[Abstract]: This paper introduces the application of AC drives on ball grinding machines which are widely used in the cement and ceramic industries，conducts analysis and calculations and demonstrates that there is still great energy saving potential using AC drives on ball grinding machines.
[关键词]：球磨机，变频器，液力偶合器，节能运行模式
[Key words]: Ball grinding machine, AC drive, hydraulic coupler, energy-saving mode
一.概述
水泥、陶瓷行业应用变频器已经非常普遍，生产机械如回转窑，窑头、窑尾风机，传送｀带等原来用电磁调速或其他的调速方式，都相继改造为变频交流调速。改造的目的是使生产过程中工艺调速方便，提高产品的产量、质量，实现自动化，节能等。但是，在球磨机上使用变频器，其本上还是空白。其原因是，球磨机料筒的转速是恒定的，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，但可能使球磨的时间增长，节能的效果不明显。实际上球磨生产过程比较简单，如某陶瓷厂的球磨机电机90kW，料筒内加料16T～18T，在50Hz下运转8小时，料的细度达到要求就出料，然后再加料，重复上述过程，一般来说，这是一个经验工艺数据，对不同的厂家和球磨的原料不同，工艺参数也有差别。在某地陶瓷行业，普遍使用的球磨机的电气传动方式为，三相交流鼠笼异步电机—液力偶合器—齿轮减速器—皮带轮减速器，在这里，球磨机的料筒作为了减速器的皮带轮使用。容量为90KW电机，在球磨机重载起动时，若传动环节中无液力偶合器，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，并且经常出现起动失败。为缓冲起动时的冲击，传动环节中加入了液力偶合器，这样可在任何状态下顺利起动球磨机。
二.液力偶合器和变频调速节能
液力偶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，电动机通过液力偶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偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。液力偶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。系统中的液力偶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%，在传动环节中去掉液力偶合器，用交流调速变频器驱动球磨机电机，可以在额定电流下顺利起动90kW电机，并且，理论上效率可以提高1%。实际上液力偶合器的效率与液力偶合器腔内注入油量有关，在运转过程中液力偶合器有一定的温升，存在密封不严有泄漏等因素，其效率一般都小于理论值95%，减少2%～3%是常有的事。
球磨机的电机转速为1440r/min，经液力偶合器和减速器减速后，料筒的运转速度为16r/min。球磨机的效率计算的公式为：
式中：nT—为液力偶合器输出轴的速度，
nB—为电机侧液力偶合器输入轴的速度
其效率为0.95，在传动环节中去掉液力偶合器，用弹性联轴器直接连接，这时料筒的速度会超过16r/min，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50×0.95=47.5Hz，由于球磨机是恒转矩负载，电机运转频率下降，其电流基本不变或略有下降，但输出电压按比例下降，由三相电机功率计算式：
现场有就地补偿电容，用变频器后功率因数基本不变，因此应节约5%功率。前两项相加大约有8%的节能。
三.电机的调压节电
球磨机起动时的起动电流较大，起动完成后，运行电流为80～110A，对于90kW电机相当于轻载运行，这时电机的效率也较低。应用自动能耗最优控制，即利用变频器的电压调节功能，可在与负载无关的条件下，保持电机的效率为最高。
异步电机的损耗有铜耗，基本铁心损耗，常称为铁耗，机械磨擦损耗和杂散损耗。对已定型生产的电动机，机械磨擦损耗在运行过程中为常值；铜耗与电机电流的平方成正比，随负载的变化而变化；铁耗近似与电机端电压的平方成正比；杂散损耗与电机电流的平方成正比，随负载的变化而变化。对于90kW电机，以上各种损耗占总损耗的百分数分别是铜耗20%～30%，铁耗20%，机械磨擦损耗40%～50%，杂散损耗15%～20%。对相同的负载，电机端电压的升高，电流会减小，因此当端电压升高时，铜耗和杂散损耗减小；而铁损增加。这样，电机的端电压存在有一点，在这点时电机的总损耗为最小，如图一：
某陶瓷厂90kW球磨机的负载情况如下：球磨机电机90kW，料筒的转速为16r/min，每个工作周期等于3.75s，电流在80～110A之间变化，相当于额定电流的46%～62.5%，如图二所示：
图二 球磨机负载图
下面进行节能效果分析：
1. 不进行节能控制时： 负载较高时的功耗
0.884为62.5%负载时电机的效率
负载较低时的功耗
0.65为46%负载时电机的效率
一周期平均功率
2.变频器进行节能调节时：
负载较高时的功耗
0.886为62.5%负载且电压控制时电机的效率
负载较低时的功耗
0.70为46%负载且电压控制时电机的效率
一周期平均功率
每年按320天，每天按20小时计算，一年节电
折算为节能率（63.49-60.1）/63.49=0.055=5.5%
从上面的数据可见，用变频器进行节能调节时，对于两种负载情况，62.5%负载的效率从0.884提高到0.886，仅为0.002；46%的负载的效率从0.65提高到0.70，也只为0.05，但节电率也有3%。
四.结语
球磨机的节能目前仅从两方面考虑，去掉液力偶合器使用变频器的节电率为8%，利用变频器的节能模式调节可有3%的节能，两项相加共有11%的节能，由此可见，对球磨机进行变频改造还是可以达到节能的目的。
目前，有人从改变球磨的工艺入手，即加料后的一段时间，适当提高变频器的输出频率，加快球磨的效率，然后再降低输出频率，运行一段时间后，继续降低输出频率。这样做可以节省球磨时间，而且球磨的质量可以保证，这是另一种节能思路，还有待于实践检验。
