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        變頻調(diào)速對(duì)立磨選粉機(jī)電動(dòng)機(jī)功率選型的影響及優(yōu)化

        2022-09-20 08:47:02高勛宋建林黃洪風(fēng)吳小強(qiáng)閆玲娣
        礦山機(jī)械 2022年9期
        關(guān)鍵詞:粉機(jī)額定功率速比

        高勛,宋建林,黃洪風(fēng),吳小強(qiáng),閆玲娣

        1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

        2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 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(jí)和烘干等,其中分級(jí)功能是由立磨選粉機(jī)來(lái)完成。立磨選粉機(jī)由電動(dòng)機(jī)、高速聯(lián)軸器、減速機(jī)、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(dòng)機(jī)一般采用三相異步電動(dòng)機(jī),也有采用永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了滿足不同細(xì)度要求,現(xiàn)在的選粉機(jī)均采用變頻調(diào)速控制。

        王仲春和張長(zhǎng)森等人[1-2]對(duì)選粉機(jī)的動(dòng)力配置計(jì)算有比較詳細(xì)的介紹,對(duì)于啟動(dòng)功率和運(yùn)轉(zhuǎn)功率的計(jì)算論述得也比較全面。但是立磨選粉機(jī)使用的是變頻控制系統(tǒng),選型時(shí)僅僅考慮啟動(dòng)功率和運(yùn)轉(zhuǎn)功率還不夠。相關(guān)文獻(xiàn)中均未論述變頻調(diào)速對(duì)于立磨選粉機(jī)電動(dòng)機(jī)功率選型的影響,而關(guān)于立磨的文獻(xiàn)中也鮮有介紹。

        筆者以立磨選粉機(jī)的三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象,分析變頻調(diào)速情況下立磨選粉機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率選型。

        1 變頻調(diào)速對(duì)立磨選粉機(jī)電動(dòng)機(jī)功率選型的影響分析

        1.1 立磨選粉機(jī)實(shí)際功率計(jì)算

        立磨選粉機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

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

        設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案時(shí),根據(jù)文獻(xiàn) [1] 可知立磨選粉機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率

        式中:F為轉(zhuǎn)子葉片回轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)機(jī)的實(shí)際功率是由負(fù)載決定的。生產(chǎn)過(guò)程中,由于系統(tǒng)不穩(wěn)定,產(chǎn)量會(huì)有波動(dòng),立磨選粉機(jī)的負(fù)載也隨之波動(dòng),電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率也會(huì)有所變化。

        1.2 轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速的確定

        電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速可在選取電動(dòng)機(jī)的級(jí)數(shù) (一般選用 4 級(jí)) 后查詢電動(dòng)機(jī)樣本得到。

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

        式中:d50為切割粒徑,m,η為氣體動(dòng)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(jì)電動(dòng)機(jī)額定功率時(shí),轉(zhuǎn)子半徑、轉(zhuǎn)子高度等立磨選粉機(jī)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(shí)際轉(zhuǎn)速相關(guān):轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速提高,切割粒徑就變小,反之亦然。

        對(duì)于立磨生產(chǎn)線來(lái)說(shuō),立磨選粉機(jī)按照額定產(chǎn)量生產(chǎn),細(xì)度也變化不大,即切割粒徑幾乎不變,則轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速也保持恒定。

        1.3 變頻調(diào)速影響

        根據(jù)文獻(xiàn) [4] 電工學(xué)的知識(shí),可知交流電動(dòng)機(jī)的功率

        式中:U為電動(dòng)機(jī)的電壓,V;I為電動(dòng)機(jī)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(jī)的三相異步電動(dòng)機(jī)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(xiàn) [4],在變頻過(guò)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(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這時(shí)磁通和轉(zhuǎn)矩也都近似不變,即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電壓與額定電壓的關(guān)系為

        式中:U實(shí)際、U額定分別為電動(dòng)機(jī)實(shí)際電壓和額定電壓,V;f實(shí)際、f額定分別為電動(dòng)機(jī)實(shí)際頻率和額定頻率,Hz。

        三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、極對(duì)數(shù)和頻率的關(guān)系為

        式中:n′為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;f為頻率,Hz;p為極對(duì)數(shù)。

        立磨選粉機(jī)電動(dòng)機(jī)選定后,極對(duì)數(shù)p是不變的,所以轉(zhuǎn)速n′和頻率f成正比。又因?yàn)閁/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(xiě)為

        立磨選粉機(jī)中,電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)減速機(jī)調(diào)速后帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),則兩者的轉(zhuǎn)速關(guān)系為

        式中:n實(shí)際為轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速;i為減速機(jī)速比。

        則式 (6) 可以轉(zhuǎn)換為

        由式 (3) 可得變頻調(diào)速時(shí)立磨選粉機(jī)電動(dòng)機(jī)額定功率

        實(shí)際功率

        由式 (8)、(10) 可得

        由式 (8)、(9) 和 (10) 可得

        根據(jù)文獻(xiàn) [1] 和 [2],正常生產(chǎn)時(shí),實(shí)際電流不能大于額定電流,即電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)安全系數(shù)一定時(shí),立磨選粉機(jī)電動(dòng)機(jī)額定功率與減速機(jī)速比成反比,即增加減速機(jī)速比,立磨選粉機(jī)電動(dòng)機(jī)額定功率減小??梢酝ㄟ^(guò)此方法優(yōu)化電動(dòng)機(jī)額定功率。

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

        (3) 即使電動(dòng)機(jī)額定功率大于其實(shí)際功率,當(dāng)減速機(jī)速比選得太小時(shí),電動(dòng)機(jī)安全系數(shù)也會(huì)變小,甚至?xí)霈F(xiàn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)能力,也不能滿足使用要求,還會(huì)造成浪費(fèi),應(yīng)當(dāng)避免。

        (4) 當(dāng)減速機(jī)速比減小,轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速就會(huì)變大,立磨選粉機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的切割粒徑就會(huì)更小,就能夠選出更細(xì)的粉。當(dāng)產(chǎn)品細(xì)度達(dá)到要求后,不必再提高立磨選粉機(jī)的轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速,以免造成粉磨工序電耗過(guò)高,增加產(chǎn)品成本。所以減速機(jī)速比設(shè)計(jì)得太小沒(méi)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(dòng)機(jī)實(shí)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(jī)電動(dòng)機(jī)功率選型優(yōu)化

        通過(guò)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(jī),筆者發(fā)現(xiàn)其實(shí)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(jī)電動(dòng)機(jī)實(shí)際使用頻率Tab.1 Actual operating frequency of motor of vertical roller mill Hz

        由此可見(jiàn),很多立磨選粉機(jī)電動(dòng)機(jī)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(jī)選用三相異步電動(dòng)機(jī),并采用變頻調(diào)速控制,電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下:實(shí)際電流為 242 A,實(shí)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(duì)該電動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行優(yōu)化。

        根據(jù)式 (11) 計(jì)算得

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

        考慮到電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的采購(gòu)成本有所下降,經(jīng)濟(jì)效益明顯,如表 2 所列。

        表2 立磨選粉機(jī)電動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.2 Parameters of motor of vertical roller mill

        3 結(jié)論

        (1) 得出變頻時(shí)立磨選粉機(jī)電動(dòng)機(jī)額定功率的計(jì)算公式,為變頻系統(tǒng)的額定電動(dòng)機(jī)功率選型提供了理論依據(jù),經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的選型優(yōu)化分析后,認(rèn)為其具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

        (2) 立磨選粉機(jī)電動(dòng)機(jī)功率選型,不僅要考慮實(shí)際功率和電動(dòng)機(jī)安全系數(shù),還要考慮電動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速或頻率運(yùn)行區(qū)間。驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)合理選擇減速機(jī)速比,使電動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速或頻率運(yùn)行于合理區(qū)間。

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