樊曉棟

（贛州有色冶金機(jī)械有限公司，江西 贛州 341000）

0引言

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

作者對當(dāng)前球磨機(jī)中使用的異步電機(jī)起動方式進(jìn)行了分析，針對其存在的主要問題，進(jìn)行了起動方式和電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)，安裝WZR無刷自控電機(jī)軟起動器的球磨機(jī)投入使用后，對提高礦山企業(yè)效能，節(jié)能減排，保障電機(jī)和電網(wǎng)的運(yùn)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(jī)的工作原理是球磨機(jī)轉(zhuǎn)動時，筒體旋轉(zhuǎn)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?fù)艉脱心プ饔肹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(shè)備球磨機(jī)發(fā)生故障，生產(chǎn)線上的其他破碎機(jī)、螺旋分級機(jī)等設(shè)備也要相應(yīng)停機(jī)，將造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前球磨機(jī)普遍使用的是JR、JZR、YR、YZR三相繞線轉(zhuǎn)子交流異步電動機(jī)（又稱滑環(huán)電動機(jī)），用于繞線型異步電動機(jī)起動方式一般有3種，即轉(zhuǎn)子繞組串電阻、轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器、轉(zhuǎn)子串液體電阻等起動方式。這幾種起動方式都需要將轉(zhuǎn)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(yùn)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(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器起動方式應(yīng)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(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)起動裝置，存在如下問題：

（1）起動電流較大、起動轉(zhuǎn)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(dāng)電源電壓低于電動機(jī)額定電壓時，用頻敏變阻器幾乎都無法起動電機(jī)。尤其是礦山企業(yè)電網(wǎng)負(fù)載能力有限，對于重載起動的球磨機(jī)（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(fù)荷變化時的起動性能要求。因球磨機(jī)的起動負(fù)載不是常數(shù)，當(dāng)磨機(jī)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(jī)筒體內(nèi)負(fù)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(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，造成電機(jī)燒壞。

（4）電機(jī)碳刷與滑環(huán)長期摩擦，所產(chǎn)生碳粉會導(dǎo)致電機(jī)絕緣的降低，引發(fā)電動機(jī)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(jī)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(yán)重和電機(jī)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(jī)無刷自控電機(jī)軟起動器的應(yīng)用

為提高球磨機(jī)對礦山生產(chǎn)條件的適應(yīng)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(jī)的軟起動技術(shù)的應(yīng)用。該項技術(shù)的核心是在球磨機(jī)中采用無刷自控電機(jī)軟起動裝置，去除了頻敏變阻器和電機(jī)的碳刷與滑環(huán)，同時，對控制柜進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。與頻敏變阻器起動方式相比較，無刷自控電機(jī)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(yùn)行平穩(wěn)、熱容量大等優(yōu)點(diǎn)。這種起動方式，起動控制能根據(jù)負(fù)載的大小，自動跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速完成起動，從而徹底避免了頻敏變阻器調(diào)節(jié)負(fù)載電流能力差的特性。同時，還具有能動態(tài)消除電機(jī)運(yùn)行故障功能，如在電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)故障時，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，起動器會自動投入運(yùn)行，達(dá)到增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩，減少起動電流的目的[6]。

無刷自控電機(jī)軟起動器是將起動電阻直接安裝在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力作為動力，控制電阻的大小，達(dá)到減少電機(jī)起動電流、增加起動轉(zhuǎn)矩，使實(shí)現(xiàn)無刷自控運(yùn)行的裝置[7]。當(dāng)電機(jī)起動時，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)以恒定電流、恒定轉(zhuǎn)矩起動。在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，自動打開排氣閥，保證正常運(yùn)行時，起動器內(nèi)部的壓力與大氣壓一致，尤其在因電機(jī)長時間堵轉(zhuǎn)，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(jī)和起動器的安全。

起動裝置采用電解質(zhì)溶液導(dǎo)電，不存在電感，啟動過程中功率因數(shù)可達(dá)0.9左右。起動轉(zhuǎn)矩大，特別適用于球磨機(jī)、破碎機(jī)、大型風(fēng)機(jī)、大型水泵（電機(jī)功率130～2 000 kW為宜）等設(shè)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(jī)為軟起動球磨機(jī)。

它主要由機(jī)殼、電解液、動極板、彈簧、接線柱、安全閥、排氣閥等構(gòu)成。電機(jī)軟起動結(jié)構(gòu)示意圖（見圖1）。

圖1 電機(jī)軟起動電氣結(jié)構(gòu)示意圖

3 應(yīng)用效果

根據(jù)以上設(shè)計，將無刷自控電機(jī)軟起動裝置應(yīng)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(jī)上，這類設(shè)備為目前中小型選廠的主流機(jī)型。經(jīng)過2年多的產(chǎn)品跟蹤，全部20余臺設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。根據(jù)使用情況反饋，應(yīng)用WZR軟啟動器后，基本實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)品設(shè)計預(yù)期目標(biāo)。

采用WZR無刷自控電機(jī)軟起動器裝置的球磨機(jī)，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(fù)荷配置小，通常采用高配電網(wǎng)的方式來保證礦山設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這種方式帶來許多弊病。采用軟起動裝置的球磨機(jī)，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(shè)計提供了基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的繞線式異步電動機(jī)經(jīng)過一段時間運(yùn)行后，由于滑環(huán)和碳刷的磨損，容易形成積碳，需要停機(jī)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(jī)清理次數(shù)更為頻繁。球磨機(jī)是選廠流水線上的核心設(shè)備，其停機(jī)清理必然影響整條流水線的正常運(yùn)行。采用WZR無刷自控電機(jī)軟起動器裝置的球磨機(jī)，因為在電機(jī)中去除了滑環(huán)、碳刷，它前述造成的缺點(diǎn)隨之消除，減少了電工、鉗工1/2的維修工作量。

設(shè)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(jī)轉(zhuǎn)子的三根電纜線，減少了線路的功率消耗；二是減少了原設(shè)備中轉(zhuǎn)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(jī)起動時轉(zhuǎn)子回路在起動器內(nèi)短接，節(jié)約了原消耗在轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差功率損耗（引起轉(zhuǎn)子回路導(dǎo)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(yīng)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(jié)語

無刷自控電機(jī)軟起動裝置，不僅使傳統(tǒng)繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)甩掉了龐大復(fù)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(jī)，實(shí)現(xiàn)了以額定電流、額定轉(zhuǎn)矩起動的效果，比較適用需要大起動轉(zhuǎn)矩、小起動電流的設(shè)備。將WZR電機(jī)起動裝置運(yùn)用于球磨機(jī)，可適應(yīng)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(fù)載自適應(yīng)的能力、節(jié)能和運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)能為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

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

[2] 李 平，劉茂燧.球磨機(jī)理論轉(zhuǎn)速的研究和最佳工作轉(zhuǎn)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(jī)軟起動器原理及應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2009，（3）：62.

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

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