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)能進行了定量的分析。
關鍵詞：水泥制管機，變頻調(diào)速，電磁調(diào)速器，耗能的分析與計算
一. 概述
國民經(jīng)濟快速發(fā)展，水泥及其制品基礎建設領域中發(fā)揮了巨大作用，其行業(yè)呈現(xiàn)出一派朝氣勃勃興旺景象。但該行業(yè)設備從國外學習和引進時間較早，設備國產(chǎn)化時間也早，大約上世紀70年代已經(jīng)定型。多年來，大部分設備廠商未調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，沒有進行深入開發(fā)，又不繼續(xù)引進新技術，沿用上世紀70年代技術進行生產(chǎn)，調(diào)速方式大部分都以電磁調(diào)速為主，造成大批能耗高、性能低水泥制品設備繼續(xù)進入市場，這些能效比很低設備一直運行，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，，建筑、市政施工中到了廣泛應用。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，河堤，碼頭基礎設施中。
二. 水泥制管工藝過程
水泥管樁是眾多水泥制成品之一，它生產(chǎn)工藝有多種，為保證水泥管管壁厚薄均勻性、致密性，其中使用最普遍生產(chǎn)加工工藝是離心成型法。離心成型是將完成配料好混凝土注入模腔中，首先進行低速攪拌，攪拌均勻后電機升速到中速，離心力作用下基本成形，且混凝土逐漸密實，再高速成型脫水，整個工藝過程結(jié)束。水泥電桿生產(chǎn)也是用類似離心澆注法，其生產(chǎn)工藝與此大體相同。
離心成型法對電氣傳動設備要求較高，首先要求滿載啟動，啟動力矩應電機100%額定力矩以上；其次低速運轉(zhuǎn)時間長，要求低速力矩大；最后制管機調(diào)速范圍大，為保證水泥管樁質(zhì)量，要求整個工作速度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定。早期調(diào)速方式有機械式分級調(diào)速、整流子電機調(diào)速、直流調(diào)速、電磁調(diào)速等。電磁調(diào)速結(jié)構(gòu)簡單，使用簡便價格相對較低，，近年來水泥制管設備中，電磁調(diào)速用較多。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時間占50%左右，電磁調(diào)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(nèi)需加足一根水泥管樁定量混凝土，啟動后低速運行，顯然是重載起動。電磁調(diào)速器低速運行時機械特性軟，低速轉(zhuǎn)矩較差，要保證生產(chǎn)正常進行，電動機容量選較大，這又使耗能進一步增加。一般制管機電氣傳動由1臺75kW(55kW)電磁調(diào)速電機驅(qū)動。電磁調(diào)速電機調(diào)速范圍有限，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(zhuǎn)速會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，可能無法啟動。轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定性對產(chǎn)品質(zhì)量有一定影響。另外，4極交流異步電動機額定轉(zhuǎn)速為1440r/min，但電磁調(diào)速器最高只能調(diào)到1200r/min。速度高，對水泥管質(zhì)量提高有益。從以上制管機對電氣傳動要求上看，用電磁調(diào)速器是一種無奈選擇。現(xiàn)變頻器價格已經(jīng)下降到合理水平，以變頻器優(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)速是最佳選項。
三. 水泥制管變頻調(diào)速
以上情況，變頻器機械特性近似為恒轉(zhuǎn)矩，電機5Hz便可運行，高速50Hz時可達1440r/min，調(diào)速比1：10，極大滿足了水泥制管工藝要求。唐山新興管業(yè)有4臺離心澆注機，電機型號和功率分別為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，簡單方法是用變頻器驅(qū)動電磁調(diào)速電機，將電磁調(diào)速器杯型轉(zhuǎn)子勵磁調(diào)到最大，如前所述效率為85%。為達到最高節(jié)能效率，將電磁調(diào)速電機換為普通Y系列三相鼠籠電機，變頻器用佛朗克FRB6000G-75KW 2臺，F(xiàn)RB6000G-55KW 2臺。變頻器設置為外控端子操作，電位器調(diào)節(jié)變頻器頻率。加速和減速時間設定比較長，均為120s，降速到變頻器輸出頻率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，管樁成型質(zhì)量有了較大提高。變頻調(diào)速后，考慮到電機運行低速時間比較長，電機散熱受到一些影響，溫度會升高。改造過程中，將電磁調(diào)速電機換為Y系列交流異步電動機時，是等容量代換，原來電機容量就選比較大，改造后電機溫升不會超過額定值，不必加恒速風扇降溫；是非等容量代換，代換電機容量比電磁調(diào)速電機小時，那就需電機尾罩上加恒速風機，以利于電機散熱。
四. 節(jié)能分析
水泥制管機是采用55kW或75kW電磁調(diào)速電機，轉(zhuǎn)速通?？刂?00-1200r/min，這是離心制管工藝情況，對電機速度進行控制。實踐證明，采用變頻調(diào)速方法取代電磁調(diào)速平均節(jié)能量50%左右。為什么對電磁調(diào)速進行變頻改造會有如此大節(jié)能效果呢，利用電磁調(diào)速方法是一種耗能低效調(diào)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(zhuǎn)矩 (N•m）
n0：表示主電機轉(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)速電機轉(zhuǎn)速越低，浪費能源越大。電磁調(diào)速方式簡單，設備價格便宜，但調(diào)速以高耗能為代價。水泥制管機低速運行時間占50%，即300r/min左右運行，改用變頻調(diào)速方式后理論上節(jié)能為：
P0－P1=T0(1440－300)=1140T0
(P0－P1)/P0 100%=(1140T0/1440T0) 100%=39.6%
考慮到低速運行時間占50%，則節(jié)能率應為39.6%。據(jù)廠家透露，四臺制管機月節(jié)電費20,000元左右，一年內(nèi)可收全部投資，經(jīng)濟效益十分顯著。
應用現(xiàn)場：
