糖廠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制策略研究

楊志紅，周 川，湯晏文，張?jiān)迄i，楊津聽，羅韶波，廖瑞祥

(1云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201；2俊發(fā)集團(tuán)有限公司，云南昆明 650225；3云南英茂糖業(yè)（集團(tuán)）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(xué)研究所，云南昆明 650221；6云南尹廈企業(yè)管理有限公司，云南昆明 650228)

0 引言

三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在糖廠中常用于拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，根據(jù)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(fù)荷。現(xiàn)代化糖廠生產(chǎn)對三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的可靠性和自動(dòng)化程度的要求越來越高，具體而言就是要求三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)安全、穩(wěn)定、長期可靠地運(yùn)行。因此對三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)特性、暫態(tài)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(huán)流程、多種能量與信息參與的流程等，物料能量信息流程結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，作為主要的動(dòng)力來源，電動(dòng)機(jī)在工藝流程的各環(huán)節(jié)中特別重要，并且在不同環(huán)節(jié)對其性能要求有其特殊性：有的要求重載起動(dòng)長期可靠運(yùn)行；有的要求頻繁起停、多種運(yùn)行速度快速多次切換，對三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)要求均很高。整體而言，為了保證糖廠運(yùn)行過程中物料流程和能量的通暢、平衡，物流與能流的協(xié)同配合，對三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)群的起動(dòng)與運(yùn)行過程中的速度、轉(zhuǎn)矩、加減速時(shí)間的要求非常嚴(yán)苛。

糖廠電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但目前很多糖廠電力系統(tǒng)存在部分供電節(jié)點(diǎn)冗余容量有限的問題，這就導(dǎo)致故障停機(jī)時(shí)有發(fā)生，偶爾出現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)失敗、停機(jī)后恢復(fù)運(yùn)行時(shí)間過長、生產(chǎn)線被迫中斷等情況，發(fā)生生產(chǎn)事故乃至安全事故，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。為保障三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)安全、穩(wěn)定、長期可靠的運(yùn)行，本研究對感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的暫態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性、失電殘壓、失電轉(zhuǎn)速等進(jìn)行了研究，分析了影響感應(yīng)電動(dòng)機(jī)惰性的因素，對感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的重載起動(dòng)技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、矢量控制技術(shù)進(jìn)行了比較研究，提出了糖廠三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的綜合控制策略。

1 三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制策略

糖廠生產(chǎn)流程中，根據(jù)不同環(huán)節(jié)對電動(dòng)機(jī)性能要求的不同，對應(yīng)的三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制策略也有差異。拖動(dòng)甘蔗預(yù)處理流程中預(yù)斬撕裂機(jī)和切蔗機(jī)，甘蔗壓榨流程、澄清蒸發(fā)流程中各類泵的三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要求重載起動(dòng)；拖動(dòng)煮糖流程中分蜜機(jī)的三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要求頻繁起停、多種運(yùn)行速度快速多次切換，其本質(zhì)上是要求對電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)施快速精準(zhǔn)控制；糖廠鍋爐鼓引風(fēng)機(jī)、球磨機(jī)、排粉風(fēng)機(jī)、給水泵站處的供電節(jié)點(diǎn)冗余容量有限，要求確保三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)快速可靠起動(dòng)、多機(jī)起動(dòng)互不干擾。

1.1 三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)重載起動(dòng)技術(shù)

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(yīng)電動(dòng)機(jī)均為直接起動(dòng)，就連預(yù)斬撕裂機(jī)、切蔗機(jī)也只分2級起動(dòng)。三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在通電旋轉(zhuǎn)之前僅僅是個(gè)直流電阻負(fù)載，若直接供給額定電壓，會(huì)發(fā)生短路事故，對重載大功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)尤其嚴(yán)重。根據(jù)相關(guān)理論[1-13]，異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)應(yīng)考慮：①限制起動(dòng)電流；②足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，滿足Tst＞1.1TL條件，Tst為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；③起動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性，包括設(shè)備簡單、操作方便和低起動(dòng)損耗。轉(zhuǎn)子串入對稱三相電阻的方法應(yīng)用于繞線型式異步電動(dòng)機(jī)的重載起動(dòng)，同時(shí)還應(yīng)具備一定的調(diào)速功能。

目前常用的三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)重載起動(dòng)技術(shù)是三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入三相對稱電阻的起動(dòng)技術(shù)，一般采用2級起動(dòng)，即1級起動(dòng)串入電阻R′ad1，2級起動(dòng)串入R′ad2，負(fù)載特別重時(shí)，需采用3級或4級起動(dòng)。三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入三相對稱電阻的起動(dòng)原理及特性如圖2所示。圖2(a)給出了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(dòng)時(shí)的人為機(jī)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(dǎo)致不能正常起動(dòng)時(shí)的人為機(jī)械特性，圖中，n是電機(jī)轉(zhuǎn)速、n1是電機(jī)空載轉(zhuǎn)速，A、B、C、D、E點(diǎn)分別是串電阻起動(dòng)后電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行工作點(diǎn)，r2′是折算到電動(dòng)機(jī)定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻值、T是轉(zhuǎn)矩。TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩、Tst是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并且R′ad1＜R′ad2＜R′ad3，分為3級起動(dòng)，級數(shù)越多起動(dòng)過程越平滑。三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入三相對稱電阻起動(dòng)無論分為幾級起動(dòng)，串入電阻值最大時(shí)的機(jī)械特性拐點(diǎn)對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩值必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

圖2 三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入三相對稱電阻的起動(dòng)原理及特性

1.2 三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

針對三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制，電氣工程領(lǐng)域的專家學(xué)者首先是發(fā)明了恒壓頻比控制技術(shù)，但恒壓頻比控制技術(shù)存在控制精度不高、快速性差、對電機(jī)的磁場利用率不足。1985年，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及生產(chǎn)實(shí)踐的迫切需求，德國學(xué)者Depenbrock提出了直接轉(zhuǎn)矩控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)技術(shù)[3-15,23]。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理見圖3。

圖3 三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理圖

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型當(dāng)中的靜止的三相定子繞組ABC坐標(biāo)系，磁通、轉(zhuǎn)矩的計(jì)算均通過空間電壓矢量的計(jì)算方法在該坐標(biāo)系下進(jìn)行，逆變橋和電機(jī)作為一個(gè)子系統(tǒng)，與上級系統(tǒng)以及平行子系統(tǒng)的控制關(guān)系簡單。系統(tǒng)通過磁鏈模型觀測感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈，通過轉(zhuǎn)矩模型觀測感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，反饋到對應(yīng)的砰-砰控制器分別對磁通和轉(zhuǎn)矩實(shí)施控制。磁通的控制只區(qū)分拖動(dòng)系統(tǒng)是工作在恒功率區(qū)還是恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，不作頻繁調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)速度波動(dòng)的影響很小，可以忽略，磁鏈模型觀測定子磁鏈不使用轉(zhuǎn)子參數(shù)，系統(tǒng)魯棒性好；轉(zhuǎn)矩由砰-砰控制器實(shí)施控制，控制過程中速度波動(dòng)較大，但快速性好，轉(zhuǎn)矩模型觀測電磁轉(zhuǎn)矩只需感應(yīng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型中的定子部分的參數(shù)，無需復(fù)雜的電流解耦、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)以及矢量變換，控制結(jié)構(gòu)簡單。

1.3 三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制技術(shù)

在恒壓頻比控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)(TU Darmstadt)的K.Hasse在20世紀(jì)60年代末提出了三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制技術(shù)[7,16-22]，其實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。矢量控制技術(shù)采用了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型當(dāng)中的靜止三相定子繞組ABC坐標(biāo)系、與ABC坐標(biāo)系對應(yīng)的靜止的二相坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)的三相轉(zhuǎn)子繞組ABC坐標(biāo)系、與ABC坐標(biāo)系對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的二相坐標(biāo)系等4種坐標(biāo)系，基于線性代數(shù)中的矢量變換實(shí)現(xiàn)，因而稱為矢量控制。磁通、轉(zhuǎn)矩的計(jì)算均通過空間電壓矢量的計(jì)算方法在上述4種坐標(biāo)系下進(jìn)行，各坐標(biāo)系下的量值還要映射到各自對應(yīng)的空間以實(shí)施控制信號的傳遞。矢量控制類比直流電動(dòng)機(jī)的控制對感應(yīng)電動(dòng)機(jī)實(shí)施控制，矢量控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性均與直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)。矢量控制系統(tǒng)的特征是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)計(jì)算量大、涉及的理論基礎(chǔ)多、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、調(diào)速精度高。

2 糖廠三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)選擇

針對應(yīng)用于糖廠的三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的種類比較繁多，結(jié)合應(yīng)用的生產(chǎn)規(guī)模和工藝要求，對于日處理7000 t的大型糖廠來說，電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的選擇對糖廠的節(jié)能和安全生產(chǎn)起著關(guān)鍵的作用。三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)與電動(dòng)機(jī)的功率范圍、生產(chǎn)工藝、運(yùn)行工況密切相關(guān)，本文依據(jù)功率范圍、生產(chǎn)工藝、運(yùn)行工況等因素對三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)實(shí)施分類控制。

2.1 全壓起動(dòng)電機(jī)的改造

將一號、二號輸蔗機(jī)由直流調(diào)速電機(jī)控制方式改為三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)加轉(zhuǎn)差離合控制方式，全壓啟動(dòng)。改造前缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間長，調(diào)速過程長，甘蔗破碎不均勻，甘蔗入輥斷斷續(xù)續(xù)，入榨不連續(xù)；改造后優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)方便。

將原耙齒上升機(jī)、蔗渣平送機(jī)、石灰攪拌機(jī)、輸泥皮帶機(jī)、絮凝劑攪拌系統(tǒng)等降壓啟動(dòng)的設(shè)備改為三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)加轉(zhuǎn)差離合控制方式，全壓啟動(dòng)。改造后優(yōu)點(diǎn)包括啟動(dòng)時(shí)間短、調(diào)速方便、故障率低等。

原設(shè)計(jì)中蔗汁泵采用普通水泵，由于設(shè)計(jì)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(fā)現(xiàn)蔗汁泵過載停機(jī)后，再啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成管道內(nèi)大量蔗渣堵塞，被迫再次停機(jī)，只能停機(jī)拆開管道或用錘子猛敲管道進(jìn)行疏通。原設(shè)計(jì)安全率低，易形成惡性循環(huán)，在改用無阻泵后，啟動(dòng)時(shí)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(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理圖

原快沉泵、上浮泵、濾清汁泵、絮凝劑計(jì)量泵、甲原甲洗稀釋箱、乙原乙洗稀釋箱、糖塊會(huì)溶機(jī)、回溶糖漿泵、甲原甲洗稀釋箱、乙原乙洗稀釋箱、糖塊會(huì)溶機(jī)、回溶糖漿泵等改為汽送泵。改造前存在的問題包括：①電機(jī)功率小且多；②每一個(gè)回路需要增加控制方式如空氣開并、接觸器、過熱保護(hù)繼電器、啟停安鈕、啟停指示燈等電器設(shè)備；③閥門是螺旋閥門，啟動(dòng)后要手動(dòng)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(jī)氣源作為動(dòng)力，將螺旋閥門改成閘板閥，取消電器回路控制。進(jìn)行改造后節(jié)省了啟動(dòng)控制屏，并且在實(shí)際使用過程中未出現(xiàn)過物料堵塞，安全率和穩(wěn)定性得到了提高。

將發(fā)電分廠給煤機(jī)全改為直流調(diào)速，保證給煤的穩(wěn)定性。

上述系統(tǒng)改造后達(dá)到優(yōu)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(dòng)型

將對于30 kW至130 kW以下的鍋爐冷熱給水泵、復(fù)用泵、循環(huán)水泵、物料泵、深透水泵、三泵房給水泵、空壓機(jī)、高壓清洗機(jī)等采用降壓直接起動(dòng)。改造前部分是全壓起動(dòng)，部分是星-三角形起動(dòng)，部分是延邊三角形起動(dòng)。改造后提升起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、降低起動(dòng)電流、減小對電網(wǎng)的沖擊。

2.3 轉(zhuǎn)子串入對稱三相電阻啟動(dòng)型

對于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的如撕裂機(jī)和130 kW以上的給水泵類為代表的要求重載起動(dòng)長期-運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，設(shè)置起動(dòng)電阻連續(xù)可調(diào)的起動(dòng)裝置、配置起動(dòng)過程完成以后切除起動(dòng)裝置的功能；配置轉(zhuǎn)子電流以及定子失電殘壓檢測裝置實(shí)時(shí)檢測電流及電壓，輸出再起動(dòng)指令，保證再起動(dòng)的成功。改造前是轉(zhuǎn)子串入對稱三相分級電阻啟動(dòng)，有的分1級、有的分2級。改造后有級起動(dòng)變?yōu)闊o級起動(dòng)，起動(dòng)過程、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)電流等可以進(jìn)行調(diào)整。

2.4 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)型

煮糖過程中的分蜜機(jī)要求頻繁起停、多種運(yùn)行速度快速多次切換、動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)要求均很高。配置直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器實(shí)施控制，盡管控制過程中速度波動(dòng)較大，但獲得了快速性好，無需復(fù)雜的電流解耦、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，控制結(jié)構(gòu)簡單的良好效果。充分利用了直接轉(zhuǎn)矩控制的快速性特征。

2.5 矢量控制技術(shù)型

對于甘蔗預(yù)處理流程中的撕裂機(jī)等要求三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)重載起動(dòng)長期可靠運(yùn)行的情形。配置矢量控制變頻器實(shí)施控制，使之與定子斷電后轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子角速度的變化規(guī)律、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)靜態(tài)電壓特性所匹配；在由冗余容量有限的供電節(jié)點(diǎn)供電的電動(dòng)機(jī)處配置矢量控制變頻器，降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對供電節(jié)點(diǎn)供電容量的需求，變頻調(diào)速啟動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)類型。改造后可以充分利用電機(jī)的性能來彌補(bǔ)由冗余容量的不足。

3 結(jié)語

通過對糖廠中三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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(yīng)電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的綜合研究，提出了全壓起動(dòng)電機(jī)的改造、降壓直接起動(dòng)型、轉(zhuǎn)子串入對稱三相電阻啟動(dòng)型、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)型、矢量控制技術(shù)型等5種控制策略分類對電機(jī)實(shí)施控制。通過2個(gè)榨季的驗(yàn)證，由電動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障導(dǎo)致的停機(jī)分別由117、109次降低到了109和101次，停機(jī)率降低了約5個(gè)百分點(diǎn)，可以作為其他糖廠動(dòng)力改造的良好借鑒。

4 致謝

本文的構(gòu)思和寫作得益于常年在糖廠服務(wù)過程中積累的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和方法，以及平時(shí)工作接觸的潛移默化中得到了糖業(yè)界前輩，輕紡工程領(lǐng)域和電氣工程領(lǐng)域雙專家周崇興教授的影響，在此特表謝意！