水泥制品在我国城乡、工矿企业、农田水利以及能源、交通、通讯等工程建设中得到极为广泛的使用，取得了显著的社会效益，已成为国民经济建设中不可缺少的重要建材产品。我国已成为当今世界生产、使用水泥制品最多的国家。据中国水泥制品工业协会资料介绍，到2005年全国水泥制品规模以上工业企业的产品年销售收入为812.54亿元，与1986年相比增长了46倍，在建材工业32个行业中排在水泥、建筑卫生陶瓷制造业之后，居第3位。在我国经济高速发展的今天，特别是拉动内需的巨大需求，基本建设投资对GDP的增加有着重要作用，水泥及水泥制品等建材需求不断加大，在节能减排建设资源节约型社会的背景下，“两高一低”项目和产品逐渐退出市场，采用高效节能的产品被列为重点发展的领域。在技术层面上以产品开发为龙头，依靠技术进步和创新研制了模具、成型等专用设备和机具。

　　目前我国生产的水泥制品主要品种有：混凝土和钢筋混凝土排水管、自应力混凝土管、三阶段预应力混凝土管、一阶段预应力混凝土管、预应力钢筒混凝土管、钢筋混凝土电杆和预应力混凝土电杆、预应力混凝土轨枕、预应力混凝土管桩和预应力高强混凝土管桩、钢筋混凝土构件和预应力混凝土构件及市政建设用混凝土制品、彩色水泥瓦和混凝土砌块及装饰混凝土砌块、纤维水泥制品———石棉水泥瓦（板、管）、GRC制品、硅酸钙板等。几十年来，水泥制品行业的有关科研设计院（所）、生产企业、专用设备制造厂密切合作，在生产实践中不断改进和完善生产装备，进而促进生产装备水平的提高如：生产排水管设备；生产水泥电杆设备；生产三阶段预应力混凝土管设备；生产一阶段预应力混凝土管设备；生产预应力钢筒混凝土管设备；生产预应力高强混凝土管桩设备等。

　　但在应用技术开发、生产技术与装备水平、产品质量、劳动生产率、企业管理水平等方面，我国与国外一些工业化国家相比，还有较大的差距。如生产装备机械化、自动化程度低，劳动强度大，生产效率低；调速的方式大部分都以电磁调速为主，造成大批能耗高、性能低的水泥制品设备继续进入市场，并且这些能效比很低的设备一直在运行，大量消耗电能；检测手段不完备、工艺不完善、设备不配套等。近十年来随着电力电子技术、计算机技术和电机调速控制理论的发展，变频调速技术已成为电机调速和节能{zxj}的技术，在水泥和水泥制品生产中技术改造和节能中发挥重要作用。

　　2 水泥制管的工艺

　　2.1 工艺

　　水泥管桩是众多的水泥制成品之一，资料显示到2005年年底，全国已累计生产各种口径的自应力混凝土管材107000公里和预应力混凝土管材45000公里，这些管材不仅在城市、村镇建设、工矿企业建设的输水管道中得到广泛应用，而且在农田水利建设中也被大量用于引水上山管道、倒虹吸管道、喷灌管道、排涝管道、小水电站水轮机的引水管道等。水泥管桩的生产工艺有多种，为保证水泥管管壁厚薄的均匀性、致密性，其中使用最普遍的生产加工工艺是离心成型法。离心成型是将完成配料好的混凝土注入模腔中，利用离心力、重力、粘聚力、摩擦力使游动的混凝土经过低速、低中速、中速、高速四种速度；布料、二级过渡、密实三个阶段，在钢模中有序排列。在抛落、充填、排挤过程中渐次密实，外层形成密实混凝土层，中层砂浆层，内层水泥净浆层；以后经蒸养达到C80强度等级。在离心力的作用下中速基本成形，且混凝土逐渐密实，再经过高速成型脱水，整个工艺过程结束。

　　工艺过程描述

　　2.2 电气要求

　　离心成型法对电气传动设备要求是：满载启动，启动力矩应在电机{bfb}额定力矩以上；低速运转的时间长，要求低速力矩大；由于制管机调速范围大，为保证水泥管桩的质量，要求在整个工作速度范围内，转速基本稳定。早期的调速方式有机械式分级调速、整流子电机调速、直流调速、电磁调速等。由于电磁调速结构简单，使用简便价格相对较低，因此，近年来在水泥制管设备中，电磁调速用得较多。但电磁调xx率低，{zg}转速时效率为85%，速度越低效率也越低。水泥管离心成形工艺低速的时间占50%左右，电磁调速速度低速时耗能相当大。

　　2.3 调速方法比较

　　水泥制管机负载机械特性为大惯性负载，启动后低速运行，显然是重载起动。电磁调速器低速运行时机械特性软，低速转矩较差，要保证生产的正常进行，电动机的容量选得较大，这又使耗能进一步增加。一般制管机的电气传动由1台75kW（或55kW）的电磁调速电机驱动。

　　电磁调速电机主要由三相异步电机、电磁转差离合器和测速发电机三部分组成。离合器是由两个同心而独立旋转的部件所组成：一个称为磁极（内转子），另一个称为电枢（外转子），当磁极的激磁线圈通过直流电流时，沿气隙圆周表面的爪极便形成若干对急性相互交替的空间磁场。当离合器的电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁场间有相对移动，在电枢内就产生涡流；此涡流与磁通相互作用，产生转矩，带动磁极按同一方向旋转，其转速恒低于电枢转速，改变激磁电流，可调节离合器的输出转矩和转速。

　　但是电磁调速电机的{zg}输出转速仅为电动机的80%-90%，由于电磁调速异步电机的传递效率与输出轴的转速成正比，低速时效率低下，热能损耗高，并且调速范围不大，低速力矩又较差。而混凝土进行低速搅拌要求力矩大，不能满足时转速会出现不稳定现象，甚至可能无法启动。转速的不稳定性对产品质量有一定的影响。

　　再者电磁调速电机对周围环境要求高，必须为粉尘较小且干燥的环境，否则很容易因粉尘进入，把磁极和电枢部分粘死，无法调速甚至烧坏测速电机。

　　变频调速的原理是根据异步电动机的转速:n=60f( 1- s) /p 式中f 为电源频率, p 为极对数，s为电机的转差率。由上式可知，之所以能够用变频器方式调速，因为异步电动机的同步转速改变定子的供电频率，即可改变电动机的转速，改变频率f时，定子的感应电动势近似等于定子上的端电压，只要转差率不太大，可以近似的认为转速n与f成正比，改变电源频率就可实现交流电动机连续平滑调速。变频调速具有调速范围广，速度稳定，精度高，能实现自动控制和操作方便等特点。从制管机对电气传动的要求上看，随着变频技术的发展，变频器的优异性能xx可满足制管工艺要求，且变频器的价格已经下降到合理的水平，因此用变频调速代替电磁调速是{zj0}的选项。

　　3 水泥制管机的变频调速

　　改造方法有两种：一是采用变频器直接驱动电磁调速电机，二是采用变频器驱动三相交流异步机。

　　3.1 改造方案

　　为了简便和成本考虑，可在原设备不变的情况下，电枢和磁极连接处需要焊接在一起，形成一个整体，变频器驱动电磁调速电机，将电磁调速器杯型转子的励磁调到{zd0}。如图所示。

　　改造方案描述

　　电动机散热系统改造：变频调速后，考虑到电机运行在低速的时间比较长，电机的散热受到一些影响，温度会升高，易引起电动机发热。为了保证电动机在低速下稳定运行，特对电机进行散热系统进行改造。增加电动机的散热风扇有源控制，风扇的运行取决于断路器闭合后辅助节点，即电动机无论是在高速还是在低速下运行时，散热风扇都能保证电动机散热。

　　为达到{zg}的节能效率，可将电磁调速电机换为Y系列三相异步电机。

　　3.2 改造实例

　　山东某水泥制品企业有4台离心制管机，全部采用电磁调速，电机的型号和功率分别为YCT260m-4-75kW 2台，YCT250m-4-55kW 2台。经现场分析和论证，改造方案将电磁调速改造为变频调速，用普传科技自主研发的国家火炬计划重点新产品PI7800系列变频器变频器驱动电磁调速电机。PI7800系列变频器采用TI公司{zx1}电机控制芯片DSP，配置第四代功率模块IGBT及先进生产工艺，实现高速、高效高精度控制。过载能力强，具有低速转矩补偿功能，调速比1：10以上，很好地满足了水泥制管的工艺要求。

　　变频器用普传科技PI7800 075G3（75 kW）型变频器2台，PI7800 055G3（55 kW）变频器2台。变频器设置为外控端子操作，电位器调节变频器的频率。加速和减速时间设定比较长，均为120s，降速到变频器的输出频率5hz时，启用直流制动，操作十分方便。使用了变频器后，转速稳定性好，管桩的成型的质量有了较大的提高。

　　根据生产管桩尺寸的大小不同,分别设置了四种管桩的运行模式，每种模式可以设置七种不同的运行频率和运行时间。运行频率和时间是可以根据生产管桩的尺寸，原材料等工艺要求任意设定。改造后大大提高了生产效率，具有很好的节能效果，减轻了操作工人的劳动强度。

　　需要注意的是现场环境一般比较恶劣，应将变频器置于电控柜内，做好通风、防尘、绝缘等防护措施。

　　4 节能分析与评估

　　水泥制管机是采用55kW或75kW的电磁调速电机，根据离心制管工艺情况，对电机速度进行控制，转速通常控制在300-1200r/min。通过实例，采用变频调速的方法取代电磁调速平均节能量30%以上。从电磁调速主电机的输出功率与转矩和转速的关系式分析如下：

　　P0=M0×n0                                     （1）

　　式中：P0：表示主电机轴输出功率(kW)；M0：负载转矩 (kgf?m)；n0：主电机转速(r/min)

　　电磁调速转子输出功率：

　　P1≈M0?n1                         （2）

　　式中：P1：表示输出功率(kW)；n1：表示转子转速(r/min)

　　损耗功率：

　　△P≈P0－P1=M0（n0－n1）         （3）

　　由于电磁转差离合器的输出转速的降低，其转差损耗增大。由此可见，具有恒转矩负载特性的生产机械，采用电磁转差离合器进行调速，电磁调速电机的转速n1越低运行效率就越低，转差损耗△P就越大。

　　水泥制管机低速运行的速度为300r/min左右，因此改用变频调速驱动4极电机的方式后，理论上节能为：

　　P0－P1=M0(1440－300)=1140M0

　　节能率(P0－P1)/P0*{bfb}=(1140T0/1440M0)*{bfb}=39.6%

　　考虑到低速运行的时间占50%左右，可以推出变频器节能率在30%以上，据厂家透露，四台制管机月节电费在20,000元左右，一年内可收全部投资，经济效益十分显著。对于恒转矩负载，采用变频调速，其转速越低，节电效果越显著。由于变频调速为无转差调速，所以与电磁转差离合器调速相比，其运行效率高，采用变频器有高效节能的特点，值得推广。

　　5 结束语

　　电磁调速方式虽然简单，设备价格便宜，但调速以高耗能为代价。变频器根据生产管桩尺寸的大小不同，分别设置了多种管桩的运行模式,每种模式可以设置几种不同的运行频率和运行时间，改造后大大提高了生产效率，具有很好的节能效果，减轻了操作工人的劳动强度。 “十一五”以及未来10年～15年期间，我国的建设和发展需要大量建筑材料、大量水泥制品，这为水泥制品工业发展提供了千载难逢的机遇。可以预见，未来这5年～10年是水泥制品工业{zh0}的发展时期，采用变频调速改造水泥制品机械是技术进步和科技创新的重要手段。

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