森蘭變頻在離心鑄管機(jī)上的應(yīng)用
摘要：本文介紹自來(lái)水大口徑的供水鑄鐵管的變頻調(diào)速改造，首先敘述鑄鐵管的生產(chǎn)工藝過(guò)程，然后著重介紹改造情況及注意事項(xiàng)和改造后的節(jié)能進(jìn)行了定量的分析。
關(guān)鍵詞：離心鑄管機(jī)，變頻調(diào)速，電磁調(diào)速器耗能的分析與計(jì)算
一. 鑄鐵管的生產(chǎn)過(guò)程
目前，城市自來(lái)水大口徑的供水管主要使用鑄鐵管﹑水泥管和玻璃纖維管。在保證一定強(qiáng)度的前提下，用離心法澆鑄比用模具法澆鑄的鑄鐵管的管壁厚度已經(jīng)大大地下降了，整體重量減輕了很多，而且質(zhì)量也不錯(cuò)。在現(xiàn)行普遍使用的幾種供水管中，鑄鐵管價(jià)位處于中等，強(qiáng)度高﹑經(jīng)久耐用，重量輕﹑安裝施工簡(jiǎn)單快捷，很受各自來(lái)水公司的青睞。
四川崇州鑄管廠生產(chǎn)城市自來(lái)水供水使用的400mm~800mm口徑的鑄鐵管，為保證鑄鐵管管壁厚度的均勻性，又要保證鑄鐵管的質(zhì)量，采用離心澆注法。其工藝過(guò)程是將熔化了的高溫鐵水注入模具中，再將模具從零速逐漸加速到高速旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用，鐵水很快在模具中成型，并在模具中通冷卻水，維持?jǐn)?shù)分鐘后，鐵管溫度下降到大約400~500時(shí)逐漸降速到零，開(kāi)模取管。臥式鑄管機(jī)的模具放在前后1﹑2﹑3﹑4四只傳動(dòng)輪上，其中2﹑4由兩臺(tái)電機(jī)經(jīng)皮帶輪帶動(dòng)的主動(dòng)輪，其余1﹑3兩只是被動(dòng)輪，如圖1所示。原來(lái)的傳動(dòng)方式是兩臺(tái)37KW的電機(jī)由電磁調(diào)速器驅(qū)動(dòng)。這種生產(chǎn)工藝要求兩臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。盡管對(duì)電磁調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)采取了控制同步運(yùn)轉(zhuǎn)措施，由于電磁調(diào)速器的控制部分都是模擬PI調(diào)節(jié)器，精度和穩(wěn)定性都較差，在實(shí)際工作中，操作工人憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行速度微調(diào)，很難調(diào)到兩電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣兩電機(jī)的負(fù)荷分配不均勻，嚴(yán)重時(shí)引起跳閘，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。
圖1 鑄管機(jī)傳動(dòng)示意圖
二. 鑄管機(jī)的負(fù)載機(jī)械特性
鑄管機(jī)負(fù)載特性為恒轉(zhuǎn)矩大慣性負(fù)載，并且，起動(dòng)前先將一定量的鐵水先注入模具，然后再開(kāi)始起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此又是重載起動(dòng)。電磁調(diào)速器低速轉(zhuǎn)矩較差，要保證鑄管機(jī)起動(dòng)正常起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的容量一般選得較大。鑄管機(jī)傳動(dòng)由兩臺(tái)37KW的4極異步鼠籠電機(jī)承擔(dān)，兩臺(tái)電機(jī)之間存在負(fù)荷分配問(wèn)題。
鑄管機(jī)的離心成型法對(duì)電氣傳動(dòng)設(shè)備要求較高，首先要求滿載起動(dòng)，起動(dòng)力矩應(yīng)在電機(jī)100%額定力矩以上；其次低速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間長(zhǎng)，要求低速力矩大；最后由于鑄管機(jī)調(diào)速范圍大，為保證鑄鐵管的質(zhì)量，要求在整個(gè)工作速度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速應(yīng)基本穩(wěn)定。
三. 鑄管機(jī)的變頻調(diào)速
根據(jù)以上的情況，選用具有恒轉(zhuǎn)矩特性且起動(dòng)力矩大的森蘭SB40S系列變頻器。如果用兩臺(tái)37KW變頻器，就需要考慮兩臺(tái)電機(jī)的同步控制問(wèn)題，這樣做同步效果好，但電機(jī)上需安裝速度變送器（脈沖編碼器或測(cè)速發(fā)電機(jī)），其結(jié)果是比較麻煩而且投資會(huì)增加。如果將兩臺(tái)37kw電動(dòng)機(jī)并聯(lián)后用一臺(tái)75KW變頻器控制，兩臺(tái)電機(jī)可做到同頻運(yùn)轉(zhuǎn)，但兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的特性有一定的差異，其速度也會(huì)有速度差，對(duì)于電機(jī)的參數(shù)差別不大，同步要求不高的系統(tǒng)還是可以滿足使用要求。
鑄管機(jī)對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的同步要求不高，為簡(jiǎn)單計(jì)采用電機(jī)并聯(lián)，選用一臺(tái)SB40S75KW變頻器拖動(dòng)兩臺(tái)37KW電機(jī)運(yùn)行，為保護(hù)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)需裝熱繼電器，如圖2中的RJ1，RJ2。設(shè)定F01=3，調(diào)速用X4，X5端子按鈕控制，按X4升速；按X5降速。停車(chē)時(shí)間設(shè)為120S，降速到變頻器的輸出頻率5Hz時(shí)，啟用直流制動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)測(cè)試，有一臺(tái)電機(jī)的線電流為57A，另一臺(tái)電機(jī)的線電流為38A，最大的57A也未超過(guò)37kw電機(jī)電流的額定值，對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用無(wú)影響。當(dāng)然也可選用森蘭SB80系列矢量控制高性能變頻器，這種變頻器有一種“特性軟化”功能，選擇特性軟化功能，可改變變頻器的特性曲線，使兩電機(jī)的線電流之差盡量縮小，負(fù)荷分配基本均勻。變頻調(diào)速控制原理與如圖2所示。
變頻器的機(jī)械特性為恒轉(zhuǎn)矩，電機(jī)在低頻5Hz便可運(yùn)行，高速42Hz時(shí)可達(dá)1200r/min，調(diào)速比1：8以上，極大的滿足了鑄管機(jī)的工藝要求。將電磁調(diào)速改造為變頻調(diào)速，簡(jiǎn)單方法用變頻器驅(qū)動(dòng)電磁調(diào)速電機(jī)，將電磁調(diào)速器的轉(zhuǎn)差離合器的勵(lì)磁調(diào)到最大，其效率僅為85%。為達(dá)到最高的節(jié)能效率，需將電磁調(diào)速電機(jī)換為普通Y系列三相鼠籠電機(jī)，或者用機(jī)械的方式將電機(jī)和轉(zhuǎn)差離合器的輸出直接相連。變頻調(diào)速后，考慮到電機(jī)運(yùn)行在低速的時(shí)間比較長(zhǎng)，電機(jī)的散熱受到一些影響，溫度會(huì)升高。在改造過(guò)程中，將電磁調(diào)速電機(jī)換為Y系列交流異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果是等容量的代換，由于原來(lái)電機(jī)的容量就選得比較大，改造后電機(jī)的溫升不會(huì)超過(guò)額定值，不必加恒速風(fēng)扇降溫；如果是非等容量代換，代換電機(jī)的容量比電磁調(diào)速電機(jī)小時(shí)，那就需在電機(jī)尾罩上加恒速風(fēng)機(jī)，以利于電機(jī)的散熱。
圖2 鑄管機(jī)變頻控制原理圖
四.﹑節(jié)能分析
鑄管機(jī)經(jīng)變頻改造后，用按鈕調(diào)速非常方便，改變了電磁調(diào)速器在運(yùn)行中調(diào)同步很不容易實(shí)現(xiàn)同步的方法，使兩臺(tái)電機(jī)負(fù)荷分配大體均勻，做到了無(wú)級(jí)調(diào)速，運(yùn)行平穩(wěn)。變頻器取代了電磁調(diào)速器后，有較好的節(jié)能效果，現(xiàn)分析如下：
電磁調(diào)速的轉(zhuǎn)差離合器的損耗是由主動(dòng)部分的風(fēng)阻﹑磨擦損耗及從動(dòng)部分的機(jī)械磨擦所產(chǎn)生。如果考慮這些損耗與轉(zhuǎn)差離合器的激磁功率相平衡且忽略不計(jì)的活，則轉(zhuǎn)差離合器的輸入﹑輸出功率可用下式表示：
電動(dòng)機(jī)的輸出功率
P1=M1n1(kw)
式中：M1--電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩(kgf.m)
n1—電動(dòng)機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速(r/min)
轉(zhuǎn)差離合器的輸出功率：
P2=M2n2(kw)
式中：M2—轉(zhuǎn)差離合器的輸出轉(zhuǎn)矩(kgf.m)
n2—轉(zhuǎn)差離合器的輸出軸轉(zhuǎn)速(r/min)
電動(dòng)機(jī)的輸出功率等于轉(zhuǎn)差離合器的輸入功率。對(duì)于離心鑄管機(jī)這類(lèi)恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性的負(fù)載，其轉(zhuǎn)矩：M= M1= M2=常數(shù)，所以，轉(zhuǎn)差離合器的效率：
滑差可由下式定義
則 
可見(jiàn)，在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，轉(zhuǎn)差離合器的效率正比于輸出轉(zhuǎn)速。因此用電磁調(diào)速器調(diào)速使輸出轉(zhuǎn)速下降時(shí)，輸出功率成正比下降，而輸入功率保持不變，實(shí)際上，滑差也就是節(jié)電率。此時(shí)，損耗功率Ph與滑差損耗成正比，即
(kw)離心鑄管機(jī)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1440r/min，工作時(shí)從零速逐漸加速到最高1200r/min，再維持6分鐘。由于電磁調(diào)速電機(jī)低速力矩較差，在300r/min時(shí)才開(kāi)始起動(dòng)，這個(gè)過(guò)程中，滑差在79%~17%范圍內(nèi)變化，但在17%的時(shí)間較長(zhǎng)，加權(quán)平均計(jì)算為30%左右。采用變頻調(diào)速后，變頻器的效率基本上不隨輸出的頻率變化，除去變頻器的損耗后，節(jié)電率在24%上下，實(shí)際用電度表計(jì)量，節(jié)能在22%上下，投資回收期不到一年，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。
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