某些恒转矩负载变频调速的节能研究

1 概述

水泥、发电、电解铝、陶瓷等行业应用变频器已经非常普遍，生产机械如回转窑中的主传动、各种风机、传送带等原来不调速或用电磁调速和其他调速方式的，都相继被改造为变频交流调速。改造的目的是使生产过程中的工艺调速更为方便，从而提高产品的产量、质量，实现自动化、节能等。

但是，对粉磨工艺中的主要设备球磨机，采用变频调速传动，其本上还是空白。其原因是，球磨机工作时料筒的转速基本恒定，即使要变化，变化的范围也不大，如果考虑使其转速下降节能，就可能使球磨的时间增长，所以说采用变频调速是否有节能的效果很难说。实际上球磨生产过程比较简单，如给陶瓷厂的球磨机的料筒内加料16~18 t，在工作转速16~18 r/min 下运转8小时，料的细度就可达到工艺要求，出料后再加料，重复上述过程即可。一般来说，因厂家和球磨的原料不同，故球磨机的性能参数也有一定的差别，如发电厂磨煤使用的MTZ3570 球磨机，料筒有效内径3 500 mm，筒体长度7 000 mm，工作转速17.3 r/min，电机功率1 120 kW(6 kV)。球磨机的电气传动方式为，三相交流鼠笼异步电机—液力耦合器—齿轮减速器—皮带轮减速器，或三相交流鼠笼异步电机—齿轮减速器—皮带轮减速器，一般把球磨机的料筒作为减速器的皮带轮使用。球磨机重载起动时，若传动环节中无液力耦合器，即使使用自耦减压起动器或星—三角启动器，对电网也会造成较大的冲击，并且经常出现起动困难的状况。所以在传动环节中加入液力耦合器，会缓冲起动时的冲击，可在任何状态下顺利起动球磨机。

2 球磨机的临界转速和最佳工作转速

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磨制过程。在不同的转速下，筒体内的钢球和物料的运动状况如图1 所示。

若转速比较低时，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，钢球沿斜面滑下，如图1(a)，不能形成足够的落差，钢球对物料的磨碎作用很小，这种情况效率很低。如果筒体的转速很高，由于离心力的作用，以致物料和钢球不再脱离筒壁，而随其一同旋转，如图1(c)。产生这种状态的最低转速称为临界转速nlj。临界转速下钢球没有撞击作用，物料只受到轻微的研磨，效率也很低。当筒体的转速处于上述两者之间时，钢球被带到一定的高度后沿抛物线落下，如图1(b)。此时钢球对筒底的物料产生强烈的撞击作用，效率最高。效率最高时的工作转速称为最佳工作转速nzj。

nzj=0.765nlj(r/min) (圆)实际运行表明，最佳工作转速与钢球的直径及其装载量、护甲形状、钢球与护甲之间的摩擦系数等因素有关。一般最佳工作转速通常为nzj=(0.74耀0.8)nlj，可见转速还是有一定的可调范围，只不过可调范围不大。实际上，如上所述的陶瓷厂的球磨机，其料筒转速的变动范围在16~18 r/min之间，电机的转速是1 440 r/min，通过齿轮减速器和皮带轮减速后的料筒的转速在上述允许转速的变动范围内。如果减速机构的配置使料筒的运转速度正好为18 r/min，则有11%的调速范围;如果减速机构的配置使料筒的运转速度为16 r/min，则调速范围为零。实际上，机械减速器不可能做到很精确，所以料筒的运转速度就在16~18 r/min 之间的某一个速度值，因此，可调速范围0~11%。

球磨机为恒转矩负载机械，电机输出的轴功率PZ为

由式(3)可见，球磨机消耗的电功率与电机的转速的一次方成正比，因此，用变频器在基频以下调节电机的转速可节能，但节能的幅度与调速的范围有关。

3 电动机的效率

某球磨机的电机为90 kW，正常运行时电机电流为80~110 A，负载率62%。由于负载率不高，故电机的效率也要降低。正常运行时，电机的功率不会超过55 kW，考虑到球磨机是重载起动，为保证顺利起动适当加大电机的容量是必要的。从表面上看，似乎有较大的节能空间。实际上，为不影响球磨机的生产效率，如采用变频调速时，变频器的输出频率仍然是50 Hz，即使需要调速，也不可能作大范围的调节，频率只能小范围的降低，故节约能量有限。现在的变频器一般都有“节能运行”功能，如森兰SB40S 系列变频器的参数F82为自动节能运行。变频器的“节能运行”，实质上是调压节电功能。变频器运行频率不变的条件下自动调节其输出电压，使电动机的效率提高。要知道究竟能提高多少效率，就有必要对电动机的效率进行分析。

3.1 电机的效率

中小型异步电动机的效率和功率因数都是负载率的函数，效率表示电机运行时有功功率的利用率，是输出功率与输入功率之比，即

由式(4)可见，对于一定的负载，当电机的输出功率一定时，电机的效率与总损耗有关，总损耗大，则效率低;反之效率高。电机总损耗由两部分组成：固定损耗和可变损耗，固定损耗不随电机的负载而变，可用电机的空载输入功率近似表示，可变损耗与电机负载率的平方成正比。

3.2 电机的损耗分析

异步电机在运行时的总损耗一般分为基本铜耗、基本铁心损耗、机械摩擦损耗、杂散损耗四类。

3)机械摩擦损耗Pf W 机械摩擦损耗包括通风系统损耗PV和轴承摩擦损耗PT，对于已定型的电动机，机械摩擦损耗为常量。

4)杂散损耗PS 一般将漏磁场在金属构件中产生的涡流损耗，以及气隙中的高次谐波磁场在定转子铁心和导体中引起的损耗，统称为杂散损耗，此类损耗与电流的平方成正比，随负载的变化而变化。

对于15 kW电动机，上述各种损耗在总损耗中所占的比例是，基本铜耗PCU占30%~50%;基本铁心损耗PFe占20%;机械摩擦损耗Pf W占20%~35%;杂散损耗PS占10%~15%。电动机运行时这四类损耗中，机械摩擦损耗基本不变，基本铜耗和杂散损耗与电流的平方成正比，即负载一定是与端电压的平方成反比;基本铁心损耗PFe与端电压的平方成正比。由此可找到一个电机损耗低的最佳点，如图1 中的U0点，在此点下，电动机的损耗最小，节能运行时变频器自动调节其输出电压到此最佳点上，使效率达到最高。

4 电动机的调压节电

如上所述，处于轻载的电动机可用调节供电电压的方式提高效率，由GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的调压系数计算公式

由此可见，球磨机变频节能运行节约的电能有限，这是因为电动机的效率本身已经很高，额定效率达93.5%，调节电压只能降低铜损、铁损和杂散损耗，仅仅是降低而已，而且占总损耗比例较大的机械摩擦损耗PfW基本上不变，因此电机效率提高很有限，如本例节约有功功率0.27 kW，节电率极低。而且，加装变频器后，变频器的效率也不是100%，这样不但不节能反而耗能。对于变频改造后还是要求50 Hz 运转的设备，不论是恒转矩特性的负载，还是风机、水泵平方转矩特性的负载，仅从节能考虑没有意义。改造的目的应该是提高设备的性能和提升设备的自动化水平，这样不仅使得生产率提高，而且产品质量也能得到保障。这样的工况在实际生产中比比皆是，如水泥厂和瓷砖厂的球磨机，料筒的转速由计算或实验数据确定，一般为16~18 r/min，转速偏离都会不同程度影响球磨机效率，因此给这类机械设备即使装上变频器，运转速度如果和原来的速度相同就没有节能。纺织行业的细纱机也是如此，细纱机的传动电机一般为15 kW，工作电流15 A左右。为保证工作效率，变频调速后仍然要求有相同的转速，变频器在50 Hz 频率“节能运行”不会有多少电能节省，所以对此类设备进行变频调速改造的目的，应是为了提高自动化水平，以便于组网控制，使原材料或工艺变更后方便调速控制等。

5 液力耦合器和变频调速节能

液力耦合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量，电动机通过液力耦合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力耦合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。液力耦合器有调速型和限矩型之分，前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动。系统中的液力耦合器在电机起动时起缓冲作用，其效率理论值为95%，变频器的效率为96%，也就是说，在传动环节中去掉液力耦合器，用交流调速变频器驱动球磨机电机，可以在额定电流或略高于额定电流下顺利起动球磨机，并且，理论上效率可以提高1%。

实际上液力耦合器的效率与液力耦合器腔内注入油量有关，在运转过程中液力耦合器有一定的温升，存在密封不严有泄漏等因素，其效率一般都小于理论值95%，故减少2%耀3%是常有的事。

如果球磨机的电机转速为1 440 r/min，经液力耦合器和减速器减速后，料筒的运转速度为16 r/min，则液力耦合器的效率计算公式为

其效率为输出轴和输入轴的速度之比，等于0.95，在传动环节中去掉液力耦合器，用弹性联轴器直接连接，这时料筒的速度会超过原来的速度，为维持原来的工艺状况，电机应减速，变频器的输出频率下降到50伊0.95=47.5 Hz，由于球磨机是恒转矩负载，由三相电机功率计算式

可知电机运转频率下降，其电流基本不变或略有下降，但输出电压大体按比例下降，现场有就地补偿电容，电机的功率因数比较高，用变频器后去掉就地补偿电容，由于变频器本身的功率因数较高，因此，系统的功率因数变化不大。这样，节电率应在5%左右，加上前面的1%，共有6%的节能。