某些恒轉矩負載變頻調速的節(jié)能研究

一、概述
水泥、發(fā)電、電解鋁、陶瓷等行業(yè)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(jié)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(jié)能，但可能使球磨的時間增長，是否有節(jié)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16T~18T，在工作轉速16r/min~18rmin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(fā)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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)中加入了液力偶合器，這樣可在任何狀態(tài)下順利起動球磨機。
二、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(tài)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：

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16r/min~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16r/min~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)
式中：Tr--球磨機輸入的扭矩N m
n--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(jié)電機的轉速可節(jié)能，節(jié)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(jié)能的幅度在0~11%之間。
三、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(jié)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(jié)，頻率小范圍的降低，節(jié)約能量有限?，F在的變頻器一般都有“節(jié)能運行”功能，如森蘭BT40S系列變頻器的參數F82為自動節(jié)能運行。變頻器的“節(jié)能運行”，實質上是調壓節(jié)電功能。變頻器運行頻率不變的條件下自動調節(jié)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。
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)
由上式可見，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。
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



圖1 電動機供電電壓與損耗的關系
四、電動機的調壓節(jié)電
如上所述，處于輕載的電動機可用調節(jié)供電電壓的方式提高效率，由GB12497《三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監(jiān)督指南中的計算公式


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很高，額定效率93.5.5%，調節(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 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。但是，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50Hz運轉的設備，不論是恒轉矩特性的負載，還是風機、水泵平方轉矩特性的負載，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，這樣不僅使的生產率提高，而且產品質量也能得到保障。這樣的工況在實際生產中比比皆是，如水泥廠和瓷磚廠的球磨機，料筒的轉速由計算或實驗數據確定，一般為16r/min~18r/min，轉速偏離都會不同程度影響球磨機效率，因此這類機械設備即使裝上變頻器，運轉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15kW，工作電流15A左右。為保證工作效率，變頻調速后仍然要求有相同的轉速，變頻器在50Hz頻率“節(jié)能運行”不會有多少電能節(jié)省，變頻調速改造的目的，應是為了提高自動化水平，便于組網控制，原材料或工藝變更后方便調速控制等。
五、液力偶合器和變頻調速節(jié)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%，也就是說，在傳動環(huán)節(jié)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。液力偶合器的效率計算的公式為：

現場有就地補償電容，電機的功率因數比較高，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較高，因此，系統的功率因數變化不大。這樣，節(jié)電率應在5%左右，加上前面的1%，共有6%的節(jié)能。
六、結語：
球磨機的節(jié)能目前從上述三方面考慮，根據實際情況調節(jié)工作轉速，理論上有0~11%的節(jié)能；利用變頻器的節(jié)能模式調節(jié)有較少的節(jié)能；在傳動環(huán)節(jié)中使用液力偶合器，去掉液力偶合器使用變頻器的節(jié)電率為6%，由此可見，采用綜合性的節(jié)能措施，對球磨機進行變頻改造還是可以達到一定節(jié)能的目的。
參考文獻：（1）GB12497《三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監(jiān)督指南
（2）馮垛生 變頻器的應用與維護 華南理工大學出版社