1 概述

水泥制品在我國(guó)城鄉(xiāng)、工礦企業(yè)、農(nóng)田水利以及能源、交通、通訊等工程建設(shè)中得到極為廣泛的使用，取得了顯著的社會(huì)效益，已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可缺少的重要建材產(chǎn)品。我國(guó)已成為當(dāng)今世界生產(chǎn)、使用水泥制品最多的國(guó)家。據(jù)中國(guó)水泥制品工業(yè)協(xié)會(huì)資料介紹，到2005年全國(guó)水泥制品規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品年銷售收入為812.54億元，與1986年相比增長(zhǎng)了46倍，在建材工業(yè)32個(gè)行業(yè)中排在水泥、建筑衛(wèi)生陶瓷制造業(yè)之后，居第3位。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，特別是拉動(dòng)內(nèi)需的巨大需求，基本建設(shè)投資對(duì)GDP的增加有著重要作用，水泥及水泥制品等建材需求不斷加大，在節(jié)能減排建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的背景下，“兩高一低”項(xiàng)目和產(chǎn)品逐漸退出市場(chǎng)，采用高效節(jié)能的產(chǎn)品被列為重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域。在技術(shù)層面上以產(chǎn)品開發(fā)為龍頭，依靠技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新研制了模具、成型等專用設(shè)備和機(jī)具。

目前我國(guó)生產(chǎn)的水泥制品主要品種有：混凝土和鋼筋混凝土排水管、自應(yīng)力混凝土管、三階段預(yù)應(yīng)力混凝土管、一階段預(yù)應(yīng)力混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、鋼筋混凝土電桿和預(yù)應(yīng)力混凝土電桿、預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁、鋼筋混凝土構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件及市政建設(shè)用混凝土制品、彩色水泥瓦和混凝土砌塊及裝飾混凝土砌塊、纖維水泥制品———石棉水泥瓦（板、管）、GRC制品、硅酸鈣板等。幾十年來，水泥制品行業(yè)的有關(guān)科研設(shè)計(jì)院（所）、生產(chǎn)企業(yè)、專用設(shè)備制造廠密切合作，在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷改進(jìn)和完善生產(chǎn)裝備，進(jìn)而促進(jìn)生產(chǎn)裝備水平的提高如：生產(chǎn)排水管設(shè)備；生產(chǎn)水泥電桿設(shè)備；生產(chǎn)三階段預(yù)應(yīng)力混凝土管設(shè)備；生產(chǎn)一階段預(yù)應(yīng)力混凝土管設(shè)備；生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管設(shè)備；生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁設(shè)備等。

但在應(yīng)用技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)與裝備水平、產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率、企業(yè)管理水平等方面，我國(guó)與國(guó)外一些工業(yè)化國(guó)家相比，還有較大的差距。如生產(chǎn)裝備機(jī)械化、自動(dòng)化程度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低；調(diào)速的方式大部分都以電磁調(diào)速為主，造成大批能耗高、性能低的水泥制品設(shè)備繼續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)，并且這些能效比很低的設(shè)備一直在運(yùn)行，大量消耗電能；檢測(cè)手段不完備、工藝不完善、設(shè)備不配套等。近十年來隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電機(jī)調(diào)速控制理論的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已成為電機(jī)調(diào)速和節(jié)能最先進(jìn)的技術(shù)，在水泥和水泥制品生產(chǎn)中技術(shù)改造和節(jié)能中發(fā)揮重要作用。

2  水泥制管的工藝

2.1 工藝

水泥管樁是眾多的水泥制成品之一，資料顯示到2005年年底，全國(guó)已累計(jì)生產(chǎn)各種口徑的自應(yīng)力混凝土管材107000公里和預(yù)應(yīng)力混凝土管材45000公里，這些管材不僅在城市、村鎮(zhèn)建設(shè)、工礦企業(yè)建設(shè)的輸水管道中得到廣泛應(yīng)用，而且在農(nóng)田水利建設(shè)中也被大量用于引水上山管道、倒虹吸管道、噴灌管道、排澇管道、小水電站水輪機(jī)的引水管道等。水泥管樁的生產(chǎn)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(chǎn)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，利用離心力、重力、粘聚力、摩擦力使游動(dòng)的混凝土經(jīng)過低速、低中速、中速、高速四種速度；布料、二級(jí)過渡、密實(shí)三個(gè)階段，在鋼模中有序排列。在拋落、充填、排擠過程中漸次密實(shí)，外層形成密實(shí)混凝土層，中層砂漿層，內(nèi)層水泥凈漿層；以后經(jīng)蒸養(yǎng)達(dá)到C80強(qiáng)度等級(jí)。在離心力的作用下中速基本成形，且混凝土逐漸密實(shí)，再經(jīng)過高速成型脫水，整個(gè)工藝過程結(jié)束。

工藝過程描述

2.2 電氣要求

離心成型法對(duì)電氣傳動(dòng)設(shè)備要求是：滿載啟動(dòng)，啟動(dòng)力矩應(yīng)在電機(jī)100%額定力矩以上；低速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間長(zhǎng)，要求低速力矩大；由于制管機(jī)調(diào)速范圍大，為保證水泥管樁的質(zhì)量，要求在整個(gè)工作速度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定。早期的調(diào)速方式有機(jī)械式分級(jí)調(diào)速、整流子電機(jī)調(diào)速、直流調(diào)速、電磁調(diào)速等。由于電磁調(diào)速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用簡(jiǎn)便價(jià)格相對(duì)較低，因此，近年來在水泥制管設(shè)備中，電磁調(diào)速用得較多。但電磁調(diào)速效率低，最高轉(zhuǎn)速時(shí)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(shí)間占50%左右，電磁調(diào)速速度低速時(shí)耗能相當(dāng)大。

2.3  調(diào)速方法比較

水泥制管機(jī)負(fù)載機(jī)械特性為大慣性負(fù)載，啟動(dòng)后低速運(yùn)行，顯然是重載起動(dòng)。電磁調(diào)速器低速運(yùn)行時(shí)機(jī)械特性軟，低速轉(zhuǎn)矩較差，要保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，電動(dòng)機(jī)的容量選得較大，這又使耗能進(jìn)一步增加。一般制管機(jī)的電氣傳動(dòng)由1臺(tái)75kW（或55kW）的電磁調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

電磁調(diào)速電機(jī)主要由三相異步電機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和測(cè)速發(fā)電機(jī)三部分組成。離合器是由兩個(gè)同心而獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的部件所組成：一個(gè)稱為磁極（內(nèi)轉(zhuǎn)子），另一個(gè)稱為電樞（外轉(zhuǎn)子），當(dāng)磁極的激磁線圈通過直流電流時(shí)，沿氣隙圓周表面的爪極便形成若干對(duì)急性相互交替的空間磁場(chǎng)。當(dāng)離合器的電樞隨拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電樞與磁場(chǎng)間有相對(duì)移動(dòng)，在電樞內(nèi)就產(chǎn)生渦流；此渦流與磁通相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)磁極按同一方向旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速恒低于電樞轉(zhuǎn)速，改變激磁電流，可調(diào)節(jié)離合器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

但是電磁調(diào)速電機(jī)的最高輸出轉(zhuǎn)速僅為電動(dòng)機(jī)的80%-90%，由于電磁調(diào)速異步電機(jī)的傳遞效率與輸出軸的轉(zhuǎn)速成正比，低速時(shí)效率低下，熱能損耗高，并且調(diào)速范圍不大，低速力矩又較差。而混凝土進(jìn)行低速攪拌要求力矩大，不能滿足時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，甚至可能無法啟動(dòng)。轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有一定的影響。

再者電磁調(diào)速電機(jī)對(duì)周圍環(huán)境要求高，必須為粉塵較小且干燥的環(huán)境，否則很容易因粉塵進(jìn)入，把磁極和電樞部分粘死，無法調(diào)速甚至燒壞測(cè)速電機(jī)。

變頻調(diào)速的原理是根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速:n=60f( 1- s) /p 式中f 為電源頻率, p 為極對(duì)數(shù)，s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。由上式可知，之所以能夠用變頻器方式調(diào)速，因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速改變定子的供電頻率，即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變頻率f時(shí)，定子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似等于定子上的端電壓，只要轉(zhuǎn)差率不太大，可以近似的認(rèn)為轉(zhuǎn)速n與f成正比，改變電源頻率就可實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)連續(xù)平滑調(diào)速。變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣，速度穩(wěn)定，精度高，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和操作方便等特點(diǎn)。從制管機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)的要求上看，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻器的優(yōu)異性能完全可滿足制管工藝要求，且變頻器的價(jià)格已經(jīng)下降到合理的水平，因此用變頻調(diào)速代替電磁調(diào)速是最佳的選項(xiàng)。

3 水泥制管機(jī)的變頻調(diào)速

改造方法有兩種：一是采用變頻器直接驅(qū)動(dòng)電磁調(diào)速電機(jī)，二是采用變頻器驅(qū)動(dòng)三相交流異步機(jī)。

3.1 改造方案

為了簡(jiǎn)便和成本考慮，可在原設(shè)備不變的情況下，電樞和磁極連接處需要焊接在一起，形成一個(gè)整體，變頻器驅(qū)動(dòng)電磁調(diào)速電機(jī)，將電磁調(diào)速器杯型轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁調(diào)到最大。如圖所示。

改造方案描述

電動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)改造：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，易引起電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。為了保證電動(dòng)機(jī)在低速下穩(wěn)定運(yùn)行，特對(duì)電機(jī)進(jìn)行散熱系統(tǒng)進(jìn)行改造。增加電動(dòng)機(jī)的散熱風(fēng)扇有源控制，風(fēng)扇的運(yùn)行取決于斷路器閉合后輔助節(jié)點(diǎn)，即電動(dòng)機(jī)無論是在高速還是在低速下運(yùn)行時(shí)，散熱風(fēng)扇都能保證電動(dòng)機(jī)散熱。

為達(dá)到最高的節(jié)能效率，可將電磁調(diào)速電機(jī)換為Y系列三相異步電機(jī)。

3.2 改造實(shí)例

山東某水泥制品企業(yè)有4臺(tái)離心制管機(jī)，全部采用電磁調(diào)速，電機(jī)的型號(hào)和功率分別為YCT260m-4-75kW 2臺(tái)，YCT250m-4-55kW 2臺(tái)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析和論證，改造方案將電磁調(diào)速改造為變頻調(diào)速，用普傳科技自主研發(fā)的國(guó)家火炬計(jì)劃重點(diǎn)新產(chǎn)品PI7800系列變頻器變頻器驅(qū)動(dòng)電磁調(diào)速電機(jī)。PI7800系列變頻器采用TI公司最新電機(jī)控制芯片DSP，配置第四代功率模塊IGBT及先進(jìn)生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)高速、高效高精度控制。過載能力強(qiáng)，具有低速轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能，調(diào)速比1：10以上，很好地滿足了水泥制管的工藝要求。

變頻器用普傳科技PI7800 075G3（75 kW）型變頻器2臺(tái)，PI7800 055G3（55 kW）變頻器2臺(tái)。變頻器設(shè)置為外控端子操作，電位器調(diào)節(jié)變頻器的頻率。加速和減速時(shí)間設(shè)定比較長(zhǎng)，均為120s，降速到變頻器的輸出頻率5hz時(shí)，啟用直流制動(dòng)，操作十分方便。使用了變頻器后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，管樁的成型的質(zhì)量有了較大的提高。

根據(jù)生產(chǎn)管樁尺寸的大小不同,分別設(shè)置了四種管樁的運(yùn)行模式，每種模式可以設(shè)置七種不同的運(yùn)行頻率和運(yùn)行時(shí)間。運(yùn)行頻率和時(shí)間是可以根據(jù)生產(chǎn)管樁的尺寸，原材料等工藝要求任意設(shè)定。改造后大大提高了生產(chǎn)效率，具有很好的節(jié)能效果，減輕了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

需要注意的是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境一般比較惡劣，應(yīng)將變頻器置于電控柜內(nèi)，做好通風(fēng)、防塵、絕緣等防護(hù)措施。

4  節(jié)能分析與評(píng)估

水泥制管機(jī)是采用55kW或75kW的電磁調(diào)速電機(jī)，根據(jù)離心制管工藝情況，對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)速通?？刂圃?00-1200r/min。通過實(shí)例，采用變頻調(diào)速的方法取代電磁調(diào)速平均節(jié)能量30%以上。從電磁調(diào)速主電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式分析如下：

P0=M0×n0                                     （1）

式中：P0：表示主電機(jī)軸輸出功率(kW)；M0：負(fù)載轉(zhuǎn)矩 (kgf•m)；n0：主電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)

電磁調(diào)速轉(zhuǎn)子輸出功率：

P1≈M0•n1                         （2）

式中：P1：表示輸出功率(kW)；n1：表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(r/min)

損耗功率：

△P≈P0－P1=M0（n0－n1）         （3）

由于電磁轉(zhuǎn)差離合器的輸出轉(zhuǎn)速的降低，其轉(zhuǎn)差損耗增大。由此可見，具有恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的生產(chǎn)機(jī)械，采用電磁轉(zhuǎn)差離合器進(jìn)行調(diào)速，電磁調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速n1越低運(yùn)行效率就越低，轉(zhuǎn)差損耗△P就越大。  

水泥制管機(jī)低速運(yùn)行的速度為300r/min左右，因此改用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)4極電機(jī)的方式后，理論上節(jié)能為：

P0－P1=M0(1440－300)=1140M0

節(jié)能率(P0－P1)/P0*100%=(1140T0/1440M0)*100%=39.6%

考慮到低速運(yùn)行的時(shí)間占50%左右，可以推出變頻器節(jié)能率在30%以上，據(jù)廠家透露，四臺(tái)制管機(jī)月節(jié)電費(fèi)在20,000元左右，一年內(nèi)可收全部投資，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，采用變頻調(diào)速，其轉(zhuǎn)速越低，節(jié)電效果越顯著。由于變頻調(diào)速為無轉(zhuǎn)差調(diào)速，所以與電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速相比，其運(yùn)行效率高，采用變頻器有高效節(jié)能的特點(diǎn)，值得推廣。

5  結(jié)束語

電磁調(diào)速方式雖然簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格便宜，但調(diào)速以高耗能為代價(jià)。變頻器根據(jù)生產(chǎn)管樁尺寸的大小不同，分別設(shè)置了多種管樁的運(yùn)行模式,每種模式可以設(shè)置幾種不同的運(yùn)行頻率和運(yùn)行時(shí)間，改造后大大提高了生產(chǎn)效率，具有很好的節(jié)能效果，減輕了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

“十一五”以及未來10年～15年期間，我國(guó)的建設(shè)和發(fā)展需要大量建筑材料、大量水泥制品，這為水泥制品工業(yè)發(fā)展提供了千載難逢的機(jī)遇?？梢灶A(yù)見，未來這5年～10年是水泥制品工業(yè)最好的發(fā)展時(shí)期，采用變頻調(diào)速改造水泥制品機(jī)械是技術(shù)進(jìn)步和科技創(chuàng)新的重要手段。