糖厂感应电动机的控制策略研究

杨志红，周 川，汤晏文，张云鹏，杨津听，罗韶波，廖瑞祥

(1云南机电职业技术学院，云南昆明 650201；2俊发集团有限公司，云南昆明 650225；3云南英茂糖业（集团）有限公司，云南昆明 650228；4云南人民电力电气有限公司，云南昆明 650503；5昆明电器科学研究所，云南昆明 650221；6云南尹厦企业管理有限公司，云南昆明 650228)

0 引言

三相异步感应电动机在糖厂中常用于拖动生产机械，根据糖厂的制糖工艺流程(图1)，其用电量占糖厂用电量的90%以上，是糖厂最重要和最主要的负荷。现代化糖厂生产对三相异步感应电动机的可靠性和自动化程度的要求越来越高，具体而言就是要求三相异步感应电动机安全、稳定、长期可靠地运行。因此对三相异步感应电动机进行稳态特性、暂态特性、分相等研究十分必要。

制糖工艺包括甘蔗、水、汽等多种物料的分支与循环流程、多种能量与信息参与的流程等，物料能量信息流程结构非常复杂，作为主要的动力来源，电动机在工艺流程的各环节中特别重要，并且在不同环节对其性能要求有其特殊性：有的要求重载起动长期可靠运行；有的要求频繁起停、多种运行速度快速多次切换，对三相异步感应电动机的动静态指标要求均很高。整体而言，为了保证糖厂运行过程中物料流程和能量的通畅、平衡，物流与能流的协同配合，对三相异步感应电动机群的起动与运行过程中的速度、转矩、加减速时间的要求非常严苛。

糖厂电力系统网络结构复杂，但目前很多糖厂电力系统存在部分供电节点冗余容量有限的问题，这就导致故障停机时有发生，偶尔出现电机起动失败、停机后恢复运行时间过长、生产线被迫中断等情况，发生生产事故乃至安全事故，造成不必要的经济损失。为保障三相异步感应电动机安全、稳定、长期可靠的运行，本研究对感应电动机的暂态特性、稳态特性、失电残压、失电转速等进行了研究，分析了影响感应电动机惰性的因素，对感应电动机的重载起动技术、直接转矩控制技术、矢量控制技术进行了比较研究，提出了糖厂三相异步感应电动机的综合控制策略。

1 三相异步感应电动机的控制策略

糖厂生产流程中，根据不同环节对电动机性能要求的不同，对应的三相异步感应电动机的控制策略也有差异。拖动甘蔗预处理流程中预斩撕裂机和切蔗机，甘蔗压榨流程、澄清蒸发流程中各类泵的三相异步感应电动机要求重载起动；拖动煮糖流程中分蜜机的三相异步感应电动机要求频繁起停、多种运行速度快速多次切换，其本质上是要求对电磁转矩实施快速精准控制；糖厂锅炉鼓引风机、球磨机、排粉风机、给水泵站处的供电节点冗余容量有限，要求确保三相异步感应电动机快速可靠起动、多机起动互不干扰。

1.1 三相异步感应电动机重载起动技术

图1 糖厂的制糖工艺流程图

目前，糖厂大部分三相异步感应电动机均为直接起动，就连预斩撕裂机、切蔗机也只分2级起动。三相异步感应电动机在通电旋转之前仅仅是个直流电阻负载，若直接供给额定电压，会发生短路事故，对重载大功率感应电动机尤其严重。根据相关理论[1-13]，异步电动机的起动应考虑：①限制起动电流；②足够的起动转矩，满足Tst＞1.1TL条件，Tst为起动转矩，TL为负载转矩；③起动的经济性，包括设备简单、操作方便和低起动损耗。转子串入对称三相电阻的方法应用于绕线型式异步电动机的重载起动，同时还应具备一定的调速功能。

目前常用的三相异步感应电动机重载起动技术是三相异步感应电动机转子串入三相对称电阻的起动技术，一般采用2级起动，即1级起动串入电阻R´ad1，2级起动串入R´ad2，负载特别重时，需采用3级或4级起动。三相异步感应电动机转子串入三相对称电阻的起动原理及特性如图2所示。图2(a)给出了电动机转子串入三相对称电阻的主接线图，Rad是串入的电阻；图2(b)为串电阻起动时的人为机械特性曲线图，给出了分别串入的电阻R´ad1、R´ad2、R´ad3以及R´ad3过大导致不能正常起动时的人为机械特性，图中，n是电机转速、n1是电机空载转速，A、B、C、D、E点分别是串电阻起动后电动机的稳定运行工作点，r2´是折算到电动机定子侧的转子电阻值、T是转矩。TL是负载转矩、Tst是起动转矩，并且R´ad1＜R´ad2＜R´ad3，分为3级起动，级数越多起动过程越平滑。三相异步感应电动机转子串入三相对称电阻起动无论分为几级起动，串入电阻值最大时的机械特性拐点对应的电磁转矩值必须大于负载转矩。

图2 三相异步感应电动机转子串入三相对称电阻的起动原理及特性

1.2 三相异步感应电动机的直接转矩控制技术

针对三相异步感应电动机的控制，电气工程领域的专家学者首先是发明了恒压频比控制技术，但恒压频比控制技术存在控制精度不高、快速性差、对电机的磁场利用率不足。1985年，随着技术的进步以及生产实践的迫切需求，德国学者Depenbrock提出了直接转矩控制感应电动机的拖动技术[3-15,23]。感应电动机直接转矩控制技术实现原理见图3。

图3 三相异步感应电动机直接转矩控制技术实现原理图

直接转矩控制技术采用了感应电动机动态模型当中的静止的三相定子绕组ABC坐标系，磁通、转矩的计算均通过空间电压矢量的计算方法在该坐标系下进行，逆变桥和电机作为一个子系统，与上级系统以及平行子系统的控制关系简单。系统通过磁链模型观测感应电动机的定子磁链，通过转矩模型观测感应电动机的电磁驱动转矩，反馈到对应的砰-砰控制器分别对磁通和转矩实施控制。磁通的控制只区分拖动系统是工作在恒功率区还是恒转矩区，不作频繁调节，对系统速度波动的影响很小，可以忽略，磁链模型观测定子磁链不使用转子参数，系统鲁棒性好；转矩由砰-砰控制器实施控制，控制过程中速度波动较大，但快速性好，转矩模型观测电磁转矩只需感应电动机动态模型中的定子部分的参数，无需复杂的电流解耦、坐标旋转以及矢量变换，控制结构简单。

1.3 三相异步感应电动机的矢量控制技术

在恒压频比控制技术的基础上，达姆斯塔特工业大学(TU Darmstadt)的K.Hasse在20世纪60年代末提出了三相异步感应电动机的矢量控制技术[7,16-22]，其实现原理如图4所示。矢量控制技术采用了感应电动机动态模型当中的静止三相定子绕组ABC坐标系、与ABC坐标系对应的静止的二相坐标系、旋转的三相转子绕组ABC坐标系、与ABC坐标系对应的旋转的二相坐标系等4种坐标系，基于线性代数中的矢量变换实现，因而称为矢量控制。磁通、转矩的计算均通过空间电压矢量的计算方法在上述4种坐标系下进行，各坐标系下的量值还要映射到各自对应的空间以实施控制信号的传递。矢量控制类比直流电动机的控制对感应电动机实施控制，矢量控制感应电动机调速系统的静、动态特性均与直流调速系统相当。矢量控制系统的特征是控制系统结构复杂、系统计算量大、涉及的理论基础多、转速以及转矩波动小、调速精度高。

2 糖厂三相异步感应电动机的控制技术选择

针对应用于糖厂的三相异步感应电动机的种类比较繁多，结合应用的生产规模和工艺要求，对于日处理7000 t的大型糖厂来说，电动机控制技术的选择对糖厂的节能和安全生产起着关键的作用。三相异步感应电动机的工作状态与电动机的功率范围、生产工艺、运行工况密切相关，本文依据功率范围、生产工艺、运行工况等因素对三相异步感应电动机实施分类控制。

2.1 全压起动电机的改造

将一号、二号输蔗机由直流调速电机控制方式改为三相异步感应电动机加转差离合控制方式，全压启动。改造前缺点是启动时间长，调速过程长，甘蔗破碎不均匀，甘蔗入辊断断续续，入榨不连续；改造后优点：一是降低了故障率；二是保证了甘蔗破碎度；三是入辊顺畅不堆积；四是启动方便。

将原耙齿上升机、蔗渣平送机、石灰搅拌机、输泥皮带机、絮凝剂搅拌系统等降压启动的设备改为三相异步感应电动机加转差离合控制方式，全压启动。改造后优点包括启动时间短、调速方便、故障率低等。

原设计中蔗汁泵采用普通水泵，由于设计上没有完全考虑利用冲击力这一因素解决管道蔗渣堵塞问题，使用过程中发现蔗汁泵过载停机后，再启动时会造成管道内大量蔗渣堵塞，被迫再次停机，只能停机拆开管道或用锤子猛敲管道进行疏通。原设计安全率低，易形成恶性循环，在改用无阻泵后，启动时间大大缩短，并且解决了管道堵塞的问题，提高了安全率。

图4 三相异步感应电动机矢量控制技术的实现原理图

原快沉泵、上浮泵、滤清汁泵、絮凝剂计量泵、甲原甲洗稀释箱、乙原乙洗稀释箱、糖块会溶机、回溶糖浆泵、甲原甲洗稀释箱、乙原乙洗稀释箱、糖块会溶机、回溶糖浆泵等改为汽送泵。改造前存在的问题包括：①电机功率小且多；②每一个回路需要增加控制方式如空气开并、接触器、过热保护继电器、启停安钮、启停指示灯等电器设备；③阀门是螺旋阀门，启动后要手动开启阀门，所送物料多是带颗粒物料，易造成管道堵塞。改用汽送泵，利用空气压缩机气源作为动力，将螺旋阀门改成闸板阀，取消电器回路控制。进行改造后节省了启动控制屏，并且在实际使用过程中未出现过物料堵塞，安全率和稳定性得到了提高。

将发电分厂给煤机全改为直流调速，保证给煤的稳定性。

上述系统改造后达到优化的效果，一是明显提升了能效，二是安全可靠高效。

2.2 降压直接起动型

将对于30 kW至130 kW以下的锅炉冷热给水泵、复用泵、循环水泵、物料泵、深透水泵、三泵房给水泵、空压机、高压清洗机等采用降压直接起动。改造前部分是全压起动，部分是星-三角形起动，部分是延边三角形起动。改造后提升起动转矩、降低起动电流、减小对电网的冲击。

2.3 转子串入对称三相电阻启动型

对于转动惯量大的如撕裂机和130 kW以上的给水泵类为代表的要求重载起动长期-运行的电动机，设置起动电阻连续可调的起动装置、配置起动过程完成以后切除起动装置的功能；配置转子电流以及定子失电残压检测装置实时检测电流及电压，输出再起动指令，保证再起动的成功。改造前是转子串入对称三相分级电阻启动，有的分1级、有的分2级。改造后有级起动变为无级起动，起动过程、起动转矩、起动电流等可以进行调整。

2.4 直接转矩控制技术型

煮糖过程中的分蜜机要求频繁起停、多种运行速度快速多次切换、动静态指标要求均很高。配置直接转矩控制变频器实施控制，尽管控制过程中速度波动较大，但获得了快速性好，无需复杂的电流解耦、坐标旋转，控制结构简单的良好效果。充分利用了直接转矩控制的快速性特征。

2.5 矢量控制技术型

对于甘蔗预处理流程中的撕裂机等要求三相异步感应电动机重载起动长期可靠运行的情形。配置矢量控制变频器实施控制，使之与定子断电后转子电流和转子角速度的变化规律、感应电动机的起动特性、感应电动机静态电压特性所匹配；在由冗余容量有限的供电节点供电的电动机处配置矢量控制变频器，降低电动机起动对供电节点供电容量的需求，变频调速启动感应电动机类型。改造后可以充分利用电机的性能来弥补由冗余容量的不足。

3 结语

通过对糖厂中三相异步感应电动机不同功率段、不同工艺要求、不同工况的性能需求的研究以及对三相异步感应电动机控制技术的综合研究，提出了全压起动电机的改造、降压直接起动型、转子串入对称三相电阻启动型、直接转矩控制技术型、矢量控制技术型等5种控制策略分类对电机实施控制。通过2个榨季的验证，由电动机运行故障导致的停机分别由117、109次降低到了109和101次，停机率降低了约5个百分点，可以作为其他糖厂动力改造的良好借鉴。

4 致谢

本文的构思和写作得益于常年在糖厂服务过程中积累的一点经验和方法，以及平时工作接触的潜移默化中得到了糖业界前辈，轻纺工程领域和电气工程领域双专家周崇兴教授的影响，在此特表谢意！