1 概述

水泥、發(fā)電、電解鋁、陶瓷等行業(yè)應用變頻器已經(jīng)非常普遍，生產(chǎn)機械如回轉(zhuǎn)窯中的主傳動、各種風機、傳送帶等原來不調(diào)速或用電磁調(diào)速和其他調(diào)速方式的，都相繼被改造為變頻交流調(diào)速。改造的目的是使生產(chǎn)過程中的工藝調(diào)速更為方便，從而提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，實現(xiàn)自動化、節(jié)能等。

但是，對粉磨工藝中的主要設備球磨機，采用變頻調(diào)速傳動，其本上還是空白。其原因是，球磨機工作時料筒的轉(zhuǎn)速基本恒定，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，就可能使球磨的時間增長，所以說采用變頻調(diào)速是否有節(jié)能的效果很難說。實際上球磨生產(chǎn)過程比較簡單，如給陶瓷廠的球磨機的料筒內(nèi)加料16~18 t，在工作轉(zhuǎn)速16~18 r/min 下運轉(zhuǎn)8小時，料的細度就可達到工藝要求，出料后再加料，重復上述過程即可。一般來說，因廠家和球磨的原料不同，故球磨機的性能參數(shù)也有一定的差別，如發(fā)電廠磨煤使用的MTZ3570 球磨機，料筒有效內(nèi)徑3 500 mm，筒體長度7 000 mm，工作轉(zhuǎn)速17.3 r/min，電機功率1 120 kW(6 kV)。球磨機的電氣傳動方式為，三相交流鼠籠異步電機—液力耦合器—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，一般把球磨機的料筒作為減速器的皮帶輪使用。球磨機重載起動時，若傳動環(huán)節(jié)中無液力耦合器，即使使用自耦減壓起動器或星—三角啟動器，對電網(wǎng)也會造成較大的沖擊，并且經(jīng)常出現(xiàn)起動困難的狀況。所以在傳動環(huán)節(jié)中加入液力耦合器，會緩沖起動時的沖擊，可在任何狀態(tài)下順利起動球磨機。

2 球磨機的臨界轉(zhuǎn)速和最佳工作轉(zhuǎn)速

球磨機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下，筒體內(nèi)的鋼球和物料的運動狀況如圖1 所示。

若轉(zhuǎn)速比較低時，鋼球和物料隨筒體內(nèi)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?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。臨界轉(zhuǎn)速下鋼球沒有撞擊作用，物料只受到輕微的研磨，效率也很低。當筒體的轉(zhuǎn)速處于上述兩者之間時，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?qū)ν驳椎奈锪袭a(chǎn)生強烈的撞擊作用，效率最高。效率最高時的工作轉(zhuǎn)速稱為最佳工作轉(zhuǎn)速nzj。

nzj=0.765nlj(r/min) (圓)實際運行表明，最佳工作轉(zhuǎn)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擦系數(shù)等因素有關。一般最佳工作轉(zhuǎn)速通常為nzj=(0.74耀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。實際上，如上所述的陶瓷廠的球磨機，其料筒轉(zhuǎn)速的變動范圍在16~18 r/min之間，電機的轉(zhuǎn)速是1 440 r/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)速的變動范圍內(nèi)。如果減速機構(gòu)的配置使料筒的運轉(zhuǎn)速度正好為18 r/min，則有11%的調(diào)速范圍;如果減速機構(gòu)的配置使料筒的運轉(zhuǎn)速度為16 r/min，則調(diào)速范圍為零。實際上，機械減速器不可能做到很精確，所以料筒的運轉(zhuǎn)速度就在16~18 r/min 之間的某一個速度值，因此，可調(diào)速范圍0~11%。

球磨機為恒轉(zhuǎn)矩負載機械，電機輸出的軸功率PZ為

由式(3)可見，球磨機消耗的電功率與電機的轉(zhuǎn)速的一次方成正比，因此，用變頻器在基頻以下調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速可節(jié)能，但節(jié)能的幅度與調(diào)速的范圍有關。

3 電動機的效率

某球磨機的電機為90 kW，正常運行時電機電流為80~110 A，負載率62%。由于負載率不高，故電機的效率也要降低。正常運行時，電機的功率不會超過55 kW，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(jié)能空間。實際上，為不影響球磨機的生產(chǎn)效率，如采用變頻調(diào)速時，變頻器的輸出頻率仍然是50 Hz，即使需要調(diào)速，也不可能作大范圍的調(diào)節(jié)，頻率只能小范圍的降低，故節(jié)約能量有限?，F(xiàn)在的變頻器一般都有“節(jié)能運行”功能，如森蘭SB40S 系列變頻器的參數(shù)F82為自動節(jié)能運行。變頻器的“節(jié)能運行”，實質(zhì)上是調(diào)壓節(jié)電功能。變頻器運行頻率不變的條件下自動調(diào)節(jié)其輸出電壓，使電動機的效率提高。要知道究竟能提高多少效率，就有必要對電動機的效率進行分析。

3.1 電機的效率

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

由式(4)可見，對于一定的負載，當電機的輸出功率一定時，電機的效率與總損耗有關，總損耗大，則效率低;反之效率高。電機總損耗由兩部分組成：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基本銅耗、基本鐵心損耗、機械摩擦損耗、雜散損耗四類。

3)機械摩擦損耗Pf W 機械摩擦損耗包括通風系統(tǒng)損耗PV和軸承摩擦損耗PT，對于已定型的電動機，機械摩擦損耗為常量。

4)雜散損耗PS 一般將漏磁場在金屬構(gòu)件中產(chǎn)生的渦流損耗，以及氣隙中的高次諧波磁場在定轉(zhuǎn)子鐵心和導體中引起的損耗，統(tǒng)稱為雜散損耗，此類損耗與電流的平方成正比，隨負載的變化而變化。

對于15 kW電動機，上述各種損耗在總損耗中所占的比例是，基本銅耗PCU占30%~50%;基本鐵心損耗PFe占20%;機械摩擦損耗Pf W占20%~35%;雜散損耗PS占10%~15%。電動機運行時這四類損耗中，機械摩擦損耗基本不變，基本銅耗和雜散損耗與電流的平方成正比，即負載一定是與端電壓的平方成反比;基本鐵心損耗PFe與端電壓的平方成正比。由此可找到一個電機損耗低的最佳點，如圖1 中的U0點，在此點下，電動機的損耗最小，節(jié)能運行時變頻器自動調(diào)節(jié)其輸出電壓到此最佳點上，使效率達到最高。

4 電動機的調(diào)壓節(jié)電

如上所述，處于輕載的電動機可用調(diào)節(jié)供電電壓的方式提高效率，由GB12497《三相異步電動機經(jīng)濟運行》強制性國家標準實施監(jiān)督指南中的調(diào)壓系數(shù)計算公式

由此可見，球磨機變頻節(jié)能運行節(jié)約的電能有限，這是因為電動機的效率本身已經(jīng)很高，額定效率達93.5%，調(diào)節(jié)電壓只能降低銅損、鐵損和雜散損耗，僅僅是降低而已，而且占總損耗比例較大的機械摩擦損耗PfW基本上不變，因此電機效率提高很有限，如本例節(jié)約有功功率0.27 kW，節(jié)電率極低。而且，加裝變頻器后，變頻器的效率也不是100%，這樣不但不節(jié)能反而耗能。對于變頻改造后還是要求50 Hz 運轉(zhuǎn)的設備，不論是恒轉(zhuǎn)矩特性的負載，還是風機、水泵平方轉(zhuǎn)矩特性的負載，僅從節(jié)能考慮沒有意義。改造的目的應該是提高設備的性能和提升設備的自動化水平，這樣不僅使得生產(chǎn)率提高，而且產(chǎn)品質(zhì)量也能得到保障。這樣的工況在實際生產(chǎn)中比比皆是，如水泥廠和瓷磚廠的球磨機，料筒的轉(zhuǎn)速由計算或?qū)嶒灁?shù)據(jù)確定，一般為16~18 r/min，轉(zhuǎn)速偏離都會不同程度影響球磨機效率，因此給這類機械設備即使裝上變頻器，運轉(zhuǎn)速度如果和原來的速度相同就沒有節(jié)能。紡織行業(yè)的細紗機也是如此，細紗機的傳動電機一般為15 kW，工作電流15 A左右。為保證工作效率，變頻調(diào)速后仍然要求有相同的轉(zhuǎn)速，變頻器在50 Hz 頻率“節(jié)能運行”不會有多少電能節(jié)省，所以對此類設備進行變頻調(diào)速改造的目的，應是為了提高自動化水平，以便于組網(wǎng)控制，使原材料或工藝變更后方便調(diào)速控制等。

5 液力耦合器和變頻調(diào)速節(jié)能

液力耦合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量，電動機通過液力耦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耦合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載。液力耦合器有調(diào)速型和限矩型之分，前者用于電氣傳動的調(diào)速，后者用于電機的起動。系統(tǒng)中的液力耦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%，也就是說，在傳動環(huán)節(jié)中去掉液力耦合器，用交流調(diào)速變頻器驅(qū)動球磨機電機，可以在額定電流或略高于額定電流下順利起動球磨機，并且，理論上效率可以提高1%。

實際上液力耦合器的效率與液力耦合器腔內(nèi)注入油量有關，在運轉(zhuǎn)過程中液力耦合器有一定的溫升，存在密封不嚴有泄漏等因素，其效率一般都小于理論值95%，故減少2%耀3%是常有的事。

如果球磨機的電機轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，經(jīng)液力耦合器和減速器減速后，料筒的運轉(zhuǎn)速度為16 r/min，則液力耦合器的效率計算公式為

其效率為輸出軸和輸入軸的速度之比，等于0.95，在傳動環(huán)節(jié)中去掉液力耦合器，用彈性聯(lián)軸器直接連接，這時料筒的速度會超過原來的速度，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伊0.95=47.5 Hz，由于球磨機是恒轉(zhuǎn)矩負載，由三相電機功率計算式

可知電機運轉(zhuǎn)頻率下降，其電流基本不變或略有下降，但輸出電壓大體按比例下降，現(xiàn)場有就地補償電容，電機的功率因數(shù)比較高，用變頻器后去掉就地補償電容，由于變頻器本身的功率因數(shù)較高，因此，系統(tǒng)的功率因數(shù)變化不大。這樣，節(jié)電率應在5%左右，加上前面的1%，共有6%的節(jié)能。