森蘭變頻在離心鑄管機上的應用
摘要：本文介紹自來水大口徑的供水鑄鐵管的變頻調速改造，首先敘述鑄鐵管的生產工藝過程，然后著重介紹改造情況及注意事項和改造后的節能進行了定量的分析。
關鍵詞：離心鑄管機，變頻調速，電磁調速器耗能的分析與計算
一. 鑄鐵管的生產過程
目前，城市自來水大口徑的供水管主要使用鑄鐵管﹑水泥管和玻璃纖維管。在保證一定強度的前提下，用離心法澆鑄比用模具法澆鑄的鑄鐵管的管壁厚度已經大大地下降了，整體重量減輕了很多，而且質量也不錯。在現行普遍使用的幾種供水管中，鑄鐵管價位處于中等，強度高﹑經久耐用，重量輕﹑安裝施工簡單快捷，很受各自來水公司的青睞。
四川崇州鑄管廠生產城市自來水供水使用的400mm~800mm口徑的鑄鐵管，為保證鑄鐵管管壁厚度的均勻性，又要保證鑄鐵管的質量，采用離心澆注法。其工藝過程是將熔化了的高溫鐵水注入模具中，再將模具從零速逐漸加速到高速旋轉，由于離心力的作用，鐵水很快在模具中成型，并在模具中通冷卻水，維持數分鐘后，鐵管溫度下降到大約400~500時逐漸降速到零，開模取管。臥式鑄管機的模具放在前后1﹑2﹑3﹑4四只傳動輪上，其中2﹑4由兩臺電機經皮帶輪帶動的主動輪，其余1﹑3兩只是被動輪，如圖1所示。原來的傳動方式是兩臺37KW的電機由電磁調速器驅動。這種生產工藝要求兩臺電機同步運轉。盡管對電磁調速系統已經采取了控制同步運轉措施，由于電磁調速器的控制部分都是模擬PI調節器，精度和穩定性都較差，在實際工作中，操作工人憑經驗進行速度微調，很難調到兩電機同步運轉。這樣兩電機的負荷分配不均勻，嚴重時引起跳閘，影響生產的正常進行。
圖1 鑄管機傳動示意圖
二. 鑄管機的負載機械特性
鑄管機負載特性為恒轉矩大慣性負載，并且，起動前先將一定量的鐵水先注入模具，然后再開始起動運轉，因此又是重載起動。電磁調速器低速轉矩較差，要保證鑄管機起動正常起動，電動機的容量一般選得較大。鑄管機傳動由兩臺37KW的4極異步鼠籠電機承擔，兩臺電機之間存在負荷分配問題。
鑄管機的離心成型法對電氣傳動設備要求較高，首先要求滿載起動，起動力矩應在電機100%額定力矩以上；其次低速運轉的時間長，要求低速力矩大；最后由于鑄管機調速范圍大，為保證鑄鐵管的質量，要求在整個工作速度范圍內，轉速應基本穩定。
三. 鑄管機的變頻調速
根據以上的情況，選用具有恒轉矩特性且起動力矩大的森蘭SB40S系列變頻器。如果用兩臺37KW變頻器，就需要考慮兩臺電機的同步控制問題，這樣做同步效果好，但電機上需安裝速度變送器（脈沖編碼器或測速發電機），其結果是比較麻煩而且投資會增加。如果將兩臺37kw電動機并聯后用一臺75KW變頻器控制，兩臺電機可做到同頻運轉，但兩臺電動機的特性有一定的差異，其速度也會有速度差，對于電機的參數差別不大，同步要求不高的系統還是可以滿足使用要求。
鑄管機對兩臺電機的同步要求不高，為簡單計采用電機并聯，選用一臺SB40S75KW變頻器拖動兩臺37KW電機運行，為保護電機，每臺電機需裝熱繼電器，如圖2中的RJ1，RJ2。設定F01=3，調速用X4，X5端子按鈕控制，按X4升速；按X5降速。停車時間設為120S，降速到變頻器的輸出頻率5Hz時，啟用直流制動。現場調試時測試，有一臺電機的線電流為57A，另一臺電機的線電流為38A，最大的57A也未超過37kw電機電流的額定值，對生產應用無影響。當然也可選用森蘭SB80系列矢量控制高性能變頻器，這種變頻器有一種“特性軟化”功能，選擇特性軟化功能，可改變變頻器的特性曲線，使兩電機的線電流之差盡量縮小，負荷分配基本均勻。變頻調速控制原理與如圖2所示。
變頻器的機械特性為恒轉矩，電機在低頻5Hz便可運行，高速42Hz時可達1200r/min，調速比1：8以上，極大的滿足了鑄管機的工藝要求。將電磁調速改造為變頻調速，簡單方法用變頻器驅動電磁調速電機，將電磁調速器的轉差離合器的勵磁調到最大，其效率僅為85%。為達到最高的節能效率，需將電磁調速電機換為普通Y系列三相鼠籠電機，或者用機械的方式將電機和轉差離合器的輸出直接相連。變頻調速后，考慮到電機運行在低速的時間比較長，電機的散熱受到一些影響，溫度會升高。在改造過程中，將電磁調速電機換為Y系列交流異步電動機時，如果是等容量的代換，由于原來電機的容量就選得比較大，改造后電機的溫升不會超過額定值，不必加恒速風扇降溫；如果是非等容量代換，代換電機的容量比電磁調速電機小時，那就需在電機尾罩上加恒速風機，以利于電機的散熱。
圖2 鑄管機變頻控制原理圖
四.﹑節能分析
鑄管機經變頻改造后，用按鈕調速非常方便，改變了電磁調速器在運行中調同步很不容易實現同步的方法，使兩臺電機負荷分配大體均勻，做到了無級調速，運行平穩。變頻器取代了電磁調速器后，有較好的節能效果，現分析如下：
電磁調速的轉差離合器的損耗是由主動部分的風阻﹑磨擦損耗及從動部分的機械磨擦所產生。如果考慮這些損耗與轉差離合器的激磁功率相平衡且忽略不計的活，則轉差離合器的輸入﹑輸出功率可用下式表示：
電動機的輸出功率
P1=M1n1(kw)
式中：M1--電動機的輸出轉矩(kgf.m)
n1—電動機的輸出軸轉速(r/min)
轉差離合器的輸出功率：
P2=M2n2(kw)
式中：M2—轉差離合器的輸出轉矩(kgf.m)
n2—轉差離合器的輸出軸轉速(r/min)
電動機的輸出功率等于轉差離合器的輸入功率。對于離心鑄管機這類恒轉矩機械特性的負載，其轉矩：M= M1= M2=常數，所以，轉差離合器的效率：
滑差可由下式定義
則 
可見，在恒轉矩負載下，轉差離合器的效率正比于輸出轉速。因此用電磁調速器調速使輸出轉速下降時，輸出功率成正比下降，而輸入功率保持不變，實際上，滑差也就是節電率。此時，損耗功率Ph與滑差損耗成正比，即
(kw)離心鑄管機電機額定轉速1440r/min，工作時從零速逐漸加速到最高1200r/min，再維持6分鐘。由于電磁調速電機低速力矩較差，在300r/min時才開始起動，這個過程中，滑差在79%~17%范圍內變化，但在17%的時間較長，加權平均計算為30%左右。采用變頻調速后，變頻器的效率基本上不隨輸出的頻率變化，除去變頻器的損耗后，節電率在24%上下，實際用電度表計量，節能在22%上下，投資回收期不到一年，經濟效益十分明顯。
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