變頻技術(shù)在混凝土攪拌站中的應(yīng)用研究

章弘威，姜卓希，蔡營(yíng)

（徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

1 問(wèn)題的提出

隨著我國(guó)的城市化進(jìn)程不斷向前推進(jìn)以及國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加強(qiáng)，混凝土攪拌站在全國(guó)大中城市得到了迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用。但是目前國(guó)內(nèi)的攪拌站在生產(chǎn)過(guò)程中，普遍存在兩個(gè)問(wèn)題，一是對(duì)電機(jī)的控制策略缺乏優(yōu)化，導(dǎo)致了攪拌站的有些電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，利用率低，電能浪費(fèi)嚴(yán)重；另一方面則是在當(dāng)前的攪拌站配置下，當(dāng)客戶(hù)需要的物料很少，同時(shí)對(duì)精度要求特別高的情況下，現(xiàn)有的控制方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量，滿(mǎn)足客戶(hù)的特殊需求。下面將會(huì)對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題分別的進(jìn)行分析、研究以及改進(jìn)。在問(wèn)題分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)的過(guò)程中，變頻器將會(huì)被用到，所以在第二部分，會(huì)簡(jiǎn)單地介紹下變頻技術(shù)的工作原理。

2 變頻技術(shù)工作原理

變頻技術(shù)是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源?，F(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF 變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。

變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成的（圖1）。

圖1 變頻器結(jié)構(gòu)圖

3 變頻技術(shù)在攪拌站電機(jī)優(yōu)化控制和節(jié)能中的應(yīng)用

3.1 電機(jī)分類(lèi)分析

由于攪拌站的大部分傳動(dòng)，都是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以攪拌站現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)設(shè)備比較多，以 HZS180K 為例，電機(jī)數(shù)量就有 27 個(gè)。

大概可以分為 7 類(lèi)：

（1）振動(dòng)電機(jī)類(lèi)：13 個(gè)，此類(lèi)電機(jī)功率為 0.9～0.1kW，工作方式為 S3：斷續(xù)周期工作制，周期性的短時(shí)間振動(dòng)，利用率高、節(jié)能空間小，故本文暫不做研究。

（2）泵類(lèi)：4個(gè)，工作制為 S3：斷續(xù)周期工作制，每個(gè)攪拌站生產(chǎn)周期一段時(shí)間恒定負(fù)載，一段時(shí)間停轉(zhuǎn)。電機(jī)的利用率高、節(jié)能空間小，本文不做深入地研究。

（3）螺旋類(lèi)：4 個(gè)，工作方式為 S3：斷續(xù)周期工作制，每個(gè)攪拌站生產(chǎn)周期一段時(shí)間恒定負(fù)載，一段時(shí)間停轉(zhuǎn)，電機(jī)的利用率高、節(jié)能空間小，本文暫不做研究。

（4）除塵電機(jī)：1 個(gè)，工作方式為 S3：斷續(xù)周期工作制，每個(gè)攪拌站生產(chǎn)周期一段時(shí)間恒定負(fù)載，一段時(shí)間停轉(zhuǎn)。電機(jī)的利用率高、節(jié)能空間小，本文暫不做研究。

（5）空壓機(jī)：1 個(gè)，低于壓力設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)，高于 0.8MPa 時(shí)停止運(yùn)行，屬于斷續(xù)周期工作制，電機(jī)的利用率高、節(jié)能空間小，本文暫不做研究。

（6）皮帶類(lèi)：2 個(gè)，包括平皮帶和斜皮帶，工作方式近似可以看為 S6：連續(xù)周期工作制：每個(gè)攪拌站生產(chǎn)周期都有一段時(shí)間近似恒定負(fù)載，其余時(shí)間為空載。從工地實(shí)測(cè)圖（圖2 和圖3）可以看出，電機(jī)的功率因數(shù)低、利用率低，控制策略缺乏優(yōu)化，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

圖2 工地實(shí)測(cè)斜皮帶功率曲線

圖3 工地實(shí)測(cè)斜皮帶電流曲線

從測(cè)試的數(shù)據(jù)，可以看出，斜皮帶空載的時(shí)候的電流為 27.5A，功率因數(shù)為 0.3，空載的功率為 5.72kW。一個(gè)周期以 90s 計(jì)算的話(huà)，斜皮帶空載約占 1/3 周期，也就是 30s。一個(gè)周期斜皮帶空載所消耗的電能約為0.048kW·h。

（7）攪拌主機(jī)：2 個(gè)，如圖4 為工地實(shí)測(cè)的主機(jī)功率因數(shù)曲線。從圖中可以看出攪拌站主機(jī)的工作方式為每個(gè)攪拌站生產(chǎn)周期都有一段時(shí)間的可變負(fù)載，和一段時(shí)間的空載，而且空載的時(shí)間在正常生產(chǎn)期間內(nèi)很短，由于可變負(fù)載的規(guī)律性不強(qiáng)，暫時(shí)先不做研究。

圖4 工地實(shí)測(cè)主機(jī)功率因數(shù)曲線

3.2 皮帶類(lèi)控制技術(shù)改進(jìn)

由上分析，斜皮帶電機(jī)在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)有一段時(shí)間的可變負(fù)載，由于負(fù)載變化不大，可看作恒定負(fù)載，和一段時(shí)間的空載，且空載的時(shí)間大約占周期的 1/3，由于目前的控制方式，皮帶類(lèi)的電機(jī)沒(méi)有調(diào)速方式，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)速，導(dǎo)致電機(jī)依然工頻運(yùn)行，電機(jī)的利用率低，浪費(fèi)電能。改進(jìn)后變頻控制主回路如圖5。

圖5 斜皮帶電機(jī)變頻控制主回路

控制方式為：斜皮帶啟動(dòng)的時(shí)候?yàn)楣ゎl運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)皮帶上面沒(méi)有料的時(shí)候，切換為低速運(yùn)行。皮帶上有料的時(shí)候，切換為工頻運(yùn)行，保證生產(chǎn)的效率性。速度控制表見(jiàn)表1。

3.3 設(shè)計(jì)改進(jìn)效果跟蹤

圖6 為在同鑄攪拌站的斜皮帶上使用的變頻器，圖7 功率測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖，圖8 和圖9 為斜皮帶使用變頻器實(shí)測(cè)電流和功率曲線。

由測(cè)試曲線上可以看出，使用變頻以后，空載電流降為 7.8A，功率因數(shù)提升到 0.8。此時(shí)空載功率為4.32kW，每個(gè)配料周期，空載時(shí)間同樣以 30s 計(jì)算，每個(gè)周期空載消耗的電能為 0.036kW·h。

斜皮帶使用變頻技術(shù)控制以后，空載電流由27.5A 降為 7.8A，功率因數(shù)由 0.3 提高為 0.8，空載功率由 5.72kW 降為 4.32kW，平均每個(gè)周期節(jié)省電能0.012kW·h，由此可見(jiàn)采用變頻技術(shù)控制后，空載運(yùn)行節(jié)省的電能約為原來(lái)的 1/4。

圖6 斜皮帶試用變頻器

圖7 工地功率測(cè)試

圖8 同鑄攪拌站的斜皮帶使用變頻器實(shí)測(cè)電流曲線

圖9 同鑄攪拌站的斜皮帶使用變頻器實(shí)測(cè)功率曲線

4 變頻技術(shù)在粉料微小計(jì)量中的研究與應(yīng)用

在當(dāng)前的攪拌站配置下，當(dāng)客戶(hù)需要的物料很少，同時(shí)對(duì)精度要求特別高的情況下，現(xiàn)有的控制方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量，滿(mǎn)足客戶(hù)的特殊需求。例如：HZS180K 的攪拌站，摻合料螺旋的標(biāo)準(zhǔn)配置是 273 螺旋，安裝角度為 22°，螺旋輸送量為 22kg/s，假設(shè)客戶(hù)需要的摻合料配方量為 10kg，若每一盤(pán)打 3m3，目標(biāo)值為 30kg，加上電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，基本上螺旋電機(jī)剛轉(zhuǎn)起來(lái)，配料值就已經(jīng)超差了。類(lèi)似于這類(lèi)情況，當(dāng)前的控制方式就無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)的需求了。

針對(duì)以上情況，對(duì)當(dāng)前粉料計(jì)量控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。改進(jìn)后的變頻控制電路圖見(jiàn)圖10。

改進(jìn)后的控制方案為，定義 (MI1,MI2)=(1,0) 為螺旋精稱(chēng)，對(duì)應(yīng) 20HZ 輸出，(MI1,MI2)=(1,1) 為螺旋粗稱(chēng)，對(duì)應(yīng) 50HZ 工頻輸出。

改進(jìn)后的螺旋變頻控制，在低頻工作時(shí)，降低螺旋每秒輸送量，有效地保證了稱(chēng)量的精準(zhǔn)性。得到了客戶(hù)的認(rèn)可。

圖10 螺旋變頻控制電路

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)斜皮帶電機(jī)控制方式的改進(jìn)，成功地將變頻技術(shù)應(yīng)用于斜皮帶電機(jī)的控制。使用變頻技術(shù)控制后，控制電流下降到 7.8A，功率因數(shù)提升到了 0.8，大大地提高了電機(jī)的利用率，平均每盤(pán)斜皮帶空載階段可以節(jié)省電能為 0.012kW·h，相比之前空載耗能節(jié)省了 1/4。

（2）通過(guò)粉料螺旋變頻的設(shè)計(jì)改進(jìn)，在低頻工作時(shí)，有效降低螺旋每秒地輸送量，保障了稱(chēng)量的精準(zhǔn)性。并成功地應(yīng)用于濟(jì)南中鐵十局 HZS120 攪拌站，將螺旋的最小輸送量降低到 5kg/s，點(diǎn)動(dòng)可以達(dá)到最小一次 0.5kg，計(jì)量精度得到了有效的提高，得到了客戶(hù)的認(rèn)可。

變頻調(diào)速技術(shù)作為電機(jī)節(jié)能運(yùn)行的主流控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，產(chǎn)品的選擇范圍也非常廣泛。下一步將繼續(xù)研究變頻技術(shù)在攪拌站、干混砂漿站及其他產(chǎn)品中的應(yīng)用。