變頻器在球磨機上的應用
摘要：本文介紹了球磨機工作原理，給出了采用變頻器控制球磨機提高工藝水平和節能的方案實(shí)現，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明改造的成功和節能效益。
關(guān)鍵詞：球磨機；變頻器；節能
1 前言
球磨機在水泥、陶瓷、冶金企業(yè)里被大量使用,是物料粉碎的不可缺少的重要生產(chǎn)設備。球磨機一般功率都較大，工作效率又很低，占據了企業(yè)總用電量的80%以上，成為上述行業(yè)最大的耗電設備之一，因此降低球磨機的能耗是上述行業(yè)降低成本，提高產(chǎn)品競爭力的有效途徑。球磨機一般采用簡(jiǎn)單的工頻控制，易造成物料的過(guò)度研磨，所需研磨周期較長(cháng)，研磨效率較低，單位產(chǎn)品功耗較大，啟動(dòng)電流大，對設備和電網(wǎng)的沖擊很大，機械設備的生產(chǎn)維護量也大。直接工控球磨機的弊病并嚴重地阻礙了各工業(yè)企業(yè)快速發(fā)展。球磨機屬于低速重載設備，裝載量大，起動(dòng)力矩也很大，一般需要加裝液力耦合器來(lái)完成傳動(dòng)系統的啟動(dòng)和調速。如陶瓷工業(yè)球磨機通常采用附加啟動(dòng)電機沖擊啟動(dòng)或軟啟動(dòng)裝置來(lái)啟動(dòng)，對電網(wǎng)沖擊大，而且啟動(dòng)完成后運轉時(shí)所需的轉距減小，所以在節約能源方面有很大的空間。
隨著(zhù)變頻技術(shù)的快速發(fā)展及在水泥、陶瓷、冶金企業(yè)的大量應用，變頻器控制球磨機也成為可能。作為專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)高性能變頻器的南京歐陸電氣傳動(dòng)有限公司根據球磨機工作原理和機械特點(diǎn)開(kāi)發(fā)出大功率球磨機專(zhuān)用變頻控制器（系統）在現實(shí)中有很好的應用。
2 球磨機工作原理
球磨機主要由傳動(dòng)裝置、筒體裝置、加料裝置、卸料裝置及電氣控制裝置等組成，分給料部、出料部、回轉部、傳動(dòng)部（減速機、小傳動(dòng)齒輪、電機、電控）等主要部分。其主體是一個(gè)水平裝在兩個(gè)大型軸承上的低速回轉的簡(jiǎn)體。球磨機由電動(dòng)機通過(guò)減速機及周邊大齒輪減速傳動(dòng)、或由低轉速同步電機直接通過(guò)周邊大齒輪減速傳動(dòng)，驅動(dòng)回轉部回轉。筒體內部裝有適當的磨礦介質(zhì)一鋼球。磨礦介質(zhì)在離心力和摩擦力的作用下，被提升到一定的高度，呈拋落或泄落狀態(tài)落下。被磨制的物料由給料口連續地進(jìn)入簡(jiǎn)體內部，被運動(dòng)的磨礦介質(zhì)所粉碎，并通過(guò)溢流和連續給料的力量將產(chǎn)品排出機外，以進(jìn)行下一段工序處理。用于陶瓷工業(yè)的球磨機具有一個(gè)水平放置的筒體，筒體被隔板(鉆有許多小圓孔的圓板——篩板)分成2～4個(gè)研磨腔，每個(gè)研磨腔內裝有一定形狀尺寸的研磨體，筒體旋轉時(shí)，物料和研磨體等在摩擦力和離心力的作用下被筒體提升到一定高度，然后在重力的作用下沿近似拋物線(xiàn)軌跡落下來(lái)沖擊和研磨筒體底部的另一部分物料，并產(chǎn)生一定的軸向運動(dòng)促使物料研磨和混合均勻。 從工藝上來(lái)分類(lèi)，有干磨和濕磨兩種。其外形結構如圖1所示。
驅動(dòng)部分是球磨機的關(guān)鍵：球磨機屬于低速重載設備，裝載量大，起動(dòng)力矩也很大，一般需要加裝液力耦合器來(lái)完成傳動(dòng)系統的啟動(dòng)和調速。陶瓷工業(yè)球磨機通常采用附加啟動(dòng)電機沖擊啟動(dòng)或軟啟動(dòng)裝置來(lái)啟動(dòng)，對電網(wǎng)沖擊大，而且啟動(dòng)完成后運轉時(shí)所需的轉矩減小，所以在節約能源方面有很大的空間。目前普遍采用的驅動(dòng)方式是三相交流電動(dòng)機- 液力耦合器- 齒輪減速器-皮帶輪減速器。由于球磨機屬恒轉矩負載，在用液力耦合器調速時(shí)，其調速效率等于調速比，有很大一部分能量在液力耦合器中被浪費掉。
3 球磨機的生產(chǎn)工藝
球磨機一般以固定轉速運行，筒體的轉速是由皮帶輪或齒輪減速機構（也有用液力耦合器）決定的。球磨機的轉速直接影響到鋼球和物料的運動(dòng)狀況及物料的研磨過(guò)程，在不同的轉速下，筒體內的鋼球和物料的運動(dòng)狀況如圖2所示。
圖2 球磨機工作時(shí)狀態(tài)圖
1）當轉速較低時(shí)，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(shí)，沿斜面滑下，不能形成足夠的落差，鋼球對物料的研磨作用很小，球磨機的效率很低。
2）如果筒體的轉速很高，由于離心力的作用，以致使物料和鋼球不再脫離筒壁，而隨其一同旋轉，這時(shí)鋼球對物料已無(wú)撞擊作用，研磨效率則更低。這種狀態(tài)的最低轉速稱(chēng)為臨界轉速。
3）當筒體的轉速處于上述二者之間的某一轉速時(shí)，鋼球被帶到一定的高度后沿拋物線(xiàn)落下，對筒底物料的撞擊作用最大，研磨效率最高，此時(shí)的轉速稱(chēng)為最佳工作轉速。
4 球磨機系統存在的問(wèn)題
1）球磨機一般采用簡(jiǎn)單的工頻控制，易造成物料的過(guò)渡研磨，所需研磨周期較長(cháng)，研磨效率較低，單位產(chǎn)品功耗較大；
2）球磨機一般采用星三角或自耦降壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)電流特別大，對設備和電網(wǎng)的沖擊很大；
3）機械設備的生產(chǎn)維護量也大，而且耗電量相當驚人，這必然會(huì )給生產(chǎn)廠(chǎng)家帶來(lái)很多不必要的麻煩和嚴重的資源浪費。
5 改造方案
根據原工況存在的問(wèn)題并結合生產(chǎn)工藝要求，改造后的球磨機系統滿(mǎn)足以下要求。
1）改造后的設備要有足夠的起動(dòng)轉距，滿(mǎn)足還球磨機裝載量大的要求，并且保證設備在變頻運行狀態(tài)下使電機平穩運行，保障電動(dòng)機具有恒轉矩特性。
2）利用變頻調速控制系統改造原有球磨機拖動(dòng)系統，滿(mǎn)足球磨機低速時(shí)的正常運行，確保正常的工藝控制，使球磨機及電動(dòng)機的使用壽命延長(cháng)，減少維護。
3）改造后的設備能夠實(shí)現自動(dòng)控制，及手動(dòng)/工頻和故障自切換等功能，并能克服球磨機大慣性引起回升電壓，有效地保證設備的正常運行。
6 應用效果
利用變頻調速技術(shù)改造后的球磨機拖動(dòng)系統，滿(mǎn)足了球磨機低速運行、大起動(dòng)轉矩的特點(diǎn)，實(shí)現了球磨機的運行速度連續可調，電機起動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊電流，保護功能完善，保證了工藝控制質(zhì)量，節約了維護成本，取得了以下效果：
1）軟啟動(dòng)：球磨機使用變頻調速后，起動(dòng)電流可比原先小3-5倍，（如110kW電機原先的起動(dòng)電流在600A以上，變頻節能控制系統起動(dòng)電流為120A～160A之間），實(shí)現了真正的軟起動(dòng)，也收到了節能的效果。由于起動(dòng)電流大大減小，不會(huì )造成對電網(wǎng)的沖擊和電網(wǎng)電壓的下降，消除了因球磨機起動(dòng)而引起的其它用電設備跳閘或故障，在同樣的電網(wǎng)容量下，并可增加裝機臺數；
2）自動(dòng)控制：改造后的設備能夠實(shí)現自動(dòng)控制，以及市電/節電切換功能，并能克服球磨機大慣性引起的回升電壓，能有效地保證設備正常運行；
3）延長(cháng)壽命：利用變頻器自動(dòng)電壓調節功能，可在與負載無(wú)關(guān)的條件下，保持電機效率最高，因消除了起動(dòng)時(shí)的沖擊，所以延長(cháng)了機軸、齒輪、皮帶等機械件的使用壽命，減少了維修費用；
4）多段速度控制：歐陸變頻控制柜內置多段速自動(dòng)運行功能，可以通過(guò)變頻器方便地設定研磨時(shí)間，加磨時(shí)間和自動(dòng)停機功能，使操作更加智能化，人性化；
5）動(dòng)態(tài)節能功能：球磨機變頻調速節能系統的節能效果一般可達12%～15%左右。
6) 高回報率：所有投資約6～12個(gè)月可通過(guò)電費節省回收。
7 結論
大量應用實(shí)踐證明，歐陸EV100系列大功率變頻器用于水泥、鋼鐵、陶瓷行業(yè)球磨機的節能改造十分成功，取得了良好的經(jīng)濟效益。隨著(zhù)用戶(hù)對變頻器的使用經(jīng)驗和接受程度的提高，POWTRAN大功率變頻器在上述行業(yè)有著(zhù)更加廣闊的應用前景。
