WZR無刷自控電機軟起動器在球磨機上的應用

樊曉棟

（贛州有色冶金機械有限公司，江西 贛州 341000）

0引言

球磨機是有色金屬礦山企業(yè)選礦流水線上的關鍵粉磨設備，同時也是耗電量較大的主機設備，如在選礦廠，球磨機耗電量通常占全廠總耗電量的50%以上。由于球磨機屬于低速重載設備，起動力矩大，因此，一般球磨機都選用起動性能良好的繞線型異步電動機拖動。隨著國民經(jīng)濟對有色金屬需求的激增，礦山企業(yè)對于粉磨設備的需求也逐步轉向大型化，因而用于傳動電機的功率也越來越大，如何設計選配合理的起動裝置，對于設備的正常運行和電網(wǎng)的安全維護均至關重要。目前，對球磨機電動機起動方式改良已引起不少同行的關注[1]。

作者對當前球磨機中使用的異步電機起動方式進行了分析，針對其存在的主要問題，進行了起動方式和電氣控制系統(tǒng)的改進，安裝WZR無刷自控電機軟起動器的球磨機投入使用后，對提高礦山企業(yè)效能，節(jié)能減排，保障電機和電網(wǎng)的運行質(zhì)量和安全產(chǎn)生了良好的效果。

1 頻敏變阻器起動方法和存在的主要問題

球磨機的工作原理是球磨機轉動時，筒體旋轉產(chǎn)生離心力將研磨體（鋼球）帶到一定高度后落下，對物料產(chǎn)生重擊和研磨作用[2]。由于礦山企業(yè)是流水線三班連續(xù)作業(yè)，一旦主要設備球磨機發(fā)生故障，生產(chǎn)線上的其他破碎機、螺旋分級機等設備也要相應停機，將造成較大的經(jīng)濟損失。

目前球磨機普遍使用的是JR、JZR、YR、YZR三相繞線轉子交流異步電動機（又稱滑環(huán)電動機），用于繞線型異步電動機起動方式一般有3種，即轉子繞組串電阻、轉子回路串頻敏變阻器、轉子串液體電阻等起動方式。這幾種起動方式都需要將轉子電流通過碳刷、滑環(huán)、電纜等引到地面控制柜與外電路連接，運行中出現(xiàn)的碳刷磨損帶來的問題突出，一直沒有得到解決，且所需的起動設備多、結構復雜、維修量大，起動完成后還需短接裝置來切除起動器。在以上3種方式中，轉子回路串頻敏變阻器起動方式應用最為普遍，但頻敏變阻器起動方式，由于其回路在該電動機的轉軸上裝有滑環(huán)、碳刷、刷盒、短路環(huán)等零件，作為這種電動機起動裝置，存在如下問題：

（1）起動電流較大、起動轉矩較小，對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊。這是由于頻敏變阻器的電感特性所致[3]。

（2）低電壓起動能力差。當電源電壓低于電動機額定電壓時，用頻敏變阻器幾乎都無法起動電機。尤其是礦山企業(yè)電網(wǎng)負載能力有限，對于重載起動的球磨機（起動電流約為3倍額定電流）時，往往不能順利起動。

（3）不能滿足負荷變化時的起動性能要求。因球磨機的起動負載不是常數(shù)，當磨機筒體內(nèi)鋼球和礦漿較少時，起動阻力矩較小，起動能獲成功，如果磨機筒體內(nèi)負荷增加較大，阻力矩增加了，起動隨即發(fā)生困難，如不及時調(diào)整參數(shù)，頻敏變阻器抽頭引線連接處容易發(fā)熱燒斷[4]，力矩驟減，電機出現(xiàn)堵轉，造成電機燒壞。

（4）電機碳刷與滑環(huán)長期摩擦，所產(chǎn)生碳粉會導致電機絕緣的降低，引發(fā)電動機故障[5]。且碳刷與滑環(huán)的摩擦還會增大接觸電阻，引起電機溫升過高。

同時，還存在起動平滑性較差、起動過程中發(fā)熱現(xiàn)象嚴重和電機碳刷與滑環(huán)的摩擦容易產(chǎn)生火花，存在安全隱患等問題。

2 球磨機無刷自控電機軟起動器的應用

為提高球磨機對礦山生產(chǎn)條件的適應性，針對上述頻敏變阻器起動方式所存在的問題，研究了球磨機的軟起動技術的應用。該項技術的核心是在球磨機中采用無刷自控電機軟起動裝置，去除了頻敏變阻器和電機的碳刷與滑環(huán)，同時，對控制柜進行了優(yōu)化設計。與頻敏變阻器起動方式相比較，無刷自控電機軟起動裝置具有起動電流小且恒定、連續(xù)無級變阻、可低壓起動、運行平穩(wěn)、熱容量大等優(yōu)點。這種起動方式，起動控制能根據(jù)負載的大小，自動跟蹤電機轉速完成起動，從而徹底避免了頻敏變阻器調(diào)節(jié)負載電流能力差的特性。同時，還具有能動態(tài)消除電機運行故障功能，如在電機出現(xiàn)堵轉故障時，隨著電機轉速的降低，起動器會自動投入運行，達到增加電機轉矩，減少起動電流的目的[6]。

無刷自控電機軟起動器是將起動電阻直接安裝在電動機的轉軸上，利用電機旋轉時產(chǎn)生的離心力作為動力，控制電阻的大小，達到減少電機起動電流、增加起動轉矩，使實現(xiàn)無刷自控運行的裝置[7]。當電機起動時，隨著電機轉速的升高，通過改變極板的距離和改變水電阻的溫度調(diào)節(jié)水電阻大小，使電動機以恒定電流、恒定轉矩起動。在電機轉速達到額定轉速后，自動打開排氣閥，保證正常運行時，起動器內(nèi)部的壓力與大氣壓一致，尤其在因電機長時間堵轉，電解液燒開、起動器內(nèi)部壓力升高時，安全閥及時打開，能夠保證電機和起動器的安全。

起動裝置采用電解質(zhì)溶液導電，不存在電感，啟動過程中功率因數(shù)可達0.9左右。起動轉矩大，特別適用于球磨機、破碎機、大型風機、大型水泵（電機功率130～2 000 kW為宜）等設備重載起動。因為這種起動方式屬于軟起動方式之一，故可以稱具有此起動性能的球磨機為軟起動球磨機。

它主要由機殼、電解液、動極板、彈簧、接線柱、安全閥、排氣閥等構成。電機軟起動結構示意圖（見圖1）。

圖1 電機軟起動電氣結構示意圖

3 應用效果

根據(jù)以上設計，將無刷自控電機軟起動裝置應用到某企業(yè)生產(chǎn)的直徑1.5 m×3 m，1.83 m×4.5 m，2.1 m×3.6 m和2.4 m×3.6 m的4種系列規(guī)格球磨機上，這類設備為目前中小型選廠的主流機型。經(jīng)過2年多的產(chǎn)品跟蹤，全部20余臺設備運行穩(wěn)定。根據(jù)使用情況反饋，應用WZR軟啟動器后，基本實現(xiàn)了對產(chǎn)品設計預期目標。

采用WZR無刷自控電機軟起動器裝置的球磨機，在供電條件差的礦山效果更為明顯。許多中小型鎢礦山，供電線路長，供電負荷配置小，通常采用高配電網(wǎng)的方式來保證礦山設備的正常運轉，這種方式帶來許多弊病。采用軟起動裝置的球磨機，不需要大電流起動，避免了重載起動時對電網(wǎng)的瞬間沖擊，為礦山供電配載的合理設計提供了基礎。

傳統(tǒng)的繞線式異步電動機經(jīng)過一段時間運行后，由于滑環(huán)和碳刷的磨損，容易形成積碳，需要停機清理，一般是一個月左右清理一次。近年來，因碳刷產(chǎn)品質(zhì)量普遍下降等原因，停機清理次數(shù)更為頻繁。球磨機是選廠流水線上的核心設備，其停機清理必然影響整條流水線的正常運行。采用WZR無刷自控電機軟起動器裝置的球磨機，因為在電機中去除了滑環(huán)、碳刷，它前述造成的缺點隨之消除，減少了電工、鉗工1/2的維修工作量。

設備的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在三個方面，一是由于節(jié)省安裝空間和二次回路電纜，減少了電控柜到電機轉子的三根電纜線，減少了線路的功率消耗；二是減少了原設備中轉子回路自身的能耗。該起動器使用后，已經(jīng)去掉了的原起動器內(nèi)繼電器、接觸器不再耗電，電機起動時轉子回路在起動器內(nèi)短接，節(jié)約了原消耗在轉子回路的轉差功率損耗（引起轉子回路導線發(fā)熱、短接接觸器發(fā)熱的功率損耗）；三是減少了重載起動產(chǎn)生的能耗。由于應用了軟起動裝置，可以確保一次起動成功，避免了再次起動產(chǎn)生的能耗。

4結語

無刷自控電機軟起動裝置，不僅使傳統(tǒng)繞線轉子電動機甩掉了龐大復雜的起動系統(tǒng)，而且它還解決了渦流損耗、漏電電抗、起動器發(fā)熱，故障率高等幾個最主要的問題，使繞線式異步電動機，實現(xiàn)了以額定電流、額定轉矩起動的效果，比較適用需要大起動轉矩、小起動電流的設備。將WZR電機起動裝置運用于球磨機，可適應礦山供電環(huán)境，降低對電網(wǎng)的沖擊，其優(yōu)良的起動性能、對電源和負載自適應的能力、節(jié)能和運行維護方便等特點能為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益。

[1] 石延平.球磨機軟起動裝置的研究與應用[J].化工礦物與加工，2003，（1）：26-29.

[2] 李 平，劉茂燧.球磨機理論轉速的研究和最佳工作轉速的探討[J].中國鎢業(yè)，2001，16（4）：27-29.

[3] 鄒慧穎.淺談無刷自控電機軟起動器原理及應用[J].黑龍江科技信息，2009，（3）：62.

[4] 董志強，邸永明.頻敏變阻器和液體電阻起動器在球磨機起動中的應用比較[J].山西建材，1999，（3）：22-23.

[5] 曾偉華.無刷自控軟起動器在繞線式電機中的應用[J].漣鋼科技與管理，2011，（1）：42-44.

[6] 湯海成，黃 平.無刷自控電機軟起動器的工作原理與特點探析[J].黑龍江科技信息，2008，（12）：46.

[7] 張宏喜.淺談無刷自控電機軟起動器原理及應用[J].價值工程，2011，（3）：282.