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電力拖動總量的50%，尤其是在冶金、發電、供水、大型樓宇空調等行業中，變轉矩類負載數量多、功率大，已經成為這些企業的通用機械設備，也成了企業的用電大戶。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，對于做好變轉矩負載的節能降耗，推進企業應用現代技術水平，大幅度降低生產成本是十分有益的。
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動態變化，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 設備容量大（電機25kW以上）。
(3)  傳統運行 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Q2流量或調節壓力。
(4)  改造設想 根據入口流量Q1的動態變化即液位高度H的變化，使用變頻器等裝置自動調節電機轉速，從而自動調節輸出流量Q2，實現恒液位控制，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 根據管道的壓力差，使用閉環PID調節，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，實現供求平衡的匹配。
1.4  （中央空調型）循環水系統（如圖3所示）
(1)  設備特點  設備容量大。
(2)  工況與控制  循環水不消耗，根據各樓層所需空調的開閉情況，使用傳感器檢測壓力或溫度信號，經PID調節，變頻器自動調控冷凍泵電機轉速，即自動調節冷凍水的流量，實現供需平衡。
 

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題：
(1)  設計中的設備選型通常考慮的裕量過大，使系統的功耗增加；額定流量遠大于實際需求流量，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)  電機的滿載驅動、泵的全輸出，與實際工況需求不匹配。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際工況，采用調速控制，實現系統的匹配運行。
2  SIEMENS ECO1變頻器實現變轉矩負載與工況需求的匹配
變頻調速技術是現代科技的主要成果之一。主要是應用變頻器將電網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，過載能力和主磁通不變，電動機的定額可得到充分應用；調速范圍廣，并能實現無級調速；調速精度、功率因數和效率較高。經分析研究和實踐，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自動調節，系統構成框圖如圖4所示。選用SIEMENS（西門子）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變頻器有專為拖動變轉矩負載而設計的系列產品，只需作較簡單的接線就可構成具有PID調節功能的閉環調速控制系統。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。被控制過程是水泵或砂泵，負反饋環節選用德國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出4～20mA電流反饋信號，經比較、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
系統中的被控制過程是風機或水泵，反饋環節是管道壓力傳感器。當下道工序對流量的需求發生變化時，壓力傳感器檢測并發出4～20mA電流反饋信號，系統進行調頻調速，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)  （中央空調型）循環水系統
系統中的被控制過程是冷卻泵，反饋環節是管道壓力傳感器（或冷凍主機的溫差變送器）。傳感器檢測并發出4～20mA電流反饋信號，系統進行調頻調速，使輸出冷凍水流量隨時與樓層空調開度需求量相平衡，達到最佳匹配。
 

圖4  恒液位控制系統框圖

3  應用實例
云南錫業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，經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)  節能 變頻器輸出電源頻率多數時間在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速，年節約電費600多萬元；推廣到筆者統計的可實施調速的318臺變轉矩負載全部改造，該集團公司年節約電費1200萬元以上。由此可見：
① 應用現代技術改造后的控制系統，節能效果十分顯著，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，操作及維護簡單。其閉環調速控制系統，調速范圍廣，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整改造提供了設備和技術基礎。
(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
變轉矩負載的機械特性、工況類型、應用新技術對系統進行設計或節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代技術進行設計或改造，使變轉矩負載的運行控制系統作新的變革，這種智能化的自動控制技術，使系統運行得到優化，從而提高系統效率，節能降耗以及降低維修等附加費用，這對企業降低生產成本，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. 北京：高等教育出版社，2001.7.
[2]  楊濱. 變頻調速裝置在泵上的應用. 個舊電機工程學會論文集, 2002.1.