摘 要：介绍了矢量变频器在球磨机中的应用，对其使用现状以及问题给与介绍，同时对变频改造方案和应用效果加以介绍，结论说明变频器在球磨机运行中具有良好的经济性和安全性。
　　1. 概述
　　变频器在陶瓷、发电、电解铝、水泥等行业的应用已非常普遍，生产机械如回转窑中的主传动、各种风机、传送带等以往不使用调速或使用电磁调速和其他的调速方式的，都相继改造为变频交流调速。改造的目的是方便生产过程中工艺调速，以提高产品的产量、质量，同时实现自动化节能。但是，在变频调速在粉磨工艺中最主要的设备球磨机上的应用其本还是很少。
　　球磨机一般采用的工频控制，易造成物料的过度研磨，且研磨周期较长，研磨效率较低，单位产品功耗较大。同时,球磨机一般采用星三角或自耦降压启动，启动电流特别大，对设备和电网的冲击很大，而且电的损耗量相当惊人，这必然会给生产厂家带来很多不必要的麻烦和严重的资源浪费，所以随着社会经济的发展以及企业产生规模的扩大，直接工控球机磨的弊病已暴露无遗，并严重地阻碍了各工业企业快速发展。这促使人们去研制启动平滑、研磨效率较高、产量大、能耗低的球磨机――变频控制球磨机。
　　2. 球磨机的临界转速和最佳工作转速
　　球磨机一般以固定转速运行，筒体的转速由皮带轮或齿轮减速机构或用液力耦合器决定。其转速直接影响到钢球和物料的运动状况及物料的磨制过程。在不同的转速下，筒体内的钢球和物料的运动状况如图1所示。

　　图1不同转速下筒体内钢球和物料的运动状况图
　　若转速比较低时，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时，钢球沿斜面滑下，如图1（a），不能形成足够的落差，钢球对物料的磨碎作用很小，此时效率很低。如果筒体的转速很高，离心力使物料和钢球不再脱离筒壁，而是随其一起旋转，如图1（C）。产生这种状态的最低转速称为临界转速。这时钢球没有撞击作用，物料仅受到轻微的研磨，效率也很低。当筒体的转速处于上述二者之间时，钢球被带到一定的高度后沿抛物线落下，如图1（b）。此时钢球对筒底的物料产生强烈的撞击作用效率最高，此时的工作转速成为最佳工作转速。球磨机的临界转速为[1]：
　　球磨机的临界转速为：
　　球磨机的最佳工作转速为：
　　实际运行表明，最佳工作转速与钢球的直径及其装载量、护甲形状、钢球与护甲之间的摩擦系数等因素有关。一般最佳工作转速通常为，可见转速还是有一定的可调范围，只不过可调范围不大。实际上，如上所述的陶瓷厂的球磨机，料筒转速的变动范围在16r/min~18r/min 之间。电机的转速是1440r/min，通过齿轮减速器和皮带轮减速后的料筒的转速在上述允许转速的变动范围内。如果减速机构的配置使料筒的运转速度正好为18r/min，则有11%的调速范围；机械减速器不可能做到很精确，料筒的运转速度就在16r/min~18r/min 之间的某一个速度值，因此，可调速范围10-15%。同时随着球磨机的运转，最佳转速会因料筒内物料和钢球混合状态的变化而产生变化。
　　球磨机消耗的电功率与电机的转速的一次方成正比，因此，用变频器在基频以下调节电机的转速便可达到可节能的目的，其幅度与调速的范围有关。根据不同的情况有不同的调解范围，采用变频调速理论上节能的幅度在10-15%之间。
　　3. 变频改造方案
　　3.1. 根据配置特作如下变频改造方案：
　　1）配置两套冗余变频工频驱动系统；
　　2）设置远程控制和就地控制两种方式；
　　3）保留原工频系统及其联动方式，且和变频器系统互为备用。
　　
　　图2 主控变频系统示意图
　　3.2变频改造电路：
　　变频改造时采用变频和工频控制方式。其控制柜主电路由四方变频器和工频旁路接触器等构成，控制电路由工频/变频切换开关、启动、复位开关、指示灯等构成。
　　（1）变频控制柜主电路
　　图三给出了变频节能改造的主电路图。图中KM1、KM2、KM3为接触器。在改造时仍保留原有控制电路中的降压启动电路，这样可方便改造同时保持原来的控制特性。采用工频旁路目的是为了在变频器出故障时可直接切换到工频运行，而不影响生产。
　　
　　图3 变频节能改造主电路图
　　（2）变频控制柜控制电路
　　图四为变频柜的控制电路框图。图中，SB为工频/变频转换开关，选用三级开关；SB1为变频器启动按钮；SB2为变频器停止按钮；K1为复位按钮；L1为总电源指示灯；L2为工频运行指示灯；L3变频运行指示灯；L4为变频器故障指示灯，其故障信号由变频器TA、TC输出；KM1、KM2变频运行接触器；KM3为工频运行接触器。
　　
　　图4 为变频柜的控制电路框图
　　4. 改造效果
　　 改造后的设备能够实现自动控制，并能克服球磨机大惯性引起的回升电压，有效地保证设备正常运行。利用变频器自动电压调节功能，可在与负载无关的条件下，保持电机效率最高，因消除了起动时的冲击，延长了机轴、波箱齿轮、皮带等机械的使用寿命，减少了维修费用；利用变频节能调速技术改造了球磨机的拖动系统，满足了球磨机低速运行、大起动转距的特点，实现了球磨机的运行速度连续可调；电机起动时无冲击电流，起动力矩足够，保护功能完善，保证了工艺控制质量，节约了维护成本。球磨机使用变频调速后，起动电流小于额定电流的1.5倍，实现了真正的软起动，也收到了节能的效果。由于起动电流大大减小，不会造成对电网的冲击和电网电压的下降，消除了因球磨机起动而引起的其它用电设备跳闸或故障。在同样的电网容量下，可以增加装机台数，可以通过变频方便地设定研磨时间，加磨时间和自动停机功能，使操作更加智能化、人性化。球磨机变频节能系统的节能效果一般可达10~15%左右。

   5、方案特点及优势
1. 球磨机使用变频调速后，实现了系统的软启动。启动电流大大减小，比之前的工频控制小3～5倍，消除了启动时的冲击，延长了机械部件的使用寿命，减少了设备的维护量及维护费用，同时也降低了对电网及周边设备的冲击；
2. 利用变频矢量调速技术拖动，满足了球磨机低速运行、大启动转矩的特点，有效保证系统的控制工艺；
3. 可以通过变频器方便地设定研磨时间，加磨时间和自动停机功能，使操作更加智能化，人性化；
4. 节能效果一般可达8%～10%左右；
5. 系统具有完善的缺相、短路、过电压、过电流等各种保护功能，同时可加装市电/节能切换功能，有效保证设备的稳定运行。
　　6. 结束语
　　实践证明，矢量变频器用于陶瓷行业球磨机的节能改造十分成功，取得了良好的经济效益。随着用户对变频器的使用经验和接受程度的提高，矢量变频器在陶瓷行业有着更加广阔的应用前景。

推荐阅读：谈谈矢量变频器的分类与工作原理