微能变频器在陶瓷球磨机上的应用

0 引言

在21世纪的今天，全球能源紧张，节能的呼声越来越高，先进的节能技术逐渐成为社会发展的一道亮点。然而在很多可以进行节能的企业里，例如陶瓷行业，普遍认为其生产设备球磨机是难以被控制的，认为用电设备消耗多少电，是由其机电特性所决定的，主观的控制无能为力。显然，此观念是错误的。在全国上下用电形势严峻的情况下，深圳市微能科技有限公司利用先进变频节能技术，采用最新的9G系列变频器，在广东陶瓷生产基地佛山市西樵镇某知名陶瓷厂实行球磨机节能改造。实践证明，通过一系列的技术和管理措施能达到将球磨机能耗降到最低的效果，这样既保护环境又为企业创造了经济效益，企业的经营成本至少可以减少5%～10%。

1 球磨机的工作原理

在陶瓷企业里，球磨机由于功率比较大，占据了企业总用电量的80%以上的，各类球磨机的基本结构大体上是相同的，一般均由筒体，衬板，给料器，排料器，空中轴，轴承，传动装置和润滑系统组成。其外形结构如图1所示。

1.1 筒体

圆形筒体由若干块厚度为12~15 mm 的钢板焊接而成。其两端焊接有法兰盘，以便与铸钢的给料端盖、排料端盖进行连接，筒内装有可以更换的衬板，为了使衬板与筒体内壁紧密接触并缓冲钢球对筒体的冲击，在衬板与筒体内壁之间敷有胶合板，为便于更换衬板和检查筒体内部状况，在筒体上开有入孔，入孔多为矩形，长度一般为350~500 mm。

1.2 给料部

给料部由带有中空轴颈的端盖联合给料器，扇形衬板，和轴颈内套等部件组成。中空轴颈内套可防止给料时对轴颈内表面的磨损，内套的内表面带有螺旋，有助于给料，给料器用螺栓固定在内套的端部，一般使用联合式给料器，其次是使用鼓式给料器和涡式给料器等。

1.3 排料部

排料部由带有中空轴颈的端盖，格子衬板，衬块，中心衬板和轴颈内套等零件组成。在端盖内壁上铸有八条放射状筋条，相当于隔板，每两根筋条之间装有格子衬板，用衬块挤压固定，衬块则由螺钉穿过壁上的筋条固紧在端盖上，自中心部分，利用中心衬板的止口拖住所有格子衬板，中空轴颈的内套在排料格子的一端制成喇叭形叶片，以引导隔板淘起的矿浆顺着叶片流出，整个排料部位和给料部位都一样紧固在筒体法兰盘上。

1.4 驱动部分

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-皮带轮减速器。由于球磨机属恒转矩负载，在用液力耦合器调速时，其调速效率等于调速比，有很大一部分能量在液力耦合器中被浪费掉。

2 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。

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。

3 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。

随着社会经济的发展及企业生产规模的扩大，直接工控球磨机的弊病已暴露无遗，并严重地阻碍了行业的快速发展。这就促使人们去研制启动平滑、研磨效率较高、产量大、能耗低的球磨机———变频控制球磨机。[!--empirenews.page--]

4 球磨机变频调速系统的工作原理

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应满足以下要求：

1)改造后的设备要有足够的起动转矩，满足球磨机装载量大的要求，并保证设备在变频运行状态下使电机平稳运行，保障电动机具有恒功率特性;

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要求，延长球磨机及电动机的使用寿命，减少维护量。

根据上述原则，选择采用深圳市微能科技有限公司最新的9G系列变频器,该系列变频器具有以下特点：

1)本系列是采用新一代SVPWM 波形生成技术的变频器，低速额定转矩输出，带载能力强，低速时可达到180%的额定转矩输出;

2)具有多种转矩提升及V/f 曲线可设定，多种加、减速模式可选择，内置人性化的PID 功能，诸多参数均可在线调整;

3)具有各种完善的保护功能及故障诊断系统，具有过电压、过电流及失速保护等功能，技术先进，功能齐全，使用方便，可满足电气节能及各种生产工艺的要求;

4)电压等级多，功率规格齐全，性能可达到欧美日等国外同类产品水准;

5)频率精度高，可使运转平稳，满足设计要求。

变频调速系统电路如图3所示。

球磨机安装变频节能控制系统后，取得了以下效果：

1)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;

2)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;

3)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，起动力矩大，保护功能完善，保证了工艺控制质量，节约了维护成本;

4)球磨机使用变频调速后，起动电流可减少到原来的1/5，如132 kW电机原起动电流在1 000 A以上，变频节能改造后起动电流为180～200 A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，可增加装机台数;

5)内置PLC 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;

6)球磨机变频调速节能系统的节能效果一般可达12%～15%左右。

5 投资与回报

以佛山市西樵镇某知名陶瓷厂为例，该厂已安装了37台微能科技有限公司的大功率变频器。以其中的一台40 t球磨机为例，电动机功率为132 kW，实际使用功率为115 kW,每天工作18 h，每月工作30 天，这样原球磨机每月用电量为115×18×30=62 100 kW·h，在安装了球磨机专用变频节能控制系统后节电率可达14.6%，则每月可节省电费约为62100×14.6%×0.65元/ kW·h=5 893元。若以每台变频器投资为5.5万元计算，投资回收期约为55 000÷5893=9.3个月。

若以平均节电率12%计算，则月节电效益约为62 100×12%×0.65=4 843 元，每台变频器投资为5.5万元计算，投资回收期约为55 000÷4 843=11.3个月，即不到一年就可以收回全部的投资。而变频器的使用寿命一般为10～15年，一年以后即为纯回报期，也即年节电收益在6万元左右。

6 结语

实践证明，深圳市微能科技有限公司生产的9G系列变频器用于陶瓷行业球磨机的驱动系统是十分成功的，取得了良好的经济效益。这对于我国提出的建设节约型社会，减少环境污染具有重大的经济和社会意义。