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一. 概述
隨著國民經濟的快速發展，水泥及其制品在基礎建設領域中發揮了巨大的作用，其行業呈現出一派朝氣勃勃的興旺景象。但由于該行業設備從國外學習和引進的時間較早，設備國產化的的時間也早，大約在上世紀70年代已經定型。多年來，大部分的設備廠商未調整產品結構，沒有進行深入的開發，而且又不繼續引進新技術，沿用上世紀70年代的技術進行生產，調速的方式大部分都以電磁調速為主，造成大批能耗高、性能低的水泥制品設備繼續進入市場，并且這些能效比很低的設備一直在運行，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，并且，在建筑、市政施工中得到了廣泛的應用。水泥管樁因其施工方便快捷，省時、省工且質量可靠，造價相對低廉，大量用于高速公路，橋梁，房屋基礎，河堤，碼頭的基礎設施中。
二. 水泥制管的工藝過程
水泥管樁是眾多的水泥制成品之一，它的生產工藝有多種，為保證水泥管管壁厚薄的均勻性、致密性，其中使用最普遍的生產加工工藝是離心成型法。離心成型是將完成配料好的混凝土注入模腔中，首先進行低速攪拌，攪拌均勻后電機升速到中速，在離心力的作用下基本成形，且混凝土逐漸密實，再經過高速成型脫水，整個工藝過程結束。水泥電桿的生產也是用類似的離心澆注法，其生產工藝與此大體相同。
離心成型法對電氣傳動設備要求較高，首先要求滿載啟動，啟動力矩應在電機100%額定力矩以上；其次低速運轉的時間長，要求低速力矩大；最后由于制管機調速范圍大，為保證水泥管樁的質量，要求在整個工作速度范圍內，轉速基本穩定。早期的調速方式有機械式分級調速、整流子電機調速、直流調速、電磁調速等。由于電磁調速結構簡單，使用簡便價格相對較低，因此，近年來在水泥制管設備中，電磁調速用得較多。但電磁調速效率低，最高轉速時效率為85%，速度越低效率也越低。水泥管離心成形工藝低速的時間占50%左右，電磁調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，起動前模腔內需加足一根水泥管樁定量的混凝土，啟動后低速運行，顯然是重載起動。電磁調速器低速運行時機械特性軟，低速轉矩較差，要保證生產的正常進行，電動機的容量選得較大，這又使耗能進一步增加。一般制管機的電氣傳動由1臺75kW(55kW)的電磁調速電機驅動。電磁調速電機的調速的范圍有限，而低速力矩又較差，但混凝土進行低速攪拌要求力矩大，不能滿足時轉速會出現不穩定現象，甚至可能無法啟動。轉速的不穩定性對產品質量有一定的影響。另外，4極交流異步電動機的額定轉速為1440r/min，但電磁調速器最高只能調到1200r/min。速度高，對水泥管的質量的提高有益。從以上制管機對電氣傳動的要求上看，用電磁調速器是一種無奈的選擇。現在變頻器的價格已經下降到合理的水平，以變頻器的優異性能完全可滿足制管工藝要求，用變頻調速代替電磁調速是最佳的選項。
三. 水泥制管的變頻調速
根據以上的情況，變頻器的機械特性近似為恒轉矩，電機在5Hz便可運行，高速50Hz時可達1440r/min，調速比1：10，極大地滿足了水泥制管的工藝要求。東莞市大嶺山鴻基管樁廠有4臺離心澆注機，電機的型號和功率分別為Y260M-4-75KW 2臺，Y250M-4-55KW 2臺，全部采用電磁調速。將電磁調速改造為變頻調速，簡單的方法是用變頻器驅動電磁調速電機，將電磁調速器杯型轉子的勵磁調到最大，如前所述效率為85%。為達到最高的節能效率，將電磁調速電機換為普通Y系列三相鼠籠電機，變頻器用森蘭SB40S75KW 2臺，BT40S55KW 2臺。變頻器設置為外控端子操作，電位器調節變頻器的頻率。加速和減速時間設定比較長，均為120s，降速到變頻器的輸出頻率5Hz時，啟用直流制動，操作十分方便。使用了變頻器后，轉速穩定性好，管樁的成型的質量有了較大的提高。變頻調速后，考慮到電機運行在低速的時間比較長，電機的散熱受到一些影響，溫度會升高。在改造過程中，將電磁調速電機換為Y系列交流異步電動機時，如果是等容量的代換，由于原來電機的容量就選得比較大，改造后電機的溫升不會超過額定值，不必加恒速風扇降溫；如果是非等容量代換，代換電機的容量比電磁調速電機小時，那就需在電機尾罩上加恒速風機，以利于電機的散熱。
四. 節能分析
水泥制管機是采用55kW或75kW的電磁調速電機，轉速通常控制在300-1200r/min，這是根據離心制管工藝情況，對電機速度進行控制。實踐證明，采用變頻調速的方法取代電磁調速平均節能量50%左右。為什么對電磁調速進行變頻改造會有如此大的節能效果呢，因為利用電磁調速方法是的一種耗能的低效調速方法，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：表示負載轉矩 (N•m)
n0：表示主電機轉速 (r/min)
杯形轉子輸出功率：
P1 T0•n1 （2）
式中：
P1：表示輸出功率(kW)
n1：表示杯形轉子轉速(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，電磁調速電機的轉速越低，浪費能源越大。電磁調速方式雖然簡單，設備價格便宜，但調速以高耗能為代價。水泥制管機低速運行的時間占50%，即在300r/min左右運行，因此改用變頻調速的方式后理論上節能為：
P0－P1=T0(1440－300)=1140T0
(P0－P1)/P0 100%=(1140T0/1440T0) 100%=39.6%
考慮到低速運行的時間占50%，則節能率應為39.6%。據廠家透露，四臺制管機月節電費在20,000元左右，一年內可收全部投資，經濟效益十分顯著。
參考文獻：(1)SB40系列變頻調速器使用手冊[Z]. 成都希望森蘭變頻器制造有限公司
(2)劉美俊 變頻器應用技術 福建科學技術出版社2004
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號