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普传科技变频器在球磨机上的应用
张海杰  董建华 普传科技股份有限公司
摘要：本文介绍了球磨机工作原理，给出了采用变频器控制球磨机提高工艺水平和节能的方案实现，通过实例说明改造的成功和节能效益。
关键词：球磨机；变频器；节能
1 前言
球磨机在水泥、陶瓷、冶金企业里被大量使用,是物料粉碎的不可缺少的重要生产设备。球磨机一般功率都较大，工作效率又很低，占据了企业总用电量的80%以上，成为上述行业最大的耗电设备之一，因此降低球磨机的能耗是上述行业降低成本，提高产品竞争力的有效途径。球磨机一般采用简单的工频控制，易造成物料的过度研磨，所需研磨周期较长，研磨效率较低，单位产品功耗较大，启动电流大，对设备和电网的冲击很大，机械设备的生产维护量也大。直接工控球磨机的弊病并严重地阻碍了各工业企业快速发展。球磨机属于低速重载设备，装载量大，起动力矩也很大，一般需要加装液力耦合器来完成传动系统的启动和调速。如陶瓷工业球磨机通常采用附加启动电机冲击启动或软启动装置来启动，对电网冲击大，而且启动完成后运转时所需的转距减小，所以在节约能源方面有很大的空间。 
     随着变频技术的快速发展及在水泥、陶瓷、冶金企业的大量应用，变频器控制球磨机也成为可能。作为专业生产高性能变频器的普传科技股份有限公司根据球磨机工作原理和机械特点开发出大功率球磨机专用变频控制器（系统）在现实中有很好的应用。
2 球磨机工作原理

图1 球磨机
球磨机主要由传动装置、筒体装置、加料装置、卸料装置及电气控制装置等组成，分给料部、出料部、回转部、传动部（减速机、小传动齿轮、电机、电控）等主要部分。其主体是一个水平装在两个大型轴承上的低速回转的简体。球磨机由电动机通过减速机及周边大齿轮减速传动、或由低转速同步电机直接通过周边大齿轮减速传动，驱动回转部回转。筒体内部装有适当的磨矿介质一钢球。磨矿介质在离心力和摩擦力的作用下，被提升到一定的高度，呈抛落或泄落状态落下。被磨制的物料由给料口连续地进入简体内部，被运动的磨矿介质所粉碎，并通过溢流和连续给料的力量将产品排出机外，以进行下一段工序处理。用于陶瓷工业的球磨机具有一个水平放置的筒体，筒体被隔板(钻有许多小圆孔的圆板——筛板)分成2～4个研磨腔，每个研磨腔内装有一定形状尺寸的研磨体，筒体旋转时，物料和研磨体等在摩擦力和离心力的作用下被筒体提升到一定高度，然后在重力的作用下沿近似抛物线轨迹落下来冲击和研磨筒体底部的另一部分物料，并产生一定的轴向运动促使物料研磨和混合均匀。从工艺上来分类，有干磨和湿磨两种。其外形结构如图1所示。　


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图1
驱动部分是球磨机的关键：球磨机属于低速重载设备，装载量大，起动力矩也很大，一般需要加装液力耦合器来完成传动系统的启动和调速。陶瓷工业球磨机通常采用附加启动电机冲击启动或软启动装置来启动，对电网冲击大，而且启动完成后运转时所需的转矩减小，所以在节约能源方面有很大的空间。目前普遍采用的驱动方式是三相交流电动机- 液力耦合器- 齿轮减速器-皮带轮，在用液力耦合器调速时，其调速效率等于调减速器。由于球磨机属恒转矩负载速比，有很大一部分能量在液力耦合器中被浪费掉。
3 球磨机的生产工艺
球磨机一般以固定转速运行，筒体的转速是由皮带轮或齿轮减速机构（也有用液力耦合器）决定的。球磨机的转速直接影响到钢球和物料的运动状况及物料的研磨过程，在不同的转速下，筒体内的钢球和物料的运动状况如图2所示。               

图2 球磨机工作时状态图


1）当转速较低时，钢球和物料随筒体内壁上升，当钢球和物料的倾角等于或大于自然倾角时，沿斜面滑下，不能形成足够的落差，钢球对物料的研磨作用很小，球磨机的效率很低。
2）如果筒体的转速很高，由于离心力的作用，以致使物料和钢球不再脱离筒壁，而随其一同旋转，这时钢球对物料已无撞击作用，研磨效率则更低。这种状态的最低转速称为临界转速。
3）当筒体的转速处于上述二者之间的某一转速时，钢球被带到一定的高度后沿抛物线落下，对筒底物料的撞击作用最大，研磨效率最高，此时的转速称为最佳工作转速。

图3 普传科技球磨机专用变频控制柜
 


 
4 球磨机系统存在的问题
1）球磨机一般采用简单的工频控制，易造成物料的过渡研磨，所需研磨周期较长，研磨效率较低，单位产品功耗较大；
2）球磨机一般采用星三角或自耦降压启动，启动电流特别大，对设备和电网的冲击很大；
3）机械设备的生产维护量也大，而且耗电量相当惊人，这必然会给生产厂家带来很多不必要的麻烦和严重的资源浪费。
5 改造方案 
根据原工况存在的问题并结合生产工艺要求，改造后的球磨机系统满足以下要求。 
1）改造后的设备要有足够的起动转距，满足还球磨机装载量大的要求，并且保证设备在变频运行状态下使电机平稳运行，保障电动机具有恒转矩特性。 
2）利用变频调速控制系统改造原有球磨机拖动系统，满足球磨机低速时的正常运行，确保正常的工艺控制，使球磨机及电动机的使用寿命延长，减少维护。 
3）改造后的设备能够实现自动控制，及手动/工频和故障自切换等功能，并能克服球磨机大惯性引起回升电压，有效地保证设备的正常运行。 
针对球磨机生产工艺和控制特点，普传科技研发了球磨机变频节能控制柜（如图3），通过采用DSP控制技术，内置的优化控制程序，并根据球磨机实时运行负荷自动调整电机在运行过程中的各项参数，使电机运行轴功率得到最佳化；球磨机优化系统使球磨机转速可以随球磨工艺条件变化而自动调节(不同的工作时间具有不同的调制参数)，以保证其高效工作，同时有效的节约电能。其控制电气图如图4所示。
6 应用效果
利用变频调速技术改造后的球磨机拖动系统，满足了球磨机低速运行、大起动转矩的特点，实现了球磨机的运行速度连续可调，电机起动时无冲击电流，保护功能完善，保证了工艺控制质量，节约了维护成本，取得了以下效果：
1）软启动：球磨机使用变频调速后，起动电流可比原先小3-5倍，（如110kW电机原先的起动电流在600A以上，变频节能控制系统起动电流为120A～160A之间），实现了真正的软起动，也收到了节能的效果。由于起动电流大大减小，不会造成对电网的冲击和电网电压的下降，消除了因球磨机起动而引起的其它用电设备跳闸或故障，在同样的电网容量下，并可增加装机台数；
2）自动控制：改造后的设备能够实现自动控制，以及市电/节电切换功能，并能克服球磨机大惯性引起的回升电压，能有效地保证设备正常运行；
3）延长寿命：利用变频器自动电压调节功能，可在与负载无关的条件下，保持电机效率最高，因消除了起动时的冲击，所以延长了机轴、齿轮、皮带等机械件的使用寿命，减少了维修费用；
4）多段速度控制：普传科技变频控制柜内置多段速自动运行功能，可以通过变频器方便地设定研磨时间，加磨时间和自动停机功能，使操作更加智能化，人性化；
5）动态节能功能：球磨机变频调速节能系统的节能效果一般可达12%～15%左右。
6) 高回报率：所有投资约6～12个月可通过电费节省回收。
河南某陶瓷厂一台40T球磨机采用普传科技球磨机变频器改造。电动机功率为132 kW，改造前实际使用功率为115 kW,每天工作18h，普传变频节能控制柜型号为PS7800160G3。原球磨机每月用电量为115×18×30＝62,100 kWh（度）。
安装了球磨机专用变频节能控制系统后实测节电率可达13.9%，则每月可节省电量约为62,100×13.9%=8631.9 kWh，按每度电费0.80元计算，则每月节电费6905元。若以每台变频节能柜投资为4.6万元计算，投资回收期约为46000÷6905＝6.7个月，即半年多即收回成本。而变频器的使用寿命一般为10～15年，按10%保守节电率估算一年以后即为纯回报期，年节电收益在6万元左右。如大功率球磨机节能效果更明显。
7 结论
大量应用实践证明，普传科技系列大功率变频器用于水泥、钢铁、陶瓷行业球磨机的节能改造十分成功，取得了良好的经济效益。随着用户对变频器的使用经验和接受程度的提高，POWTRAN大功率变频器在上述行业有着更加广阔的应用前景。
 
参考文献
张志彬：变频器在陶瓷行业球磨机节能改造中的应用 《变频技术应用》 2006年第5期
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