变频技术在混凝土搅拌站中的应用研究

章弘威，姜卓希，蔡营

（徐州徐工施维英机械有限公司，江苏 徐州 221004）

1 问题的提出

随着我国的城市化进程不断向前推进以及国家对基础设施建设的加强，混凝土搅拌站在全国大中城市得到了迅速发展和推广应用。但是目前国内的搅拌站在生产过程中，普遍存在两个问题，一是对电机的控制策略缺乏优化，导致了搅拌站的有些电机在实际运行的过程中，利用率低，电能浪费严重；另一方面则是在当前的搅拌站配置下，当客户需要的物料很少，同时对精度要求特别高的情况下，现有的控制方式无法实现精确计量，满足客户的特殊需求。下面将会对这两个问题分别的进行分析、研究以及改进。在问题分析及设计改进的过程中，变频器将会被用到，所以在第二部分，会简单地介绍下变频技术的工作原理。

2 变频技术工作原理

变频技术是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF 变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的（图1）。

图1 变频器结构图

3 变频技术在搅拌站电机优化控制和节能中的应用

3.1 电机分类分析

由于搅拌站的大部分传动，都是由电机驱动，所以搅拌站现场的电机设备比较多，以 HZS180K 为例，电机数量就有 27 个。

大概可以分为 7 类：

（1）振动电机类：13 个，此类电机功率为 0.9～0.1kW，工作方式为 S3：断续周期工作制，周期性的短时间振动，利用率高、节能空间小，故本文暂不做研究。

（2）泵类：4个，工作制为 S3：断续周期工作制，每个搅拌站生产周期一段时间恒定负载，一段时间停转。电机的利用率高、节能空间小，本文不做深入地研究。

（3）螺旋类：4 个，工作方式为 S3：断续周期工作制，每个搅拌站生产周期一段时间恒定负载，一段时间停转，电机的利用率高、节能空间小，本文暂不做研究。

（4）除尘电机：1 个，工作方式为 S3：断续周期工作制，每个搅拌站生产周期一段时间恒定负载，一段时间停转。电机的利用率高、节能空间小，本文暂不做研究。

（5）空压机：1 个，低于压力设定值时启动，高于 0.8MPa 时停止运行，属于断续周期工作制，电机的利用率高、节能空间小，本文暂不做研究。

（6）皮带类：2 个，包括平皮带和斜皮带，工作方式近似可以看为 S6：连续周期工作制：每个搅拌站生产周期都有一段时间近似恒定负载，其余时间为空载。从工地实测图（图2 和图3）可以看出，电机的功率因数低、利用率低，控制策略缺乏优化，需要进行设计改进。

图2 工地实测斜皮带功率曲线

图3 工地实测斜皮带电流曲线

从测试的数据，可以看出，斜皮带空载的时候的电流为 27.5A，功率因数为 0.3，空载的功率为 5.72kW。一个周期以 90s 计算的话，斜皮带空载约占 1/3 周期，也就是 30s。一个周期斜皮带空载所消耗的电能约为0.048kW·h。

（7）搅拌主机：2 个，如图4 为工地实测的主机功率因数曲线。从图中可以看出搅拌站主机的工作方式为每个搅拌站生产周期都有一段时间的可变负载，和一段时间的空载，而且空载的时间在正常生产期间内很短，由于可变负载的规律性不强，暂时先不做研究。

图4 工地实测主机功率因数曲线

3.2 皮带类控制技术改进

由上分析，斜皮带电机在一个生产周期内有一段时间的可变负载，由于负载变化不大，可看作恒定负载，和一段时间的空载，且空载的时间大约占周期的 1/3，由于目前的控制方式，皮带类的电机没有调速方式，所以无法实现调速，导致电机依然工频运行，电机的利用率低，浪费电能。改进后变频控制主回路如图5。

图5 斜皮带电机变频控制主回路

控制方式为：斜皮带启动的时候为工频运行，当系统检测皮带上面没有料的时候，切换为低速运行。皮带上有料的时候，切换为工频运行，保证生产的效率性。速度控制表见表1。

3.3 设计改进效果跟踪

图6 为在同铸搅拌站的斜皮带上使用的变频器，图7 功率测试现场图，图8 和图9 为斜皮带使用变频器实测电流和功率曲线。

由测试曲线上可以看出，使用变频以后，空载电流降为 7.8A，功率因数提升到 0.8。此时空载功率为4.32kW，每个配料周期，空载时间同样以 30s 计算，每个周期空载消耗的电能为 0.036kW·h。

斜皮带使用变频技术控制以后，空载电流由27.5A 降为 7.8A，功率因数由 0.3 提高为 0.8，空载功率由 5.72kW 降为 4.32kW，平均每个周期节省电能0.012kW·h，由此可见采用变频技术控制后，空载运行节省的电能约为原来的 1/4。

图6 斜皮带试用变频器

图7 工地功率测试

图8 同铸搅拌站的斜皮带使用变频器实测电流曲线

图9 同铸搅拌站的斜皮带使用变频器实测功率曲线

4 变频技术在粉料微小计量中的研究与应用

在当前的搅拌站配置下，当客户需要的物料很少，同时对精度要求特别高的情况下，现有的控制方式无法实现精确计量，满足客户的特殊需求。例如：HZS180K 的搅拌站，掺合料螺旋的标准配置是 273 螺旋，安装角度为 22°，螺旋输送量为 22kg/s，假设客户需要的掺合料配方量为 10kg，若每一盘打 3m3，目标值为 30kg，加上电机的启动时间，基本上螺旋电机刚转起来，配料值就已经超差了。类似于这类情况，当前的控制方式就无法满足客户的需求了。

针对以上情况，对当前粉料计量控制方式进行设计改进。改进后的变频控制电路图见图10。

改进后的控制方案为，定义 (MI1,MI2)=(1,0) 为螺旋精称，对应 20HZ 输出，(MI1,MI2)=(1,1) 为螺旋粗称，对应 50HZ 工频输出。

改进后的螺旋变频控制，在低频工作时，降低螺旋每秒输送量，有效地保证了称量的精准性。得到了客户的认可。

图10 螺旋变频控制电路

5 总结

通过对斜皮带电机控制方式的改进，成功地将变频技术应用于斜皮带电机的控制。使用变频技术控制后，控制电流下降到 7.8A，功率因数提升到了 0.8，大大地提高了电机的利用率，平均每盘斜皮带空载阶段可以节省电能为 0.012kW·h，相比之前空载耗能节省了 1/4。

（2）通过粉料螺旋变频的设计改进，在低频工作时，有效降低螺旋每秒地输送量，保障了称量的精准性。并成功地应用于济南中铁十局 HZS120 搅拌站，将螺旋的最小输送量降低到 5kg/s，点动可以达到最小一次 0.5kg，计量精度得到了有效的提高，得到了客户的认可。

变频调速技术作为电机节能运行的主流控制技术已经相当成熟，产品的选择范围也非常广泛。下一步将继续研究变频技术在搅拌站、干混砂浆站及其他产品中的应用。