ALPHA變頻器在陶瓷行業球磨機節能改造中的應用

一. 前 言

在我國陶瓷行業，球磨機被大量使用，是物料粉碎的不可缺少的重要生產設備。球磨機一般功率都較大，工作效率又很低，因而成為陶瓷行業最大的耗電設備。對球磨機進行節能改造，對于我國建設節約型社會，減少環境污染具有重大的經濟和社會意義。

二. 球磨機的工作原理

目前球磨機普遍采用的驅動方式是：三相交流電動機—液力耦合器—齒輪減速器—皮帶輪減速器。在這里，球磨機的料筒作為了減速器的皮帶輪使用。在球磨機重載起動時，電動機起動電流可達到額定電流的十倍以上。為了緩解起動時的機械沖擊，傳動環節中加入了液力耦合器，液力耦合器是通過控制工作腔內工作油的動量矩變化來傳遞電機的驅動能量的。電動機通過液力耦合器的輸入軸拖動其主動工作輪旋轉，對工作油加速，被加速后的工作油再帶動液力耦合器的從動工作渦輪旋轉，把驅動能量傳遞到其輸出軸和負載。傳動系統中的液力耦合器在起動時起緩沖作用，讓電動機可以輕載起動，以減小起動電流，等電動機起動后再慢慢加載，達到順利起動球磨機的作用，減小起動時的機械沖擊。在工作時通過液力耦合器的調速作用，搜索球磨機的最佳工作轉速，提高球磨機的效率。由于球磨機屬恒轉矩負載，在用液力耦合器調速時，其調速效率等于調速比，有很大一部分能量在液力耦合器中被浪費掉。

三. 球磨機的生產工藝

球磨機一般以固定轉速運行，筒體的轉速是由皮帶輪或齒輪減速機構（也有用液力耦合器）決定的。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研磨過程，在不同的轉速下，筒體內的鋼球和物料的運動狀況如下圖所示：

（a）當轉速較低時，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，沿斜面滑下，不能形成足夠的落差，鋼球對物料的研磨作用很小，球磨機的效率很低。

（b）當筒體的轉速處于上述二者之間的某一轉速時，鋼球被帶到一定的高度后沿拋物線落下，對筒底物料的撞擊作用最大，研磨效率最高，此時的轉速稱為最佳工作轉速。

（c）如果筒體的轉速很高，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，這時鋼球對物料已無撞擊作用，研磨效率則更低。這種狀態的最低轉速稱為臨界轉速。

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，鋼球與護甲之間的磨擦系數等因數有關。一般的最佳工作轉速通常為臨界轉速的0.7～0.8，可見轉速還是有一定的可調范圍，但調節范圍不大。實際球磨機的轉速與最佳工作轉速的誤差小于10%，所以若球磨機采用變頻調速搜索最佳工作轉速，提高研磨效率的節能效果也在10%以內。

四. 球磨機變頻調速節能控制系統的工作原理。

除了采用變頻調速搜索最佳工作轉速，提高球磨機的研磨效率所取得的節能效果之處，由于球磨機在設計時，都考慮到保證電動機的最大輸出轉矩，而實際生產過程中，往往達不到最大輸出轉矩，電動機處于輕載（不滿載）工作狀態，其功率因數和效率都較低。這時可通過變頻器的節能運行功能，通過降低變頻器的輸出電壓，自動調整與生產實際需要相匹配的輸出轉矩，達到提高電動機的功率因數和效率而節能的目的。

另外由于變頻器一般為“交－直－交”電壓源型變頻器，中間直流環節有大的濾波電容的存在，可以大大提高變頻器輸入端的網側功率因數，降低傳輸電流，從而降低電能在線路中的傳輸損耗，不但具有節能效果，而且可以降低供電系統的容量，減少設備投資。或在同樣的電網容量下，允許多安裝球磨機設備。

五. 應用效果

球磨機安裝變頻節能控制系統后，取得了以下效果：

① 因消除了起動時的沖擊，延長了機軸、波箱齒輪，皮帶等機械件的使用壽命，減少了維修費用。

② 球磨機使用變頻調速后，起動電流可比原先小5倍以上，（如132kW電機原先的起動電流在1000A以上，變頻節能控制系統起動電流為180A～200A之間），實現了真正的軟起動，也收到了節能的效果。由于起動電流大大減小，不會造成對電網的沖擊和電網電壓的下降，消除了因球磨機起動而引起的其它用電設備跳閘或故障，在同樣的電網容量下，并可增加裝機臺數。
③ 可以通過變頻器方便地設定研磨時間，加磨時間和自動停機功能，使操作更加智能化，人性化。
球磨機變頻調速節能系統的節能效果一般可達12%～15%左右。

六. 投資與回報

以佛山市西樵鎮某知名陶瓷廠為例，該廠已安裝了37臺阿爾法公司的大功率變頻器。以其中的一臺40噸球磨機為例，電動機功率為132 kW，原球磨機每月用電量為：115 kW×18小時×30天＝62100 kW.h（度），在安裝了球磨機專用變頻節能控制系統后節電率可達14.6%，每月可節省電費為：62100×14.6%×0.65元/度＝5893元。若以每臺變頻器投資為5.5萬元計算，投資回收期為55000÷5893＝9.3個月。

若以平均節電率12%計算，則月節電效益為62100×12%×0.65＝4843元，每臺變頻器投資為5.5萬元計算，投資回收期為55000÷4843＝11.3個月，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期，也即年節電收益在6萬元左右。

七. 結束語

實踐證明，變頻器用于陶瓷行業球磨機的節能驅動是十分成功的，取得了良好的經濟效益。隨著用戶對變頻器的使用經驗和接受程度的提高，變頻器在陶瓷行業有著更加廣闊的應用前景。