球磨机节能策略与控制方法

陈庆协,刘念

(1.龙岩学院 物理与机电工程学院,福建 龙岩 364012;2.四川大学 电气信息学院,四川 成都 610065)

1 引言

在粉磨工艺中最主要的设备就是球磨机,各类球磨机大致相同,属于低速重载设备,且要求具有一定的恒转矩,以满足球磨机装载量的要求。球磨机筒体的转速太低或太高,都会降低钢球对物料的研磨效率[1]。球磨机转速较低时,钢球和物料随筒体内壁上升,当钢球和物料的倾角等于或大于自然倾角,钢球沿斜面滑下不能形成足够的落差,钢球对物料的磨碎作用很小,这种情况效率很低;如果筒体的转速很高时,由于离心力的作用,以致物料和钢球不再脱离筒壁,而随其一同旋转,这时钢球没有撞击作用,物料只受到轻微的研磨,效率也很低。因此,球磨机料筒的转速要求恒定。要考虑球磨机变频调速节能,其转速变化的范围也不大,且可能使球磨的时间增长,节能的效果不明显[2]。电动机作为球磨机电力传动方式的生产机械,其功率是按最大负荷或长期额定负荷选择的,而绝大部分工作时间设备不能满载运行,特别是用于塑料粉末生产的球磨机采用滑差调速电机拖动,其电机始终工作在满电压、满速度状态,负载满载率却经常很小[3-4]。针对球磨机工作特点和要求,本文分析影响球磨机用电效率的关键因素,研究球磨机节能策略,提出以旁路双斜坡软启动的控制方法;以轻载降压调整球磨机电机的输入电压,控制其输入功率,实现“所供即所需”的球磨机制粉电动机运行效率的最优化。

2 节能策略的机理

2.1 影响轻载球磨机电机效率的因素

球磨机电机在同一负载下运行于端电压为和的效率比为

由三相异步电动机在某一负载下运行的简化等值电路有

式中:s为转差率。

球磨机电机在同一负载下运行于端电压为UpN和Upx的相电流比:

则式(1)表示为

因此,影响球磨机电机效率的因素有:电压、转差率及功率因数。

2.2 轻载球磨机电机节能的条件

由电动机功率因数[5]:

由式(5)可见,轻载电动机降压可提高功率因数,另一方面,轻载恒压供电方式使电动机增速,转差率变小,在此基础上降压又使电动机减速,提高电动机的转差率。球磨机电机在负荷下降时,要降压提效,只有φ＞φ′才能实现。

2

.3 球磨机电机对降压的要求

球磨机属于恒转矩负载,采取降压节能后,由于电动机转矩与其端电压的平方成正比[5],球磨机电动机转矩下降,电动机端电压所降低的幅值受球磨机能否带动负载正常运行的制约。由异步电动机机械特性知[3]:

电动机最大转矩与其端电压的平方成正比,导出:

式中:和分别为电动机的额定转矩、最大转矩和电动机轻载降压时转矩;UpN和UP分别为电动机端额定相转差率电压和轻载降压后的相电压和分别为电动机临界转差率、额定转差率和轻载降压后的转差率。

为了保证球磨机电机端电压降到最低时的最大转矩TNM能带动负载正常运行,必须满足:

可见,球磨机电机端电压所能降到的最低电压值为

3 节能策略与控制方法的实现

球磨机节能策略与控制方法的系统结构如图1所示。球磨机节能策略控制系统结构主要由3部分组成:软启动、主回路、控制回路。球磨机启动时,电机采用电压斜波启动;电动机轻载运行时维持电压、电流的相位差在一定的水平;系统出现故障时以市电运行,形成一个完整的电控系统。

图1 球磨机节能策略的系统结构框图Fig.1 Sy stem structure diagram of ball mill energy saving policy

3.1 球磨机轻载降压节能控制方法

球磨机轻载降压节能控制方法是在控制系统中的主回路采用双向晶体管相控调压,控制回路由双闭环构成,外环通过对取自三相电网的同步信号过零检测,与代表电机电流过零的晶体管上电压比较,形成电流滞后电压角度φ,让实测的角度φ与给定的功率因数角相比较,差值信号进行调节,产生晶体管移相触发角α;内环通过晶体管相控输出电压值与最低电压值相比较,以不低于为信号,参与晶体管移相触发角α的修正,以保证球磨机电动机端电压降到最低时,其转矩能带动负载,系统正常稳定运行。

利用电动机负载变化时电流滞后电压角度发生变化机理,将检测出的电流滞后电压角度作为信号去控制晶体管的导通角,从而控制球磨电机的端电压,使加在电机上端电压跟随负载变化而变化,而使功率因数能保持在一个恒定的值上,电动机转速几乎不变的球磨机轻载降压节能控制系统框图如图2所示。

图2 球磨机轻载降压节能控制系统框图Fig.2 Block diag ram of light-load step-down energy saving control sy stem for ball mill

3.2 球磨机提高功率因数节能

电动机的能耗包括定子铜耗、转子铜耗、摩擦损耗、铁耗、杂耗及有效功率。其中定子铜耗、转子铜耗和铁耗可以通过供给球磨电机电源电压的合理调控[6],在满足负载有效功率需求前提下,使定子铜耗、转子铜耗和铁耗减小。

将维持球磨机工作的定子电流分解为直角坐标系下两个垂直分量:阻性电流IR1分量及感性电流IM 1分量。感性电流分量依赖于电压和磁通密度,在额定电压下,磁场消耗的能量保持恒定,与负载所需的转矩无关。支持负载转矩的能量取决于阻性电流IR1分量,在满电压情况下负载转矩变化引起的定子电流变化实质是阻性电流IR1的变化,随着负载转矩的减小,功率因数角随之增大。图3为恒压供电方式下球磨机电机定子电压电流矢量图。由于电机运行在恒压供电方式,所以电机的磁场耗能维持不变,即感性电流IM1分量维持不变,随着负载减小,阻性电流分量IR1随之减小,这就是电动机轻载低功率因数的原因。当负荷发生变化时,对异步电动机采用降压恒功率因数供电方式,通过调整供电电压来调整感性电流IM1分量,不仅能够减少铁耗,还可减少定子、转子的铜耗,从而达到节能的目的。图4为负荷变化时变压恒功率因数供电方式下定子电压电流关系矢量图。

图3 恒压供电方式下定子电压电流矢量图Fig.3 Voltage and current vecto r of stator for constant voltage power supply

图4 负荷变化时恒功率因数供电下定子电压电流关系Fig.4 V oltage and current relations for load change with constant power facto r

球磨机电机轻载运行时维持电压、电流的相位差在一定数值上,始终将功率因数保持在某一较高的恒定水平,减少了无功功率,降低了线路压降和电动机本身电能损耗,提高了用电效率。

3.3 球磨机软启动节能

球磨机电动机启动时,启动电流约为6～8倍额定电流。不但电能损耗十分惊人,而且启动时会对电机和供电电网造成严重的冲击,造成电网电压的波动,对电网容量要求过高,另外,启动时所产生的大电流和激烈振动对电机以及设备的机械使用寿命也有极大影响[7-8]。球磨机采用软启动后,可以有效地将启动电流限制在一定的波动范围内,从而大大降低启动损耗、有效地减小采用软启动前电动机对设备的机械冲击和对电网大电流冲击。根据球磨机的机械特性[9-10],启动策略采用旁路双斜坡软启动,图5是双斜坡软启动的控制系统结构图。输出电压先迅速升至电动机启动所需的最小转矩所对应的电压值U,然后按设定的速率逐渐升压,直至达到额定电压。初始电压及电压上升率可根据负载情况调整。双斜坡软启动的特点是启动转矩相对较大,启动时间相对较短,适用于球磨机的启动要求。当启动完毕,甩开双斜坡软启动设备,以避免不必要的电能损耗。

图5 双斜坡软启动的控制系统结构图Fig.5 Control sy stem structure diag ram of dual slope soft start

4 实验结果与讨论

利用该系统对一台3.0 kW的JO系列的4极电机进行实验。从表1的实验数据可以看出,相比使用本系统前,电机在额定负载附近节能运行时,其效率和功率因数变化不大,说明此时节能效果不明显;随着负荷系数的降低,电机的运行效率逐渐得以提高,功率因数增加更为显著。这种节能策略可以使异步电动机在不同的负载下均呈现出较高的高功率因数。在实际应用中,随着定子电压的降低,异步电动机的转矩会减小。所以采取降压措施节能时,降压行为还受到电机能否带动负载正常运行的制约。为保证电机所具有的电磁转矩必须能克服空载转矩且带动负载正常运行,需要对其进行转矩校验。

表1 电机在不同负载时运行实验结果T ab.1 Test results of motor running at different load

5 结论

电机控制是一个非线性控制问题,变频器在基频以下调节电动机的转速可节能,节能的幅度与调速的范围有关,但对球磨机速度可调范围不大,节能效益不明显。从球磨机节能运行的角度出发,在满足相同负载功率前提下,按能耗最小寻优目标的功率因数,确定最佳调整电压,以减少电机输入有功功率的控制系统,采用降压提效,以旁路双斜坡软启动的控制方法改善球磨机的启动性能,从而以轻载降压来提高球磨机的运行效率。通过实验数据表明,该节能策略与控制方法是可行的,对球磨机节能运行起到作用。

[1] 方景光.粉磨工艺及设备[M].武汉:武汉理工大学出版社,2002.

[2] 张志彬.变频器在陶瓷行业球磨机节能改造中的应用[J].变频技术应用,2006(5):16-17.

[3] GB12497.三相异步电动机经济运行[S].强制性国家标准实施监督指南,2007.

[4] 王雪丹,王若虚,王彦杰.异步电动机节能途径的研究[J].黑龙江矿业学院学报,1999,39(1):30-34.

[5] 邵群涛.电机及拖动基础[M].第2版.北京:机械工业出版社,2008.

[6] 张振乾,王毅.基于 AT T7022A的抽油机动态无功补偿控制器的研制[J].仪器仪表用户,2007,14(5):40-43.

[7] 刘建业,安曙明,付占稳,等.三相异步电动机智能化节能器控制策略与控制算法[J].电工技术杂志,2004(2):34-36.

[8] 逢海萍,康健,朱殿琪.异步电动机软起动节能控制器[J].电工技术,2001,22(1):16-18.

[9] 戴文,张秀东.交流电动机软起动节电器控制装置的研究[J].山东科技大学学报:自然科学版,2000,19(2):41-44.

[10]徐甫荣,崔力.交流异步电动机软起动及优化节能控制技术研究[J].电气传动自动化,2003,25(1):3-6.

修改稿日期:2010-07-09