变转矩

工业技术

变转矩‌是指负载转矩随电机转速增大而增大的现象。

基本概念

变转矩负载（如水泵、砂泵、风机类、搅拌机等螺旋浆类负载）应用十分广泛，总装机容量约占工业电力拖动总量的50%，尤其是在冶金、发电、供水、大型楼宇空调等行业中，变转矩类负载数量多、功率大，已经成为这些企业的通用机械设备，也成了企业的用电大户。变转矩负载的机械特性具有共同的特征，其负载转矩与转速的平方成正比，拖动电机转轴上的输出功率与转速的立方成正比。即转速的大小变化，将引起电机转矩和输出机械功率的强烈变化。研究变转矩负载的实际工况，应用现代控制技术和手段，使拖动电机与变转矩负载及实际工况处于最好的匹配运行状态，对于做好变转矩负载的节能降耗，推进企业应用现代技术水平，大幅度降低生产成本是十分有益的。

改造办法

我们对某集团公司400多台套变转矩负载（电机25kW以上有318台）进行了统计、归类，研究设备实际工况的类型、运行方式和存在问题，提出改造其控制运行方式的办法和必要性。

1.1 单机运行，间歇工作制的变转矩负载

此类负载开停自由度较大，生产流程对其约束力很小，不必考虑调速。

1.2 恒液位控制型

(1) 工况及要求液位高度H随流量Q1动态变化，要求确保液面不溢出；流量Q2大小可调节，但不间断，

(2) 设备特点设备容量大（电机25kW以上）。

(3) 传统运行电动机满载驱动，靠增加流量Q2的管道阻力，如用闸阀、档板等方式下调Q2流量或调节压力。

(4) 改造设想根据入口流量Q1的动态变化即液位高度H的变化，使用变频器等装置自动调节电机转速，从而自动调节输出流量Q2，实现恒液位控制，以达到电机、负载和工况的良好匹配。由深圳市鸿怡威刘‘S提供变转矩变频器产品咨询。

1.3 供水送风恒压力型控制

(1) 工况及要求输出流量Q，确保下道工序对流量的动态需求。

(2) 设备特点设备容量大（电机25kW以上）。

(3) 传统运行电机满载驱动，随时提供下一道工序对流量的最大需求。

(4) 改造设想根据管道的压力差，使用闭环PID调节，自动控制电机转速，使输出流量随时等于下道工序需求的流量，实现供求平衡的匹配。

1.4 （中央空调型）循环水系统。

(1) 设备特点设备容量大。

(2) 工况与控制循环水不消耗，根据各楼层所需空调的开闭情况，使用传感器检测压力或温度信号，经PID调节，变频器自动调控冷冻泵电机转速，即自动调节冷冻水的流量，实现供需平衡。

大多数变转矩负载，按传统的设计和运行方式有以下问题：

(1) 设计中的设备选型通常考虑的裕量过大，使系统的功耗增加；额定流量远大于实际需求流量，流量泵常出现“喘气”现象，设备冲击大、泵室和叶轮磨损增加，降低了设备的使用寿命。

(2) 电机的满载驱动、泵的全输出，与实际工况需求不匹配。降低了系统的运行效率，造成能源的浪费。

很多变转矩负载均可根据实际工况，采用调速控制，实现系统的匹配运行。

2 SIEMENS ECO1变频器实现变转矩负载与工况需求的匹配

变频调速技术是现代科技的主要成果之一。主要是应用变频器将电网的工频交流电转变成频率和电压均可调的电源，以之调控交流电机的转速，采用这种调速方式，电机机械特性硬度不变，过载能力和主磁通不变，电动机的定额可得到充分应用；调速范围广，并能实现无级调速；调速精度、功率因数和效率较高。经分析研究和实践，各种工况类型的变转矩负载都可使用传感器获取负反馈信号实现自动调节，系统构成框图。选用SIEMENS（西门子）MIDIMASTER ECO1系列变频器，内置PID调节器和各种保护及参数设定功能。SIEMENS变频器有专为拖动变转矩负载而设计的系列产品，只需作较简单的接线就可构成具有PID调节功能的闭环调速控制系统。系统运行灵敏、准确、响应速度快。

(1) 恒液位控制系统改造

系统构成框图。被控制过程是水泵或砂泵，负反馈环节选用德国8175超声波液位计。矿浆池液位变化时由超声波液位计检测并发出4～20mA电流反馈信号，经比较、PID调节、变频和电机调速，使矿浆池的液位保持在一定范围内。满足工艺要求，达到系统匹配。

(2) 恒压力型控制系统

系统中的被控制过程是风机或水泵，反馈环节是管道压力传感器。当下道工序对流量的需求发生变化时，压力传感器检测并发出4～20mA电流反馈信号，系统进行调频调速，使输出流量随时与下道工序的需求量相平衡，达到最佳匹配。

(3) （中央空调型）循环水系统

系统中的被控制过程是冷却泵，反馈环节是管道压力传感器（或冷冻主机的温差变送器）。传感器检测并发出4～20mA电流反馈信号，系统进行调频调速，使输出冷冻水流量随时与楼层空调开度需求量相平衡，达到最佳匹配。

应用实例

某团公司大屯选矿厂12号泵（电机25kW）的工况为恒液位控制型。应用改造后的恒液位控制系统，经该集团公司设备能源处和该厂工程人员反复测试，运行的实际效果是

(1) 节能变频器输出电源频率多数时间在35Hz下运行，此时电机输入有功功率（14.46kW）下降至原输入有功功率（27.46kW）的52.4%。单机年节电（按一年运行300天，每天运行24小时计），按每kWh电价0.341元计算，年节约电费31917.6元。

仅该厂25kW以上的泵电机达157台，如果全部应用变频调速，年节约电费600多万元；推广到笔者统计的可实施调速的318台变转矩负载全部改造，该集团公司年节约电费1200万元以上。由此可见：

① 应用现代技术改造后的控制系统，节能效果十分显著，有很大的推广价值。

② 原设计中，泵和电机设计裕量过大，配置功率还可在原基础上大幅度降低。

(2) 变频器具有PID调节功能（有的还内置PLC可编程控制器）及各种保护和参数设定等功能，操作及维护简单。其闭环调速控制系统，调速范围广，控制准确、灵敏、响应速度快。可确保输出流量随时与下道工序的需求量相平衡，实现最佳匹配。同时泵的易磨件使用周期长，大大降低了维修费用，也为工艺流程作新的调整改造提供了设备和技术基础。

(3) 充分应用变频器内置功能，可减少其它控制器件的重复投资。

展望

变转矩负载的机械特性、工况类型、应用新技术对系统进行设计或节能改造等方面具有许多共性，但是多年来一直未能引起人们的足够重视。笔者认为，对变转矩负载应用现代技术进行设计或改造，使变转矩负载的运行控制系统作新的变革，这种智能化的自动控制技术，使系统运行得到优化，从而提高系统效率，节能降耗以及降低维修等附加费用，这对企业降低生产成本，增强技术后劲是大有可为的。

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