佛朗克变频器在水泥制管机上的应用———佛朗克变频器在水泥制管

　一. 概述
  国民经济快速发展，水泥及其制品基础建设领域中发挥了巨大作用，其行业呈现出一派朝气勃勃兴旺景象。但该行业设备从国外学习和引进时间较早，设备国产化时间也早，大约上世纪70年代已经定型。多年来，大部分设备厂商未调整产品结构，没有进行深入开发，又不继续引进新技术，沿用上世纪70年代技术进行生产，调速方式大部分都以电磁调速为主，造成大批能耗高、性能低水泥制品设备继续进入市场，这些能效比很低设备一直运行，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，建筑、市政施工中到了广泛应用。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，码头基础设施中。
  二. 水泥制管工艺过程
  水泥管桩是众多水泥制成品之一，它生产工艺有多种，为保证水泥管管壁厚薄均匀性、致密性，其中使用最普遍生产加工工艺是离心成型法。离心成型是将完成配料好混凝土注入模腔中，首先进行低速搅拌，搅拌均匀后电机升速到中速，离心力作用下基本成形，且混凝土逐渐密实，再高速成型脱水，整个工艺过程结束。水泥电杆生产也是用类似离心浇注法，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，启动力矩应电机100%额定力矩以上；其次低速运转时间长，要求低速力矩大；最后制管机调速范围大，为保证水泥管桩质量，要求整个工作速度范围内，转速基本稳定。早期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。电磁调速结构简单，使用简便价格相对较低，，近年来水泥制管设备中，电磁调速用较多。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，要保证生产正常进行，电动机容量选较大，这又使耗能进一步增加。一般制管机电气传动由1台75kW(55kW)电磁调速电机驱动。电磁调速电机调速范围有限，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，可能无法启动。转速不稳定性对产品质量有一定影响。另外，4极交流异步电动机额定转速为1440r/min，但电磁调速器最高只能调到1200r/min。速度高，对水泥管质量提高有益。从以上制管机对电气传动要求上看，用电磁调速器是一种无奈选择。现变频器价格已经下降到合理水平，以变频器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选项。
  三. 水泥制管变频调速
  以上情况，变频器机械特性近似为恒转矩，电机5Hz便可运行，高速50Hz时可达1440r/min，调速比1：10，极大满足了水泥制管工艺要求。唐山新兴管业有4台离心浇注机，电机型号和功率分别为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励磁调到最大，如前所述效率为85%。为达到最高节能效率，将电磁调速电机换为普通Y系列三相鼠笼电机，变频器用佛朗克FRB6000G-75KW 2台，FRB6000G-55KW 2台。变频器设置为外控端子操作，电位器调节变频器频率。加速和减速时间设定比较长，均为120s，降速到变频器输出频率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，管桩成型质量有了较大提高。变频调速后，考虑到电机运行低速时间比较长，电机散热受到一些影响，温度会升高。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，是等容量代换，原来电机容量就选比较大，改造后电机温升不会超过额定值，不必加恒速风扇降温；是非等容量代换，代换电机容量比电磁调速电机小时，那就需电机尾罩上加恒速风机，以利于电机散热。
  四. 节能分析
  水泥制管机是采用55kW或75kW电磁调速电机，转速通常控制300-1200r/min，这是离心制管工艺情况，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节能效果呢，利用电磁调速方法是一种耗能低效调速方法，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 (N·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，电磁调速电机转速越低，浪费能源越大。电磁调速方式简单，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时间占50%，即300r/min左右运行，改用变频调速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20,000元左右，一年内可收全部投资，经济效益十分显着。