球磨機是水泥廠中功率最大的主機,為了減輕起動電流對電源電壓的影響,多采用繞線型異步電動機傳動。為了發(fā)揮這種電動機起動轉矩大、起動電流小的優(yōu)點,應根據(jù)使用單位的具體條件和客觀可能選配各種純電阻性變阻器作為它的起動器,但從60年代末期以來在我國開始普遍采用頻敏起動器,它的普及并不是它的性能和性價比比其它起動變阻器高出一籌,而是由于當時的特定社會條件和片面宣傳造成的。近年來,又出現(xiàn)了一種否定頻敏起動器,提倡液體變阻器的趨向,大有取代頻敏起動器之勢。鑒于各種起動器都分別具有不同的特點和適用范圍,應該根據(jù)各自的不同具體條件選用,本文將就此談談繞線型異步電動機起動設備的選型問題。此外再介紹一些磨機電力傳動的一般情況和存在問題。
1 起動器的選用
在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中,用得最多的電動機是鼠籠型異步電動機。因為它具有簡單、可靠、價廉的優(yōu)點;并且在大多數(shù)情況下只需外裝一個電源開關就能隨意開停。采用比它復雜、價昂的繞線型異步電動機,是因為它能通過選擇外接電阻人為地設定和改變其起動轉矩和電流,從而能在大幅度地降低起動電流的同時,得到使設備加速所需的起動轉矩。簡言之,繞線型電動機比鼠籠型異步電動機的起動轉矩大、起動電流小。降低起動電流的目的是為了減輕大電流沖擊對電源電壓的影響。所以在選擇其起動設備時,必須以能更好地實現(xiàn)上述目的為準繩,按各種起動器的特點,根據(jù)具體條件和目的選用。
1.1 頻敏起動器
頻敏起動器的優(yōu)點是:可使起動過程自動化、沒有可動部件、結構相對簡單以及制造時對加工條件的要求低,可以手工生產(chǎn),容易普及等。缺點是:因為它本質上是一個品質因數(shù)極低的電抗器,有電感成分,起動時的功率因數(shù)低,所以采用頻敏起動器的繞線型異步電動機的起動特性介于鼠籠型異步電動機與轉子接上純電阻起動器的繞線型異步電動機之間;起動電流較大、起動轉矩較小。且因它的結構是把絕緣層容許溫度有限的繞組套在故意使渦流損失特大以致溫升較高的鐵心上,所以不容許在短時間內多次起動。對于電源容量較大的大、中型水泥廠磨機的繞線型異步電動機采用頻敏起動器起動是比較合適的。例如:較早采用頻敏起動器起動1000kW磨機電動機的耀縣水泥廠,該廠系由靠近廠區(qū)的進線電壓為110kV,單臺變壓器容量為10000kVA的區(qū)域變電站以6 kV直接供電,因而不但可以用頻敏起動器,甚至直接起動1000kW鼠籠型異步電動機也毫無問題。在70年代,天津市一個生產(chǎn)頻敏起動器的廠曾對用頻敏起動器起動磨機電動機作過試驗,發(fā)現(xiàn)要使起動轉矩等于額定轉矩的1.2倍,起動電流不大于額定電流的2.5倍而又只用一級時,因為最后能夠達到的轉速偏低,而且負載越重,轉速越是低得多,所以短接時的定子電流高達額定電流的4倍,往往因此導致電動機電源的斷路器跳閘,造成起動失敗。所以,起動級數(shù)不宜少于兩級。由此可知,對于供電條件較好、較大的起動電流也不會使母線電壓下降超過15%的廠,采用合理組配的頻敏起動器可以發(fā)揮其操作及維修簡易的優(yōu)點。如果不管具體供電條件如何都選用頻敏起動器,且無第二級,當然就難免“經(jīng)常發(fā)生起動不成功現(xiàn)象”。如果“起動不成功現(xiàn)象”是因為在起動過程中開關跳閘造成的,還應該檢查一下是否是最后短接時沖擊電流太大或者是否是電動機和配電站的繼電保護裝置按既能滿足系統(tǒng)短路保護的要求、又能保證不會因為電動機的正常起動電流而動作的原則整定的,不能籠統(tǒng)地都歸疚于頻敏起動器。
1.2 油浸起動變阻器
油浸起動變阻器的優(yōu)點是起動時的功率因數(shù)高,因而在起動轉矩相同時,起動電流比頻敏起動器小得多。油浸起動變阻器把轉換器與電阻器集中裝在一個油箱里,級數(shù)多,因而切換時的電流沖擊小;機構緊湊,外形比風冷式起動變阻器小。缺點是現(xiàn)有產(chǎn)品皆為手動操作;檢查和維修時必須借助滑輪等設備把內芯從油箱中抽出來。當電動機的功率在500kW以下不需要自動操作,著眼于簡單可靠,并希望起動電流小的小型水泥廠,采用油浸起動變阻器,并按起動電流為額定電流的1～1.2倍選配電阻值,則是較佳的方案之一。我國仿蘇產(chǎn)品只能用于500kW以下的電動機,可能和前蘇聯(lián)提倡采用同步電動機,380kW以上的磨機一律采用磨機專用高起動轉矩低速同步電動機有關。油浸起動變阻器是歐洲的傳統(tǒng)產(chǎn)品,例如峨嵋水泥廠的設備是由丹麥成套供應的,該廠的繞線型異步電動機一律采用油浸起動變阻器起動,其中最大的用于功率為兩千多千瓦的同步異步電動機。但是對于這樣一個大型水泥廠,把一些本來應該選用鼠籠型異步電動機的設備改用繞線型異步電動機,又是手動操作油浸起動變阻器,因而降低了操作的自動化水平,可見這種設計是明顯的不合理。此外,在配套供應的電動機中,滑動軸承的采用比例比當時的國產(chǎn)電動機高,而且大部分電動機的銘牌都被換成沒有電機廠名稱和出廠日期的、只有配套公司名稱的銘牌。這就不能不令人懷疑是否把三、四十年代的積壓物資都清給了我們?
1.3 接觸器屏式起動器
用鑄鐵電阻柵和接觸器組成的起動器雖然外形較大、電路比較復雜,但是可以滿足各種自動化要求。對于500kW以上的電動機,在沒有其他適用的起動設備可選時,采用這種起動器是能夠發(fā)揮大型繞線型電動機特長的唯一方案。它的優(yōu)點是可以用產(chǎn)量最大的通用接觸器根據(jù)需要設計組裝,在控制電器品種比較少的條件下也能滿足不同企業(yè)的各種要求。而且現(xiàn)代國產(chǎn)接觸器的外形比老產(chǎn)品已經(jīng)縮小很多,有的接觸器還可附加機械鎖定機構;硅整流器的發(fā)展使采用直流控制電源消除交流接觸器的振動噪聲和節(jié)電成為輕而易舉的措施;甚至可以挪用油浸起動變阻器的特點,采用外形更小的單極直流接觸器,每次只短接一相以便用相同的空間增加起動級數(shù),從而組配出性價比較高的繞線型異步電動機起動器。
1.4 電動凸輪控制器式起動器
國外用于大型繞線型電動機的起動設備常采用帶大電流觸頭的電動凸輪控制器,級數(shù)可達十多級、每級只輪流短接一相,并且?guī)в兄荒茉谌坑|頭都開路的條件下才能接通定子電源的聯(lián)鎖觸點;機構緊湊、外形小;既無接觸器電磁鐵的噪音、起動后也不耗電;不必另配短接用的交流接觸器;控制電路也比接觸器屏簡單的多。雖然也有通過大電流的觸頭,但因它和電阻并聯(lián),幾乎沒有燒蝕現(xiàn)象,可以隨時打開外蓋檢查,維修比較方便,雖有因切換產(chǎn)生的電流起伏,但是日常的維護工作量較小。因為須要外配電阻柵,所以占地面積稍大。但是多占幾平方米的地方對一個裝有幾臺磨機的廠房有多大影響呢?只是目前國內尚無這種產(chǎn)品。當采用進口設備時,這也是可供選擇的方案之一。有人在介紹液體起動變阻器的優(yōu)點之一是起動平滑,沒有機械和電的沖擊時,過分強調了其它型式起動器有級起動對被傳動設備的損傷作用。其過分之處在于:磨機停機時反復擺動,并經(jīng)減速機構增速后造成的碰撞,對傳動系統(tǒng)的損傷作用遠大于起動沖擊的影響,與此相比,有級起動產(chǎn)生的沖擊對設備的壽命影響甚微。
1.5 液體起動變阻器
液體起動變阻器不是新技術,但在我國卻是新產(chǎn)品。日本于40年代初在我國東北建設的水泥廠中已經(jīng)普遍采用,習慣上稱為“水電阻”。一般是在充滿液體的圓桶形容器內有三組可以改變距離的動、靜電極,用小形伺服電動機通過傳動機構改變動、靜電極間的距離,使電阻值從大到小地變化。作為大型繞線型異步電動機的起動器,因為電阻的變化是無級的,所以起動平滑;最后用接觸器短接,使電動機進入運行狀態(tài)。短接時有一次不大的電流沖擊。整個起動過程都可在合上電動機的電源開關后自動完成。在伺服電動機出故障時,也可手動操作。它的優(yōu)點是電阻值是無級變化的，沒有切換時的電流沖擊;簡單易制，消耗的金屬材料少；只要改變電阻液的濃度就能很方便地改換電阻值。但是這項優(yōu)點恰好也是它的缺點,因而須要經(jīng)常注意檢查電阻液的蒸發(fā)、結冰、沉淀、濃度變化造成的電阻值變化以及經(jīng)年累月的電極腐蝕等問題。
除了起動用的水電阻之外,還有用于調速的水電阻。它利用水電阻的電阻值可以無級變化的特點,配以根據(jù)被控電動機的轉速反饋信號、按給定轉速運行的自動穩(wěn)速環(huán)節(jié),克服了繞線型電動機用轉子電阻調速時轉速隨負載輕重變化較大的缺點,既可調速又具備較硬的機械特性。用以傳動回轉窯和大功率的窯尾排風機,具有簡單可靠、投資少、易維修的特點。雖然它的效率與轉速成正比,是個缺點,但在生產(chǎn)正常時,回轉窯長期在較高轉速運行,且其實需功率多在磨機的1/10以下,因而這個缺點不突出。排風機的實需功率與轉速的三次方成比例,用此法調速和調閥門相比,節(jié)能效果比較明顯,而且具有穩(wěn)定風量從而穩(wěn)定窯內熱工制度的作用。雖然在運行效率方面不如某些電子式的調速系統(tǒng),但因熟料燒成系統(tǒng)最怕突然性的被迫停窯;所以主要矛盾是可靠性而不是效率。維持燒成系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行是取得高效益的基本條件,注重局部設備的可靠性,正是為了滿足這個基本條件。從70年代日本水泥協(xié)會的刊物上看到,具有先進電子技術的日本的某些水泥廠仍在使用此種調速設備。我國以前無此類產(chǎn)品的原因主要是在建國后強調仿蘇,而前蘇聯(lián)的工業(yè)產(chǎn)品基本是歐洲型的。在70年代,上海電機廠為給本廠生產(chǎn)的球磨機用800kW同步異步電動機配套(亦稱感應同步電動機,這種電動機轉子電壓較高),在各電器廠都不愿供應的情況下,曾參考日本產(chǎn)品試制了起動用的水電阻。80年代從日本成套引進的水泥廠的電器設備中也有水電阻,被不了解情況的人視為新事物。因為它結構簡單,容易自制,所以有的水泥廠除了自制自用之外,還對外出售。
2 繞線型異步電動機起動器電阻值的正確選擇前提是要掌握磨機加速過程的阻轉矩特性
在為繞線型電動機選擇起動器時首先必須處理好兩個互相矛盾的關系:既要盡量減小起動電流,又要使起動轉矩滿足磨機順利起動的要求;矛盾的主要方面是要掌握磨機轉速從零加速到運行轉速時的阻轉矩變化規(guī)律和數(shù)據(jù)。筆者曾起動過用各種起動方法起動的異步和同步電動機傳動的磨機近千次,收獲有兩點,其一是:看準斷電瞬間磨筒體上人孔蓋的位置與筒體經(jīng)過擺動停止后人孔蓋位置的角度關系明確拉閘斷電的提前量,操作熟練后可以做到只起動一次、就能使人孔停留在所要求的位置。對于沒有輔助傳動裝置(也稱“慢傳動裝置”)的磨機,這是避免為了使人孔停留在指定位置而不得不多次起動導致起動器過熱的竅門。其二是:根據(jù)用特制的、電阻值可調范圍大且容許長時間通過大電流的水電阻起動磨機時,其起動電流等于或稍小于額定電流,并且起伏很小的現(xiàn)象;又從加速過程、筒體加速度的變化中感覺到磨機在起動初期的阻轉矩不大。因為即使人為地加大起動電阻值,使起動電流降低到實際運行電流的0.8,電動機也能順利地開始轉動。但伴隨筒體旋轉角度的增大,加速度有所下降,如果轉矩不夠,就會中途停滯,進入堵轉狀態(tài)。這是因為阻轉矩隨著磨內研磨體提升高度的增加而增大。超過某個角度之后,筒體的加速度又突然增大,磨機迅速進入運行轉速。這是因為研磨體開始拋落,使阻轉矩突然下降造成的。由此可以定性地認識到:過去冶金部和一機部協(xié)商制定的:“磨機屬于重載起動設備,磨機專用同步電動機的起動轉矩不得小于額定轉矩的1.7倍”的提法只能認為是針對冶金礦山棒磨機的,不一定符合水泥廠球磨機的實際情況。后來又用特制的儀器測出了“磨機加速過程中的阻轉矩變化曲線”取得了定量的數(shù)據(jù)(參見本刊1990年6期17頁《也談磨機慢傳動裝置的用途》)。由此得到的一個重要的經(jīng)驗是:在了解生產(chǎn)系統(tǒng)時,不要把自己局限在所從事的專業(yè)范圍內。只有在各種專業(yè)互相滲透的氣氛中,才能得到更符合實際的認識。
3 在磨機電動機選型方面存在的問題
在工業(yè)企業(yè)中,選擇電動機的原則是:除了需要變速等特殊要求的電動機以外,在電源容量容許的前提下,應該力爭采用鼠籠型異步電動機;對磨機等用的大型電動機,應該盡可能地選用同步電動機。我國在40年代及以前建設的水泥廠磨機采用低速同步電動機傳動的比較多。因為當時的電網(wǎng)容量比較小,所以這些同步電動機都是采用空載降壓起動,待牽入同步運行狀態(tài)之后再通過電磁離合器或空氣離合器起動磨機。還有一種“超同步電動機”,它的定子也能旋轉。起動時先使定子同步旋轉,然后用剎車慢慢地把定子剎停,在定、轉子之間保持同步轉速的狀態(tài)下,轉子帶動磨機加速到正常運行狀態(tài)。凡是參與過這類電動機維護工作的人,都對這種電動機故障率之低,印象深刻。其故障都出在減壓起動設備和電磁離合器方面。建國后新建水泥廠的磨機則較多地采用了繞線型異步電動機,這是因為當時國產(chǎn)電機和電器設備供應緊張,國內還沒有生產(chǎn)成套水泥設備的能力,水泥廠的建設也不包括在前蘇聯(lián)援建范圍之內,所以只好從前東德等東歐國家進口。根據(jù)當時的報價,進口一臺帶電磁離合器的低速同步電動機比繞線型異步電動機加上減速機還貴得多,國內的電機廠都不肯接受大型電磁離合器的訂貨。在前一機部統(tǒng)一制定的價格表上,硅鋼片用量少、制造省工的同步電動機也比同功率、同轉速的繞線型異步電動機價格高,為了節(jié)省外匯,只好采用繞線型異步電動機加減速機的方案。但在試生產(chǎn)過程才發(fā)現(xiàn)這些進口的減速機質量低劣,給有關工廠生產(chǎn)留下了后患。所以其后從前東德進口的磨機有些就改為用低速同步電動機加電磁離合器的傳動方式。但在同一時期由前蘇聯(lián)援建的冶金企業(yè)的磨機則一律用“磨機專用同步電動機”傳動,這種電動機不需附加電磁離合器之類的附屬設備,可以全電壓直接起動;運行時功率因數(shù)可以達到超前0.9,額定轉速多在100～167r/min之間,定、轉子之間的空氣隙比異步電動機大得多,很少產(chǎn)生“掃膛”故障,配合邊緣傳動的磨機使傳動系統(tǒng)非常簡單,運行可靠性很高。熱電廠的球磨機一律用鼠籠型異步電動機傳動,因為電動機和控制設備都很簡單,所以故障很少。雖然這兩種電動機的起動電流皆為額定電流的6.5～7倍,但是這些企業(yè)都具備電源容量大的優(yōu)勢,一兩千千瓦電動機的起動電流沖擊對全廠電源電壓的影響很小。冶金廠磨機同步電動機的控制設備中還有當電源電壓的下降超過10%～15%時自動短時加強勵磁的電路,目的是既能保持同步電動機不會因而失步,且能借助同步電動機向電源短時反饋電能的作用減輕電壓下降的趨勢。也就是使正在運行的同步電動機短時輸出超前無功電流的方法減輕其它同步電動機起動時滯后無功電流沖擊對電源電壓的影響。有些大型水泥廠本來也具備這種優(yōu)勢,但因有些磨機設計人員認為:采用進口或引進技術制造的大功率、高質量減速機的中心傳動方案比邊緣傳動方案的效率高、壽命長;邊緣傳動機構敞露在多灰塵的環(huán)境中,振動大、壽命短;而且用低速同步電動機的邊緣傳動比有減速機的邊緣傳動的減速比大,當需要比現(xiàn)有磨機規(guī)格更大的磨機時,則其小齒輪和大齒圈在設計和制造方面有難點。在中心傳動的磨機上采用高速的鼠籠型異步電動機或同步電動機的方案,雖然在熱電廠等企業(yè)已是“司空見慣”,但在水泥廠除了煤磨以外卻是“史無前例”,想要打破傳統(tǒng)的習慣勢力是很不容易的。此外,從設備設計和生產(chǎn)供應的角度看,進行一項磨機定型設計和選擇配套電動機時,總是要考慮使它具有對環(huán)境條件盡可能廣泛的適應性,丹麥史密斯公司的磨機大多配套供應同步異步電動機的主要原因就在于此。因為這種電動機的起動特性與繞線型異步電動機相同,運行特性與同步電動機相同,具有起動電流小和功率因數(shù)高的雙重優(yōu)點,符合該公司的產(chǎn)品須要面向全世界的特點。采用的數(shù)量多了還會因為電動機生產(chǎn)成本的下降而部分地抵消價格偏高的缺陷。在國內也有個別廠采用同步異步電動機。上海和蘭州兩個電機廠也都生產(chǎn)過這種電動機。但因價格較高,未被普遍采用。如果考慮到采用這種電動機可以省掉在廠區(qū)配電站裝設改善功率因數(shù)的電容器柜及其開關控制設備以及建筑物投資等因素,這種方案還是可取的。所以從工廠電力傳動系統(tǒng)設計的角度看,則應根據(jù)不同電網(wǎng)容量和供電條件,具體情況具體對待。盡可能采用運行特性好的同步電動機。不得已時才采用繞線型異步電動機。冶金部門常用的磨機專用同步電動機起動電流之所以高達額定電流的7倍,是因為要求其起動轉矩不得小于額定轉矩的1.7倍造成的,按電機廠設計人員的說法:“如果按照水泥廠磨機的實際情況,只要求其起動轉矩不小于額定轉矩,則把起動電流降到5倍左右是可能的”。目前普遍采用的,給繞線型異步電動機加裝進相機的方法對于已經(jīng)建成的廠作為一項提高功率因數(shù)的補救措施尚可,但對于新建的大中型廠就不合理了。因為生產(chǎn)同步電動機的原材料成本和加工的成本都比繞線型異步電動機低,雖然還要配置可控硅勵磁裝置,總成本還是比繞線型異步電動機加上進相機低。但是同步電動機功率因數(shù)可根據(jù)需要調節(jié)和運行可靠性高的優(yōu)點卻是前者無法比擬的。由此可知,從技術經(jīng)濟角度上看,磨機電動機的選型還是一個值得繼續(xù)深入探討的問題。打破行業(yè)界限,加強技術交流,將有利于取得進一步的認識。
4 結束語
本文的目的是為了說明繞線型異步電動機的起動設備除了頻敏起動器和油浸起動變阻器之外還應該有其它品種,磨機也不是只能用繞線型異步電動機傳動。在磨機電動機和繞線型異步電動機起動設備的選型中存在著很多矛盾和客觀條件的制約。只有在充分了解有關機、電設備的技術特點,掌握包括價格在內的供應情況等的基礎上,經(jīng)過客觀的、實事求是的、反復深入比較作出的決擇,才能少犯和不犯錯誤。在水泥工業(yè)電力傳動的領域中的類似問題還有很多,有待有心人去探討。但是,在家用電器產(chǎn)品琳瑯滿目的今天,繞線型異步電動機起動設備的品種卻少的可憐。當頻敏起動器流行的時候,油浸起動變阻器的名字就在《控制電器產(chǎn)品手冊》中消失了;看來,液體起動變阻器的復興,將會使頻敏起動器的地位岌岌可危。地位最穩(wěn)固的是接觸器屏式起動器,因為它可根據(jù)各種訂貨要求隨時用標準電器組裝而不必擔心積壓,它還比較適用于頻繁開停和反向的設備,用途比較廣泛。產(chǎn)品品種少,選擇的余地就小,這是一種不正�，F(xiàn)象。和這種現(xiàn)象有聯(lián)系的是大多數(shù)介紹新產(chǎn)品、新技術的文章都是只談優(yōu)點,不談或很少談及缺點。如果這些文章都是來自設備制造廠家,好象還情有可原,然而不少這類文章卻出自用戶,這就令人感到不可思議了。最后,歡迎具有不同意見的文章使本文中的缺陷和錯誤得到充實和修正。
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