變頻調(diào)速對立磨選粉機電動機功率選型的影響及優(yōu)化

高勛，宋建林，黃洪風(fēng)，吳小強，閆玲娣

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

立磨是大型粉磨設(shè)備，用于水泥生料、水泥熟料、煤粉、礦渣和鋼渣等物料的粉磨、分級和烘干等，其中分級功能是由立磨選粉機來完成。立磨選粉機由電動機、高速聯(lián)軸器、減速機、低速聯(lián)軸器、主軸、轉(zhuǎn)子、上部錐體、定子、下部錐體、內(nèi)錐體等零部件組成。電動機一般采用三相異步電動機，也有采用永磁電動機驅(qū)動。為了滿足不同細度要求，現(xiàn)在的選粉機均采用變頻調(diào)速控制。

王仲春和張長森等人[1-2]對選粉機的動力配置計算有比較詳細的介紹，對于啟動功率和運轉(zhuǎn)功率的計算論述得也比較全面。但是立磨選粉機使用的是變頻控制系統(tǒng)，選型時僅僅考慮啟動功率和運轉(zhuǎn)功率還不夠。相關(guān)文獻中均未論述變頻調(diào)速對于立磨選粉機電動機功率選型的影響，而關(guān)于立磨的文獻中也鮮有介紹。

筆者以立磨選粉機的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)為研究對象，分析變頻調(diào)速情況下立磨選粉機的電動機功率選型。

1 變頻調(diào)速對立磨選粉機電動機功率選型的影響分析

1.1 立磨選粉機實際功率計算

立磨選粉機結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 選粉機結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of vertical roller mill

設(shè)計傳動方案時，根據(jù)文獻 [1] 可知立磨選粉機的電動機功率

式中：F為轉(zhuǎn)子葉片回轉(zhuǎn)時的總阻力，N；Vu為轉(zhuǎn)子線速度，m/s；C為空氣阻力系數(shù)；A為葉片有效面積，m2；ρs為喂料密度，kg/m3；ρf為空氣密度，kg/m3。

電動機的實際功率是由負(fù)載決定的。生產(chǎn)過程中，由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)量會有波動，立磨選粉機的負(fù)載也隨之波動，電動機實際功率也會有所變化。

1.2 轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速的確定

電動機額定轉(zhuǎn)速可在選取電動機的級數(shù) (一般選用 4 級) 后查詢電動機樣本得到。

立磨選粉機的選粉細度是由其切割粒徑?jīng)Q定的，根據(jù)文獻 [3] 可知切割粒徑

式中：d50為切割粒徑，m，η為氣體動力黏度，Pa·s；Q為風(fēng)量，m3/h；h為轉(zhuǎn)子高度，m；ρp為顆粒密度，kg/m3；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；R為轉(zhuǎn)子半徑，m。

設(shè)計電動機額定功率時，轉(zhuǎn)子半徑、轉(zhuǎn)子高度等立磨選粉機結(jié)構(gòu)參數(shù)已確定，額定產(chǎn)量、風(fēng)量也是確定的。在其余參數(shù)一定的情況下，根據(jù)式 (2) 可知，切割粒徑僅與轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速相關(guān)：轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速提高，切割粒徑就變小，反之亦然。

對于立磨生產(chǎn)線來說，立磨選粉機按照額定產(chǎn)量生產(chǎn)，細度也變化不大，即切割粒徑幾乎不變，則轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速也保持恒定。

1.3 變頻調(diào)速影響

根據(jù)文獻 [4] 電工學(xué)的知識，可知交流電動機的功率

式中：U為電動機的電壓，V；I為電動機的電流，A；φ為相電壓和相電流之間的相位差；cosφ為功率因數(shù)。

立磨選粉機的三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)采用低于額定轉(zhuǎn)速調(diào)速，即降速變頻。根據(jù)文獻 [4]，在變頻過程中，電壓與頻率的比值近于不變，也就是兩者要成比例地同時進行調(diào)節(jié)。這時磁通和轉(zhuǎn)矩也都近似不變，即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。電動機的實際電壓與額定電壓的關(guān)系為

式中：U實際、U額定分別為電動機實際電壓和額定電壓，V；f實際、f額定分別為電動機實際頻率和額定頻率，Hz。

三相異步電動機轉(zhuǎn)速、極對數(shù)和頻率的關(guān)系為

式中：n′為電動機轉(zhuǎn)速，r/min；f為頻率，Hz；p為極對數(shù)。

立磨選粉機電動機選定后，極對數(shù)p是不變的，所以轉(zhuǎn)速n′和頻率f成正比。又因為U/f的比值近于不變，則電壓U和轉(zhuǎn)速n′成正比。

則式 (4) 可寫為

立磨選粉機中，電動機經(jīng)過減速機調(diào)速后帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，則兩者的轉(zhuǎn)速關(guān)系為

式中：n實際為轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速；i為減速機速比。

則式 (6) 可以轉(zhuǎn)換為

由式 (3) 可得變頻調(diào)速時立磨選粉機電動機額定功率

實際功率

由式 (8)、(10) 可得

由式 (8)、(9) 和 (10) 可得

根據(jù)文獻 [1] 和 [2]，正常生產(chǎn)時，實際電流不能大于額定電流，即電動機安全系數(shù)K的取值必須大于1，則式 (12) 可以變?yōu)?/p>

1.4 小結(jié)

(1) 當(dāng)電動機安全系數(shù)一定時，立磨選粉機電動機額定功率與減速機速比成反比，即增加減速機速比，立磨選粉機電動機額定功率減小。可以通過此方法優(yōu)化電動機額定功率。

(2) 當(dāng)電動機額定功率一定時，電動機安全系數(shù)與減速機速比成正比。增加減速機速比，電動機安全系數(shù)也增加；反之，減小減速機速比，電動機安全系數(shù)也減小。

(3) 即使電動機額定功率大于其實際功率，當(dāng)減速機速比選得太小時，電動機安全系數(shù)也會變小，甚至?xí)霈F(xiàn)電動機安全系數(shù)小于 1 而造成超載的情況。這樣既發(fā)揮不了電動機能力，也不能滿足使用要求，還會造成浪費，應(yīng)當(dāng)避免。

(4) 當(dāng)減速機速比減小，轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速就會變大，立磨選粉機能夠?qū)崿F(xiàn)的切割粒徑就會更小，就能夠選出更細的粉。當(dāng)產(chǎn)品細度達到要求后，不必再提高立磨選粉機的轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速，以免造成粉磨工序電耗過高，增加產(chǎn)品成本。所以減速機速比設(shè)計得太小沒有意義。

(5) 考慮為變頻調(diào)速留出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整余量，電動機實際轉(zhuǎn)速或頻率處于額定的 0.80～ 0.95 倍之間為宜。

2 立磨選粉機電動機功率選型優(yōu)化

通過調(diào)研水泥生料、水泥熟料和礦渣等不同物料的立磨選粉機，筆者發(fā)現(xiàn)其實際使用的頻率差別較大，具體數(shù)據(jù)如表 1 所列。

表1 立磨選粉機電動機實際使用頻率Tab.1 Actual operating frequency of motor of vertical roller mill Hz

由此可見，很多立磨選粉機電動機功率選型都有優(yōu)化空間。

內(nèi)蒙古某廠家 5 000 t 水泥生產(chǎn)線生料立磨選粉機選用三相異步電動機，并采用變頻調(diào)速控制，電動機參數(shù)如下：實際電流為 242 A，實際頻率為 23.1 Hz，額定頻率為 50 Hz，額定電壓為 380 V，額定功率為 250 kW。對該電動機功率進行優(yōu)化。

根據(jù)式 (11) 計算得

改變減速機速比，使得實際頻率處于額定頻率50 Hz 的 0.85 倍，即42.5 Hz。根據(jù)文獻 [1]，考慮動力系數(shù)和備用系數(shù)后，取K=1.56，代入式 (13) 計算得到電動機額定功率

考慮到電動機的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，額定功率可從原有的250 kW 優(yōu)化為 132 kW。在保證同樣安全系數(shù)的前提下，優(yōu)化后電動機的采購成本有所下降，經(jīng)濟效益明顯，如表 2 所列。

表2 立磨選粉機電動機參數(shù)Tab.2 Parameters of motor of vertical roller mill

3 結(jié)論

(1) 得出變頻時立磨選粉機電動機額定功率的計算公式，為變頻系統(tǒng)的額定電動機功率選型提供了理論依據(jù)，經(jīng)過對現(xiàn)場的選型優(yōu)化分析后，認(rèn)為其具有實際應(yīng)用價值。

(2) 立磨選粉機電動機功率選型，不僅要考慮實際功率和電動機安全系數(shù)，還要考慮電動機工作轉(zhuǎn)速或頻率運行區(qū)間。驅(qū)動方案設(shè)計時，應(yīng)合理選擇減速機速比，使電動機工作轉(zhuǎn)速或頻率運行于合理區(qū)間。