摘要：本文介绍建材行业的变频调速改造，首先叙述水泥制管机的工艺过程，然后着重介绍改造情况及注意事项和改造后的节能进行了定量的分析。
关键词：水泥制管机，变频调速，电磁调速器，耗能的分析与计算
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，经济效益十分显著。
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