某些恒轉矩負載變頻調速的節(jié)能研究

1 概述　

　　水泥、發(fā)電、電解鋁、陶瓷等行業(yè)應用變頻器已經非常普遍，生產機械如回轉窯中的主傳動、各種風機、傳送帶等原來不調速或用電磁調速和其他調速方式的，都相繼被改造為變頻交流調速。改造的目的是使生產過程中的工藝調速更為方便，從而提高產品的產量、質量，實現自動化、節(jié)能等。

　　但是，對粉磨工藝中的主要設備球磨機，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基本恒定，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，就可能使球磨的時間增長，所以說采用變頻調速是否有節(jié)能的效果很難說。實際上球磨生產過程比較簡單，如給陶瓷廠的球磨機的料筒內加料16~18 t，在工作轉速16~18 r/min 下運轉8小時，料的細度就可達到工藝要求，出料后再加料，重復上述過程即可。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3 500 mm，筒體長度7 000 mm，工作轉速17.3 r/min，電機功率1 120 kW（6 kV）。球磨機的電氣傳動方式為，三相交流鼠籠異步電機—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—齒輪減速器—皮帶輪減速器，一般把球磨機的料筒作為減速器的皮帶輪使用。球磨機重載起動時，若傳動環(huán)節(jié)中無液力耦合器，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。

2 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。

　　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。臨界轉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。當筒體的轉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稱為最佳工作轉速nzj。

　　nzj=0.765nlj(r/min) （圓）實際運行表明，最佳工作轉速與鋼球的直徑及其裝載量、護甲形狀、鋼球與護甲之間的摩擦系數等因素有關。一般最佳工作轉速通常為nzj=（0.74耀0.8）nlj，可見轉速還是有一定的可調范圍，只不過可調范圍不大。實際上，如上所述的陶瓷廠的球磨機，其料筒轉速的變動范圍在16~18 r/min之間，電機的轉速是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18 r/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16 r/min，則調速范圍為零。實際上，機械減速器不可能做到很精確，所以料筒的運轉速度就在16~18 r/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為

　　由式（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，但節(jié)能的幅度與調速的范圍有關。

3 電動機的效率

　　某球磨機的電機為90 kW，正常運行時電機電流為80~110 A，負載率62%。由于負載率不高，故電機的效率也要降低。正常運行時，電機的功率不會超過55 kW，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50 Hz，即使需要調速，也不可能作大范圍的調節(jié)，頻率只能小范圍的降低，故節(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SB40S 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。要知道究竟能提高多少效率，就有必要對電動機的效率進行分析。

　　3.1 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，是輸出功率與輸入功率之比，即

　　由式（4）可見，對于一定的負載，當電機的輸出功率一定時，電機的效率與總損耗有關，總損耗大，則效率低；反之效率高。電機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。

　　3.2 電機的損耗分析

　　異步電機在運行時的總損耗一般分為基本銅耗、基本鐵心損耗、機械摩擦損耗、雜散損耗四類。

　　3）機械摩擦損耗Pf W 機械摩擦損耗包括通風系統損耗PV和軸承摩擦損耗PT，對于已定型的電動機，機械摩擦損耗為常量。

　　4）雜散損耗PS 一般將漏磁場在金屬構件中產生的渦流損耗，以及氣隙中的高次諧波磁場在定轉子鐵心和導體中引起的損耗，統稱為雜散損耗，此類損耗與電流的平方成正比，隨負載的變化而變化。

對于15 kW電動機，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%；機械摩擦損耗Pf W占20%~35%；雜散損耗PS占10%~15%。電動機運行時這四類損耗中，機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損耗低的最佳點，如圖1 中的U0點，在此點下，電動機的損耗最小，節(jié)能運行時變頻器自動調節(jié)其輸出電壓到此最佳點上，使效率達到最高。

4 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)督指南中的調壓系數計算公式

　　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，額定效率達93.5%，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PfW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。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，這樣不僅使得生產率提高，