1卧螺离心机背驱动装置的负载性质
安装在卧螺离心机差速器小轴端的调速装置称为背驱动装置。这些装置如：电涡流制动器[1]；异步电动机；液力马达；机械式过载保护装置（小轴转速为零）等。在螺旋滞后于转鼓时，这些装置都是以消耗离心机动能为代价，对小轴作用制动力矩，借以达到调节差转速的目的。对小轴而言，背驱动装置是一种负负载。
在通用变频器调速系统中，和差速器小轴相连的电动机长期处于再生状态，运行于第4象限，从离心机接受机械能，将再生制动的能量反馈到变频器的直流母线上，再通过制动电阻将其消耗掉。
如何回收该部分能量是国内外离心机制造商热切关心的课题。
利用特别设计的四象限运行变频器（例如ABB公司的ACS611型变频器），可将再生能量直接反馈回电网，但变频器价格昂贵，国内除了轧钢厂以外很少有应用。Alfa-Laval公司近年生产的DS706型大型污水处理离心机应用双变频能源反馈节能调频控制系统（使用ACS800系列变频器），目前在香港昂船洲污水处理厂运行。国内也有厂家利用国产变频器，将共直流母线交流变频技术应用于卧螺离心机，使该部分能量大部分得到回收，取得了良好的社会效益和经济效益。这一技术的推广应用无疑是极有意义的，本文对此进行讨论。
2共直流母线交流变频调速系统的结构和特点
1-主变频器；2-主电机；3-离心机；4-差速器；5-副电机；6-副变频器；
图1
结构：见图1，离心机3由主电机2驱动，差速器小轴和副电机5同轴连接。主、副电机的转速由变频器1、6控制，二者的直流母线并连，三相电源输入主变频器1。
特点：
（1）优良的节能性能：在螺旋滞后时，再生的能量送到副变频器的直流母线上，由于主、副变频器的直流母线并连，该能量就经过主变频器被主电机利用。
为简单起见，设稳态时离心机以恒转矩和恒差速运行（不计及调速时加速转矩和减速转矩的影响），则回收的能量为：P=0.8 M n/9550,式中：P-功率（KW）;M-小轴力矩（N.m）;n-小轴转速（r/min）;M前的0.8倍是由于再生制动时，即使不加放电的制动电阻，电动机内部也有20%的铜损被转换为制动转矩[2]。
（2）动态响应快：有些PID调节系统往往有超调现象，过渡过程时间较长，例如电涡流制动器调速系统，稳定周期有时长达数分钟。变频调速系统转矩响应时间仅150-200ms[3],动态特性明显改善。
（3）容易处理突发事件造成的转鼓内物料的堆积：副电机反转时运行于第Ⅰ象限（电动机状态），这时差速很大：Δn=(n1+n)/i，（n1-转鼓转速r/min;i-差速器速比），由于变频器具有2倍额定力矩的静态启动转矩[3],使堆积在转鼓内的物料容易排出。
（4）有利于实现恒转矩控制：某些物料，例如城市污水，含有60%-70%的有机物质，沉泥具有可压缩性，含固率时时刻刻在变化，使螺旋推料力矩随着进料流量和含固率的波动而变化，要求电气系统根据力矩变化及时控制进料量或差转速，否则，很容易堵料。
恒力矩控制的关键是实时连续测量螺旋推料力矩,必须合理选择力矩传感元件。在液力马达调速系统中，使用液油压力变送器；在电涡流制动器调速系统中，使用电阻应变式力矩传感器；在本文介绍的变频器调速系统中，则可直接利用变频器输出的力矩电流模拟量,不必单独安装传感器。
例如，TD3000变频器具有转矩控制和转速控制两种工作方式：当选择转矩控制方式时，变频器输出频率将根据输出力矩信号自动调节，当螺旋推料力矩变大时，降低输出频率，增加差速，将沉泥快速推出转鼓；反之，增加输出频率，减小差速，使力矩增加。最终使螺旋推料力矩稳定在设定值附近。
3调速系统的设计
（1）变频器选型：对主变频器没有特别要求，副变频器要求能屏蔽输入缺相保护。如果离心机需要恒力矩控制，应选用矢量控制变频器。
（2）主、副变频器功率匹配：不是任意功率的变频器都可以如图1连接，选取主变频器功率时必须考虑到当副电机处于电动机状态时，副变频器从主变频器吸取功率的能力。
（3）副电机选型：副电机额定输出力矩应能满足螺旋推料力矩的需求。由于差速器小轴传递力矩M是螺旋推料力矩M2的i分之一，因此副电机的额定力矩应大于M2/i；具体计算时，应考虑差转速调节范围；电机连接方式等因素。选用普通三相异步电机，转速控制精度为0.5%-0.1%,选用带编码器的变频电机,变频器运行在带PG矢量控制方式下，转速控制精度可达到0.1%-0.05%.
设计实例：表1是海申机电总厂在φ350到φ720的4个系列十几个品种城市污水处理离心机中主、副变频器的功率匹配和副电机选型表，主变频器选用艾默生TD2000,副变频器选用TD3000，副电机均选4极变频电机，安装OMRON E6C2-CWZ6C型600线光电编码器。
表1
|
离心机型号 |
转鼓
直径
mm |
污泥
处理量
m3/h |
主变频器功率
KW |
副变频器功率
KW |
副电机型号 |
副电机
力矩
N.m |
|
LW350W |
φ350 |
6-15 |
30 |
5.5 |
QABP-132S-4A |
35 |
|
LW430W |
φ430 |
20-30 |
30 |
7.5 |
QABP-132M-4A |
47.8 |
|
LW520W |
φ520 |
30-45 |
45 |
11 |
QABP-160M-4A |
70 |
|
LW720W |
φ720 |
60-85 |
90 |
22 |
QABP-180L-4A |
140.1 |
以LW430W离心机为例，运行转速n1=2200r/min;差速器额定输出力矩4000-5000N.m,速比i=91;差速调节范围Δn=2-20r/min（正常运行10-12r/min）;副电机和差速器小轴直接连接（如图1），差速按Δn=（n1-n）/i计算，得表2数据，完全可以满足工艺要求。
表2
|
序号 |
差速
r/min |
小轴转速
r/min |
副电机
频率
Hz |
螺旋推料力矩
N.m |
|
1 |
最小 2 |
2018 |
67.3 |
3230 |
|
2 |
7.7 |
1500 |
50 |
4350 |
|
3 |
典型 12 |
1108 |
36.9 |
4350 |
|
4 |
最大 20 |
380 |
12.7 |
4350 |
表2中：差转速低于7.7r/min输出力矩变小，是由于变频电机50Hz以下为恒转矩调速；50Hz以上为恒功率调速，但差转速低的情况仅当进料浓度特别低或离心机进料初期才出现，这时的推料力矩也较小。
4 应用实例
图2是应用于大豆蛋白漕液分离的LW520型高速离心机电气控制简图,
