變頻器在球磨機上的應用
1 前言
球磨機在水泥、陶瓷、冶金企業里被大量使用,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，占據了企業總用電量的80%以上，成為上述行業最大的耗電設備之一，因此降低球磨機的能耗是上述行業降低成本，提高產品競爭力的有效途徑。球磨機一般采用簡單的工頻控制，易造成物料的過度研磨，所需研磨周期較長，研磨效率較低，單位產品功耗較大，啟動電流大，對設備和電網的沖擊很大，機械設備的生產維護量也大。直接工控球磨機的弊病并嚴重地阻礙了各工業企業快速發展。球磨機屬于低速重載設備，裝載量大，起動力矩也很大，一般需要加裝液力耦合器來完成傳動系統的啟動和調速。如陶瓷工業球磨機通常采用附加啟動電機沖擊啟動或軟啟動裝置來啟動，對電網沖擊大，而且啟動完成后運轉時所需的轉距減小，所以在節約能源方面有很大的空間。
隨著變頻技術的快速發展及在水泥、陶瓷、冶金企業的大量應用，變頻器控制球磨機也成為可能。作為專業生產高性能變頻器的南京歐陸電氣傳動有限公司根據球磨機工作原理和機械特點開發出大功率球磨機專用變頻控制器（系統）在現實中有很好的應用。
2 球磨機工作原理
球磨機主要由傳動裝置、筒體裝置、加料裝置、卸料裝置及電氣控制裝置等組成，分給料部、出料部、回轉部、傳動部（減速機、小傳動齒輪、電機、電控）等主要部分。其主體是一個水平裝在兩個大型軸承上的低速回轉的簡體。球磨機由電動機通過減速機及周邊大齒輪減速傳動、或由低轉速同步電機直接通過周邊大齒輪減速傳動，驅動回轉部回轉。筒體內部裝有適當的磨礦介質一鋼球。磨礦介質在離心力和摩擦力的作用下，被提升到一定的高度，呈拋落或泄落狀態落下。被磨制的物料由給料口連續地進入簡體內部，被運動的磨礦介質所粉碎，并通過溢流和連續給料的力量將產品排出機外，以進行下一段工序處理。用于陶瓷工業的球磨機具有一個水平放置的筒體，筒體被隔板(鉆有許多小圓孔的圓板——篩板)分成2～4個研磨腔，每個研磨腔內裝有一定形狀尺寸的研磨體，筒體旋轉時，物料和研磨體等在摩擦力和離心力的作用下被筒體提升到一定高度，然后在重力的作用下沿近似拋物線軌跡落下來沖擊和研磨筒體底部的另一部分物料，并產生一定的軸向運動促使物料研磨和混合均勻。 從工藝上來分類，有干磨和濕磨兩種。其外形結構如圖1所示。
驅動部分是球磨機的關鍵：球磨機屬于低速重載設備，裝載量大，起動力矩也很大，一般需要加裝液力耦合器來完成傳動系統的啟動和調速。陶瓷工業球磨機通常采用附加啟動電機沖擊啟動或軟啟動裝置來啟動，對電網沖擊大，而且啟動完成后運轉時所需的轉矩減小，所以在節約能源方面有很大的空間。目前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。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。
3 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圖2所示。
圖2 球磨機工作時狀態圖
1）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。
2）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。
3）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。
4 球磨機系統存在的問題
1）球磨機一般采用簡單的工頻控制，易造成物料的過渡研磨，所需研磨周期較長，研磨效率較低，單位產品功耗較大；
2）球磨機一般采用星三角或自耦降壓啟動，啟動電流特別大，對設備和電網的沖擊很大；
3）機械設備的生產維護量也大，而且耗電量相當驚人，這必然會給生產廠家帶來很多不必要的麻煩和嚴重的資源浪費。
5 改造方案
根據原工況存在的問題并結合生產工藝要求，改造后的球磨機系統滿足以下要求。
1）改造后的設備要有足夠的起動轉距，滿足還球磨機裝載量大的要求，并且保證設備在變頻運行狀態下使電機平穩運行，保障電動機具有恒轉矩特性。
2）利用變頻調速控制系統改造原有球磨機拖動系統，滿足球磨機低速時的正常運行，確保正常的工藝控制，使球磨機及電動機的使用壽命延長，減少維護。
3）改造后的設備能夠實現自動控制，及手動/工頻和故障自切換等功能，并能克服球磨機大慣性引起回升電壓，有效地保證設備的正常運行。
6 應用效果
利用變頻調速技術改造后的球磨機拖動系統，滿足了球磨機低速運行、大起動轉矩的特點，實現了球磨機的運行速度連續可調，電機起動時無沖擊電流，保護功能完善，保證了工藝控制質量，節約了維護成本，取得了以下效果：
1）軟啟動：球磨機使用變頻調速后，起動電流可比原先小3-5倍，（如110kW電機原先的起動電流在600A以上，變頻節能控制系統起動電流為120A～160A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；
2）自動控制：改造后的設備能夠實現自動控制，以及市電/節電切換功能，并能克服球磨機大慣性引起的回升電壓，能有效地保證設備正常運行；
3）延長壽命：利用變頻器自動電壓調節功能，可在與負載無關的條件下，保持電機效率最高，因消除了起動時的沖擊，所以延長了機軸、齒輪、皮帶等機械件的使用壽命，減少了維修費用；
4）多段速度控制：歐陸變頻控制柜內置多段速自動運行功能，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；
5）動態節能功能：球磨機變頻調速節能系統的節能效果一般可達12%～15%左右。
6) 高回報率：所有投資約6～12個月可通過電費節省回收。
7 結論
大量應用實踐證明，歐陸EV100系列大功率變頻器用于水泥、鋼鐵、陶瓷行業球磨機的節能改造十分成功，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，POWTRAN大功率變頻器在上述行業有著更加廣闊的應用前景。