變頻技術在混凝土攪拌站中的應用研究

章弘威，姜卓希，蔡營

（徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

1 問題的提出

隨著我國的城市化進程不斷向前推進以及國家對基礎設施建設的加強，混凝土攪拌站在全國大中城市得到了迅速發展和推廣應用。但是目前國內的攪拌站在生產過程中，普遍存在兩個問題，一是對電機的控制策略缺乏優化，導致了攪拌站的有些電機在實際運行的過程中，利用率低，電能浪費嚴重；另一方面則是在當前的攪拌站配置下，當客戶需要的物料很少，同時對精度要求特別高的情況下，現有的控制方式無法實現精確計量，滿足客戶的特殊需求。下面將會對這兩個問題分別的進行分析、研究以及改進。在問題分析及設計改進的過程中，變頻器將會被用到，所以在第二部分，會簡單地介紹下變頻技術的工作原理。

2 變頻技術工作原理

變頻技術是利用電力半導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、頻率都可調的交流電源。現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整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

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

圖1 變頻器結構圖

3 變頻技術在攪拌站電機優化控制和節能中的應用

3.1 電機分類分析

由于攪拌站的大部分傳動，都是由電機驅動，所以攪拌站現場的電機設備比較多，以 HZS180K 為例，電機數量就有 27 個。

大概可以分為 7 類：

（1）振動電機類：13 個，此類電機功率為 0.9～0.1kW，工作方式為 S3：斷續周期工作制，周期性的短時間振動，利用率高、節能空間小，故本文暫不做研究。

（2）泵類：4個，工作制為 S3：斷續周期工作制，每個攪拌站生產周期一段時間恒定負載，一段時間停轉。電機的利用率高、節能空間小，本文不做深入地研究。

（3）螺旋類：4 個，工作方式為 S3：斷續周期工作制，每個攪拌站生產周期一段時間恒定負載，一段時間停轉，電機的利用率高、節能空間小，本文暫不做研究。

（4）除塵電機：1 個，工作方式為 S3：斷續周期工作制，每個攪拌站生產周期一段時間恒定負載，一段時間停轉。電機的利用率高、節能空間小，本文暫不做研究。

（5）空壓機：1 個，低于壓力設定值時啟動，高于 0.8MPa 時停止運行，屬于斷續周期工作制，電機的利用率高、節能空間小，本文暫不做研究。

（6）皮帶類：2 個，包括平皮帶和斜皮帶，工作方式近似可以看為 S6：連續周期工作制：每個攪拌站生產周期都有一段時間近似恒定負載，其余時間為空載。從工地實測圖（圖2 和圖3）可以看出，電機的功率因數低、利用率低，控制策略缺乏優化，需要進行設計改進。

圖2 工地實測斜皮帶功率曲線

圖3 工地實測斜皮帶電流曲線

從測試的數據，可以看出，斜皮帶空載的時候的電流為 27.5A，功率因數為 0.3，空載的功率為 5.72kW。一個周期以 90s 計算的話，斜皮帶空載約占 1/3 周期，也就是 30s。一個周期斜皮帶空載所消耗的電能約為0.048kW·h。

（7）攪拌主機：2 個，如圖4 為工地實測的主機功率因數曲線。從圖中可以看出攪拌站主機的工作方式為每個攪拌站生產周期都有一段時間的可變負載，和一段時間的空載，而且空載的時間在正常生產期間內很短，由于可變負載的規律性不強，暫時先不做研究。

圖4 工地實測主機功率因數曲線

3.2 皮帶類控制技術改進

由上分析，斜皮帶電機在一個生產周期內有一段時間的可變負載，由于負載變化不大，可看作恒定負載，和一段時間的空載，且空載的時間大約占周期的 1/3，由于目前的控制方式，皮帶類的電機沒有調速方式，所以無法實現調速，導致電機依然工頻運行，電機的利用率低，浪費電能。改進后變頻控制主回路如圖5。

圖5 斜皮帶電機變頻控制主回路

控制方式為：斜皮帶啟動的時候為工頻運行，當系統檢測皮帶上面沒有料的時候，切換為低速運行。皮帶上有料的時候，切換為工頻運行，保證生產的效率性。速度控制表見表1。

3.3 設計改進效果跟蹤

圖6 為在同鑄攪拌站的斜皮帶上使用的變頻器，圖7 功率測試現場圖，圖8 和圖9 為斜皮帶使用變頻器實測電流和功率曲線。

由測試曲線上可以看出，使用變頻以后，空載電流降為 7.8A，功率因數提升到 0.8。此時空載功率為4.32kW，每個配料周期，空載時間同樣以 30s 計算，每個周期空載消耗的電能為 0.036kW·h。

斜皮帶使用變頻技術控制以后，空載電流由27.5A 降為 7.8A，功率因數由 0.3 提高為 0.8，空載功率由 5.72kW 降為 4.32kW，平均每個周期節省電能0.012kW·h，由此可見采用變頻技術控制后，空載運行節省的電能約為原來的 1/4。

圖6 斜皮帶試用變頻器

圖7 工地功率測試

圖8 同鑄攪拌站的斜皮帶使用變頻器實測電流曲線

圖9 同鑄攪拌站的斜皮帶使用變頻器實測功率曲線

4 變頻技術在粉料微小計量中的研究與應用

在當前的攪拌站配置下，當客戶需要的物料很少，同時對精度要求特別高的情況下，現有的控制方式無法實現精確計量，滿足客戶的特殊需求。例如：HZS180K 的攪拌站，摻合料螺旋的標準配置是 273 螺旋，安裝角度為 22°，螺旋輸送量為 22kg/s，假設客戶需要的摻合料配方量為 10kg，若每一盤打 3m3，目標值為 30kg，加上電機的啟動時間，基本上螺旋電機剛轉起來，配料值就已經超差了。類似于這類情況，當前的控制方式就無法滿足客戶的需求了。

針對以上情況，對當前粉料計量控制方式進行設計改進。改進后的變頻控制電路圖見圖10。

改進后的控制方案為，定義 (MI1,MI2)=(1,0) 為螺旋精稱，對應 20HZ 輸出，(MI1,MI2)=(1,1) 為螺旋粗稱，對應 50HZ 工頻輸出。

改進后的螺旋變頻控制，在低頻工作時，降低螺旋每秒輸送量，有效地保證了稱量的精準性。得到了客戶的認可。

圖10 螺旋變頻控制電路

5 總結

通過對斜皮帶電機控制方式的改進，成功地將變頻技術應用于斜皮帶電機的控制。使用變頻技術控制后，控制電流下降到 7.8A，功率因數提升到了 0.8，大大地提高了電機的利用率，平均每盤斜皮帶空載階段可以節省電能為 0.012kW·h，相比之前空載耗能節省了 1/4。

（2）通過粉料螺旋變頻的設計改進，在低頻工作時，有效降低螺旋每秒地輸送量，保障了稱量的精準性。并成功地應用于濟南中鐵十局 HZS120 攪拌站，將螺旋的最小輸送量降低到 5kg/s，點動可以達到最小一次 0.5kg，計量精度得到了有效的提高，得到了客戶的認可。

變頻調速技術作為電機節能運行的主流控制技術已經相當成熟，產品的選擇范圍也非常廣泛。下一步將繼續研究變頻技術在攪拌站、干混砂漿站及其他產品中的應用。