單,同一品牌的變頻器對于異步電機無特殊要求,可在電機損壞的情況下更換不同廠家的電機;剎車力矩夠,一般不需要額外配置單獨的制動單元;表現精度沒有本質區別,均使

      得采用異步

       

       

      4 結語

      舞臺機械的應用中還會用到直流電機、步進電機等其他種類的電機。但最長用的電機主要還是籠型異步電機和伺服電機。在針對應用場景進行電機的選型時,伺服電機在設備體積重量方面占據優勢;同時,基于安全以及機械設備本身復雜程度考慮,籠型異步電機有利于舞臺安全。

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