摘要：本文介紹建材行業(yè)的變頻調(diào)速改造，首先敘述水泥制管機(jī)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(jié)能進(jìn)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(guān)鍵詞：水泥制管機(jī)，變頻調(diào)速，電磁調(diào)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水泥及其制品在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域中發(fā)揮了巨大的作用，其行業(yè)呈現(xiàn)出一派朝氣勃勃的興旺景象。但由于該行業(yè)設(shè)備從國外學(xué)習(xí)和引進(jìn)的時間較早，設(shè)備國產(chǎn)化的的時間也早，大約在上世紀(jì)70年代已經(jīng)定型。多年來，大部分的設(shè)備廠商未調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，沒有進(jìn)行深入的開發(fā)，而且又不繼續(xù)引進(jìn)新技術(shù)，沿用上世紀(jì)70年代的技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，調(diào)速的方式大部分都以電磁調(diào)速為主，造成大批能耗高、性能低的水泥制品設(shè)備繼續(xù)進(jìn)入市場，并且這些能效比很低的設(shè)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(yīng)用。水泥管樁因其施工方便快捷，省時、省工且質(zhì)量可靠，造價相對低廉，大量用于高速公路，橋梁，房屋基礎(chǔ)，河堤，碼頭的基礎(chǔ)設(shè)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(chǎn)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(chǎn)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(jìn)行低速攪拌，攪拌均勻后電機(jī)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(jīng)過高速成型脫水，整個工藝過程結(jié)束。水泥電桿的生產(chǎn)也是用類似的離心澆注法，其生產(chǎn)工藝與此大體相同。

離心成型法對電氣傳動設(shè)備要求較高，首先要求滿載啟動，啟動力矩應(yīng)在電機(jī)100%額定力矩以上；其次低速運轉(zhuǎn)的時間長，要求低速力矩大；最后由于制管機(jī)調(diào)速范圍大，為保證水泥管樁的質(zhì)量，要求在整個工作速度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定。早期的調(diào)速方式有機(jī)械式分級調(diào)速、整流子電機(jī)調(diào)速、直流調(diào)速、電磁調(diào)速等。由于電磁調(diào)速結(jié)構(gòu)簡單，使用簡便價格相對較低，因此，近年來在水泥制管設(shè)備中，電磁調(diào)速用得較多。但電磁調(diào)速效率低，最高轉(zhuǎn)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(diào)速速度低速時耗能相當(dāng)大。

水泥制管機(jī)負(fù)載機(jī)械特性為大慣性負(fù)載，起動前模腔內(nèi)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(diào)速器低速運行時機(jī)械特性軟，低速轉(zhuǎn)矩較差，要保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，電動機(jī)的容量選得較大，這又使耗能進(jìn)一步增加。一般制管機(jī)的電氣傳動由1臺75kW(55kW)的電磁調(diào)速電機(jī)驅(qū)動。電磁調(diào)速電機(jī)的調(diào)速的范圍有限，而低速力矩又較差，但混凝土進(jìn)行低速攪拌要求力矩大，不能滿足時轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，甚至可能無法啟動。轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性對產(chǎn)品質(zhì)量有一定的影響。另外，4極交流異步電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1440r/min，但電磁調(diào)速器最高只能調(diào)到1200r/min。速度高，對水泥管的質(zhì)量的提高有益。從以上制管機(jī)對電氣傳動的要求上看，用電磁調(diào)速器是一種無奈的選擇。現(xiàn)在變頻器的價格已經(jīng)下降到合理的水平，以變頻器的優(yōu)異性能完全可滿足制管工藝要求，用變頻調(diào)速代替電磁調(diào)速是最佳的選項。

三. 水泥制管的變頻調(diào)速

根據(jù)以上的情況，變頻器的機(jī)械特性近似為恒轉(zhuǎn)矩，電機(jī)在5Hz便可運行，高速50Hz時可達(dá)1440r/min，調(diào)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(jī)，電機(jī)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(diào)速。將電磁調(diào)速改造為變頻調(diào)速，簡單的方法是用變頻器驅(qū)動電磁調(diào)速電機(jī)，將電磁調(diào)速器杯型轉(zhuǎn)子的勵磁調(diào)到最大，如前所述效率為85%。為達(dá)到最高的節(jié)能效率，將電磁調(diào)速電機(jī)換為普通Y系列三相鼠籠電機(jī)，變頻器用森蘭SB40S75KW 2臺，BT40S55KW 2臺。變頻器設(shè)置為外控端子操作，電位器調(diào)節(jié)變頻器的頻率。加速和減速時間設(shè)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(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，管樁的成型的質(zhì)量有了較大的提高。變頻調(diào)速后，考慮到電機(jī)運行在低速的時間比較長，電機(jī)的散熱受到一些影響，溫度會升高。在改造過程中，將電磁調(diào)速電機(jī)換為Y系列交流異步電動機(jī)時，如果是等容量的代換，由于原來電機(jī)的容量就選得比較大，改造后電機(jī)的溫升不會超過額定值，不必加恒速風(fēng)扇降溫；如果是非等容量代換，代換電機(jī)的容量比電磁調(diào)速電機(jī)小時，那就需在電機(jī)尾罩上加恒速風(fēng)機(jī)，以利于電機(jī)的散熱。

四. 節(jié)能分析

水泥制管機(jī)是采用55kW或75kW的電磁調(diào)速電機(jī)，轉(zhuǎn)速通常控制在300-1200r/min，這是根據(jù)離心制管工藝情況，對電機(jī)速度進(jìn)行控制。實踐證明，采用變頻調(diào)速的方法取代電磁調(diào)速平均節(jié)能量50%左右。為什么對電磁調(diào)速進(jìn)行變頻改造會有如此大的節(jié)能效果呢，因為利用電磁調(diào)速方法是的一種耗能的低效調(diào)速方法，如公式（1）電磁電機(jī)主電機(jī)軸輸出功率：
P0=T0×n0 （1）
式中：
P0：表示軸輸出功率 (kW)
T0：表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩 (N•m)
n0：表示主電機(jī)轉(zhuǎn)速 (r/min)
杯形轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速越低，浪費能源越大。電磁調(diào)速方式雖然簡單，設(shè)備價格便宜，但調(diào)速以高耗能為代價。水泥制管機(jī)低速運行的時間占50%，即在300r/min左右運行，因此改用變頻調(diào)速的方式后理論上節(jié)能為：
P0－P1=T0(1440－300)=1140T0
(P0－P1)/P0 100%=(1140T0/1440T0) 100%=39.6%
考慮到低速運行的時間占50%，則節(jié)能率應(yīng)為39.6%。據(jù)廠家透露，四臺制管機(jī)月節(jié)電費在20,000元左右，一年內(nèi)可收全部投資，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。