球磨機使用變頻器探討

一、概述

水泥、陶瓷行業應用變頻器已經非常普遍，生產機械如回轉窯，窯頭、窯尾風機，傳送帶等原來用電磁調速或其他的調速方式，都相繼改造為變頻交流調速。改造的目的是使生產過程中工藝調速方便，提高產品的產量、質量，實現自動化，節能等。但是，在球磨機上使用變頻器，其本上還是空白。其原因是，球磨機料筒的轉速是恒定的，即使要變化,變化的范圍也不大，如果考慮使其轉速下降節能，但可能使球磨的時間增長，節能的效果不明顯。實際上球磨生產過程比較簡單，如某陶瓷廠的球磨機電機90kW，料筒內加料16T~18T，在50Hz下運轉8小時，料的細度達到要求就出料，然后再加料，重復上述過程，一般來說，這是一個經驗工藝數據，對不同的廠家和球磨的原料不同，工藝參數也有差別。在某地陶瓷行業，普遍使用的球磨機的電氣傳動方式為，三相交流鼠籠異步電機—液力偶合器—齒輪減速器—皮帶輪減速器，在這里，球磨機的料筒作為減速器的皮帶輪使用。容量為90KW電機，在球磨機重載起動時，若傳動環節中無液力偶合器，即使使用自偶降壓起動器或星—三角啟動器，對電網也會造成較大的沖擊，并且經常出現起動失敗。為緩沖起動時的沖擊，傳動環節中加入了液力偶合器，這樣可在任何狀態下順利起動球磨機。

二.液力偶合器和變頻調速節能

液力偶合器是通過控制工作腔內工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量，電動機通過液力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力偶合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載。液力偶合器有調速型和限矩型之分，前者用于電氣傳動的調速，后者用于電機的起動。系統中的液力偶合器在電機起動時起緩沖作用，其效率理論值為95%。變頻器的效率為96%，在傳動環節中去掉液力偶合器，用交流調速變頻器驅動球磨機電機，可以在額定電流下順利起動90kW電機，并且，理論上效率可以提高1%。實際上液力偶合器的效率與液力偶合器腔內注入油量有關，在運轉過程中液力偶合器有一定的溫升，存在密封不嚴有泄漏等因素，其效率一般都小于理論值95%，減少2%~3%是常有的事。

球磨機的電機轉速為1440r/min，經液力偶合器和減速器減速后，料筒的運轉速度為16r/min。球磨機的效率計算的公式為：

式中：nT—為液力偶合器輸出軸的速度，

nB—為電機側液力偶合器輸入軸的速度

其效率為0.95，在傳動環節中去掉液力偶合器，用彈性聯軸器直接連接，這時料筒的速度會超過16r/min，為維持原來的工藝狀況，電機應減速，變頻器的輸出頻率下降到50×0.95=47.5Hz，由于球磨機是恒轉矩負載，電機運轉頻率下降，其電流基本不變或略有下降，但輸出電壓按比例下降，由三相電機功率計算式：

現場有就地補償電容，用變頻器后功率因數基本不變，因此應節約5%功率。前兩項相加大約有8%的節能。

三.電機的調壓節電

球磨機起動時的起動電流較大，起動完成后，運行電流為80~110A，對于90kW電機相當于輕載運行，這時電機的效率也較低。應用自動能耗最優控制，即利用變頻器的電壓調節功能，可在與負載無關的條件下，保持電機的效率為最高。

   異步電機的損耗有銅耗，基本鐵心損耗，常稱為鐵耗，機械磨擦損耗和雜散損耗。對已定型生產的電動機，機械磨擦損耗在運行過程中為常值；銅耗與電機電流的平方成正比，隨負載的變化而變化；鐵耗近似與電機端電壓的平方成正比；雜散損耗與電機電流的平方成正比，隨負載的變化而變化。對于90kW電機，以上各種損耗占總損耗的百分數分別是銅耗20%~30%，鐵耗20%，機械磨擦損耗40%~50%，雜散損耗15%~20%。對相同的負載，電機端電壓的升高，電流會減小，因此當端電壓升高時，銅耗和雜散損耗減小；而鐵損增加。這樣，電機的端電壓存在有一點，在這點時電機的總損耗為最小，如圖一。

某陶瓷廠90kW球磨機的負載情況如下：球磨機電機90kW，料筒的轉速為16r/min，每個工作周期等于3.75s，電流在80~110A之間變化，相當于額定電流的46%~62.5%，如圖二所示：

圖二  球磨機負載圖

下面進行節能效果分析。

1.不進行節能控制時：

負載較高時的功耗

P10=90*0.625/0.884=63.63(KW)

0.884為62.5%負載時電機的效率。

負載較低時的功耗

P11=90*0.46/0.65=63.69(KW)

0.65為46%負載時電機的效率。

一周期平均功率

P1=(P10*0.75+P11*3)/3.75=63.68(KW)

2.變頻器進行節能調節時：

負載較高時的功耗

P20=90*0.625/0.886=63.49(KW)

0.886為62.5%負載且電壓控制時電機的效率。

負載較低時的功耗

P21=90*0.46/0.70=59.14(KW)

0.70為46%負載且電壓控制時電機的效率。

一周期平均功率

P2=(P20*0.75+P21*3)/3.75=60.01(KW)

每年按320天，每天按20小時計算，一年節電

（63.49-60.01）*6400=22272（kW.h）

折算為節能率（63.49-60.1）/63.49=0.055=5.5%

從上面的數據可見，用變頻器進行節能調節時，對于兩種負載情況，62.5%負載的效率從0.884提高到0.886，僅為0.002；46%的負載的效率從0.65提高到0.70，也只為0.05，但節電率也有3%。

四.結語：

球磨機的節能目前僅從兩方面考慮，去掉液力偶合器使用變頻器的節電率為8%，利用變頻器的節能模式調節可有3%的節能，兩項相加共有11%的節能，由此可見，對球磨機進行變頻改造還是可以達到節能的目的。

目前，有人從改變球磨的工藝入手，即加料后的一段時間，適當提高變頻器的輸出頻率，加快球磨的效率，然后再降低輸出頻率，運行一段時間后，繼續降低輸出頻率。這樣做可以節省球磨時間，而且球磨的質量可以保證，這是另一種節能思路，還有待于實踐檢驗。