一、前言
球磨機(jī)在水泥、陶瓷、冶金企業(yè)里被大量使用,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，占據(jù)了企業(yè)總用電量的80%以上，成為上述行業(yè)最大的耗電設(shè)備之一，因此降低球磨機(jī)的能耗是上述行業(yè)降低成本，提高產(chǎn)品競爭力的有效途徑。球磨機(jī)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(chǎn)品功耗較大，啟動電流大，對設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊很大，機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)維護(hù)量也大。直接工控球磨機(jī)的弊病并嚴(yán)重地阻礙了各工業(yè)企業(yè)快速發(fā)展。球磨機(jī)屬于低速重載設(shè)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(tǒng)的啟動和調(diào)速。如陶瓷工業(yè)球磨機(jī)通常采用附加啟動電機(jī)沖擊啟動或軟啟動裝置來啟動，對電網(wǎng)沖擊大，而且啟動完成后運(yùn)轉(zhuǎn)時所需的轉(zhuǎn)距減小，所以在節(jié)約能源方面有很大的空間。
隨著變頻技術(shù)的快速發(fā)展及在水泥、陶瓷、冶金企業(yè)的大量應(yīng)用，變頻器控制球磨機(jī)也成為可能。作為專業(yè)生產(chǎn)高性能變頻器的普傳科技股份有限公司根據(jù)球磨機(jī)工作原理和機(jī)械特點(diǎn)開發(fā)出大功率球磨機(jī)專用變頻控制器（系統(tǒng)）在現(xiàn)實(shí)中有很好的應(yīng)用。
二、球磨機(jī)工作原理
球磨機(jī)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(zhuǎn)部、傳動部（減速機(jī)、小傳動齒輪、電機(jī)、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(zhuǎn)的簡體。球磨機(jī)由電動機(jī)通過減速機(jī)及周邊大齒輪減速傳動、或由低轉(zhuǎn)速同步電機(jī)直接通過周邊大齒輪減速傳動，驅(qū)動回轉(zhuǎn)部回轉(zhuǎn)。筒體內(nèi)部裝有適當(dāng)?shù)哪サV介質(zhì)一鋼球。磨礦介質(zhì)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(tài)落下。被磨制的物料由給料口連續(xù)地進(jìn)入簡體內(nèi)部，被運(yùn)動的磨礦介質(zhì)所粉碎，并通過溢流和連續(xù)給料的力量將產(chǎn)品排出機(jī)外，以進(jìn)行下一段工序處理。用于陶瓷工業(yè)的球磨機(jī)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(nèi)裝有一定形狀尺寸的研磨體，筒體旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生一定的軸向運(yùn)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(jié)構(gòu)如圖1所示。
驅(qū)動部分是球磨機(jī)的關(guān)鍵：球磨機(jī)屬于低速重載設(shè)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(tǒng)的啟動和調(diào)速。陶瓷工業(yè)球磨機(jī)通常采用附加啟動電機(jī)沖擊啟動或軟啟動裝置來啟動，對電網(wǎng)沖擊大，而且啟動完成后運(yùn)轉(zhuǎn)時所需的轉(zhuǎn)矩減小，所以在節(jié)約能源方面有很大的空間。目前普遍采用的驅(qū)動方式是三相交流電動機(jī)-液力耦合器-齒輪減速器-皮帶輪減速器。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，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)動狀況如圖2所示。
1）當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，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，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。
2）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。
3）當(dāng)筒體的轉(zhuǎn)速處于上述二者之間的某一轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速稱為最佳工作轉(zhuǎn)速。
四、球磨機(jī)系統(tǒng)存在的問題
1）球磨機(jī)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(chǎn)品功耗較大；
2）球磨機(jī)一般采用星三角或自耦降壓啟動，啟動電流特別大，對設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊很大；
3）機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)維護(hù)量也大，而且耗電量相當(dāng)驚人，這必然會給生產(chǎn)廠家?guī)砗芏嗖槐匾穆闊┖蛧?yán)重的資源浪費(fèi)。
五、改造方案
根據(jù)原工況存在的問題并結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，改造后的球磨機(jī)系統(tǒng)滿足以下要求。
1）改造后的設(shè)備要有足夠的起動轉(zhuǎn)距，滿足還球磨機(jī)裝載量大的要求，并且保證設(shè)備在變頻運(yùn)行狀態(tài)下使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，保障電動機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩特性。
2）利用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改造原有球磨機(jī)拖動系統(tǒng)，滿足球磨機(jī)低速時的正常運(yùn)行，確保正常的工藝控制，使球磨機(jī)及電動機(jī)的使用壽命延長，減少維護(hù)。
3）改造后的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)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(jī)大慣性引起回升電壓，有效地保證設(shè)備的正常運(yùn)行。
4）針對球磨機(jī)生產(chǎn)工藝和控制特點(diǎn)，普傳科技研發(fā)了球磨機(jī)變頻節(jié)能控制柜（如圖3），通過采用DSP控制技術(shù)，內(nèi)置的優(yōu)化控制程序，并根據(jù)球磨機(jī)實(shí)時運(yùn)行負(fù)荷自動調(diào)整電機(jī)在運(yùn)行過程中的各項(xiàng)參數(shù)，使電機(jī)運(yùn)行軸功率得到最佳化；球磨機(jī)優(yōu)化系統(tǒng)使球磨機(jī)轉(zhuǎn)速可以隨球磨工藝條件變化而自動調(diào)節(jié)(不同的工作時間具有不同的調(diào)制參數(shù))，以保證其高效工作，同時有效的節(jié)約電能。其控制電氣圖如圖4所示。
六、應(yīng)用效果
利用變頻調(diào)速技術(shù)改造后的球磨機(jī)拖動系統(tǒng)，滿足了球磨機(jī)低速運(yùn)行、大起動轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了球磨機(jī)的運(yùn)行速度連續(xù)可調(diào)，電機(jī)起動時無沖擊電流，保護(hù)功能完善，保證了工藝控制質(zhì)量，節(jié)約了維護(hù)成本，取得了以下效果：
1）軟啟動：球磨機(jī)使用變頻調(diào)速后，起動電流可比原先小3-5倍，（如110kW電機(jī)原先的起動電流在600A以上，變頻節(jié)能控制系統(tǒng)起動電流為120A～160A之間），實(shí)現(xiàn)了真正的軟起動，也收到了節(jié)能的效果。由于起動電流大大減小，不會造成對電網(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)臺數(shù)；
2）自動控制：改造后的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制，以及市電/節(jié)電切換功能，并能克服球磨機(jī)大慣性引起的回升電壓，能有效地保證設(shè)備正常運(yùn)行；
3）延長壽命：利用變頻器自動電壓調(diào)節(jié)功能，可在與負(fù)載無關(guān)的條件下，保持電機(jī)效率最高，因消除了起動時的沖擊，所以延長了機(jī)軸、齒輪、皮帶等機(jī)械件的使用壽命，減少了維修費(fèi)用；
4）多段速度控制：普傳科技變頻控制柜內(nèi)置多段速自動運(yùn)行功能，可以通過變頻器方便地設(shè)定研磨時間，加磨時間和自動停機(jī)功能，使操作更加智能化，人性化；
5）動態(tài)節(jié)能功能：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)5%～10%左右。
6)高回報(bào)率：所有投資約6～12個月可通過電費(fèi)節(jié)省回收。
河南某陶瓷廠一臺80噸球磨機(jī)采用普傳科技球磨機(jī)變頻器改造。電動機(jī)功率為280 kW，改造前實(shí)際使用功率為270 kW,每天工作16h，普傳變頻節(jié)能控制柜型號為PS7800—280G3。原球磨機(jī)每月用電量為270×16×30＝129,600kWh（度）?？刂萍夹g(shù)，內(nèi)置的優(yōu)化控制程序，并根據(jù)球磨機(jī)實(shí)時運(yùn)行負(fù)荷自動調(diào)整電機(jī)在運(yùn)行過程中的各項(xiàng)參數(shù)，使電機(jī)運(yùn)行軸功率得到最佳化；球磨機(jī)優(yōu)化系統(tǒng)使球磨機(jī)轉(zhuǎn)速可以隨球磨工藝條件變化而自動調(diào)節(jié)(不同的工作時間具有不同的調(diào)制參數(shù))，以保證其高效工作，同時有效的節(jié)約電能。其控制電氣圖如圖4所示。安裝了球磨機(jī)專用變頻節(jié)能控制系統(tǒng)后實(shí)測節(jié)電率可達(dá)8.1%，則每月可節(jié)省電量約為129,600×8.1%=10497.6 kWh，按每度電費(fèi)0.80元計(jì)算，則每月節(jié)電費(fèi)8398元。若以每臺變頻節(jié)能柜投資為6.5萬元計(jì)算，投資回收期約為65000÷6905＝7.7個月，即半年多即收回成本。而變頻器的使用壽命一般為5～10年，按6%保守節(jié)電率估算一年以后即為純回報(bào)期，年節(jié)電收益在9萬元左右。如大功率球磨機(jī)節(jié)能效果更明顯。
七、結(jié)論
大量應(yīng)用實(shí)踐證明，普傳科技系列大功率變頻器用于水泥、鋼鐵、陶瓷行業(yè)球磨機(jī)的節(jié)能改造十分成功，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著用戶對變頻器的使用經(jīng)驗(yàn)和接受程度的提高，POWTRAN大功率變頻器在上述行業(yè)有著更加廣闊的應(yīng)用前景。
