森兰变频器在水泥制品行业中的应用

一、概述

随着国民经济的快速发展，水泥及其制品在基础建设领域中发挥了巨大的作用，其行业呈现出一派朝气勃勃的兴旺景象。但由于该行业设备从国外学习和引进的时间较早，设备国产化的时间也早，大约在上世纪70年代已经定型。多年来，大部分的设备厂商未调整产品结构，没有进行深入的开发，而且又不继续引进新技术，沿用上世纪70年代的技术进行生产，调速的方式大部分都以电磁调速为主，造成大批能耗高、性能低的水泥制品设备继续进入市场，并且这些能效比很低的设备一直在运行，大量消耗电能。

水泥管加工容易、原材料来源广泛、价格低、使用寿命长，并且，在建筑、市政施工中得到了广泛的应用。水泥管桩因其施工方便快捷，省时、省工且质量可靠，造价相对低廉，大量用于高速公路，桥梁，房屋基础，河堤，码头的基础设施中。

二、水泥制管的工艺过程

水泥管桩是众多的水泥制成品之一，它的生产工艺有多种，为保证水泥管管壁厚薄的均匀性、致密性，其中使用最普遍的生产加工工艺是离心成型法。离心成型是将完成配料好的混凝土注入模腔中，首先进行低速搅拌，搅拌均匀后电机升速到中速，在离心力的作用下基本成形，且混凝土逐渐密实，再经过高速成型脱水，整个工艺过程结束。水泥电杆的生产也是用类似的离心浇注法，其生产工艺与此大体相同。

离心成型法对电气传动设备要求较高，首先要求满载启动，启动力矩应在电机100%额定力矩以上；其次低速运转的时间长，要求低速力矩大；最后由于制管机调速范围大，为保证水泥管桩的质量，要求在整个工作速度范围内，转速基本稳定。早期的调速方式有机械式分级调速、整流子电机调速、直流调速、电磁调速等。由于电磁调速结构简单，使用简便价格相对较低，因此，近年来在水泥制管设备中，电磁调速用得较多。但电磁调速效率低，最高转速时效率为85%，速度越低效率也越低。水泥管离心成形工艺低速的时间占50%左右，电磁调速速度低速时耗能相当大。

水泥制管机负载机械特性为大惯性负载，起动前模腔内需加足一根水泥管桩定量的混凝土，启动后低速运行，显然是重载起动。电磁调速器低速运行时机械特性软，低速转矩较差，要保证生产的正常进行，电动机的容量选得较大，这又使耗能进一步增加。一般制管机的电气传动由1台75kW(55kW)的电磁调速电机驱动。电磁调速电机的调速的范围有限，而低速力矩又较差，但混凝土进行低速搅拌要求力矩大，不能满足时转速会出现不稳定现象，甚至可能无法启动。转速的不稳定性对产品质量有一定的影响。另外，4极交流异步电动机的额定转速为1440r/min，但电磁调速器最高只能调到1200r/min。速度高，对水泥管的质量的提高有益。从以上制管机对电气传动的要求上看，用电磁调速器是一种无奈的选择。现在变频器的价格已经下降到合理的水平，以变频器的优异性能完全可满足制管工艺要求，用变频调速代替电磁调速是最佳的选项。

三、水泥制管的变频调速

根据以上的情况，变频器的机械特性近似为恒转矩，电机在5Hz便可运行，高速50Hz时可达1440r/min，调速比1：10，极大地满足了水泥制管的工艺要求。东莞市大岭山鸿基管桩厂有4台离心浇注机，电机的型号和功率分别为Y260M-4-75KW 2台，Y250M-4-55KW 2台，全部采用电磁调速。将电磁调速改造为变频调速，简单的方法是用变频器驱动电磁调速电机，将电磁调速器杯型转子的励磁调到最大，如前所述效率为85%。为达到最高的节能效率，将电磁调速电机换为普通Y系列三相鼠笼电机，变频器用森兰SB70 75KW 2台，SB70 55KW 2台。变频器设置为外控端子操作，电位器调节变频器的频率。加速和减速时间设定比较长，均为120s，降速到变频器的输出频率5Hz时，启用直流制动，操作十分方便。使用了变频器后，转速稳定性好，管桩的成型的质量有了较大的提高。变频调速后，考虑到电机运行在低速的时间比较长，电机的散热受到一些影响，温度会升高。在改造过程中，将电磁调速电机换为Y系列交流异步电动机时，如果是等容量的代换，由于原来电机的容量就选得比较大，改造后电机的温升不会超过额定值，不必加恒速风扇降温；如果是非等容量代换，代换电机的容量比电磁调速电机小时，那就需在电机尾罩上加恒速风机，以利于电机的散热。

四、节能分析

水泥制管机是采用55kW或75kW的电磁调速电机，转速通常控制在300-1200r/min，这是根据离心制管工艺情况，对电机速度进行控制。实践证明，采用变频调速的方法取代电磁调速平均节能量50%左右。为什么对电磁调速进行变频改造会有如此大的节能效果呢，因为利用电磁调速方法是的一种耗能的低效调速方法，如公式（1）电磁电机主电机轴输出功率：

P0=T0×n0                           （1）

式中：

P0：表示轴输出功率 (kW)

T0：表示负载转矩    (kgf·m)

n0：表示主电机转速  (r/min)

杯形转子输出功率：

P1∝T0·n1                        （2）

式中：

P1：表示输出功率(kW)

n1：表示杯形转子转速(r/min)

损耗功率：

△P∝P0－P1=T0（n0－n1）             （3）

由损耗功率公式（3）可以清楚看到，电磁调速电机的转速越低，浪费能源越大。电磁调速方式虽然简单，设备价格便宜，但调速以高耗能为代价。水泥制管机低速运行的时间占50%，即在300r/min左右运行，因此改用变频调速的方式后理论上节能为：

P0－P1=T0(1440－300)=1140T0

(P0－P1)/P0×100%=(1140T0/1440T0)×100%=39.6%

考虑到低速运行的时间占50%，则节能率应为39.6%。据厂家透露，四台制管机月节电费在20,000元左右，一年内可收全部投资，经济效益十分显著。