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案例頻道1臥螺離心機(jī)背驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)載性質(zhì)
安裝在臥螺離心機(jī)差速器小軸端的調(diào)速裝置稱為背驅(qū)動(dòng)裝置。這些裝置如：電渦流制動(dòng)器[1>；異步電動(dòng)機(jī)；液力馬達(dá)；機(jī)械式過載保護(hù)裝置（小軸轉(zhuǎn)速為零）等。在螺旋滯后于轉(zhuǎn)鼓時(shí)，這些裝置都是以消耗離心機(jī)動(dòng)能為代價(jià)，對(duì)小軸作用制動(dòng)力矩，借以達(dá)到調(diào)節(jié)差轉(zhuǎn)速的目的。對(duì)小軸而言，背驅(qū)動(dòng)裝置是一種負(fù)負(fù)載。
在通用變頻器調(diào)速系統(tǒng)中，和差速器小軸相連的電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于再生狀態(tài)，運(yùn)行于第4象限，從離心機(jī)接受機(jī)械能，將再生制動(dòng)的能量反饋到變頻器的直流母線上，再通過制動(dòng)電阻將其消耗掉。
如何回收該部分能量是國(guó)內(nèi)外離心機(jī)制造商熱切關(guān)心的課題。
利用特別設(shè)計(jì)的四象限運(yùn)行變頻器（例如ABB公司的ACS611型變頻器），可將再生能量直接反饋回電網(wǎng)，但變頻器價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)除了軋鋼廠以外很少有應(yīng)用。Alfa-Laval公司近年生產(chǎn)的DS706型大型污水處理離心機(jī)應(yīng)用雙變頻能源反饋節(jié)能調(diào)頻控制系統(tǒng)（使用ACS800系列變頻器），目前在香港昂船洲污水處理廠運(yùn)行。國(guó)內(nèi)也有廠家利用國(guó)產(chǎn)變頻器，將共直流母線交流變頻技術(shù)應(yīng)用于臥螺離心機(jī)，使該部分能量大部分得到回收，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。這一技術(shù)的推廣應(yīng)用無疑是極有意義的，本文對(duì)此進(jìn)行討論。
2共直流母線交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)
1-主變頻器；2-主電機(jī)；3-離心機(jī)；4-差速器；5-副電機(jī)；6-副變頻器；
圖1
結(jié)構(gòu)：見圖1，離心機(jī)3由主電機(jī)2驅(qū)動(dòng)，差速器小軸和副電機(jī)5同軸連接。主、副電機(jī)的轉(zhuǎn)速由變頻器1、6控制，二者的直流母線并連，三相電源輸入主變頻器1。
特點(diǎn)：
（1）優(yōu)良的節(jié)能性能：在螺旋滯后時(shí)，再生的能量送到副變頻器的直流母線上，由于主、副變頻器的直流母線并連，該能量就經(jīng)過主變頻器被主電機(jī)利用。
為簡(jiǎn)單起見，設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)離心機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩和恒差速運(yùn)行（不計(jì)及調(diào)速時(shí)加速轉(zhuǎn)矩和減速轉(zhuǎn)矩的影響），則回收的能量為：P=0.8 M n/9550,式中：P-功率（KW）;M-小軸力矩（N.m）;n-小軸轉(zhuǎn)速（r/min）;M前的0.8倍是由于再生制動(dòng)時(shí)，即使不加放電的制動(dòng)電阻，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部也有20%的銅損被轉(zhuǎn)換為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩[2>。
（2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快：有些PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)往往有超調(diào)現(xiàn)象，過渡過程時(shí)間較長(zhǎng)，例如電渦流制動(dòng)器調(diào)速系統(tǒng)，穩(wěn)定周期有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘。變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間僅150-200ms[3>,動(dòng)態(tài)特性明顯改善。
（3）容易處理突發(fā)事件造成的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料的堆積：副電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)行于第Ⅰ象限（電動(dòng)機(jī)狀態(tài)），這時(shí)差速很大：Δn=(n1+n)/i，（n1-轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速r/min;i-差速器速比），由于變頻器具有2倍額定力矩的靜態(tài)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩[3>,使堆積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的物料容易排出。
（4）有利于實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制：某些物料，例如城市污水，含有60%-70%的有機(jī)物質(zhì)，沉泥具有可壓縮性，含固率時(shí)時(shí)刻刻在變化，使螺旋推料力矩隨著進(jìn)料流量和含固率的波動(dòng)而變化，要求電氣系統(tǒng)根據(jù)力矩變化及時(shí)控制進(jìn)料量或差轉(zhuǎn)速，否則，很容易堵料。
恒力矩控制的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量螺旋推料力矩,必須合理選擇力矩傳感元件。在液力馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)中，使用液油壓力變送器；在電渦流制動(dòng)器調(diào)速系統(tǒng)中，使用電阻應(yīng)變式力矩傳感器；在本文介紹的變頻器調(diào)速系統(tǒng)中，則可直接利用變頻器輸出的力矩電流模擬量,不必單獨(dú)安裝傳感器。
例如，TD3000變頻器具有轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速控制兩種工作方式：當(dāng)選擇轉(zhuǎn)矩控制方式時(shí)，變頻器輸出頻率將根據(jù)輸出力矩信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)螺旋推料力矩變大時(shí)，降低輸出頻率，增加差速，將沉泥快速推出轉(zhuǎn)鼓；反之，增加輸出頻率，減小差速，使力矩增加。最終使螺旋推料力矩穩(wěn)定在設(shè)定值附近。
3調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
（1）變頻器選型：對(duì)主變頻器沒有特別要求，副變頻器要求能屏蔽輸入缺相保護(hù)。如果離心機(jī)需要恒力矩控制，應(yīng)選用矢量控制變頻器。
（2）主、副變頻器功率匹配：不是任意功率的變頻器都可以如圖1連接，選取主變頻器功率時(shí)必須考慮到當(dāng)副電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，副變頻器從主變頻器吸取功率的能力。
（3）副電機(jī)選型：副電機(jī)額定輸出力矩應(yīng)能滿足螺旋推料力矩的需求。由于差速器小軸傳遞力矩M是螺旋推料力矩M2的i分之一，因此副電機(jī)的額定力矩應(yīng)大于M2/i；具體計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮差轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍；電機(jī)連接方式等因素。選用普通三相異步電機(jī)，轉(zhuǎn)速控制精度為0.5%-0.1%,選用帶編碼器的變頻電機(jī),變頻器運(yùn)行在帶PG矢量控制方式下，轉(zhuǎn)速控制精度可達(dá)到0.1%-0.05%.
設(shè)計(jì)實(shí)例：表1是海申機(jī)電總廠在φ350到φ720的4個(gè)系列十幾個(gè)品種城市污水處理離心機(jī)中主、副變頻器的功率匹配和副電機(jī)選型表，主變頻器選用艾默生TD2000,副變頻器選用TD3000，副電機(jī)均選4極變頻電機(jī)，安裝OMRON E6C2-CWZ6C型600線光電編碼器。
表1
|
離心機(jī)型號(hào) |
轉(zhuǎn)鼓
直徑
mm |
污泥
處理量
m3/h |
主變頻器功率
KW |
副變頻器功率
KW |
副電機(jī)型號(hào) |
副電機(jī)
力矩
N.m |
|
LW350W |
φ350 |
6-15 |
30 |
5.5 |
QABP-132S-4A |
35 |
|
LW430W |
φ430 |
20-30 |
30 |
7.5 |
QABP-132M-4A |
47.8 |
|
LW520W |
φ520 |
30-45 |
45 |
11 |
QABP-160M-4A |
70 |
|
LW720W |
φ720 |
60-85 |
90 |
22 |
QABP-180L-4A |
140.1 |
以LW430W離心機(jī)為例，運(yùn)行轉(zhuǎn)速n1=2200r/min;差速器額定輸出力矩4000-5000N.m,速比i=91;差速調(diào)節(jié)范圍Δn=2-20r/min（正常運(yùn)行10-12r/min）;副電機(jī)和差速器小軸直接連接（如圖1），差速按Δn=（n1-n）/i計(jì)算，得表2數(shù)據(jù)，完全可以滿足工藝要求。
表2
|
序號(hào) |
差速
r/min |
小軸轉(zhuǎn)速
r/min |
副電機(jī)
頻率
Hz |
螺旋推料力矩
N.m |
|
1 |
最小 2 |
2018 |
67.3 |
3230 |
|
2 |
7.7 |
1500 |
50 |
4350 |
|
3 |
典型 12 |
1108 |
36.9 |
4350 |
|
4 |
最大 20 |
380 |
12.7 |
4350 |
表2中：差轉(zhuǎn)速低于7.7r/min輸出力矩變小，是由于變頻電機(jī)50Hz以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；50Hz以上為恒功率調(diào)速，但差轉(zhuǎn)速低的情況僅當(dāng)進(jìn)料濃度特別低或離心機(jī)進(jìn)料初期才出現(xiàn)，這時(shí)的推料力矩也較小。
4 應(yīng)用實(shí)例
圖2是應(yīng)用于大豆蛋白漕液分離的LW520型高速離心機(jī)電氣控制簡(jiǎn)圖,主變頻器U1用于驅(qū)動(dòng)離心機(jī)，使離心機(jī)轉(zhuǎn)速0-3500r/min無級(jí)可調(diào)，變頻器的輸出頻率由端子X1和X2設(shè)定。S1是離心機(jī)工作狀態(tài)選擇開關(guān)，把S1打到X1位置，離心機(jī)以分離頻率運(yùn)行，S1打到X2位置，以沖洗頻率運(yùn)行。分離頻率出廠時(shí)設(shè)置為45Hz(轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速3150r/min),沖洗頻率出廠時(shí)設(shè)置為5Hz(轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速350r/min),如果需要改變運(yùn)行頻率，可以對(duì)變頻器參數(shù)F58,F59進(jìn)行設(shè)定。
U2是副變頻器，用于調(diào)節(jié)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓和螺旋速度之差，即差轉(zhuǎn)速，改變差轉(zhuǎn)速的大小可以改變離心機(jī)的推泥速度，也會(huì)影響離心機(jī)每小時(shí)污泥處理量。本機(jī)主副變頻器直流母線直接并連，具有優(yōu)良的節(jié)能效果。
PR是轉(zhuǎn)速顯示儀表，用于顯示離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和差轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速表內(nèi)部有一個(gè)開關(guān),用于選擇同步報(bào)警點(diǎn)，可選擇：1r/min,5r/min,10r/min三種，當(dāng)差速小于報(bào)警點(diǎn)時(shí)，安裝在轉(zhuǎn)速表內(nèi)部的繼電器常開觸點(diǎn)先閉合,然后,繼電器K1動(dòng)作，副電機(jī)停車。通過繼電器K1外接觸點(diǎn)，用戶可外接聲音報(bào)警系統(tǒng)，或報(bào)警時(shí)切斷進(jìn)料閥，或和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通信。
時(shí)間繼電器KT是解決離心機(jī)啟動(dòng)階段差轉(zhuǎn)速低于報(bào)警點(diǎn)的問題.
本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)除了電路簡(jiǎn)單操作方便以外,更主要的是差轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)快速而準(zhǔn)確,穩(wěn)定性可達(dá)到±0.1r/min.
圖2
4 結(jié)束語(yǔ)
共直流母線交流變頻調(diào)速系統(tǒng)較好地解決了臥螺離心機(jī)背驅(qū)動(dòng)電機(jī)再生能量的回收問題，它給用戶帶來了很大的實(shí)惠。以上海龍華水質(zhì)凈化廠為例，該廠目前年處理城市污水10萬噸，使用2臺(tái)LW430W型離心機(jī)。設(shè)運(yùn)行差速10r/min,小軸力矩15N.m[4>, 初步測(cè)算一臺(tái)離心機(jī)節(jié)能1.5KW,以每天運(yùn)行10小時(shí)，每年運(yùn)行300天計(jì)算，年節(jié)電4500度，以每度電費(fèi)0.631元計(jì)算，年節(jié)省電費(fèi)2839.5元。2臺(tái)離心機(jī)共節(jié)省電費(fèi)5679元。
這種調(diào)速系統(tǒng)具有強(qiáng)大的生命力，值得推廣應(yīng)用。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)