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 徐紹坤，劉  玉

變轉矩負載（如水泵、砂泵、風機類、攪拌機等螺旋漿類負載）應用十分廣泛，總裝機容量約占工業(yè)電力拖動總量的50%，尤其是在冶金、發(fā)電、供水、大型樓宇空調(diào)等行業(yè)中，變轉矩類負載數(shù)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。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際工況，應用現(xiàn)代控制技術和手段，使拖動電機與變轉矩負載及實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(jié)能降耗，推進企業(yè)應用現(xiàn)代技術水平，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）進行了統(tǒng)計、歸類，研究設備實際工況的類型、運行方式和存在問題，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
此類負載開停自由度較大，生產(chǎn)流程對其約束力很小，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)  設備特點 設備容量大（電機25kW以上）。
(3)  傳統(tǒng)運行 電動機滿載驅動，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)  改造設想 根據(jù)入口流量Q1的動態(tài)變化即液位高度H的變化，使用變頻器等裝置自動調(diào)節(jié)電機轉速，從而自動調(diào)節(jié)輸出流量Q2，實現(xiàn)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態(tài)需求。如圖2所示。
 

圖2  恒壓力控制型

(2)  設備特點 設備容量大（電機25kW以上）。
(3)  傳統(tǒng)運行電機滿載驅動，隨時提供下一道工序對流量的最大需求。
(4)  改造設想 根據(jù)管道的壓力差，使用閉環(huán)PID調(diào)節(jié)，自動控制電機轉速，使輸出流量隨時等于下道工序需求的流量，實現(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)  設備特點  設備容量大。
(2)  工況與控制  循環(huán)水不消耗，根據(jù)各樓層所需空調(diào)的開閉情況，使用傳感器檢測壓力或溫度信號，經(jīng)PID調(diào)節(jié)，變頻器自動調(diào)控冷凍泵電機轉速，即自動調(diào)節(jié)冷凍水的流量，實現(xiàn)供需平衡。
 

圖3  中央空調(diào)型

大多數(shù)變轉矩負載，按傳統(tǒng)的設計和運行方式有以下問題：
(1)  設計中的設備選型通常考慮的裕量過大，使系統(tǒng)的功耗增加；額定流量遠大于實際需求流量，流量泵常出現(xiàn)“喘氣”現(xiàn)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)  電機的滿載驅動、泵的全輸出，與實際工況需求不匹配。降低了系統(tǒng)的運行效率，造成能源的浪費。
很多變轉矩負載均可根據(jù)實際工況，采用調(diào)速控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的匹配運行。
2  SIEMENS ECO1變頻器實現(xiàn)變轉矩負載與工況需求的匹配
變頻調(diào)速技術是現(xiàn)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(diào)的電源，以之調(diào)控交流電機的轉速，采用這種調(diào)速方式，電機機械特性硬度不變，過載能力和主磁通不變，電動機的定額可得到充分應用；調(diào)速范圍廣，并能實現(xiàn)無級調(diào)速；調(diào)速精度、功率因數(shù)和效率較高。經(jīng)分析研究和實踐，各種工況類型的變轉矩負載都可使用傳感器獲取負反饋信號實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)構成框圖如圖4所示。選用SIEMENS（西門子）MIDIMASTER ECO1系列變頻器，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器和各種保護及參數(shù)設定功能。SIEMENS變頻器有專為拖動變轉矩負載而設計的系列產(chǎn)品，只需作較簡單的接線就可構成具有PID調(diào)節(jié)功能的閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運行靈敏、準確、響應速度快。
(1)  恒液位控制系統(tǒng)改造
系統(tǒng)構成框圖如圖4所示。被控制過程是水泵或砂泵，負反饋環(huán)節(jié)選用德國8175超聲波液位計。礦漿池液位變化時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(diào)節(jié)、變頻和電機調(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)中的被控制過程是風機或水泵，反饋環(huán)節(jié)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，壓力傳感器檢測并發(fā)出4～20mA電流反饋信號，系統(tǒng)進行調(diào)頻調(diào)速，使輸出流量隨時與下道工序的需求量相平衡，達到最佳匹配。
(3)  （中央空調(diào)型）循環(huán)水系統(tǒng)
系統(tǒng)中的被控制過程是冷卻泵，反饋環(huán)節(jié)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(tǒng)進行調(diào)頻調(diào)速，使輸出冷凍水流量隨時與樓層空調(diào)開度需求量相平衡，達到最佳匹配。
 

圖4  恒液位控制系統(tǒng)框圖

3  應用實例
云南錫業(yè)集團公司大屯選礦廠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(tǒng)，經(jīng)該集團公司設備能源處和該廠工程人員反復測試，運行的實際效果是
(1)  節(jié)能 變頻器輸出電源頻率多數(shù)時間在35Hz下運行，此時電機輸入有功功率（14.46kW）下降至原輸入有功功率（27.46kW）的52.4%。單機年節(jié)電（按一年運行300天，每天運行24小時計），按每kWh電價0.341元計算，年節(jié)約電費31917.6元。
僅該廠25kW以上的泵電機達157臺，如果全部應用變頻調(diào)速，年節(jié)約電費600多萬元；推廣到筆者統(tǒng)計的可實施調(diào)速的318臺變轉矩負載全部改造，該集團公司年節(jié)約電費1200萬元以上。由此可見：
① 應用現(xiàn)代技術改造后的控制系統(tǒng)，節(jié)能效果十分顯著，有很大的推廣價值。
② 原設計中，泵和電機設計裕量過大，配置功率還可在原基礎上大幅度降低。
(2)  變頻器具有PID調(diào)節(jié)功能（有的還內(nèi)置PLC可編程控制器）及各種保護和參數(shù)設定等功能，操作及維護簡單。其閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍廣，控制準確、靈敏、響應速度快。可確保輸出流量隨時與下道工序的需求量相平衡，實現(xiàn)最佳匹配。同時泵的易磨件使用周期長，大大降低了維修費用，也為工藝流程作新的調(diào)整改造提供了設備和技術基礎。
(3)  充分應用變頻器內(nèi)置功能，可減少其它控制器件的重復投資。
4  結語
變轉矩負載的機械特性、工況類型、應用新技術對系統(tǒng)進行設計或節(jié)能改造等方面具有許多共性，但是多年來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(xiàn)代技術進行設計或改造，使變轉矩負載的運行控制系統(tǒng)作新的變革，這種智能化的自動控制技術，使系統(tǒng)運行得到優(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用，這對企業(yè)降低生產(chǎn)成本，增強技術后勁是大有可為的。
參考文獻：
[1]  錢平. 交直流傳動控制系統(tǒng). 北京：高等教育出版社，2001.7.
[2]  楊濱. 變頻調(diào)速裝置在泵上的應用. 個舊電機工程學會論文集, 2002.1.