徐紹坤，劉  玉

變轉矩負載（如水泵、砂泵、風(fēng)機類(lèi)、攪拌機等螺旋漿類(lèi)負載）應用十分廣泛，總裝機容量約占工業(yè)電力拖動(dòng)總量的50%，尤其是在冶金、發(fā)電、供水、大型樓宇空調等行業(yè)中，變轉矩類(lèi)負載數量多、功率大，已經(jīng)成為這些企業(yè)的通用機械設備，也成了企業(yè)的用電大戶(hù)。變轉矩負載的機械特性具有共同的特征，其負載轉矩與轉速的平方成正比，拖動(dòng)電機轉軸上的輸出功率與轉速的立方成正比。即轉速的大小變化，將引起電機轉矩和輸出機械功率的強烈變化。研究變轉矩負載的實(shí)際工況，應用現代控制技術(shù)和手段，使拖動(dòng)電機與變轉矩負載及實(shí)際工況處于最好的匹配運行狀態(tài)，對于做好變轉矩負載的節能降耗，推進(jìn)企業(yè)應用現代技術(shù)水平，大幅度降低生產(chǎn)成本是十分有益的。
1  變轉矩負載實(shí)際工況分析
筆者對云南錫業(yè)集團公司400多臺套變轉矩負載（電機25kW以上有318臺）進(jìn)行了統計、歸類(lèi)，研究設備實(shí)際工況的類(lèi)型、運行方式和存在問(wèn)題，提出改造其控制運行方式的辦法和必要性。
1.1  單機運行，間歇工作制的變轉矩負載
此類(lèi)負載開(kāi)停自由度較大，生產(chǎn)流程對其約束力很小，不必考慮調速。
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大小可調節，但不間斷，如圖1所示。
 

圖1  恒液位控制型

(2)  設備特點(diǎn) 設備容量大（電機25kW以上）。
(3)  傳統運行 電動(dòng)機滿(mǎn)載驅動(dòng)，靠增加流量Q2的管道阻力，如用閘閥、檔板等方式下調Q2流量或調節壓力。
(4)  改造設想 根據入口流量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)調節電機轉速，從而自動(dòng)調節輸出流量Q2，實(shí)現恒液位控制，以達到電機、負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，確保下道工序對流量的動(dòng)態(tài)需求。如圖2所示。
 

圖2  恒壓力控制型

(2)  設備特點(diǎn) 設備容量大（電機25kW以上）。
(3)  傳統運行電機滿(mǎn)載驅動(dòng)，隨時(shí)提供下一道工序對流量的最大需求。
(4)  改造設想 根據管道的壓力差，使用閉環(huán)PID調節，自動(dòng)控制電機轉速，使輸出流量隨時(shí)等于下道工序需求的流量，實(shí)現供求平衡的匹配。
1.4  （中央空調型）循環(huán)水系統（如圖3所示）
(1)  設備特點(diǎn)  設備容量大。
(2)  工況與控制  循環(huán)水不消耗，根據各樓層所需空調的開(kāi)閉情況，使用傳感器檢測壓力或溫度信號，經(jīng)PID調節，變頻器自動(dòng)調控冷凍泵電機轉速，即自動(dòng)調節冷凍水的流量，實(shí)現供需平衡。
 

圖3  中央空調型

大多數變轉矩負載，按傳統的設計和運行方式有以下問(wèn)題：
(1)  設計中的設備選型通?？紤]的裕量過(guò)大，使系統的功耗增加；額定流量遠大于實(shí)際需求流量，流量泵常出現“喘氣”現象，設備沖擊大、泵室和葉輪磨損增加，降低了設備的使用壽命。
(2)  電機的滿(mǎn)載驅動(dòng)、泵的全輸出，與實(shí)際工況需求不匹配。降低了系統的運行效率，造成能源的浪費。
很多變轉矩負載均可根據實(shí)際工況，采用調速控制，實(shí)現系統的匹配運行。
2  SIEMENS ECO1變頻器實(shí)現變轉矩負載與工況需求的匹配
變頻調速技術(shù)是現代科技的主要成果之一。主要是應用變頻器將電網(wǎng)的工頻交流電轉變成頻率和電壓均可調的電源，以之調控交流電機的轉速，采用這種調速方式，電機機械特性硬度不變，過(guò)載能力和主磁通不變，電動(dòng)機的定額可得到充分應用；調速范圍廣，并能實(shí)現無(wú)級調速；調速精度、功率因數和效率較高。經(jīng)分析研究和實(shí)踐，各種工況類(lèi)型的變轉矩負載都可使用傳感器獲取負反饋信號實(shí)現自動(dòng)調節，系統構成框圖如圖4所示。選用SIEMENS（西門(mén)子）MIDIMASTER ECO1系列變頻器，內置PID調節器和各種保護及參數設定功能。SIEMENS變頻器有專(zhuān)為拖動(dòng)變轉矩負載而設計的系列產(chǎn)品，只需作較簡(jiǎn)單的接線(xiàn)就可構成具有PID調節功能的閉環(huán)調速控制系統。系統運行靈敏、準確、響應速度快。
(1)  恒液位控制系統改造
系統構成框圖如圖4所示。被控制過(guò)程是水泵或砂泵，負反饋環(huán)節選用德國8175超聲波液位計。礦漿池液位變化時(shí)由超聲波液位計檢測并發(fā)出4～20mA電流反饋信號，經(jīng)比較、PID調節、變頻和電機調速，使礦漿池的液位保持在一定范圍內。滿(mǎn)足工藝要求，達到系統匹配。
(2)  恒壓力型控制系統
系統中的被控制過(guò)程是風(fēng)機或水泵，反饋環(huán)節是管道壓力傳感器。當下道工序對流量的需求發(fā)生變化時(shí)，壓力傳感器檢測并發(fā)出4～20mA電流反饋信號，系統進(jìn)行調頻調速，使輸出流量隨時(shí)與下道工序的需求量相平衡，達到最佳匹配。
(3)  （中央空調型）循環(huán)水系統
系統中的被控制過(guò)程是冷卻泵，反饋環(huán)節是管道壓力傳感器（或冷凍主機的溫差變送器）。傳感器檢測并發(fā)出4～20mA電流反饋信號，系統進(jìn)行調頻調速，使輸出冷凍水流量隨時(shí)與樓層空調開(kāi)度需求量相平衡，達到最佳匹配。
 

圖4  恒液位控制系統框圖

3  應用實(shí)例
云南錫業(yè)集團公司大屯選礦廠(chǎng)12號泵（電機25kW）的工況為恒液位控制型。應用改造后的恒液位控制系統，經(jīng)該集團公司設備能源處和該廠(chǎng)工程人員反復測試，運行的實(shí)際效果是
(1)  節能 變頻器輸出電源頻率多數時(shí)間在35Hz下運行，此時(shí)電機輸入有功功率（14.46kW）下降至原輸入有功功率（27.46kW）的52.4%。單機年節電（按一年運行300天，每天運行24小時(shí)計），按每kWh電價(jià)0.341元計算，年節約電費31917.6元。
僅該廠(chǎng)25kW以上的泵電機達157臺，如果全部應用變頻調速，年節約電費600多萬(wàn)元；推廣到筆者統計的可實(shí)施調速的318臺變轉矩負載全部改造，該集團公司年節約電費1200萬(wàn)元以上。由此可見(jiàn)：
① 應用現代技術(shù)改造后的控制系統，節能效果十分顯著(zhù)，有很大的推廣價(jià)值。
② 原設計中，泵和電機設計裕量過(guò)大，配置功率還可在原基礎上大幅度降低。
(2)  變頻器具有PID調節功能（有的還內置PLC可編程控制器）及各種保護和參數設定等功能，操作及維護簡(jiǎn)單。其閉環(huán)調速控制系統，調速范圍廣，控制準確、靈敏、響應速度快?？纱_保輸出流量隨時(shí)與下道工序的需求量相平衡，實(shí)現最佳匹配。同時(shí)泵的易磨件使用周期長(cháng)，大大降低了維修費用，也為工藝流程作新的調整改造提供了設備和技術(shù)基礎。
(3)  充分應用變頻器內置功能，可減少其它控制器件的重復投資。
4  結語(yǔ)
變轉矩負載的機械特性、工況類(lèi)型、應用新技術(shù)對系統進(jìn)行設計或節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。筆者認為，對變轉矩負載應用現代技術(shù)進(jìn)行設計或改造，使變轉矩負載的運行控制系統作新的變革，這種智能化的自動(dòng)控制技術(shù)，使系統運行得到優(yōu)化，從而提高系統效率，節能降耗以及降低維修等附加費用，這對企業(yè)降低生產(chǎn)成本，增強技術(shù)后勁是大有可為的。
參考文獻：
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