森蘭變頻器在水泥制品行業中的應用
摘要：本文介紹建材行業的變頻調速改造，首先敘述水泥制管機的工藝過程，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。
Abstract: This article is about the speed-adjusting innovation in the building material industry by using variable frequency drives. It introduces the technological process of making cement pipes, the innovation details and cautions, and then makes a quantitative energy-saving analysis after the innovation.
關鍵詞：水泥制管機，變頻調速，電磁調速器, 耗能的分析與計算
Key words: cement pipe machine, variable frequency speed-adjustment, electromagnetic speed regulator, analysis and calculation of energy consumption
一. 概述
隨著國民經濟的快速發展，水泥及其制品在基礎建設領域中發揮了巨大的作用，其行業呈現出一派朝氣勃勃的興旺景象。但由于該行業設備從國外學習和引進的時間較早，設備國產化的的時間也早，大約在上世紀70年代已經定型。多年來，大部分的設備廠商未調整產品結構，沒有進行深入的開發，而且又不繼續引進新技術，沿用上世紀70年代的技術進行生產，調速的方式大部分都以電磁調速為主，造成大批能耗高、性能低的水泥制品設備繼續進入市場，并且這些能效比很低的設備一直在運行，大量消耗電能。
水泥管加工容易、原材料來源廣泛、價格低、使用壽命長，并且，在建筑、市政施工中得到了廣泛的應用。水泥管樁因其施工方便快捷，省時、省工且質量可靠，造價相對低廉，大量用于高速公路，橋梁，房屋基礎，河堤，碼頭的基礎設施中。
二. 水泥制管的工藝過程
水泥管樁是眾多的水泥制成品之一，它的生產工藝有多種，為保證水泥管管壁厚薄的均勻性、致密性，其中使用最普遍的生產加工工藝是離心成型法。離心成型是將完成配料好的混凝土注入模腔中，首先進行低速攪拌，攪拌均勻后電機升速到中速，在離心力的作用下基本成形，且混凝土逐漸密實，再經過高速成型脫水，整個工藝過程結束。水泥電桿的生產也是用類似的離心澆注法，其生產工藝與此大體相同。
離心成型法對電氣傳動設備要求較高，首先要求滿載啟動，啟動力矩應在電機100%額定力矩以上；其次低速運轉的時間長，要求低速力矩大；最后由于制管機調速范圍大，為保證水泥管樁的質量，要求在整個工作速度范圍內，轉速基本穩定。早期的調速方式有機械式分級調速、整流子電機調速、直流調速、電磁調速等。由于電磁調速結構簡單，使用簡便價格相對較低，因此，近年來在水泥制管設備中，電磁調速用得較多。但電磁調速效率低，最高轉速時效率為85%，速度越低效率也越低。水泥管離心成形工藝低速的時間占50%左右，電磁調速速度低速時耗能相當大。
水泥制管機負載機械特性為大慣性負載，起動前模腔內需加足一根水泥管樁定量的混凝土，啟動后低速運行，顯然是重載起動。電磁調速器低速運行時機械特性軟，低速轉矩較差，要保證生產的正常進行，電動機的容量選得較大，這又使耗能進一步增加。一般制管機的電氣傳動由1臺75kW(55kW)的電磁調速電機驅動。電磁調速電機的調速的范圍有限，而低速力矩又較差，但混凝土進行低速攪拌要求力矩大，不能滿足時轉速會出現不穩定現象，甚至可能無法啟動。轉速的不穩定性對產品質量有一定的影響。另外，4極交流異步電動機的額定轉速為1440r/min，但電磁調速器最高只能調到1200r/min。速度高，對水泥管的質量的提高有益。從以上制管機對電氣傳動的要求上看，用電磁調速器是一種無奈的選擇。現在變頻器的價格已經下降到合理的水平，以變頻器的優異性能完全可滿足制管工藝要求，用變頻調速代替電磁調速是最佳的選項。
三. 水泥制管的變頻調速
根據以上的情況，變頻器的機械特性近似為恒轉矩，電機在5Hz便可運行，高速50Hz時可達1440r/min，調速比1：10，極大地滿足了水泥制管的工藝要求。東莞市大嶺山鴻基管樁廠有4臺離心澆注機，電機的型號和功率分別為Y260M-4-75KW 2臺，Y250M-4-55KW 2臺，全部采用電磁調速。將電磁調速改造為變頻調速，簡單的方法是用變頻器驅動電磁調速電機，將電磁調速器杯型轉子的勵磁調到最大，如前所述效率為85%。為達到最高的節能效率，將電磁調速電機換為普通Y系列三相鼠籠電機，變頻器用森蘭SB40S75KW 2臺，BT40S55KW 2臺。變頻器設置為外控端子操作，電位器調節變頻器的頻率。加速和減速時間設定比較長，均為120s，降速到變頻器的輸出頻率5Hz時，啟用直流制動，操作十分方便。使用了變頻器后，轉速穩定性好，管樁的成型的質量有了較大的提高。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。
四. 節能分析
水泥制管機是采用55kW或75kW的電磁調速電機，轉速通常控制在300-1200r/min，這是根據離心制管工藝情況，對電機速度進行控制。實踐證明，采用變頻調速的方法取代電磁調速平均節能量50%左右。為什么對電磁調速進行變頻改造會有如此大的節能效果呢，因為利用電磁調速方法是的一種耗能的低效調速方法，如公式（1）電磁電機主電機軸輸出功率：
P0=T0×n0 （1）
式中：
P0：表示軸輸出功率 (kW)
T0：表示負載轉矩 (kgf·m)
n0：表示主電機轉速 (r/min)
杯形轉子輸出功率：
P1≈T0·n1 （2）
式中：
P1：表示輸出功率(kW)
n1：表示杯形轉子轉速(r/min)
損耗功率：
△P≈P0－P1=T0（n0－n1） （3）
由損耗功率公式（3）可以清楚看到，電磁調速電機的轉速越低，浪費能源越大。電磁調速方式雖然簡單，設備價格便宜，但調速以高耗能為代價。水泥制管機低速運行的時間占50%，即在300r/min左右運行，因此改用變頻調速的方式后理論上節能為：
P0－P1=T0(1440－300)=1140T0
(P0－P1)/P0100%=(1140T0/1440T0)100%=39.6%
考慮到低速運行的時間占50%，則節能率應為39.6%。據廠家透露，四臺制管機月節電費在20,000元左右，一年內可收全部投資，經濟效益十分顯著。
參考文獻：(1)SB40系列變頻調速器使用手冊[Z]. 成都希望森蘭變頻器制造有限公司
(2)劉美俊變頻器應用技術 福建科學技術出版社2004
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