球磨机使用变频器探讨

一、概述

水泥、陶瓷行业应用变频器已经非常普遍，生产机械如回转窑，窑头、窑尾风机，传送带等原来用电磁调速或其他的调速方式，都相继改造为变频交流调速。改造的目的是使生产过程中工艺调速方便，提高产品的产量、质量，实现自动化，节能等。但是，在球磨机上使用变频器，其本上还是空白。其原因是，球磨机料筒的转速是恒定的，即使要变化,变化的范围也不大，如果考虑使其转速下降节能，但可能使球磨的时间增长，节能的效果不明显。实际上球磨生产过程比较简单，如某陶瓷厂的球磨机电机90kW，料筒内加料16T~18T，在50Hz下运转8小时，料的细度达到要求就出料，然后再加料，重复上述过程，一般来说，这是一个经验工艺数据，对不同的厂家和球磨的原料不同，工艺参数也有差别。在某地陶瓷行业，普遍使用的球磨机的电气传动方式为，三相交流鼠笼异步电机—液力偶合器—齿轮减速器—皮带轮减速器，在这里，球磨机的料筒作为减速器的皮带轮使用。容量为90KW电机，在球磨机重载起动时，若传动环节中无液力偶合器，即使使用自偶降压起动器或星—三角启动器，对电网也会造成较大的冲击，并且经常出现起动失败。为缓冲起动时的冲击，传动环节中加入了液力偶合器，这样可在任何状态下顺利起动球磨机。

二.液力偶合器和变频调速节能

液力偶合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量，电动机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。液力偶合器有调速型和限矩型之分，前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动。系统中的液力偶合器在电机起动时起缓冲作用，其效率理论值为95%。变频器的效率为96%，在传动环节中去掉液力偶合器，用交流调速变频器驱动球磨机电机，可以在额定电流下顺利起动90kW电机，并且，理论上效率可以提高1%。实际上液力偶合器的效率与液力偶合器腔内注入油量有关，在运转过程中液力偶合器有一定的温升，存在密封不严有泄漏等因素，其效率一般都小于理论值95%，减少2%~3%是常有的事。

球磨机的电机转速为1440r/min，经液力偶合器和减速器减速后，料筒的运转速度为16r/min。球磨机的效率计算的公式为：

式中：nT—为液力偶合器输出轴的速度，

nB—为电机侧液力偶合器输入轴的速度

其效率为0.95，在传动环节中去掉液力偶合器，用弹性联轴器直接连接，这时料筒的速度会超过16r/min，为维持原来的工艺状况，电机应减速，变频器的输出频率下降到50×0.95=47.5Hz，由于球磨机是恒转矩负载，电机运转频率下降，其电流基本不变或略有下降，但输出电压按比例下降，由三相电机功率计算式：

现场有就地补偿电容，用变频器后功率因数基本不变，因此应节约5%功率。前两项相加大约有8%的节能。

三.电机的调压节电

球磨机起动时的起动电流较大，起动完成后，运行电流为80~110A，对于90kW电机相当于轻载运行，这时电机的效率也较低。应用自动能耗最优控制，即利用变频器的电压调节功能，可在与负载无关的条件下，保持电机的效率为最高。

   异步电机的损耗有铜耗，基本铁心损耗，常称为铁耗，机械磨擦损耗和杂散损耗。对已定型生产的电动机，机械磨擦损耗在运行过程中为常值；铜耗与电机电流的平方成正比，随负载的变化而变化；铁耗近似与电机端电压的平方成正比；杂散损耗与电机电流的平方成正比，随负载的变化而变化。对于90kW电机，以上各种损耗占总损耗的百分数分别是铜耗20%~30%，铁耗20%，机械磨擦损耗40%~50%，杂散损耗15%~20%。对相同的负载，电机端电压的升高，电流会减小，因此当端电压升高时，铜耗和杂散损耗减小；而铁损增加。这样，电机的端电压存在有一点，在这点时电机的总损耗为最小，如图一。

图一  不同供电电压下电机的损耗

某陶瓷厂90kW球磨机的负载情况如下：球磨机电机90kW，料筒的转速为16r/min，每个工作周期等于3.75s，电流在80~110A之间变化，相当于额定电流的46%~62.5%，如图二所示：

图二  球磨机负载图

下面进行节能效果分析。

1.不进行节能控制时：

负载较高时的功耗

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

0.884为62.5%负载时电机的效率。

负载较低时的功耗

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

0.65为46%负载时电机的效率。

一周期平均功率

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

2.变频器进行节能调节时：

负载较高时的功耗

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

0.886为62.5%负载且电压控制时电机的效率。

负载较低时的功耗

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

0.70为46%负载且电压控制时电机的效率。

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小时计算，一年节电

（63.49-60.01）*6400=22272（kW.h）

折算为节能率（63.49-60.1）/63.49=0.055=5.5%

从上面的数据可见，用变频器进行节能调节时，对于两种负载情况，62.5%负载的效率从0.884提高到0.886，仅为0.002；46%的负载的效率从0.65提高到0.70，也只为0.05，但节电率也有3%。

四.结语：

球磨机的节能目前仅从两方面考虑，去掉液力偶合器使用变频器的节电率为8%，利用变频器的节能模式调节可有3%的节能，两项相加共有11%的节能，由此可见，对球磨机进行变频改造还是可以达到节能的目的。

目前，有人从改变球磨的工艺入手，即加料后的一段时间，适当提高变频器的输出频率，加快球磨的效率，然后再降低输出频率，运行一段时间后，继续降低输出频率。这样做可以节省球磨时间，而且球磨的质量可以保证，这是另一种节能思路，还有待于实践检验。