ALPHA變頻器在陶瓷行業(yè)球磨機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用
一. 前 言
在我國陶瓷行業(yè)，球磨機(jī)被大量使用，是物料粉碎的不可缺少的重要生產(chǎn)設(shè)備。球磨機(jī)一般功率都較大，工作效率又很低，因而成為陶瓷行業(yè)最大的耗電設(shè)備。對(duì)球磨機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，對(duì)于我國建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，減少環(huán)境污染具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。
二. 球磨機(jī)的工作原理
目前球磨機(jī)普遍采用的驅(qū)動(dòng)方式是：三相交流電動(dòng)機(jī)—液力耦合器—齒輪減速器—皮帶輪減速器。在這里，球磨機(jī)的料筒作為了減速器的皮帶輪使用。在球磨機(jī)重載起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流可達(dá)到額定電流的十倍以上。為了緩解起動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊，傳動(dòng)環(huán)節(jié)中加入了液力耦合器，液力耦合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油的動(dòng)量矩變化來傳遞電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能量的。電動(dòng)機(jī)通過液力耦合器的輸入軸拖動(dòng)其主動(dòng)工作輪旋轉(zhuǎn)，對(duì)工作油加速，被加速后的工作油再帶動(dòng)液力耦合器的從動(dòng)工作渦輪旋轉(zhuǎn)，把驅(qū)動(dòng)能量傳遞到其輸出軸和負(fù)載。傳動(dòng)系統(tǒng)中的液力耦合器在起動(dòng)時(shí)起緩沖作用，讓電動(dòng)機(jī)可以輕載起動(dòng)，以減小起動(dòng)電流，等電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后再慢慢加載，達(dá)到順利起動(dòng)球磨機(jī)的作用，減小起動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊。在工作時(shí)通過液力耦合器的調(diào)速作用，搜索球磨機(jī)的最佳工作轉(zhuǎn)速，提高球磨機(jī)的效率。由于球磨機(jī)屬恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在用液力耦合器調(diào)速時(shí)，其調(diào)速效率等于調(diào)速比，有很大一部分能量在液力耦合器中被浪費(fèi)掉。
三. 球磨機(jī)的生產(chǎn)工藝
球磨機(jī)一般以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，筒體的轉(zhuǎn)速是由皮帶輪或齒輪減速機(jī)構(gòu)（也有用液力耦合器）決定的。球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速直接影響到鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況及物料的研磨過程，在不同的轉(zhuǎn)速下，筒體內(nèi)的鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況如下圖所示：
（a）當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，鋼球和物料隨筒體內(nèi)壁上升，當(dāng)鋼球和物料的傾角等于或大于自然傾角時(shí)，沿斜面滑下，不能形成足夠的落差，鋼球?qū)ξ锪系难心プ饔煤苄?，球磨機(jī)的效率很低。
（b）當(dāng)筒體的轉(zhuǎn)速處于上述二者之間的某一轉(zhuǎn)速時(shí)，鋼球被帶到一定的高度后沿拋物線落下，對(duì)筒底物料的撞擊作用最大，研磨效率最高，此時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為最佳工作轉(zhuǎn)速。
（c）如果筒體的轉(zhuǎn)速很高，由于離心力的作用，以致使物料和鋼球不再脫離筒壁，而隨其一同旋轉(zhuǎn)，這時(shí)鋼球?qū)ξ锪弦褵o撞擊作用，研磨效率則更低。這種狀態(tài)的最低轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。
實(shí)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)甲之間的磨擦系數(shù)等因數(shù)有關(guān)。一般的最佳工作轉(zhuǎn)速通常為臨界轉(zhuǎn)速的0.7～0.8，可見轉(zhuǎn)速還是有一定的可調(diào)范圍，但調(diào)節(jié)范圍不大。實(shí)際球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速與最佳工作轉(zhuǎn)速的誤差小于10%，所以若球磨機(jī)采用變頻調(diào)速搜索最佳工作轉(zhuǎn)速，提高研磨效率的節(jié)能效果也在10%以內(nèi)。
四. 球磨機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的工作原理。
除了采用變頻調(diào)速搜索最佳工作轉(zhuǎn)速，提高球磨機(jī)的研磨效率所取得的節(jié)能效果之處，由于球磨機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，都考慮到保證電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，而實(shí)際生產(chǎn)過程中，往往達(dá)不到最大輸出轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)處于輕載（不滿載）工作狀態(tài)，其功率因數(shù)和效率都較低。這時(shí)可通過變頻器的節(jié)能運(yùn)行功能，通過降低變頻器的輸出電壓，自動(dòng)調(diào)整與生產(chǎn)實(shí)際需要相匹配的輸出轉(zhuǎn)矩，達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率而節(jié)能的目的。
另外由于變頻器一般為“交－直－交”電壓源型變頻器，中間直流環(huán)節(jié)有大的濾波電容的存在，可以大大提高變頻器輸入端的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，降低傳輸電流，從而降低電能在線路中的傳輸損耗，不但具有節(jié)能效果，而且可以降低供電系統(tǒng)的容量，減少設(shè)備投資?；蛟谕瑯拥碾娋W(wǎng)容量下，允許多安裝球磨機(jī)設(shè)備。
五. 應(yīng)用效果
球磨機(jī)安裝變頻節(jié)能控制系統(tǒng)后，取得了以下效果：
① 因消除了起動(dòng)時(shí)的沖擊，延長了機(jī)軸、波箱齒輪，皮帶等機(jī)械件的使用壽命，減少了維修費(fèi)用。
② 球磨機(jī)使用變頻調(diào)速后，起動(dòng)電流可比原先小5倍以上，（如132kW電機(jī)原先的起動(dòng)電流在1000A以上，變頻節(jié)能控制系統(tǒng)起動(dòng)電流為180A～200A之間），實(shí)現(xiàn)了真正的軟起動(dòng)，也收到了節(jié)能的效果。由于起動(dòng)電流大大減小，不會(huì)造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊和電網(wǎng)電壓的下降，消除了因球磨機(jī)起動(dòng)而引起的其它用電設(shè)備跳閘或故障，在同樣的電網(wǎng)容量下，并可增加裝機(jī)臺(tái)數(shù)。
③ 可以通過變頻器方便地設(shè)定研磨時(shí)間，加磨時(shí)間和自動(dòng)停機(jī)功能，使操作更加智能化，人性化。
球磨機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能效果一般可達(dá)12%～15%左右。
六. 投資與回報(bào)
以佛山市西樵鎮(zhèn)某知名陶瓷廠為例，該廠已安裝了37臺(tái)阿爾法公司的大功率變頻器。以其中的一臺(tái)40噸球磨機(jī)為例，電動(dòng)機(jī)功率為132 kW，原球磨機(jī)每月用電量為：115 kW×18小時(shí)×30天＝62100 kW.h（度），在安裝了球磨機(jī)專用變頻節(jié)能控制系統(tǒng)后節(jié)電率可達(dá)14.6%，每月可節(jié)省電費(fèi)為：62100×14.6%×0.65元/度＝5893元。若以每臺(tái)變頻器投資為5.5萬元計(jì)算，投資回收期為55000÷5893＝9.3個(gè)月。
若以平均節(jié)電率12%計(jì)算，則月節(jié)電效益為62100×12%×0.65＝4843元，每臺(tái)變頻器投資為5.5萬元計(jì)算，投資回收期為55000÷4843＝11.3個(gè)月，即不到一年就可以收回全部的投資。而變頻器的使用壽命一般為10～15年，一年以后即為純回報(bào)期，也即年節(jié)電收益在6萬元左右。
七. 結(jié)束語
實(shí)踐證明，變頻器用于陶瓷行業(yè)球磨機(jī)的節(jié)能驅(qū)動(dòng)是十分成功的，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著用戶對(duì)變頻器的使用經(jīng)驗(yàn)和接受程度的提高，變頻器在陶瓷行業(yè)有著更加廣闊的應(yīng)用前景。