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 徐紹坤，劉  玉

變轉(zhuǎn)矩負(fù)載（如水泵、砂泵、風(fēng)機(jī)類、攪拌機(jī)等螺旋漿類負(fù)載）應(yīng)用十分廣泛，總裝機(jī)容量約占工業(yè)電力拖動(dòng)總量的50%，尤其是在冶金、發(fā)電、供水、大型樓宇空調(diào)等行業(yè)中，變轉(zhuǎn)矩類負(fù)載數(shù)量多、功率大，已經(jīng)成為這些企業(yè)的通用機(jī)械設(shè)備，也成了企業(yè)的用電大戶。變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性具有共同的特征，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的輸出功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。即轉(zhuǎn)速的大小變化，將引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩和輸出機(jī)械功率的強(qiáng)烈變化。研究變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的實(shí)際工況，應(yīng)用現(xiàn)代控制技術(shù)和手段，使拖動(dòng)電機(jī)與變轉(zhuǎn)矩負(fù)載及實(shí)際工況處于最好的匹配運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于做好變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的節(jié)能降耗，推進(jìn)企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)水平，大幅度降低生產(chǎn)成本是十分有益的。
1  變轉(zhuǎn)矩負(fù)載實(shí)際工況分析
筆者對(duì)云南錫業(yè)集團(tuán)公司400多臺(tái)套變轉(zhuǎn)矩負(fù)載（電機(jī)25kW以上有318臺(tái)）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、歸類，研究設(shè)備實(shí)際工況的類型、運(yùn)行方式和存在問(wèn)題，提出改造其控制運(yùn)行方式的辦法和必要性。
1.1  單機(jī)運(yùn)行，間歇工作制的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載
此類負(fù)載開(kāi)停自由度較大，生產(chǎn)流程對(duì)其約束力很小，不必考慮調(diào)速。
1.2  恒液位控制型
(1)  工況及要求 液位高度H隨流量Q1動(dòng)態(tài)變化，要求確保液面不溢出；流量Q2大小可調(diào)節(jié)，但不間斷，如圖1所示。
 

圖1  恒液位控制型

(2)  設(shè)備特點(diǎn) 設(shè)備容量大（電機(jī)25kW以上）。
(3)  傳統(tǒng)運(yùn)行 電動(dòng)機(jī)滿載驅(qū)動(dòng)，靠增加流量Q2的管道阻力，如用閘閥、檔板等方式下調(diào)Q2流量或調(diào)節(jié)壓力。
(4)  改造設(shè)想 根據(jù)入口流量Q1的動(dòng)態(tài)變化即液位高度H的變化，使用變頻器等裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出流量Q2，實(shí)現(xiàn)恒液位控制，以達(dá)到電機(jī)、負(fù)載和工況的良好匹配。
1.3  供水送風(fēng)恒壓力型控制
(1)  工況及要求 輸出流量Q，確保下道工序?qū)α髁康膭?dòng)態(tài)需求。如圖2所示。
 

圖2  恒壓力控制型

(2)  設(shè)備特點(diǎn) 設(shè)備容量大（電機(jī)25kW以上）。
(3)  傳統(tǒng)運(yùn)行電機(jī)滿載驅(qū)動(dòng)，隨時(shí)提供下一道工序?qū)α髁康淖畲笮枨蟆?BR>(4)  改造設(shè)想 根據(jù)管道的壓力差，使用閉環(huán)PID調(diào)節(jié)，自動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使輸出流量隨時(shí)等于下道工序需求的流量，實(shí)現(xiàn)供求平衡的匹配。
1.4  （中央空調(diào)型）循環(huán)水系統(tǒng)（如圖3所示）
(1)  設(shè)備特點(diǎn)  設(shè)備容量大。
(2)  工況與控制  循環(huán)水不消耗，根據(jù)各樓層所需空調(diào)的開(kāi)閉情況，使用傳感器檢測(cè)壓力或溫度信號(hào)，經(jīng)PID調(diào)節(jié)，變頻器自動(dòng)調(diào)控冷凍泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，即自動(dòng)調(diào)節(jié)冷凍水的流量，實(shí)現(xiàn)供需平衡。
 

圖3  中央空調(diào)型

大多數(shù)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式有以下問(wèn)題：
(1)  設(shè)計(jì)中的設(shè)備選型通常考慮的裕量過(guò)大，使系統(tǒng)的功耗增加；額定流量遠(yuǎn)大于實(shí)際需求流量，流量泵常出現(xiàn)“喘氣”現(xiàn)象，設(shè)備沖擊大、泵室和葉輪磨損增加，降低了設(shè)備的使用壽命。
(2)  電機(jī)的滿載驅(qū)動(dòng)、泵的全輸出，與實(shí)際工況需求不匹配。降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，造成能源的浪費(fèi)。
很多變轉(zhuǎn)矩負(fù)載均可根據(jù)實(shí)際工況，采用調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的匹配運(yùn)行。
2  SIEMENS ECO1變頻器實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載與工況需求的匹配
變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代科技的主要成果之一。主要是應(yīng)用變頻器將電網(wǎng)的工頻交流電轉(zhuǎn)變成頻率和電壓均可調(diào)的電源，以之調(diào)控交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用這種調(diào)速方式，電機(jī)機(jī)械特性硬度不變，過(guò)載能力和主磁通不變，電動(dòng)機(jī)的定額可得到充分應(yīng)用；調(diào)速范圍廣，并能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；調(diào)速精度、功率因數(shù)和效率較高。經(jīng)分析研究和實(shí)踐，各種工況類型的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載都可使用傳感器獲取負(fù)反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖4所示。選用SIEMENS（西門(mén)子）MIDIMASTER ECO1系列變頻器，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器和各種保護(hù)及參數(shù)設(shè)定功能。SIEMENS變頻器有專為拖動(dòng)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載而設(shè)計(jì)的系列產(chǎn)品，只需作較簡(jiǎn)單的接線就可構(gòu)成具有PID調(diào)節(jié)功能的閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行靈敏、準(zhǔn)確、響應(yīng)速度快。
(1)  恒液位控制系統(tǒng)改造
系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖4所示。被控制過(guò)程是水泵或砂泵，負(fù)反饋環(huán)節(jié)選用德國(guó)8175超聲波液位計(jì)。礦漿池液位變化時(shí)由超聲波液位計(jì)檢測(cè)并發(fā)出4～20mA電流反饋信號(hào)，經(jīng)比較、PID調(diào)節(jié)、變頻和電機(jī)調(diào)速，使礦漿池的液位保持在一定范圍內(nèi)。滿足工藝要求，達(dá)到系統(tǒng)匹配。
(2)  恒壓力型控制系統(tǒng)
系統(tǒng)中的被控制過(guò)程是風(fēng)機(jī)或水泵，反饋環(huán)節(jié)是管道壓力傳感器。當(dāng)下道工序?qū)α髁康男枨蟀l(fā)生變化時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)并發(fā)出4～20mA電流反饋信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻調(diào)速，使輸出流量隨時(shí)與下道工序的需求量相平衡，達(dá)到最佳匹配。
(3)  （中央空調(diào)型）循環(huán)水系統(tǒng)
系統(tǒng)中的被控制過(guò)程是冷卻泵，反饋環(huán)節(jié)是管道壓力傳感器（或冷凍主機(jī)的溫差變送器）。傳感器檢測(cè)并發(fā)出4～20mA電流反饋信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻調(diào)速，使輸出冷凍水流量隨時(shí)與樓層空調(diào)開(kāi)度需求量相平衡，達(dá)到最佳匹配。
 

圖4  恒液位控制系統(tǒng)框圖

3  應(yīng)用實(shí)例
云南錫業(yè)集團(tuán)公司大屯選礦廠12號(hào)泵（電機(jī)25kW）的工況為恒液位控制型。應(yīng)用改造后的恒液位控制系統(tǒng)，經(jīng)該集團(tuán)公司設(shè)備能源處和該廠工程人員反復(fù)測(cè)試，運(yùn)行的實(shí)際效果是
(1)  節(jié)能 變頻器輸出電源頻率多數(shù)時(shí)間在35Hz下運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)輸入有功功率（14.46kW）下降至原輸入有功功率（27.46kW）的52.4%。單機(jī)年節(jié)電（按一年運(yùn)行300天，每天運(yùn)行24小時(shí)計(jì)），按每kWh電價(jià)0.341元計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)31917.6元。
僅該廠25kW以上的泵電機(jī)達(dá)157臺(tái)，如果全部應(yīng)用變頻調(diào)速，年節(jié)約電費(fèi)600多萬(wàn)元；推廣到筆者統(tǒng)計(jì)的可實(shí)施調(diào)速的318臺(tái)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載全部改造，該集團(tuán)公司年節(jié)約電費(fèi)1200萬(wàn)元以上。由此可見(jiàn)：
① 應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)改造后的控制系統(tǒng)，節(jié)能效果十分顯著，有很大的推廣價(jià)值。
② 原設(shè)計(jì)中，泵和電機(jī)設(shè)計(jì)裕量過(guò)大，配置功率還可在原基礎(chǔ)上大幅度降低。
(2)  變頻器具有PID調(diào)節(jié)功能（有的還內(nèi)置PLC可編程控制器）及各種保護(hù)和參數(shù)設(shè)定等功能，操作及維護(hù)簡(jiǎn)單。其閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍廣，控制準(zhǔn)確、靈敏、響應(yīng)速度快。可確保輸出流量隨時(shí)與下道工序的需求量相平衡，實(shí)現(xiàn)最佳匹配。同時(shí)泵的易磨件使用周期長(zhǎng)，大大降低了維修費(fèi)用，也為工藝流程作新的調(diào)整改造提供了設(shè)備和技術(shù)基礎(chǔ)。
(3)  充分應(yīng)用變頻器內(nèi)置功能，可減少其它控制器件的重復(fù)投資。
4  結(jié)語(yǔ)
變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性、工況類型、應(yīng)用新技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)或節(jié)能改造等方面具有許多共性，但是多年來(lái)一直未能引起人們的足夠重視。筆者認(rèn)為，對(duì)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)或改造，使變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的運(yùn)行控制系統(tǒng)作新的變革，這種智能化的自動(dòng)控制技術(shù)，使系統(tǒng)運(yùn)行得到優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)效率，節(jié)能降耗以及降低維修等附加費(fèi)用，這對(duì)企業(yè)降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)技術(shù)后勁是大有可為的。
參考文獻(xiàn)：
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[2]  楊濱. 變頻調(diào)速裝置在泵上的應(yīng)用. 個(gè)舊電機(jī)工程學(xué)會(huì)論文集, 2002.1.