森兰变频在离心铸管机上的应用

一. 铸铁管的生产过程
目前，城市自来水大口径的供水管主要使用铸铁管﹑水泥管和玻璃纤维管。在保证一定强度的前提下，用离心法浇铸比用模具法浇铸的铸铁管的管壁厚度已经大大地下降了，整体重量减轻了很多，而且质量也不错。在现行普遍使用的几种供水管中，铸铁管价位处于中等，强度高﹑经久耐用，重量轻﹑安装施工简单快捷，很受各自来水公司的青睐。
四川崇州铸管厂生产城市自来水供水使用的400mm~800mm口径的铸铁管，为保证铸铁管管壁厚度的均匀性，又要保证铸铁管的质量，采用离心浇注法。其工艺过程是将熔化了的高温铁水注入模具中，再将模具从零速逐渐加速到高速旋转，由于离心力的作用，铁水很快在模具中成型，并在模具中通冷却水，维持数分钟后，铁管温度下降到大约400 ~500 时逐渐降速到零，开模取管。卧式铸管机的模具放在前后1﹑2﹑3﹑4四只传动轮上，其中2﹑4由两台电机经皮带轮带动的主动轮，其余1﹑3两只是被动轮，如图1所示。原来的传动方式是两台37KW的电机由电磁调速器驱动。这种生产工艺要求两台电机同步运转。尽管对电磁调速系统已经采取了控制同步运转措施，由于电磁调速器的控制部分都是模拟PI调节器，精度和稳定性都较差，在实际工作中，操作工人凭经验进行速度微调，很难调到两电机同步运转。这样两电机的负荷分配不均匀，严重时引起跳闸，影响生产的正常进行。

图1  铸管机传动示意图

二. 铸管机的负载机械特性
铸管机负载特性为恒转矩大惯性负载，并且，起动前先将一定量的铁水先注入模具，然后再开始起动运转，因此又是重载起动。电磁调速器低速转矩较差，要保证铸管机起动正常起动，电动机的容量一般选得较大。铸管机传动由两台37KW的4极异步鼠笼电机承担，两台电机之间存在负荷分配问题。
铸管机的离心成型法对电气传动设备要求较高，首先要求满载起动，起动力矩应在电机100%额定力矩以上；其次低速运转的时间长，要求低速力矩大；最后由于铸管机调速范围大，为保证铸铁管的质量，要求在整个工作速度范围内，转速应基本稳定。

三. 铸管机的变频调速
根据以上的情况，选用具有恒转矩特性且起动力矩大的森兰SB40S系列变频器。如果用两台37KW变频器，就需要考虑两台电机的同步控制问题，这样做同步效果好，但电机上需安装速度变送器（脉冲编码器或测速发电机），其结果是比较麻烦而且投资会增加。如果将两台37kw电动机并联后用一台75KW变频器控制，两台电机可做到同频运转，但两台电动机的特性有一定的差异，其速度也会有速度差，对于电机的参数差别不大，同步要求不高的系统还是可以满足使用要求。
铸管机对两台电机的同步要求不高，为简单计采用电机并联，选用一台SB40S75KW变频器拖动两台37KW电机运行，为保护电机，每台电机需装热继电器，如图2中的RJ1，RJ2。设定F01=3，调速用X4，X5端子按钮控制，按X4升速；按X5降速。停车时间设为120S，降速到变频器的输出频率5Hz时，启用直流制动。现场调试时测试，有一台电机的线电流为57A，另一台电机的线电流为38A，最大的57A也未超过37kw电机电流的额定值，对生产应用无影响。当然也可选用森兰SB80系列矢量控制高性能变频器，这种变频器有一种“特性软化”功能，选择特性软化功能，可改变变频器的特性曲线，使两电机的线电流之差尽量缩小，负荷分配基本均匀。变频调速控制原理与如图2所示。
变频器的机械特性为恒转矩，电机在低频5Hz便可运行，高速42Hz时可达1200r/min，调速比1：8以上，极大的满足了铸管机的工艺要求。将电磁调速改造为变频调速，简单方法用变频器驱动电磁调速电机，将电磁调速器的转差离合器的励磁调到最大，其效率仅为85%。为达到最高的节能效率，需将电磁调速电机换为普通Y系列三相鼠笼电机，或者用机械的方式将电机和转差离合器的输出直接相连。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。

图2  铸管机变频控制原理图

四.﹑节能分析
铸管机经变频改造后，用按钮调速非常方便，改变了电磁调速器在运行中调同步很不容易实现同步的方法，使两台电机负荷分配大体均匀，做到了无级调速，运行平稳。变频器取代了电磁调速器后，有较好的节能效果，现分析如下：
电磁调速的转差离合器的损耗是由主动部分的风阻﹑磨擦损耗及从动部分的机械磨擦所产生。如果考虑这些损耗与转差离合器的激磁功率相平衡且忽略不计的活，则转差离合器的输入﹑输出功率可用下式表示：
电动机的输出功率
P1=M1n1(kw)
式中：M1--电动机的输出转矩(kgf.m)
n1—电动机的输出轴转速(r/min)
转差离合器的输出功率：
P2=M2n2(kw)
式中：M2—转差离合器的输出转矩(kgf.m)
n2—转差离合器的输出轴转速(r/min)
电动机的输出功率等于转差离合器的输入功率。对于离心铸管机这类恒转矩机械特性的负载，其转矩：M= M1= M2=常数，所以，转差离合器的效率：


滑差可由下式定义


则

可见，在恒转矩负载下，转差离合器的效率正比于输出转速。因此用电磁调速器调速使输出转速下降时，输出功率成正比下降，而输入功率保持不变，实际上，滑差也就是节电率。此时，损耗功率Ph与滑差损耗成正比，即


离心铸管机电机额定转速1440r/min，工作时从零速逐渐加速到最高1200r/min，再维持6分钟。由于电磁调速电机低速力矩较差，在300r/min时才开始起动，这个过程中，滑差在79%~17%范围内变化，但在17%的时间较长，加权平均计算为30%左右。采用变频调速后，变频器的效率基本上不随输出的频率变化，除去变频器的损耗后，节电率在24%上下，实际用电度表计量，节能在22%上下，投资回收期不到一年，经济效益十分明显。


参考文献：
（1）SB40系列变频调速器使用手册[Z]. 成都希望森兰变频器制造有限公司。
（2）森兰变频器在水泥制品行业中的应用   《变频器世界》2005年12期