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杜俊明（1943－）

    男，副總工程師，現就職于希望森蘭變頻器制造公司，從事變頻調速系統的設計、變頻器的應用和推廣。

1  概述

水泥、發電、電解鋁、陶瓷等行業應用變頻器已經非常普遍，生產機械如回轉窯窯中主傳動，各種風機，傳送帶等原來不調速或用電磁調速和其他的調速方式，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，在粉磨工藝中最主要的設備就是球磨機，采用變頻調速傳動，其本上還是空白。其原因是，球磨機工作時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，是否有節能的效果很難說。實際上球磨生產過程比較簡單，如陶瓷廠的球磨機，料筒內加料16～18t，在工作轉速16～18r/min下運轉8小時，料的細度就達到工藝要求，出料后然后再加料，重復上述過程。一般來說，對不同的廠家和球磨的原料不同，球磨機的性能參數也有一定的差別，如發電廠磨煤使用的MTZ3570球磨機，料筒有效內徑3500mm，筒體長度7000mm，工作轉速17.3r/min，電機功率1120kW(6kV)。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，或三相交流鼠籠異步電機―齒輪減速器―皮帶輪減速器，一般球磨機的料筒作為了減速器的皮帶輪使用。球磨機重載起動時，若傳動環節中無液力偶合器，即使使用自耦減壓起動器或星―三角啟動器，對電網也會造成較大的沖擊，并且經常出現起動困難。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。

2  球磨機的臨界轉速和最佳工作轉速

球磨機的轉速直接影響到鋼球和物料的運動狀況及物料的磨制過程。在不同的轉速下，筒體內的鋼球和物料的運動狀況如圖1所示。

 圖1  筒體內的鋼球和物料的運動狀況

若轉速比較低時，鋼球和物料隨筒體內壁上升，當鋼球和物料的傾角等于或大于自然傾角時，鋼球沿斜面滑下，如圖1(a)，不能形成足夠的落差，鋼球對物料的磨碎作用很小，這種情況效率很低。如果筒體的轉速很高，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，如圖1(c)。產生這種狀態的最低轉速稱為臨界轉速nlj。這時鋼球沒有撞擊作用，物料只受到輕微的研磨，效率也很低。當筒體的轉速處于上述二者之間時，鋼球被帶到一定的高度后沿拋物線落下，如圖1(b)。此時鋼球對筒底的物料產生強烈的撞擊作用，效率最高。效率最高時的工作轉速成為最佳工作轉速nzj。球磨機的臨界轉速為：          (1)

式(1)中，D為筒體內徑。

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

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

式(3)中，Tr為球磨機輸入的扭矩，N?m；n為球磨機電機轉速，r/min。

由(3)可見，球磨機消耗的電功率與電機的轉速的一次方成正比，因此，用變頻器在基頻以下調節電機的轉速可節能，節能的幅度與調速的范圍有關。根據不同的情況有不同的調解范圍，采用變頻調速理論上節能的幅度在0~11%之間。

3  電動機的效率

某球磨機的電機為90kW，正常運行時電機電流為80~110A，負載率62%。由于負載率不高，電機的效率也要降低。正常運行時，電機的功率不會超過55kW，考慮到球磨機是重載起動，為保證順利起動適當加大電機的容量是必要的。從表面上看，似乎有較大的節能空間。實際上，為不影響球磨機的生產效率，如采用變頻調速時，變頻器的輸出頻率仍然是50Hz，即使需要調速時，也不可能大范圍的調節，頻率小范圍的降低，節約能量有限。現在的變頻器一般都有“節能運行”功能，如希望森蘭變頻器制造公司BT40S系列變頻器的參數F82為自動節能運行。變頻器的“節能運行”，實質上是調壓節電功能。變頻器運行頻率不變的條件下自動調節其輸出電壓，使電動機的效率提高。究竟能提高多少效率？因此有必要分析電動機的效率。

3.1  電機的效率

中小型異步電動機的效率和功率因數都是負載率的函數，效率表示電機運行時有功功率的利用率，為輸出功率與輸入功率之比。即
              (4)

式(4)中，η為電動機在輸出功率為P2時的效率；P1為電動機在輸出功率為P2時的輸入功率，kW；ΣP為電動機在輸出功率為P2時的總損耗，kW。

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

3.2  電機的損耗分析

異步電機在運行時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和轉子銅耗PCU2

PCU1=1.5I12R1                                                                       (5)

式(5)中，I1為線電流，A；R1為電機出線端測得的電阻值，Ω；

PCU2=Pem×S＝(P1－PCU1－P

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