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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(xiàng)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(jì)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(shí)間較早，設(shè)備國產(chǎn)化的的時(shí)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(chǎng)，并且這些能效比很低的設(shè)備一直在運(yùn)行，大量消耗電能。
水泥管加工容易、原材料來源廣泛、價(jià)格低、使用壽命長(zhǎng)，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(shí)、省工且質(zhì)量可靠，造價(jià)相對(duì)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(shí)，再經(jīng)過高速成型脫水，整個(gè)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(duì)電氣傳動(dòng)設(shè)備要求較高，首先要求滿載啟動(dòng)，啟動(dòng)力矩應(yīng)在電機(jī)100%額定力矩以上；其次低速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間長(zhǎng)，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(gè)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(jí)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(jiǎn)單，使用簡(jiǎn)便價(jià)格相對(duì)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(shí)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(shí)間占50%左右，電磁調(diào)速速度低速時(shí)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(dòng)前模腔內(nèi)需加足一根水泥管樁定量的混凝土，啟動(dòng)后低速運(yùn)行，顯然是重載起動(dòng)。電磁調(diào)速器低速運(yùn)行時(shí)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(dòng)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(dòng)由1臺(tái)75kW(55kW)的電磁調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，甚至可能無法啟動(dòng)。轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有一定的影響。另外，4極交流異步電動(dòng)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(duì)水泥管的質(zhì)量的提高有益。從以上制管機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)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(jià)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(xiàng)。
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(yùn)行，高速50Hz時(shí)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(tái)離心澆注機(jī)，電機(jī)的型號(hào)和功率分別為Y260M-4-75KW 2臺(tái)，Y250M-4-55KW 2臺(tái)，全部采用電磁調(diào)速。將電磁調(diào)速改造為變頻調(diào)速，簡(jiǎn)單的方法是用變頻器驅(qū)動(dòng)電磁調(diào)速電機(jī)，將電磁調(diào)速器杯型轉(zhuǎn)子的勵(lì)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(tái)，BT40S55KW 2臺(tái)。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(shí)間設(shè)定比較長(zhǎng)，均為120s，降速到變頻器的輸出頻率5Hz時(shí)，啟用直流制動(dòng)，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(yùn)行在低速的時(shí)間比較長(zhǎng)，電機(jī)的散熱受到一些影響，溫度會(huì)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(dòng)機(jī)時(shí)，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(huì)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(shí)，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(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制。實(shí)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(duì)電磁調(diào)速進(jìn)行變頻改造會(huì)有如此大的節(jié)能效果呢，因?yàn)槔秒姶耪{(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 (kgf·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(fèi)能源越大。電磁調(diào)速方式雖然簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格便宜，但調(diào)速以高耗能為代價(jià)。水泥制管機(jī)低速運(yùn)行的時(shí)間占50%，即在300r/min左右運(yùn)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)/P0100%=(1140T0/1440T0)100%=39.6%
考慮到低速運(yùn)行的時(shí)間占50%，則節(jié)能率應(yīng)為39.6%。據(jù)廠家透露，四臺(tái)制管機(jī)月節(jié)電費(fèi)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。
參考文獻(xiàn)：(1)SB40系列變頻調(diào)速器使用手冊(cè)[Z]. 成都希望森蘭變頻器制造有限公司
(2)劉美俊變頻器應(yīng)用技術(shù) 福建科學(xué)技術(shù)出版社2004
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