1 臥螺離心機背驅動裝置的負載性質

安裝在臥螺離心機差速器小軸端的調速裝置稱為背驅動裝置。這些裝置如：電渦流制動器[1]；異步電動機；液力馬達；機械式過載保護裝置（小軸轉速為零）等。在螺旋滯后于轉鼓時，這些裝置都是以消耗離心機動能為代價，對小軸作用制動力矩，借以達到調節差轉速的目的。對小軸而言，背驅動裝置是一種負負載。

在通用變頻器調速系統中，和差速器小軸相連的電動機長期處于再生狀態，運行于第4象限，從離心機接受機械能，將再生制動的能量反饋到變頻器的直流母線上，再通過制動電阻將其消耗掉。

如何回收該部分能量是國內外離心機制造商熱切關心的課題。

利用特別設計的四象限運行變頻器（例如ABB公司的ACS611型變頻器），可將再生能量直接反饋回電網，但變頻器價格昂貴，國內除了軋鋼廠以外很少有應用。Alfa-Laval公司近年生產的DS706型大型污水處理離心機應用雙變頻能源反饋節能調頻控制系統（使用ACS800系列變頻器），目前在香港昂船洲污水處理廠運行。國內也有廠家利用國產變頻器，將共直流母線交流變頻技術應用于臥螺離心機，使該部分能量大部分得到回收，取得了良好的社會效益和經濟效益。這一技術的推廣應用無疑是極有意義的，本文對此進行討論。

結構：見圖1，離心機3由主電機2驅動，差速器小軸和副電機5同軸連接。主、副電機的轉速由變頻器1、6控制，二者的直流母線并連，三相電源輸入主變頻器1。

1-主變頻器；2-主電機；3-離心機；4-差速器；5-副電機；6-副變頻器；
圖1
2 特點：

（1）優良的節能性能：在螺旋滯后時，再生的能量送到副變頻器的直流母線上，由于主、副變頻器的直流母線并連，該能量就經過主變頻器被主電機利用。

為簡單起見，設穩態時離心機以恒轉矩和恒差速運行（不計及調速時加速轉矩和減速轉矩的影響），則回收的能量為：P=0.8 M n/9550,式中：P-功率（KW）;M-小軸力矩（N.m）;n-小軸轉速（r/min）;M前的0.8倍是由于再生制動時，即使不加放電的制動電阻，電動機內部也有20%的銅損被轉換為制動轉矩[2]。

（2）動態響應快：有些PID調節系統往往有超調現象，過渡過程時間較長，例如電渦流制動器調速系統，穩定周期有時長達數分鐘。變頻調速系統轉矩響應時間僅150-200ms[3],動態特性明顯改善。

（3）容易處理突發事件造成的轉鼓內物料的堆積：副電機反轉時運行于第Ⅰ象限（電動機狀態），這時差速很大：Δn=(n1+n)/i，（n1-轉鼓轉速r/min;i-差速器速比），由于變頻器具有2倍額定力矩的靜態啟動轉矩[3],使堆積在轉鼓內的物料容易排出。

（4）有利于實現恒轉矩控制：某些物料，例如城市污水，含有60%-70%的有機物質，沉泥具有可壓縮性，含固率時時刻刻在變化，使螺旋推料力矩隨著進料流量和含固率的波動而變化，要求電氣系統根據力矩變化及時控制進料量或差轉速，否則，很容易堵料。

恒力矩控制的關鍵是實時連續測量螺旋推料力矩,必須合理選擇力矩傳感元件。在液力馬達調速系統中，使用液油壓力變送器；在電渦流制動器調速系統中，使用電阻應變式力矩傳感器；在本文介紹的變頻器調速系統中，則可直接利用變頻器輸出的力矩電流模擬量,不必單獨安裝傳感器。

例如，TD3000變頻器具有轉矩控制和轉速控制兩種工作方式：當選擇轉矩控制方式時，變頻器輸出頻率將根據輸出力矩信號自動調節，當螺旋推料力矩變大時，降低輸出頻率，增加差速，將沉泥快速推出轉鼓；反之，增加輸出頻率，減小差速，使力矩增加。最終使螺旋推料力矩穩定在設定值附近。

3 調速系統的設計

（1）變頻器選型：對主變頻器沒有特別要求，副變頻器要求能屏蔽輸入缺相保護。如果離心機需要恒力矩控制，應選用矢量控制變頻器。

（2）主、副變頻器功率匹配：不是任意功率的變頻器都可以如圖1連接，選取主變頻器功率時必須考慮到當副電機處于電動機狀態時，副變頻器從主變頻器吸取功率的能力。

（3）副電機選型：副電機額定輸出力矩應能滿足螺旋推料力矩的需求。由于差速器小軸傳遞力矩M是螺旋推料力矩M2的i分之一，因此副電機的額定力矩應大于M2/i；具體計算時，應考慮差轉速調節范圍；電機連接方式等因素。選用普通三相異步電機，轉速控制精度為0.5%-0.1%,選用帶編碼器的變頻電機,變頻器運行在帶PG矢量控制方式下，轉速控制精度可達到0.1%-0.05%.

設計實例：表1是海申機電總廠在φ350到φ720的4個系列十幾個品種城市污水處理離心機中主、副變頻器的功率匹配和副電機選型表，主變頻器選用艾默生TD2000,副變頻器選用TD3000，副電機均選4極變頻電機，安裝OMRON E6C2-CWZ6C型600線光電編碼器。

以LW430W離心機為例，運行轉速n1=2200r/min;差速器額定輸出力矩4000-5000N.m,速比i=91;差速調節范圍Δn=2-20r/min（正常運行10-12r/min）;副電機和差速器小軸直接連接（如圖1），差速按Δn=（n1-n）/i計算，得表2數據，完全可以滿足工藝要求。

表2中：差轉速低于7.7r/min輸出力矩變小，是由于變頻電機50Hz以下為恒轉矩調速；50Hz以上為恒功率調速，但差轉速低的情況僅當進料濃度特別低或離心機進料初期才出現，這時的推料力矩也較小。

4 應用實例

圖2是應用于大豆蛋白漕液分離的LW520型高速離心機電氣控制簡圖,主變頻器U1用于驅動離心機，使離心機轉速0-3500r/min無級可調，變頻器的輸出頻率由端子X1和X2設定。S1是離心機工作狀態選擇開關，把S1打到X1位置，離心機以分離頻率運行，S1打到X2位置，以沖洗頻率運行。分離頻率出廠時設置為45Hz(轉鼓轉速3150r/min),沖洗頻率出廠時設置為5Hz(轉鼓轉速350r/min),如果需要改變運行頻率，可以對變頻器參數F58,F59進行設定。

U2是副變頻器，用于調節離心機轉鼓和螺旋速度之差，即差轉速，改變差轉速的大小可以改變離心機的推泥速度，也會影響離心機每小時污泥處理量。本機主副變頻器直流母線直接并連，具有優良的節能效果。

PR是轉速顯示儀表，用于顯示離心機轉鼓轉速和差轉速。轉速表內部有一個開關,用于選擇同步報警點，可選擇：1r/min,5r/min,10r/min三種，當差速小于報警點時，安裝在轉速表內部的繼電器常開觸點先閉合,然后,繼電器K1動作，副電機停車。通過繼電器K1外接觸點，用戶可外接聲音報警系統，或報警時切斷進料閥，或和遠程控制系統通信。