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杜俊明（1943－）

    男，副總工程師，現(xiàn)就職于希望森蘭變頻器制造公司，從事變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、變頻器的應(yīng)用和推廣。

1  概述

水泥、發(fā)電、電解鋁、陶瓷等行業(yè)應(yīng)用變頻器已經(jīng)非常普遍，生產(chǎn)機(jī)械如回轉(zhuǎn)窯窯中主傳動(dòng)，各種風(fēng)機(jī)，傳送帶等原來不調(diào)速或用電磁調(diào)速和其他的調(diào)速方式，都相繼改造為變頻交流調(diào)速。改造的目的是使生產(chǎn)過程中工藝調(diào)速方便，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，節(jié)能等。但是，在粉磨工藝中最主要的設(shè)備就是球磨機(jī)，采用變頻調(diào)速傳動(dòng)，其本上還是空白。其原因是，球磨機(jī)工作時(shí)料筒的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下降節(jié)能，但可能使球磨的時(shí)間增長，是否有節(jié)能的效果很難說。實(shí)際上球磨生產(chǎn)過程比較簡單，如陶瓷廠的球磨機(jī)，料筒內(nèi)加料16～18t，在工作轉(zhuǎn)速16～18r/min下運(yùn)轉(zhuǎn)8小時(shí)，料的細(xì)度就達(dá)到工藝要求，出料后然后再加料，重復(fù)上述過程。一般來說，對(duì)不同的廠家和球磨的原料不同，球磨機(jī)的性能參數(shù)也有一定的差別，如發(fā)電廠磨煤使用的MTZ3570球磨機(jī)，料筒有效內(nèi)徑3500mm，筒體長度7000mm，工作轉(zhuǎn)速17.3r/min，電機(jī)功率1120kW(6kV)。球磨機(jī)的電氣傳動(dòng)方式為三相交流鼠籠異步電機(jī)―液力偶合器―齒輪減速器―皮帶輪減速器，或三相交流鼠籠異步電機(jī)―齒輪減速器―皮帶輪減速器，一般球磨機(jī)的料筒作為了減速器的皮帶輪使用。球磨機(jī)重載起動(dòng)時(shí)，若傳動(dòng)環(huán)節(jié)中無液力偶合器，即使使用自耦減壓起動(dòng)器或星―三角啟動(dòng)器，對(duì)電網(wǎng)也會(huì)造成較大的沖擊，并且經(jīng)常出現(xiàn)起動(dòng)困難。為緩沖起動(dòng)時(shí)的沖擊，傳動(dòng)環(huán)節(jié)中加入了液力偶合器，這樣可在任何狀態(tài)下順利起動(dòng)球磨機(jī)。

2  球磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速和最佳工作轉(zhuǎn)速

球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速直接影響到鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況及物料的磨制過程。在不同的轉(zhuǎn)速下，筒體內(nèi)的鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況如圖1所示。

 圖1  筒體內(nèi)的鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況

若轉(zhuǎn)速比較低時(shí)，鋼球和物料隨筒體內(nèi)壁上升，當(dāng)鋼球和物料的傾角等于或大于自然傾角時(shí)，鋼球沿斜面滑下，如圖1(a)，不能形成足夠的落差，鋼球?qū)ξ锪系哪ニ樽饔煤苄?，這種情況效率很低。如果筒體的轉(zhuǎn)速很高，由于離心力的作用，以致物料和鋼球不再脫離筒壁，而隨其一同旋轉(zhuǎn)，如圖1(c)。產(chǎn)生這種狀態(tài)的最低轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速nlj。這時(shí)鋼球沒有撞擊作用，物料只受到輕微的研磨，效率也很低。當(dāng)筒體的轉(zhuǎn)速處于上述二者之間時(shí)，鋼球被帶到一定的高度后沿拋物線落下，如圖1(b)。此時(shí)鋼球?qū)ν驳椎奈锪袭a(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊作用，效率最高。效率最高時(shí)的工作轉(zhuǎn)速成為最佳工作轉(zhuǎn)速nzj。球磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速為：          (1)

式(1)中，D為筒體內(nèi)徑。

最佳工作轉(zhuǎn)速為：nZj＝0.765nlj                                       (2)

實(shí)際運(yùn)行表明，最佳工作轉(zhuǎn)速與鋼球的直徑及其裝載量、護(hù)甲形狀、鋼球與護(hù)甲之間的摩檫系數(shù)等因素有關(guān)。一般最佳工作轉(zhuǎn)速通常為nZj＝(0.74～0.8)nlj，可見轉(zhuǎn)速還是有一定的可調(diào)范圍，只不過可調(diào)范圍不大。實(shí)際上，如上所述的陶瓷廠的球磨機(jī)，料筒轉(zhuǎn)速的變動(dòng)范圍在16～18r/min之間。電機(jī)的轉(zhuǎn)速是1440r/min，通過齒輪減速器和皮帶輪減速后的料筒的轉(zhuǎn)速在上述允許轉(zhuǎn)速的變動(dòng)范圍內(nèi)。如果減速機(jī)構(gòu)的配置使料筒的運(yùn)轉(zhuǎn)速度正好為18r/min，則有11%的調(diào)速范圍；如果減速機(jī)構(gòu)的配置使料筒的運(yùn)轉(zhuǎn)速度為16r/min，則調(diào)速范圍為零。機(jī)械減速器不可能做到很精確，料筒的運(yùn)轉(zhuǎn)速度就在16～18r/min之間的某一個(gè)速度值，因此，可調(diào)速范圍0~11%。球磨機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械，電機(jī)輸出的軸功率PZ，即：
                            (3)

式(3)中，Tr為球磨機(jī)輸入的扭矩，N?m；n為球磨機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

由(3)可見，球磨機(jī)消耗的電功率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速的一次方成正比，因此，用變頻器在基頻以下調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可節(jié)能，節(jié)能的幅度與調(diào)速的范圍有關(guān)。根據(jù)不同的情況有不同的調(diào)解范圍，采用變頻調(diào)速理論上節(jié)能的幅度在0~11%之間。

3  電動(dòng)機(jī)的效率

某球磨機(jī)的電機(jī)為90kW，正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)電流為80~110A，負(fù)載率62%。由于負(fù)載率不高，電機(jī)的效率也要降低。正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的功率不會(huì)超過55kW，考慮到球磨機(jī)是重載起動(dòng)，為保證順利起動(dòng)適當(dāng)加大電機(jī)的容量是必要的。從表面上看，似乎有較大的節(jié)能空間。實(shí)際上，為不影響球磨機(jī)的生產(chǎn)效率，如采用變頻調(diào)速時(shí)，變頻器的輸出頻率仍然是50Hz，即使需要調(diào)速時(shí)，也不可能大范圍的調(diào)節(jié)，頻率小范圍的降低，節(jié)約能量有限?，F(xiàn)在的變頻器一般都有“節(jié)能運(yùn)行”功能，如希望森蘭變頻器制造公司BT40S系列變頻器的參數(shù)F82為自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行。變頻器的“節(jié)能運(yùn)行”，實(shí)質(zhì)上是調(diào)壓節(jié)電功能。變頻器運(yùn)行頻率不變的條件下自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的效率提高。究竟能提高多少效率？因此有必要分析電動(dòng)機(jī)的效率。

3.1  電機(jī)的效率

中小型異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)都是負(fù)載率的函數(shù)，效率表示電機(jī)運(yùn)行時(shí)有功功率的利用率，為輸出功率與輸入功率之比。即
              (4)

式(4)中，η為電動(dòng)機(jī)在輸出功率為P2時(shí)的效率；P1為電動(dòng)機(jī)在輸出功率為P2時(shí)的輸入功率，kW；ΣP為電動(dòng)機(jī)在輸出功率為P2時(shí)的總損耗，kW。

由式(4)可見，對(duì)于一定的負(fù)載，當(dāng)電機(jī)的輸出功率為一定時(shí)，電機(jī)的效率與總損有關(guān)，總損耗大，則效率低；反之效率高。電機(jī)總損耗有兩部分組成：即固定損耗和可變損耗，固定損耗不隨電機(jī)的負(fù)載而變，可用電機(jī)的空載輸入功率近似表示，可變損耗與電機(jī)負(fù)載率的平方成正比。

3.2  電機(jī)的損耗分析

異步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的總損耗一般分為四類。

(1)  基本銅耗PCU

基本銅耗包括定子銅耗PCU1和轉(zhuǎn)子銅耗PCU2

PCU1=1.5I12R1                                                                       (5)

式(5)中，I1為線電流，A；R1為電機(jī)出線端測(cè)得的電阻值，Ω；

PCU2=Pem×S＝(P1－PCU1－P

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