糖廠感應電動機的控制策略研究

楊志紅，周 川，湯晏文，張云鵬，楊津聽，羅韶波，廖瑞祥

(1云南機電職業技術學院，云南昆明 650201；2俊發集團有限公司，云南昆明 650225；3云南英茂糖業（集團）有限公司，云南昆明 650228；4云南人民電力電氣有限公司，云南昆明 650503；5昆明電器科學研究所，云南昆明 650221；6云南尹廈企業管理有限公司，云南昆明 650228)

0 引言

三相異步感應電動機在糖廠中常用于拖動生產機械，根據糖廠的制糖工藝流程(圖1)，其用電量占糖廠用電量的90%以上，是糖廠最重要和最主要的負荷。現代化糖廠生產對三相異步感應電動機的可靠性和自動化程度的要求越來越高，具體而言就是要求三相異步感應電動機安全、穩定、長期可靠地運行。因此對三相異步感應電動機進行穩態特性、暫態特性、分相等研究十分必要。

制糖工藝包括甘蔗、水、汽等多種物料的分支與循環流程、多種能量與信息參與的流程等，物料能量信息流程結構非常復雜，作為主要的動力來源，電動機在工藝流程的各環節中特別重要，并且在不同環節對其性能要求有其特殊性：有的要求重載起動長期可靠運行；有的要求頻繁起停、多種運行速度快速多次切換，對三相異步感應電動機的動靜態指標要求均很高。整體而言，為了保證糖廠運行過程中物料流程和能量的通暢、平衡，物流與能流的協同配合，對三相異步感應電動機群的起動與運行過程中的速度、轉矩、加減速時間的要求非常嚴苛。

糖廠電力系統網絡結構復雜，但目前很多糖廠電力系統存在部分供電節點冗余容量有限的問題，這就導致故障停機時有發生，偶爾出現電機起動失敗、停機后恢復運行時間過長、生產線被迫中斷等情況，發生生產事故乃至安全事故，造成不必要的經濟損失。為保障三相異步感應電動機安全、穩定、長期可靠的運行，本研究對感應電動機的暫態特性、穩態特性、失電殘壓、失電轉速等進行了研究，分析了影響感應電動機惰性的因素，對感應電動機的重載起動技術、直接轉矩控制技術、矢量控制技術進行了比較研究，提出了糖廠三相異步感應電動機的綜合控制策略。

1 三相異步感應電動機的控制策略

糖廠生產流程中，根據不同環節對電動機性能要求的不同，對應的三相異步感應電動機的控制策略也有差異。拖動甘蔗預處理流程中預斬撕裂機和切蔗機，甘蔗壓榨流程、澄清蒸發流程中各類泵的三相異步感應電動機要求重載起動；拖動煮糖流程中分蜜機的三相異步感應電動機要求頻繁起停、多種運行速度快速多次切換，其本質上是要求對電磁轉矩實施快速精準控制；糖廠鍋爐鼓引風機、球磨機、排粉風機、給水泵站處的供電節點冗余容量有限，要求確保三相異步感應電動機快速可靠起動、多機起動互不干擾。

1.1 三相異步感應電動機重載起動技術

圖1 糖廠的制糖工藝流程圖

目前，糖廠大部分三相異步感應電動機均為直接起動，就連預斬撕裂機、切蔗機也只分2級起動。三相異步感應電動機在通電旋轉之前僅僅是個直流電阻負載，若直接供給額定電壓，會發生短路事故，對重載大功率感應電動機尤其嚴重。根據相關理論[1-13]，異步電動機的起動應考慮：①限制起動電流；②足夠的起動轉矩，滿足Tst＞1.1TL條件，Tst為起動轉矩，TL為負載轉矩；③起動的經濟性，包括設備簡單、操作方便和低起動損耗。轉子串入對稱三相電阻的方法應用于繞線型式異步電動機的重載起動，同時還應具備一定的調速功能。

目前常用的三相異步感應電動機重載起動技術是三相異步感應電動機轉子串入三相對稱電阻的起動技術，一般采用2級起動，即1級起動串入電阻R′ad1，2級起動串入R′ad2，負載特別重時，需采用3級或4級起動。三相異步感應電動機轉子串入三相對稱電阻的起動原理及特性如圖2所示。圖2(a)給出了電動機轉子串入三相對稱電阻的主接線圖，Rad是串入的電阻；圖2(b)為串電阻起動時的人為機械特性曲線圖，給出了分別串入的電阻R′ad1、R′ad2、R′ad3以及R′ad3過大導致不能正常起動時的人為機械特性，圖中，n是電機轉速、n1是電機空載轉速，A、B、C、D、E點分別是串電阻起動后電動機的穩定運行工作點，r2′是折算到電動機定子側的轉子電阻值、T是轉矩。TL是負載轉矩、Tst是起動轉矩，并且R′ad1＜R′ad2＜R′ad3，分為3級起動，級數越多起動過程越平滑。三相異步感應電動機轉子串入三相對稱電阻起動無論分為幾級起動，串入電阻值最大時的機械特性拐點對應的電磁轉矩值必須大于負載轉矩。

圖2 三相異步感應電動機轉子串入三相對稱電阻的起動原理及特性

1.2 三相異步感應電動機的直接轉矩控制技術

針對三相異步感應電動機的控制，電氣工程領域的專家學者首先是發明了恒壓頻比控制技術，但恒壓頻比控制技術存在控制精度不高、快速性差、對電機的磁場利用率不足。1985年，隨著技術的進步以及生產實踐的迫切需求，德國學者Depenbrock提出了直接轉矩控制感應電動機的拖動技術[3-15,23]。感應電動機直接轉矩控制技術實現原理見圖3。

圖3 三相異步感應電動機直接轉矩控制技術實現原理圖

直接轉矩控制技術采用了感應電動機動態模型當中的靜止的三相定子繞組ABC坐標系，磁通、轉矩的計算均通過空間電壓矢量的計算方法在該坐標系下進行，逆變橋和電機作為一個子系統，與上級系統以及平行子系統的控制關系簡單。系統通過磁鏈模型觀測感應電動機的定子磁鏈，通過轉矩模型觀測感應電動機的電磁驅動轉矩，反饋到對應的砰-砰控制器分別對磁通和轉矩實施控制。磁通的控制只區分拖動系統是工作在恒功率區還是恒轉矩區，不作頻繁調節，對系統速度波動的影響很小，可以忽略，磁鏈模型觀測定子磁鏈不使用轉子參數，系統魯棒性好；轉矩由砰-砰控制器實施控制，控制過程中速度波動較大，但快速性好，轉矩模型觀測電磁轉矩只需感應電動機動態模型中的定子部分的參數，無需復雜的電流解耦、坐標旋轉以及矢量變換，控制結構簡單。

1.3 三相異步感應電動機的矢量控制技術

在恒壓頻比控制技術的基礎上，達姆斯塔特工業大學(TU Darmstadt)的K.Hasse在20世紀60年代末提出了三相異步感應電動機的矢量控制技術[7,16-22]，其實現原理如圖4所示。矢量控制技術采用了感應電動機動態模型當中的靜止三相定子繞組ABC坐標系、與ABC坐標系對應的靜止的二相坐標系、旋轉的三相轉子繞組ABC坐標系、與ABC坐標系對應的旋轉的二相坐標系等4種坐標系，基于線性代數中的矢量變換實現，因而稱為矢量控制。磁通、轉矩的計算均通過空間電壓矢量的計算方法在上述4種坐標系下進行，各坐標系下的量值還要映射到各自對應的空間以實施控制信號的傳遞。矢量控制類比直流電動機的控制對感應電動機實施控制，矢量控制感應電動機調速系統的靜、動態特性均與直流調速系統相當。矢量控制系統的特征是控制系統結構復雜、系統計算量大、涉及的理論基礎多、轉速以及轉矩波動小、調速精度高。

2 糖廠三相異步感應電動機的控制技術選擇

針對應用于糖廠的三相異步感應電動機的種類比較繁多，結合應用的生產規模和工藝要求，對于日處理7000 t的大型糖廠來說，電動機控制技術的選擇對糖廠的節能和安全生產起著關鍵的作用。三相異步感應電動機的工作狀態與電動機的功率范圍、生產工藝、運行工況密切相關，本文依據功率范圍、生產工藝、運行工況等因素對三相異步感應電動機實施分類控制。

2.1 全壓起動電機的改造

將一號、二號輸蔗機由直流調速電機控制方式改為三相異步感應電動機加轉差離合控制方式，全壓啟動。改造前缺點是啟動時間長，調速過程長，甘蔗破碎不均勻，甘蔗入輥斷斷續續，入榨不連續；改造后優點：一是降低了故障率；二是保證了甘蔗破碎度；三是入輥順暢不堆積；四是啟動方便。

將原耙齒上升機、蔗渣平送機、石灰攪拌機、輸泥皮帶機、絮凝劑攪拌系統等降壓啟動的設備改為三相異步感應電動機加轉差離合控制方式，全壓啟動。改造后優點包括啟動時間短、調速方便、故障率低等。

原設計中蔗汁泵采用普通水泵，由于設計上沒有完全考慮利用沖擊力這一因素解決管道蔗渣堵塞問題，使用過程中發現蔗汁泵過載停機后，再啟動時會造成管道內大量蔗渣堵塞，被迫再次停機，只能停機拆開管道或用錘子猛敲管道進行疏通。原設計安全率低，易形成惡性循環，在改用無阻泵后，啟動時間大大縮短，并且解決了管道堵塞的問題，提高了安全率。

圖4 三相異步感應電動機矢量控制技術的實現原理圖

原快沉泵、上浮泵、濾清汁泵、絮凝劑計量泵、甲原甲洗稀釋箱、乙原乙洗稀釋箱、糖塊會溶機、回溶糖漿泵、甲原甲洗稀釋箱、乙原乙洗稀釋箱、糖塊會溶機、回溶糖漿泵等改為汽送泵。改造前存在的問題包括：①電機功率小且多；②每一個回路需要增加控制方式如空氣開并、接觸器、過熱保護繼電器、啟停安鈕、啟停指示燈等電器設備；③閥門是螺旋閥門，啟動后要手動開啟閥門，所送物料多是帶顆粒物料，易造成管道堵塞。改用汽送泵，利用空氣壓縮機氣源作為動力，將螺旋閥門改成閘板閥，取消電器回路控制。進行改造后節省了啟動控制屏，并且在實際使用過程中未出現過物料堵塞，安全率和穩定性得到了提高。

將發電分廠給煤機全改為直流調速，保證給煤的穩定性。

上述系統改造后達到優化的效果，一是明顯提升了能效，二是安全可靠高效。

2.2 降壓直接起動型

將對于30 kW至130 kW以下的鍋爐冷熱給水泵、復用泵、循環水泵、物料泵、深透水泵、三泵房給水泵、空壓機、高壓清洗機等采用降壓直接起動。改造前部分是全壓起動，部分是星-三角形起動，部分是延邊三角形起動。改造后提升起動轉矩、降低起動電流、減小對電網的沖擊。

2.3 轉子串入對稱三相電阻啟動型

對于轉動慣量大的如撕裂機和130 kW以上的給水泵類為代表的要求重載起動長期-運行的電動機，設置起動電阻連續可調的起動裝置、配置起動過程完成以后切除起動裝置的功能；配置轉子電流以及定子失電殘壓檢測裝置實時檢測電流及電壓，輸出再起動指令，保證再起動的成功。改造前是轉子串入對稱三相分級電阻啟動，有的分1級、有的分2級。改造后有級起動變為無級起動，起動過程、起動轉矩、起動電流等可以進行調整。

2.4 直接轉矩控制技術型

煮糖過程中的分蜜機要求頻繁起停、多種運行速度快速多次切換、動靜態指標要求均很高。配置直接轉矩控制變頻器實施控制，盡管控制過程中速度波動較大，但獲得了快速性好，無需復雜的電流解耦、坐標旋轉，控制結構簡單的良好效果。充分利用了直接轉矩控制的快速性特征。

2.5 矢量控制技術型

對于甘蔗預處理流程中的撕裂機等要求三相異步感應電動機重載起動長期可靠運行的情形。配置矢量控制變頻器實施控制，使之與定子斷電后轉子電流和轉子角速度的變化規律、感應電動機的起動特性、感應電動機靜態電壓特性所匹配；在由冗余容量有限的供電節點供電的電動機處配置矢量控制變頻器，降低電動機起動對供電節點供電容量的需求，變頻調速啟動感應電動機類型。改造后可以充分利用電機的性能來彌補由冗余容量的不足。

3 結語

通過對糖廠中三相異步感應電動機不同功率段、不同工藝要求、不同工況的性能需求的研究以及對三相異步感應電動機控制技術的綜合研究，提出了全壓起動電機的改造、降壓直接起動型、轉子串入對稱三相電阻啟動型、直接轉矩控制技術型、矢量控制技術型等5種控制策略分類對電機實施控制。通過2個榨季的驗證，由電動機運行故障導致的停機分別由117、109次降低到了109和101次，停機率降低了約5個百分點，可以作為其他糖廠動力改造的良好借鑒。

4 致謝

本文的構思和寫作得益于常年在糖廠服務過程中積累的一點經驗和方法，以及平時工作接觸的潛移默化中得到了糖業界前輩，輕紡工程領域和電氣工程領域雙專家周崇興教授的影響，在此特表謝意！