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(dòng)、各種風(fēng)機(jī)、傳送帶等原來(lái)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(guò)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、節(jié)能等。

但是，對(duì)粉磨工藝中的主要設(shè)備球磨機(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(shí)間增長(zhǎng)，所以說(shuō)采用變頻調(diào)速是否有節(jié)能的效果很難說(shuō)。實(shí)際上球磨生產(chǎn)過(guò)程比較簡(jiǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)8小時(shí)，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(guò)程即可。一般來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)時(shí)，若傳動(dòng)環(huán)節(jié)中無(wú)液力耦合器，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)困難的狀況。所以在傳動(dòng)環(huán)節(jié)中加入液力耦合器，會(huì)緩沖起動(dòng)時(shí)的沖擊，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(guò)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。

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(chēng)為臨界轉(zhuǎn)速nlj。臨界轉(zhuǎn)速下鋼球沒(méi)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(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)速稱(chēng)為最佳工作轉(zhuǎn)速nzj。

nzj=0.765nlj(r/min) (圓)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(jiàn)轉(zhuǎn)速還是有一定的可調(diào)范圍，只不過(guò)可調(diào)范圍不大。實(shí)際上，如上所述的陶瓷廠的球磨機(jī)，其料筒轉(zhuǎn)速的變動(dòng)范圍在16~18 r/min之間，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是1 440 r/min，通過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)速度為16 r/min，則調(diào)速范圍為零。實(shí)際上，機(jī)械減速器不可能做到很精確，所以料筒的運(yùn)轉(zhuǎn)速度就在16~18 r/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為

由式(3)可見(jiàn)，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(dòng)機(jī)的效率

某球磨機(jī)的電機(jī)為90 kW，正常運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)，電機(jī)的功率不會(huì)超過(guò)55 kW，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(yùn)行”功能，如森蘭SB40S 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。要知道究竟能提高多少效率，就有必要對(duì)電動(dòng)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(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，是輸出功率與輸入功率之比，即

由式(4)可見(jiàn)，對(duì)于一定的負(fù)載，當(dāng)電機(jī)的輸出功率一定時(shí)，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(yùn)行時(shí)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(lèi)。

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(duì)于已定型的電動(dòng)機(jī)，機(jī)械摩擦損耗為常量。

4)雜散損耗PS 一般將漏磁場(chǎng)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(chǎng)在定轉(zhuǎn)子鐵心和導(dǎo)體中引起的損耗，統(tǒng)稱(chēng)為雜散損耗，此類(lèi)損耗與電流的平方成正比，隨負(fù)載的變化而變化。

對(duì)于15 kW電動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)這四類(lèi)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(gè)電機(jī)損耗低的最佳點(diǎn)，如圖1 中的U0點(diǎn)，在此點(diǎn)下，電動(dòng)機(jī)的損耗最小，節(jié)能運(yùn)行時(shí)變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出電壓到此最佳點(diǎn)上，使效率達(dá)到最高。

4 電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓節(jié)電

如上所述，處于輕載的電動(dòng)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(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的調(diào)壓系數(shù)計(jì)算公式

由此可見(jiàn)，球磨機(jī)變頻節(jié)能運(yùn)行節(jié)約的電能有限，這是因?yàn)殡妱?dòng)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(duì)于變頻改造后還是要求50 Hz 運(yùn)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(méi)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(dòng)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(shí)際生產(chǎn)中比比皆是，如水泥廠和瓷磚廠的球磨機(jī)，料筒的轉(zhuǎn)速由計(jì)算或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)確定，一般為16~18 r/min，轉(zhuǎn)速偏離都會(huì)不同程度影響球磨機(jī)效率，因此給這類(lèi)機(jī)械設(shè)備即使裝上變頻器，運(yùn)轉(zhuǎn)速度如果和原來(lái)的速度相同就沒(méi)有節(jié)能。紡織行業(yè)的細(xì)紗機(jī)也是如此，細(xì)紗機(jī)的傳動(dòng)電機(jī)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(yùn)行”不會(huì)有多少電能節(jié)省，所以對(duì)此類(lèi)設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速改造的目的，應(yīng)是為了提高自動(dòng)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(guò)控制工作腔內(nèi)工作油液的動(dòng)量矩變化，來(lái)傳遞電動(dòng)機(jī)能量，電動(dòng)機(jī)通過(guò)液力耦合器的輸入軸拖動(dòng)其主動(dòng)工作輪，對(duì)工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油再帶動(dòng)液力耦合器的從動(dòng)工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負(fù)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(dòng)的調(diào)速，后者用于電機(jī)的起動(dòng)。系統(tǒng)中的液力耦合器在電機(jī)起動(dòng)時(shí)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(shuō)，在傳動(dòng)環(huán)節(jié)中去掉液力耦合器，用交流調(diào)速變頻器驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)電機(jī)，可以在額定電流或略高于額定電流下順利起動(dòng)球磨機(jī)，并且，理論上效率可以提高1%。

實(shí)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(guān)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中液力耦合器有一定的溫升，存在密封不嚴(yán)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(jī)的電機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)速度為16 r/min，則液力耦合器的效率計(jì)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(dòng)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(shí)料筒的速度會(huì)超過(guò)原來(lái)的速度，為維持原來(lái)的工藝狀況，電機(jī)應(yīng)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(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，由三相電機(jī)功率計(jì)算式

可知電機(jī)運(yùn)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(chǎng)有就地補(bǔ)償電容，電機(jī)的功率因數(shù)比較高，用變頻器后去掉就地補(bǔ)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(yīng)在5%左右，加上前面的1%，共有6%的節(jié)能。