1 概述

水泥制品在我國城鄉、工礦企業、農田水利以及能源、交通、通訊等工程建設中得到極為廣泛的使用，取得了顯著的社會效益，已成為國民經濟建設中不可缺少的重要建材產品。我國已成為當今世界生產、使用水泥制品最多的國家。據中國水泥制品工業協會資料介紹，到2005年全國水泥制品規模以上工業企業的產品年銷售收入為812.54億元，與1986年相比增長了46倍，在建材工業32個行業中排在水泥、建筑衛生陶瓷制造業之后，居第3位。在我國經濟高速發展的今天，特別是拉動內需的巨大需求，基本建設投資對GDP的增加有著重要作用，水泥及水泥制品等建材需求不斷加大，在節能減排建設資源節約型社會的背景下，“兩高一低”項目和產品逐漸退出市場，采用高效節能的產品被列為重點發展的領域。在技術層面上以產品開發為龍頭，依靠技術進步和創新研制了模具、成型等專用設備和機具。

目前我國生產的水泥制品主要品種有：混凝土和鋼筋混凝土排水管、自應力混凝土管、三階段預應力混凝土管、一階段預應力混凝土管、預應力鋼筒混凝土管、鋼筋混凝土電桿和預應力混凝土電桿、預應力混凝土軌枕、預應力混凝土管樁和預應力高強混凝土管樁、鋼筋混凝土構件和預應力混凝土構件及市政建設用混凝土制品、彩色水泥瓦和混凝土砌塊及裝飾混凝土砌塊、纖維水泥制品———石棉水泥瓦（板、管）、GRC制品、硅酸鈣板等。幾十年來，水泥制品行業的有關科研設計院（所）、生產企業、專用設備制造廠密切合作，在生產實踐中不斷改進和完善生產裝備，進而促進生產裝備水平的提高如：生產排水管設備；生產水泥電桿設備；生產三階段預應力混凝土管設備；生產一階段預應力混凝土管設備；生產預應力鋼筒混凝土管設備；生產預應力高強混凝土管樁設備等。

但在應用技術開發、生產技術與裝備水平、產品質量、勞動生產率、企業管理水平等方面，我國與國外一些工業化國家相比，還有較大的差距。如生產裝備機械化、自動化程度低，勞動強度大，生產效率低；調速的方式大部分都以電磁調速為主，造成大批能耗高、性能低的水泥制品設備繼續進入市場，并且這些能效比很低的設備一直在運行，大量消耗電能；檢測手段不完備、工藝不完善、設備不配套等。近十年來隨著電力電子技術、計算機技術和電機調速控制理論的發展，變頻調速技術已成為電機調速和節能最先進的技術，在水泥和水泥制品生產中技術改造和節能中發揮重要作用。

2  水泥制管的工藝

2.1 工藝

水泥管樁是眾多的水泥制成品之一，資料顯示到2005年年底，全國已累計生產各種口徑的自應力混凝土管材107000公里和預應力混凝土管材45000公里，這些管材不僅在城市、村鎮建設、工礦企業建設的輸水管道中得到廣泛應用，而且在農田水利建設中也被大量用于引水上山管道、倒虹吸管道、噴灌管道、排澇管道、小水電站水輪機的引水管道等。水泥管樁的生產工藝有多種，為保證水泥管管壁厚薄的均勻性、致密性，其中使用最普遍的生產加工工藝是離心成型法。離心成型是將完成配料好的混凝土注入模腔中，利用離心力、重力、粘聚力、摩擦力使游動的混凝土經過低速、低中速、中速、高速四種速度；布料、二級過渡、密實三個階段，在鋼模中有序排列。在拋落、充填、排擠過程中漸次密實，外層形成密實混凝土層，中層砂漿層，內層水泥凈漿層；以后經蒸養達到C80強度等級。在離心力的作用下中速基本成形，且混凝土逐漸密實，再經過高速成型脫水，整個工藝過程結束。

工藝過程描述

2.2 電氣要求

離心成型法對電氣傳動設備要求是：滿載啟動，啟動力矩應在電機100%額定力矩以上；低速運轉的時間長，要求低速力矩大；由于制管機調速范圍大，為保證水泥管樁的質量，要求在整個工作速度范圍內，轉速基本穩定。早期的調速方式有機械式分級調速、整流子電機調速、直流調速、電磁調速等。由于電磁調速結構簡單，使用簡便價格相對較低，因此，近年來在水泥制管設備中，電磁調速用得較多。但電磁調速效率低，最高轉速時效率為85%，速度越低效率也越低。水泥管離心成形工藝低速的時間占50%左右，電磁調速速度低速時耗能相當大。

2.3  調速方法比較

水泥制管機負載機械特性為大慣性負載，啟動后低速運行，顯然是重載起動。電磁調速器低速運行時機械特性軟，低速轉矩較差，要保證生產的正常進行，電動機的容量選得較大，這又使耗能進一步增加。一般制管機的電氣傳動由1臺75kW（或55kW）的電磁調速電機驅動。

電磁調速電機主要由三相異步電機、電磁轉差離合器和測速發電機三部分組成。離合器是由兩個同心而獨立旋轉的部件所組成：一個稱為磁極（內轉子），另一個稱為電樞（外轉子），當磁極的激磁線圈通過直流電流時，沿氣隙圓周表面的爪極便形成若干對急性相互交替的空間磁場。當離合器的電樞隨拖動電動機旋轉時，由于電樞與磁場間有相對移動，在電樞內就產生渦流；此渦流與磁通相互作用，產生轉矩，帶動磁極按同一方向旋轉，其轉速恒低于電樞轉速，改變激磁電流，可調節離合器的輸出轉矩和轉速。

但是電磁調速電機的最高輸出轉速僅為電動機的80%-90%，由于電磁調速異步電機的傳遞效率與輸出軸的轉速成正比，低速時效率低下，熱能損耗高，并且調速范圍不大，低速力矩又較差。而混凝土進行低速攪拌要求力矩大，不能滿足時轉速會出現不穩定現象，甚至可能無法啟動。轉速的不穩定性對產品質量有一定的影響。

再者電磁調速電機對周圍環境要求高，必須為粉塵較小且干燥的環境，否則很容易因粉塵進入，把磁極和電樞部分粘死，無法調速甚至燒壞測速電機。

變頻調速的原理是根據異步電動機的轉速:n=60f( 1- s) /p 式中f 為電源頻率, p 為極對數，s為電機的轉差率。由上式可知，之所以能夠用變頻器方式調速，因為異步電動機的同步轉速改變定子的供電頻率，即可改變電動機的轉速，改變頻率f時，定子的感應電動勢近似等于定子上的端電壓，只要轉差率不太大，可以近似的認為轉速n與f成正比，改變電源頻率就可實現交流電動機連續平滑調速。變頻調速具有調速范圍廣，速度穩定，精度高，能實現自動控制和操作方便等特點。從制管機對電氣傳動的要求上看，隨著變頻技術的發展，變頻器的優異性能完全可滿足制管工藝要求，且變頻器的價格已經下降到合理的水平，因此用變頻調速代替電磁調速是最佳的選項。

3 水泥制管機的變頻調速

改造方法有兩種：一是采用變頻器直接驅動電磁調速電機，二是采用變頻器驅動三相交流異步機。

3.1 改造方案

為了簡便和成本考慮，可在原設備不變的情況下，電樞和磁極連接處需要焊接在一起，形成一個整體，變頻器驅動電磁調速電機，將電磁調速器杯型轉子的勵磁調到最大。如圖所示。

改造方案描述

電動機散熱系統改造：變頻調速后，考慮到電機運行在低速的時間比較長，電機的散熱受到一些影響，溫度會升高，易引起電動機發熱。為了保證電動機在低速下穩定運行，特對電機進行散熱系統進行改造。增加電動機的散熱風扇有源控制，風扇的運行取決于斷路器閉合后輔助節點，即電動機無論是在高速還是在低速下運行時，散熱風扇都能保證電動機散熱。

為達到最高的節能效率，可將電磁調速電機換為Y系列三相異步電機。

3.2 改造實例

山東某水泥制品企業有4臺離心制管機，全部采用電磁調速，電機的型號和功率分別為YCT260m-4-75kW 2臺，YCT250m-4-55kW 2臺。經現場分析和論證，改造方案將電磁調速改造為變頻調速，用普傳科技自主研發的國家火炬計劃重點新產品PI7800系列變頻器變頻器驅動電磁調速電機。PI7800系列變頻器采用TI公司最新電機控制芯片DSP，配置第四代功率模塊IGBT及先進生產工藝，實現高速、高效高精度控制。過載能力強，具有低速轉矩補償功能，調速比1：10以上，很好地滿足了水泥制管的工藝要求。

變頻器用普傳科技PI7800 075G3（75 kW）型變頻器2臺，PI7800 055G3（55 kW）變頻器2臺。變頻器設置為外控端子操作，電位器調節變頻器的頻率。加速和減速時間設定比較長，均為120s，降速到變頻器的輸出頻率5hz時，啟用直流制動，操作十分方便。使用了變頻器后，轉速穩定性好，管樁的成型的質量有了較大的提高。

根據生產管樁尺寸的大小不同,分別設置了四種管樁的運行模式，每種模式可以設置七種不同的運行頻率和運行時間。運行頻率和時間是可以根據生產管樁的尺寸，原材料等工藝要求任意設定。改造后大大提高了生產效率，具有很好的節能效果，減輕了操作工人的勞動強度。

需要注意的是現場環境一般比較惡劣，應將變頻器置于電控柜內，做好通風、防塵、絕緣等防護措施。

4  節能分析與評估

水泥制管機是采用55kW或75kW的電磁調速電機，根據離心制管工藝情況，對電機速度進行控制，轉速通常控制在300-1200r/min。通過實例，采用變頻調速的方法取代電磁調速平均節能量30%以上。從電磁調速主電機的輸出功率與轉矩和轉速的關系式分析如下：

P0=M0×n0                                     （1）

式中：P0：表示主電機軸輸出功率(kW)；M0：負載轉矩 (kgf•m)；n0：主電機轉速(r/min)

電磁調速轉子輸出功率：

P1≈M0•n1                         （2）

式中：P1：表示輸出功率(kW)；n1：表示轉子轉速(r/min)

損耗功率：

△P≈P0－P1=M0（n0－n1）         （3）

由于電磁轉差離合器的輸出轉速的降低，其轉差損耗增大。由此可見，具有恒轉矩負載特性的生產機械，采用電磁轉差離合器進行調速，電磁調速電機的轉速n1越低運行效率就越低，轉差損耗△P就越大。  

水泥制管機低速運行的速度為300r/min左右，因此改用變頻調速驅動4極電機的方式后，理論上節能為：

P0－P1=M0(1440－300)=1140M0

節能率(P0－P1)/P0*100%=(1140T0/1440M0)*100%=39.6%

考慮到低速運行的時間占50%左右，可以推出變頻器節能率在30%以上，據廠家透露，四臺制管機月節電費在20,000元左右，一年內可收全部投資，經濟效益十分顯著。對于恒轉矩負載，采用變頻調速，其轉速越低，節電效果越顯著。由于變頻調速為無轉差調速，所以與電磁轉差離合器調速相比，其運行效率高，采用變頻器有高效節能的特點，值得推廣。

5  結束語

電磁調速方式雖然簡單，設備價格便宜，但調速以高耗能為代價。變頻器根據生產管樁尺寸的大小不同，分別設置了多種管樁的運行模式,每種模式可以設置幾種不同的運行頻率和運行時間，改造后大大提高了生產效率，具有很好的節能效果，減輕了操作工人的勞動強度。

“十一五”以及未來10年～15年期間，我國的建設和發展需要大量建筑材料、大量水泥制品，這為水泥制品工業發展提供了千載難逢的機遇。可以預見，未來這5年～10年是水泥制品工業最好的發展時期，采用變頻調速改造水泥制品機械是技術進步和科技創新的重要手段。