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

1、某些恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載變頻調(diào)速的節(jié)能研究Energy-saving Study for some Constant-torque Loads Using AC Drives to Control Speed （希望森蘭變頻器制造公司 四川成都 6100225） 杜俊明 彭海宇摘要：本文論述了球磨機(jī)的變頻調(diào)速的節(jié)能問題，節(jié)能從三方面考慮，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)工作轉(zhuǎn)速，理論上有011%的節(jié)能；利用變頻器的節(jié)能模式調(diào)節(jié)有較少的節(jié)能；在傳動環(huán)節(jié)中使用了液力偶合器，去掉液力偶合器使用變頻器節(jié)電率為6%，采用綜合性的節(jié)能措施，對某些恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載進(jìn)行變頻改造還是可以達(dá)到一定節(jié)能的目的。Abstract: This pap

2、er discusses the energy saving of ball grinding machines which use AC drives to control their speed. Energy saving may be considered from three aspects: adjusting speed according to the operation condition could save 011% of the energy theoretically; using the AC drives energy-saving operation mode

3、could save some energy; and replacing the hydraulic coupler with an AC drive could save 6% of the energy. It is concluded that energy saving can be achieved on ball grinding machines by adopting AC drives and combining various energy-saving measures. 關(guān)鍵詞：球磨機(jī)，最佳工作轉(zhuǎn)速，變頻器的節(jié)能運(yùn)行，液力偶合器Key words: Ball grin

4、ding machine, optimum operating speed, AC drives energy-saving operation, hydraulic coupler一.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)窯窯中主傳動，各種風(fēng)機(jī)，傳送帶等原來不調(diào)速或用電磁調(diào)速和其他的調(diào)速方式，都相繼改造為變頻交流調(diào)速。改造的目的是使生產(chǎn)過程中工藝調(diào)速方便，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，實現(xiàn)自動化，節(jié)能等。但是，在粉磨工藝中最主要的設(shè)備就是球磨機(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)速是恒定的，即使要變化,變化的范圍也不大，如果考慮使其轉(zhuǎn)速

5、下降節(jié)能，但可能使球磨的時間增長，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，如陶瓷廠的球磨機(jī)，料筒內(nèi)加料16T18T，在工作轉(zhuǎn)速16r/min18rmin下運(yùn)轉(zhuǎn)8小時，料的細(xì)度就達(dá)到工藝要求，出料后然后再加料，重復(fù)上述過程。一般來說，對不同的廠家和球磨的原料不同，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3500mm，筒體長度7000mm，工作轉(zhuǎn)速17.3r/min，電機(jī)功率1120kw(6kv)。球磨機(jī)的電氣傳動方式為，三相交流鼠籠異步電機(jī)液力偶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，一般球磨機(jī)的料筒作為了

6、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)中無液力偶合器，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。為緩沖起動時的沖擊，傳動環(huán)節(jié)中加入了液力偶合器，這樣可在任何狀態(tài)下順利起動球磨機(jī)。二球磨機(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(yùn)動狀況如圖1所示。 圖1 筒體內(nèi)的鋼球和物料的運(yùn)動狀況若轉(zhuǎn)速比較低時，鋼球和物料隨筒體的內(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

7、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。這時鋼球沒有撞擊作用，物料只受到輕微的研磨，效率也很低。當(dāng)筒體的轉(zhuǎn)速處于上述二者之間時，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(qiáng)烈的撞擊作用，效率最高。效率最高時的工作轉(zhuǎn)速成為最佳工作轉(zhuǎn)速nzj。球磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速為：（1） 式中：D筒體內(nèi)徑最佳工作轉(zhuǎn)速為：（2） (r/min)實際運(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)甲之間的摩檫系數(shù)等因素有關(guān)。一般最佳工作轉(zhuǎn)速通常為，可見轉(zhuǎn)速還是有一定的可調(diào)范圍，只不

8、過可調(diào)范圍不大。實際上，如上所述的陶瓷廠的球磨機(jī)，料筒轉(zhuǎn)速的變動范圍在16r/min18r/min之間。電機(jī)的轉(zhuǎn)速是1440r/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(yùn)轉(zhuǎn)速度正好為18r/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16r/min，則調(diào)速范圍為零。機(jī)械減速器不可能做到很精確，料筒的運(yùn)轉(zhuǎn)速度就在16r/min18r/min之間的某一個速度值，因此，可調(diào)速范圍011%。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,即： (3)式中：-球磨機(jī)輸入的扭矩N m n-球磨機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)由(3)

9、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，節(jié)能的幅度與調(diào)速的范圍有關(guān)。根據(jù)不同的情況有不同的調(diào)節(jié)范圍，采用變頻調(diào)速理論上節(jié)能的幅度在011%之間。三、電動機(jī)的效率某球磨機(jī)的電機(jī)為90kw，正常運(yùn)行時電機(jī)電流為80110A，負(fù)載率62.%。由于負(fù)載率不高，電機(jī)的效率也要降低。正常運(yùn)行時，電機(jī)的功率不會超過55kw，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50Hz，即使需要調(diào)速時，也不可能大范圍的調(diào)節(jié)，頻率小范

10、圍的降低，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BT40S系列變頻器的參數(shù)F82為自動節(jié)能運(yùn)行。變頻器的“節(jié)能運(yùn)行“，實質(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調(diào)節(jié)其輸出電壓，使電動機(jī)的效率提高。究竟能提高多少效率？因此有必要分析電動機(jī)的效率。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(yùn)行時有功功率的利用率，為輸出功率與輸入功率之比。即（4）式中：時的效率 時的輸入功率(kw) (kw)由上式可見，對于一定的負(fù)載，當(dāng)電機(jī)的輸出功率為一定時，電機(jī)的效率與總損有關(guān)，總損耗大，則效率低；反之效率高。電機(jī)總損耗有兩部分組成：即固定損耗和可

11、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。2、電機(jī)的損耗分析異步電機(jī)在運(yùn)行時的總損耗一般分為四類（1）基本銅耗基本銅耗包括定子銅耗和轉(zhuǎn)子銅耗 （5）式中：電流（A） ） （6）式中：輸入至轉(zhuǎn)子側(cè)的電磁功率(kW) 電機(jī)的輸入功率(kW) S-轉(zhuǎn)差率 -鐵損(kW)電動機(jī)的基本銅耗與電流的平方成正比，隨負(fù)載的變化而變化。（2）基本鐵心損耗交變磁通在電機(jī)鐵心中產(chǎn)生的磁滯和渦流損失 （7）式中：比例系數(shù) 工作頻率(Hz) B-磁通密度（高斯/cm2）由于磁通密度B近似于端電壓成正比，因此基本鐵心損耗與端電壓的平方成正比。（3）機(jī)械摩擦損耗機(jī)

12、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）雜散損耗漏磁場在金屬構(gòu)件中產(chǎn)生的渦流損耗，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15kW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30%50%；基本鐵心損耗20%；機(jī)械摩擦損耗20%35%；雜散損耗10%15%。電動機(jī)運(yùn)行時這些損耗中機(jī)械摩擦損耗是基本不變化的，基本銅耗和雜散損耗與電流的平方成正比，即負(fù)載一定時與端電壓的平方成反比；基本鐵心損耗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，節(jié)能運(yùn)行時變頻

13、器自動調(diào)節(jié)的輸出電壓到此最佳點上，如圖1中的U0點，電動機(jī)的損耗最小，效率最高。鐵損銅損，雜散損耗總損耗 圖1 電動機(jī)供電電壓與損耗的關(guān)系四、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(yùn)行強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)實施監(jiān)督指南中的計算公式 （8）式中：或取系數(shù)：2極電動機(jī)K=0.15；4極電動機(jī)K=0.25；6極以上K=0.3。負(fù)載系數(shù)-電動額定效率-空載損耗(kw)調(diào)壓后節(jié)約的有功功率 （9）式中：-節(jié)約的有功功率kw Ku-當(dāng)采用（8）式確定的調(diào)壓系數(shù)時，（9）式中取Ku= 例1：計算球磨機(jī)變頻調(diào)速改造后調(diào)壓節(jié)能量，用公式（8），（9）

14、且已知：PN=90kw，0.935，P0=4.78KW，=0.6，K=0.25（4極電機(jī)），于是 =則當(dāng)電機(jī)的端電壓U=380*0.75=285V時，有最佳的節(jié)電效果。計算節(jié)約的有功功率： = =-0.41+0.68=0.27(kw)由此可見，球磨機(jī)變頻節(jié)能運(yùn)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93.5.5%，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。但是，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

15、要求50Hz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，這樣不僅使的生產(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)速由計算或?qū)嶒灁?shù)據(jù)確定，一般為16r/min18r/min，轉(zhuǎn)速偏離都會不同程度影響球磨機(jī)效率，因此這類機(jī)械設(shè)備即使裝上變頻器，運(yùn)轉(zhuǎn)速度如果和原來的速度相同就沒有節(jié)能。紡織行業(yè)的細(xì)紗機(jī)也是如此，細(xì)紗機(jī)的傳動電機(jī)15kW，工作電流15A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50Hz頻率“節(jié)能運(yùn)行“不會有

16、多少電能節(jié)省，變頻調(diào)速改造的目的，應(yīng)是為了提高自動化水平，便于組網(wǎng)控制，原材料或工藝變更后方便調(diào)速控制等五.液力偶合器和變頻調(diào)速節(jié)能液力偶合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機(jī)能量，電動機(jī)通過液力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油再帶動液力偶合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負(fù)載。液力偶合器有調(diào)速型和限矩型之分，前者用于電氣傳動的調(diào)速，后者用于電機(jī)的起動。系統(tǒng)中的液力偶合器在電機(jī)起動時起緩沖作用，其效率理論值為95%，變頻器的效率為96%，也就是說，在傳動環(huán)節(jié)中去掉液力偶合器，用交流調(diào)速變頻器驅(qū)動球磨機(jī)電機(jī)，可以在額定電流或略高于額定電流下

17、順利起動球磨機(jī)，并且，理論上效率可以提高1%。實際上液力偶合器的效率與液力偶合器腔內(nèi)注入油量有關(guān)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中液力偶合器有一定的溫升，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%，減少2%-3%是常有的事。球磨機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1440r/min，經(jīng)液力偶合器和減速器減速后，料筒的運(yùn)轉(zhuǎn)速度為16r/min。液力偶合器的效率計算的公式為：（10） 式中：nT為液力偶合器輸出軸的速度（r/min）nB為電機(jī)側(cè)液力偶合器輸入軸的速度(r/min)其效率為輸入軸和輸出軸的速度之比，等于0.95，在傳動環(huán)節(jié)中去掉液力偶合器，用彈性聯(lián)軸器直接連接，這時料筒的速度會超過原來的速度，為維持原來的工藝狀況，電機(jī)應(yīng)減速，變頻器的輸出頻率下降到50x0.95=47.5Hz，由于球磨機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，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，由三相電機(jī)功率計算式： 現(xiàn)場有就地補(bǔ)償電容，電機(jī)的功率因數(shù)比較高，用變頻器后