某些恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載變頻調(diào)速的節(jié)能研究

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)窯中的主傳動、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(shè)備球磨機(jī)，采用變頻調(diào)速傳動，其本上還是空白。其原因是，球磨機(jī)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(jī)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(xì)度就可達(dá)到工藝要求，出料后再加料，重復(fù)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(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3 500 mm，筒體長度7 000 mm，工作轉(zhuǎn)速17.3 r/min，電機(jī)功率1 120 kW（6 kV）。球磨機(jī)的電氣傳動方式為，三相交流鼠籠異步電機(jī)—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(jī)—齒輪減速器—皮帶輪減速器，一般把球磨機(jī)的料筒作為減速器的皮帶輪使用。球磨機(jī)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(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(dāng)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(dāng)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(hù)甲形狀、鋼球與護(hù)甲之間的摩擦系數(shù)等因素有關(guān)。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(jī)，其料筒轉(zhuǎn)速的變動范圍在16~18 r/min之間，電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械，電機(jī)輸出的軸功率PZ為

　　由式（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，但節(jié)能的幅度與調(diào)速的范圍有關(guān)。

3 電動機(jī)的效率

　　某球磨機(jī)的電機(jī)為90 kW，正常運行時電機(jī)電流為80~110 A，負(fù)載率62%。由于負(fù)載率不高，故電機(jī)的效率也要降低。正常運行時，電機(jī)的功率不會超過55 kW，考慮到球磨機(jī)是重載起動，為保證順利起動適當(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，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(jī)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(jī)的效率進(jìn)行分析。

　　3.1 電機(jī)的效率

　　中小型異步電動機(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(fù)載，當(dāng)電機(jī)的輸出功率一定時，電機(jī)的效率與總損耗有關(guān)，總損耗大，則效率低；反之效率高。電機(jī)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(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)在運行時的總損耗一般分為基本銅耗、基本鐵心損耗、機(jī)械摩擦損耗、雜散損耗四類。

　　3）機(jī)械摩擦損耗Pf W 機(jī)械摩擦損耗包括通風(fēng)系統(tǒng)損耗PV和軸承摩擦損耗PT，對于已定型的電動機(jī)，機(jī)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(dǎo)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(fù)載的變化而變化。

對于15 kW電動機(jī)，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(jī)械摩擦損耗Pf W占20%~35%；雜散損耗PS占10%~15%。電動機(jī)運行時這四類損耗中，機(jī)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(fù)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(jī)損耗低的最佳點，如圖1 中的U0點，在此點下，電動機(jī)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(dá)到最高。

4 電動機(jī)的調(diào)壓節(jié)電

　　如上所述，處于輕載的電動機(jī)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(jī)經(jīng)濟(jì)運行》強制性國家標(biāo)準(zhǔn)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(jī)變頻節(jié)能運行節(jié)約的電能有限，這是因為電動機(jī)的效率本身已經(jīng)很高，額定效率達(dá)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(jī)械摩擦損耗PfW基本上不變，因此電機(jī)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(shè)備，不論是恒轉(zhuǎn)矩特性的負(fù)載，還是風(fēng)機(jī)、水泵平方轉(zhuǎn)矩特性的負(fù)載，僅從節(jié)能考慮沒有意義。改造的目的應(yīng)該是提高設(shè)備的性能和提升設(shè)備的自動化水平，這樣不僅使得生產(chǎn)率提高，