水泥廠電力拖動初探

“水泥廠電力拖動”是使人們在深入了解電動機的運行特性、水泥生產(chǎn)設備的特點、水泥生產(chǎn)工藝要求的基礎上，綜合平衡包括供電系統(tǒng)在內(nèi)各方面的要求，使水泥生產(chǎn)機、電設備的配套和運行合理化的學問。但是，到目前為止，還沒看到過有關(guān)水泥廠電力拖動的專著。水泥工業(yè)的電力拖動系統(tǒng)存在著兩大關(guān)鍵問題:其一是掌握主要的、典型的水泥設備在起動過程中阻轉(zhuǎn)矩變化的動態(tài)特性數(shù)據(jù)，并據(jù)以改進電力拖動系統(tǒng)；其二是如何為生產(chǎn)設備選配額定功率恰如其分的電動機，并使新建廠投產(chǎn)后的實際電力負荷與設計時負荷計算的結(jié)果基本相符并且具有較高的需要系數(shù)。這2個問題都需要進行大量的測量和歸納、分析工作才能取得初步成果。本文介紹一些與此有關(guān)的體會。此外，本文提出幾個概念性問題以便解釋幾個看似簡單的常見誤區(qū)。由于水泥廠中的電動機絕大多數(shù)都是異步電動機，所以在本文內(nèi)容中除個別標明者外，皆指異步電動機。  

1　電力拖動中幾個容易被誤解的基本概念 

　　電力拖動中的基本概念在實際應用中存在著一些誤區(qū)。例如，不少人根據(jù)電動機運行時的輸入電流隨負載輕重而改變大小的經(jīng)驗認為:“電動機起動電流的大小也取決于負載的輕重”；曾經(jīng)有人用:“扛東西時有人幫忙抬一把，比自己直接從低處往起扛省勁兒”的體會認為:“用輔助傳動裝置先讓磨機慢慢地轉(zhuǎn)動起來，可以減輕主電動機的起動難度”。然而事實是，起動電流的大小與負載輕重無關(guān)。先開輔助傳動反而會增加起動的難度。為了便于漸進地說明問題，先對電力拖動中幾個基本概念做些提示。 
1.1　靜態(tài)和動態(tài) 
　　“靜態(tài)”是指電動機拖動負載運行在恒定轉(zhuǎn)速時的狀態(tài)。在這種狀態(tài)中: 
　　電動機的輸出轉(zhuǎn)矩=負載的靜阻轉(zhuǎn)矩 
　　也就是說，在靜態(tài)時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩只取決于負載的輕重?！办o阻轉(zhuǎn)矩”系指與機組轉(zhuǎn)動部分的慣性無關(guān)的負載阻力。 
　　“動態(tài)”是指電動機拖動負載運行于加速、減速等轉(zhuǎn)速變化的狀態(tài)。在起動過程中: 
　　電動機的輸出轉(zhuǎn)矩=負載的靜阻轉(zhuǎn)矩+使機組加速的加速轉(zhuǎn)矩 
　　在動態(tài)時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩只取決于電動機的固有機械特性。 
　　掌握設備起動過程中靜阻轉(zhuǎn)矩變化數(shù)據(jù)是正確選擇配套電動機的重要依據(jù)。要想測量設備在起動過程中負載靜阻轉(zhuǎn)矩的變化，除電動機的輸出轉(zhuǎn)矩之外，還必須同時測得使機組加速時的加速轉(zhuǎn)矩。 

1.2　硬特性和軟特性 
　　

在電力拖動中，“硬特性”一般是指電動機的轉(zhuǎn)速不受負載輕重變化影響的特性。比較典型的是同步電動機。通用的鼠籠型電動機、轉(zhuǎn)子繞組被短接的繞線型電動機、直流并勵和它勵型電動機等在負載從空載到滿載之間變化時，其轉(zhuǎn)速變化都不大于1.5%～5.0%(大型電動機比小型電動機轉(zhuǎn)速變化小)，所以也被看作是具有硬特性的電動機。這類電動機的輸入電流和輸出轉(zhuǎn)矩會隨著轉(zhuǎn)速的微小變化而急劇地升降。當負載的阻力超過它的最大轉(zhuǎn)矩時，它就會“顛覆”，也就是轉(zhuǎn)矩下降導致轉(zhuǎn)速急速下降甚至停止轉(zhuǎn)動，定子電流增大到堵轉(zhuǎn)電流。如不及時切斷電源，就會有燒毀電動機的危險。 
　　

這個概念可以引申到某些生產(chǎn)設備。例如，羅茨鼓風機的風量基本上與它的轉(zhuǎn)速成比例，幾乎不受風路阻力的影響，當風路阻力增大時，它就會自動增大風壓以維持風量不變。如果風路阻力過高，而風機電動機的功率又不夠，就可能過載。所以它是具有硬特性的恒流型風機。為了容易起動，起動時必須全部打開放風閥門。離心風機的風壓受風量變化的影響較小，當風路阻力降低時，它就會自動增大風量，以減輕風壓的下降。風路阻力過低就會因為風量過大而造成風機電動機的嚴重過載。所以可以看作是硬特性的恒壓型風機。為了容易起動，起動時必須全部關(guān)閉風路中用以調(diào)節(jié)風量的閥門，盡量增大風路阻力。這兩種風機的特點與電學中由穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒壓源、由穩(wěn)流器構(gòu)成的恒流源頗為相似。 
　　

“軟特性”一般是指電動機的轉(zhuǎn)速隨負載輕重的變化而大幅度變化的特性。也就是說，電動機的轉(zhuǎn)速會隨著負載的加重而明顯下降。但是，它的輸入電流和輸出轉(zhuǎn)矩則隨著轉(zhuǎn)速的降低而大致成比例的平緩上升，不易顛覆。具有高電阻鼠籠轉(zhuǎn)子的電動機(起重機專用鼠籠型電動機、異步伺服電動機、力矩電動機等)和轉(zhuǎn)子接有電阻的繞線型電動機、直流串勵電動機等都屬于軟特性的電動機。專用的力矩電動機即使長期處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)也不會超過允許溫升。 
　　

大部分水泥生產(chǎn)設備幾乎都選配硬特性的電動機。軟特性的電動機只用于起重運輸設備和個別有特殊要求的地方。 
　　

硬特性和軟特性是可能或可以互相轉(zhuǎn)化的。例如，“電磁調(diào)速異步電動機”是由電磁耦合器同鼠籠型電動機組合而成的，電磁耦合器是典型的軟特性電機，但是通過測速發(fā)電機和電子自動調(diào)節(jié)器控制它的勵磁電流就使它成為既可根據(jù)需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速又幾乎不受負載輕重變化影響的硬特性電動機。 
　　

立窯煅燒系統(tǒng)中，保持風量的穩(wěn)定是穩(wěn)定窯內(nèi)熱工狀態(tài)的重要因素之一，因而多采用具有恒流特性的羅茨風機作為鼓風設備。常采取控制放風閥門的方法調(diào)節(jié)風量，所以:  風機的輸出風量=通過立窯的風量+放風風量 
　　

在風機選型時，為了顧及立窯最大風量及惡劣工況，往往將風機選的較大。如果采用放風閥調(diào)節(jié)進窯風量，有的窯有時需要放風30%～50%。這就不僅會增加電能損耗和噪聲，更重要的是會使羅茨風機的風量特性大幅度軟化。當立窯因某種原因?qū)е赂G內(nèi)物料層的通風阻力增加時，就會把風擠向放風閥，迫使通過放風閥的風量增加，從而相應地減少了進窯風量。如果因為進窯風量的減少又會促使窯內(nèi)物料密結(jié)的程度增加，就會造成通風不斷惡化的惡性循環(huán)，進而嚴重影響立窯熱工狀態(tài)的穩(wěn)定。 
　　

離心式鼓風機的風壓比較穩(wěn)定，但是它的風量受風路阻力的影響很大。從風量的角度看，它的特性更軟。主張用“水泥立窯專用高壓離心風機”取代羅茨風機的觀點，強調(diào)了離心風機噪聲和損耗小、系統(tǒng)簡單和投資少等優(yōu)點，唯獨回避了離心風機風量特性軟的關(guān)鍵性問題?！端唷冯s志1997年第1期有2篇文章探討立窯用離心風機取代羅茨風機的可行性問題，這2篇文章都肯定了采用風量特性硬的羅茨風機對穩(wěn)定立窯的熱工狀態(tài)有利。其中一篇文章強調(diào)了離心風機投資少、運行費用低、噪聲低等優(yōu)點，認為離心風機風量特性軟的缺點可以用改變操作方法來彌補；另一篇文章特別提到:“風機應該為立窯穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)服務，而不是要求立窯生產(chǎn)適應風機性能”，認為水泥立窯不宜使用離心風機。然而，這2篇文章都忽略了采用放風的方法調(diào)節(jié)羅茨風機的風量會使其風量特性伴隨放風風量的增大而大幅度軟化，甚至不能明顯體現(xiàn)相對于離心風機的優(yōu)勢。采用配備“變頻調(diào)速器”等具有特性硬、效率高的可調(diào)速系統(tǒng)控制風機電動機的轉(zhuǎn)速，用調(diào)速的方法調(diào)節(jié)風量，就能夠充分發(fā)揮羅茨鼓風機風量特性硬和離心式風機的風壓特性硬的特點。在風路的截面積不變時，風量與風速成正比，風壓與風速的二次方成正比，則風機電動機的輸出轉(zhuǎn)矩也同風量的二次方成比例地變化，使得風機的功率消耗與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。圖1說明風機采用不同調(diào)速方法的技術(shù)經(jīng)濟特點。從圖1可知，用調(diào)速法調(diào)節(jié)風量雖然初期投資較高，但因節(jié)電效果好，所以節(jié)省的電費可以很快地抵消因為購買調(diào)速設備而投入的資金。 
　　 
       


　　圖1　風機電動機的耗電功率特性曲線 

1.3　電動機的過載能力和起動特性 
　　

在電動機處于停頓的狀態(tài)下，給定子加上額定電壓和額定頻率電源時稱為堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，堵轉(zhuǎn)時的輸出轉(zhuǎn)矩稱為“起動轉(zhuǎn)矩”，定子電流稱為“起動電流”。 
　　

為了保證電動機能夠穩(wěn)定運行，要求其要有一定的抗過載能力。表達電動機過載能力的參數(shù)是最大轉(zhuǎn)矩，即臨界轉(zhuǎn)矩。一般最大轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍左右。 
　　

電動機在旋轉(zhuǎn)時會因為轉(zhuǎn)子切割磁力線而產(chǎn)生反電勢，它的轉(zhuǎn)速會隨負載的輕重產(chǎn)生不同程度的下降。轉(zhuǎn)速下降使反電勢下降，導致輸入電流隨負載的加大而增大。但是電流的大小同負載的輕重不是線性關(guān)系，輕載時電流的下降會明顯減小。 
　　

人們往往根據(jù)電動機靜態(tài)運行時其輸入電流在一定范圍內(nèi)隨著負載輕重的變化而變化的現(xiàn)象，主觀地認為它的起動電流也應該隨著負載起動的難易而變化。實際上這是一種誤解。因為在電動機的轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，亦即轉(zhuǎn)速等于零的堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的反電動勢等于零，所以電動機起動電流的大小只取決于電動機的內(nèi)部電阻(直流電動機)或阻抗(交流電動機)，與負載的輕重無關(guān)。但是，起動靜阻轉(zhuǎn)矩和慣性較大的負載時會延長機組的加速時間，從而增大加速過程中大電流的持續(xù)時間。如果用量程稍大于電動機額定電流的電流表測量電動機起動時的定子電流，就會因為輕載和重載起動時表針停留在刻度終點的時間明顯不同，使人產(chǎn)生重載起動時電流較大的印象。只有用量程夠大，反應快速的示波器才能測量到正確的結(jié)果。 
　　

處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的直流電動機，它的內(nèi)部電阻包括電樞繞組電阻、與電樞串聯(lián)的勵磁和補償繞組電阻、電刷電阻和電刷與換向器間的接觸電阻等。因為這些電阻都很小，如果起動時直接加上額定電壓，就會因為起動電流過大而使電動機受到損傷。所以，一般都采取在電樞電路中串接限流電阻或降低電源電壓的方法限制過大的起動電流。 
　　

處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的交流電動機，可以把它看成是一臺空載電流和漏感都比較大，次級短路時初級電流也不會過大的變壓器。鼠籠型電動機的堵轉(zhuǎn)電流可達額定電流的4.5～7倍。繞線型電動機則可用改變接在轉(zhuǎn)子上的外接電阻的方法改變它的堵轉(zhuǎn)電流。 

1.4　異步電動機的機械特性 
　　

異步電動機在外加額定電壓運行時的各項參數(shù)的變化如圖2。圖2a的曲線1是在轉(zhuǎn)子繞組被短路時自然特性曲線，曲線2、3是在其轉(zhuǎn)子電路中串接電阻后的人為特性曲線，這時，因為外接電阻值比電動機的阻抗大得多，功率因數(shù)很高，所以它的輸入電流與額定電流的比值只略高于輸出轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值。表現(xiàn)出起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流比鼠籠型電動機小得多的特點。圖2b表明因為鼠籠型電動機不能外接電阻，起動時感抗占主要成分，功率因數(shù)低(0.15～1.25)，表現(xiàn)出起動電流的倍數(shù)比起動轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)大得多的特點。如果接在轉(zhuǎn)子電路中的不是電阻，而是帶有電感成分的“頻敏變阻器”，它的起動特性則處于繞線型電動機與鼠籠型電動機之間。 
　　 

(a)繞線型異步電動機轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性 

(b)鼠籠型異步電動機轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩電流特性 
圖2　電動機機械特性 


2　水泥設備的特點 

　　 
2.1　回轉(zhuǎn)窯 
　　從電力拖動的角度看，回轉(zhuǎn)窯的特點是: 
2.1.1　拖動電動機必須有較高的起動轉(zhuǎn)矩 
　　

因為托輪的軸承承受回轉(zhuǎn)窯的重力很大，所以軸和軸瓦必須有足夠大的接觸面積，并且采用粘度較大的潤滑油。由于靜止狀態(tài)下的托輪軸承與托輪軸之間沒有潤滑油膜，所以必須有足夠的起動轉(zhuǎn)矩才能使它開始轉(zhuǎn)動。一旦開始轉(zhuǎn)動后，就會因為潤滑油膜的形成使阻轉(zhuǎn)矩迅速下降，快速地進入運行狀態(tài)。根據(jù)筆者對用直流電動機傳動的回轉(zhuǎn)窯的觀察:必須在電動機的電樞電流達到正常運行電流的3倍左右時才能開始轉(zhuǎn)動；在采用油馬達拖動的窯上，也只有當油壓上升到正常運行時的3倍時才能開始轉(zhuǎn)動。因為直流電動機的電樞電流和加到油馬達的油壓都和負載的阻轉(zhuǎn)矩成正比，故可認為:回轉(zhuǎn)窯需要的起動轉(zhuǎn)矩不小于正常運行轉(zhuǎn)矩的3倍。 
2.1.2　回轉(zhuǎn)窯是低慣量的設備 
　　

回轉(zhuǎn)窯是一種細長的圓筒形設備，雖然飛輪力矩較大，但轉(zhuǎn)速低，若按照減速比的平方換算到電動機軸上的飛輪力矩則很小。也就是說回轉(zhuǎn)窯電動機開始轉(zhuǎn)動后具有較大的剩余轉(zhuǎn)矩用于加速，所以起動時間很短，不會使電動機過熱。 

2.1.3　回轉(zhuǎn)窯電動機必須有較大的儲備功率 
　　

測量生產(chǎn)運行中回轉(zhuǎn)窯電動機的輸入功率發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)這種電動機的實際負載都在額定功率的60%左右。這是因為: 
　　

1)可供選用的交、直流電動機的起動轉(zhuǎn)矩一般都在額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍左右，所以只好用增大電動機額定功率的方法來達到提高起動轉(zhuǎn)矩的目的。 
　

　Z4系列直流電動機帶有匝數(shù)不多的串勵繞組，接線時應該接成加復勵以增加起動轉(zhuǎn)矩，否則會導致起動失敗。 
　　

2)回轉(zhuǎn)窯的熱工狀態(tài)不正常時，如物料過多或窯皮脫落，都顯著增大偏心重量，造成電動機負載大幅度增加。為此，電動機的功率必須有足夠的裕度。 
　　

3)窯體表面的溫度較高，最高達400℃?？拷G體的電動機、減速器等傳動設備受輻射熱的影響很容易過熱。除了采取必要的隔熱、通風措施和采用帶濾塵器的強迫通風結(jié)構(gòu)的電動機之外，還必須采用額定功率較大的電動機以補償高溫環(huán)境對電動機溫升的影響以保證其運行的可靠性。 

2.1.4　回轉(zhuǎn)窯的電動機要有較寬的調(diào)速范圍 
　　

回轉(zhuǎn)窯的最高轉(zhuǎn)速是在設備設計時根據(jù)工藝要求決定的，一般干法中空窯的轉(zhuǎn)速不大于2.0r/min，濕法長窯不大于1.4r/min，窯外分解窯則為3.2r/min左右。它們的調(diào)速范圍當然在可能范圍內(nèi)越寬越好。早期建成的干法和半干法水泥廠中，回轉(zhuǎn)窯大部分都采用繞線型電動機拖動。一般多用帶大電流觸頭的電動凸輪控制器分級改變其轉(zhuǎn)子外接電阻調(diào)速。優(yōu)點是簡單、可靠、價廉。因為它轉(zhuǎn)速越低，特性越軟，所以調(diào)速范圍不能太大。不過除了點火的初期和煅燒情況失常等場合外，大多數(shù)都用較高的轉(zhuǎn)速運行，所以特性的軟化對生產(chǎn)的影響還可以勉強容忍。 
　　

20世紀50年代以后，我國自行設計和定型化的回轉(zhuǎn)窯都采用了具有硬特性的拖動系統(tǒng)。用硬特性的直流電動機拖動回轉(zhuǎn)窯有2種可采用的方案，其一是采用調(diào)速范圍為1∶3的調(diào)勵磁變速直流電動機(這種電動機變速時輸出功率不變，機重和售價較高)；其二是采用靠改變電樞電壓變速的電動機(這種電動機的輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比，適于拖動具有恒轉(zhuǎn)矩特性的負載)，它的調(diào)速范圍理論上可達到1∶10以上，但是最低轉(zhuǎn)速時的特性會有所軟化。用于拖動回轉(zhuǎn)窯，1∶5的調(diào)速范圍足夠滿足要求了；有些小型回轉(zhuǎn)窯采用電磁調(diào)速異步電動機，其控制系統(tǒng)比較簡單，投資少。 
　　

回轉(zhuǎn)窯拖動系統(tǒng)幾乎概括了所有的調(diào)速方式，但是到20世紀末為止，定型生產(chǎn)的大中型回轉(zhuǎn)窯主要采用直流電動機。個別廠的國外進口窯也有采用液壓傳動的，即用高轉(zhuǎn)矩、慢轉(zhuǎn)速的“油馬達”取代電動機和減速器。 
　　

近年來，回轉(zhuǎn)窯電力拖動向鼠籠型電動機加電子變頻調(diào)速技術(shù)的方向發(fā)展。 

2.1.5　回轉(zhuǎn)窯的電力拖動系統(tǒng)必須具有盡可能高的運行可靠性 
　　

為減少停窯及保證產(chǎn)質(zhì)量，回轉(zhuǎn)窯的電力拖動系統(tǒng)必須具有盡可能高的運行可靠性。停窯時利用回轉(zhuǎn)窯的輔助傳動裝置定時斷續(xù)地使窯體低速旋轉(zhuǎn)，可以減輕熱窯停窯造成的筒體變形，所以選擇電力拖動方案時必須力爭簡單可靠。其供電系統(tǒng)最好有后備電源，輔助傳動等的保安電源可采用柴油發(fā)電機。 

2.2　球磨機 
　　

磨機是水泥廠中功率最大的設備(世界最大磨機的功率已達10000kW以上)，也是轉(zhuǎn)速最快的橫著轉(zhuǎn)的圓筒形設備。常用的機械傳動系統(tǒng)有2種，即“邊緣傳動”和“中心傳動”。 

2.2.1　磨機電力拖動的歷史情況 
　　

過去人們曾經(jīng)籠統(tǒng)地認為磨機是起動困難的設備。因此，多趨向于采用起動電流小、起動轉(zhuǎn)矩大的繞線型電動機拖動。但是選用高轉(zhuǎn)速的異步電動機就必須選配大功率、高減速比的減速器，而這種減速器當時只有歐洲的少數(shù)國家才能生產(chǎn)。如果改用低轉(zhuǎn)速的異步電動機，則因其功率因數(shù)和效率過低，造成經(jīng)濟上的不合理。 
　　

同步電動機的優(yōu)點是:最低轉(zhuǎn)速可能降低到100r/min，從而簡化了減速機構(gòu)；功率因數(shù)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，滿載時仍可達到超前10%；異步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和電源電壓的二次方成比例，同步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和電源電壓的一次方成比例，所以當電源電壓下降時不容易顛覆；電動機本身的運行可靠性和壽命都高于異步電動機。用于拖動球磨機具有簡單可靠、效率高的特點。一個廠的多數(shù)磨機采用同步電動機，該廠的總降壓變電所就不必裝設改善功率因數(shù)用的靜電電容器。運行實踐表明:這種電容器容易產(chǎn)生滲油、鼓肚子、短路等故障，維護比較麻煩，而且壽命短(編者:干式電容器、靜止式進相機的出現(xiàn)及液體變阻器技術(shù)的進步，使得“異步繞線電動機+就地補償”和“繞線(鼠籠)電動機+液體變阻器”成為當今較常用的磨機傳動方式)。 
　　

有的拖動方案是在電動機和負載之間加上電磁離合器，待電動機起動完成、牽入同步運行狀態(tài)并且加上額定電壓之后再用離合器把電動機同磨機連接起來；還有一種稱為“超同步電動機”的具有特殊結(jié)構(gòu)的同步電動機，它是一種定子可以旋轉(zhuǎn)的電動機，起動時先使定子無拘束地反向旋轉(zhuǎn)，進入同步運行后再通過制動機構(gòu)把定子剎住，使帶著磨機的轉(zhuǎn)子起動。這2種拖動方式的缺點是用于控制起動的機、電系統(tǒng)比較復雜。長期的運行實踐表明，系統(tǒng)中的離合器和減壓起動控制設備的故障較多。 
　　

對于采用由高品質(zhì)、大功率、高減速比減速器構(gòu)成“中心傳動”的磨機，除了用繞線型電動機拖動外，也有采用一種具有繞線型電動機的起動特性，又有同步電動機運行特性的“同步異步電動機”拖動的。它在失去直流勵磁電源的情況下也能作為異步電動機繼續(xù)運行，但因空氣隙比異步電動機大，所以功率因數(shù)較低，導致帶負載的能力下降。一般高轉(zhuǎn)速異步電動機很容易因為軸承的磨損而產(chǎn)生定、轉(zhuǎn)子互擦的故障。所以從主要運行于同步狀態(tài)的角度看，定、轉(zhuǎn)子之間的空隙大也是它的優(yōu)點。這種電動機又名“感應同步電動機”，它的轉(zhuǎn)子電壓較高，超過了低壓電器的耐壓標準，還需配備非標準的低電壓大電流勵磁電源。所以給選配起動設備造成了極大的困難。為此，上海電機廠打破“電機廠不生產(chǎn)控制設備”的常規(guī)，開發(fā)了液體變阻器等配套設備，并使之系列化。 
　　

伴隨磨機的大型化導致減速器制造上的困難以及成本的增加，在70年代初出現(xiàn)了干脆革除減速機構(gòu)，把多極數(shù)的同步電動機套裝在磨機筒體上，使磨機筒體成為電動機轉(zhuǎn)子的組成部分的“直接傳動”方式，別名“環(huán)形馬達”或“無齒輪傳動”。但其技術(shù)經(jīng)濟性不合理，而未得到推廣。 

2.2.2　正確選擇磨機電力拖動系統(tǒng)的關(guān)鍵是要確定電動機要具備多大的起動轉(zhuǎn)矩才能保證球磨機順利起動 
　　

在水泥工業(yè)，磨機被認為是重載起動的設備，必須采用既能降低起動電流，又能增大起動轉(zhuǎn)矩的拖動方案。哈爾濱大電機研究所在設計系列化的“磨機專用同步電動機”之前，為搜集設計必需技術(shù)數(shù)據(jù)，曾經(jīng)測量過各種冶金礦山磨機的起動轉(zhuǎn)矩，其測量結(jié)果如表1。  

表1 冶金礦山磨機起動阻轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)表(哈爾濱大電機研究所提供) 
從電力拖動的角度看，“起動轉(zhuǎn)矩”是指電動機轉(zhuǎn)速等于零時的輸出轉(zhuǎn)矩，它只要大于表1中的“起始阻轉(zhuǎn)矩”就應該能夠順利起動。但是，在磨機的起動加速過程中，須要克服2種阻轉(zhuǎn)矩:其中之一是由于軸承與軸之間尚未形成油膜之前產(chǎn)生的起始阻轉(zhuǎn)矩，表1的測量結(jié)果就是這種阻轉(zhuǎn)矩。一旦開始轉(zhuǎn)動，這種阻轉(zhuǎn)矩就會因為潤滑油膜的形成而迅速地大幅度下降。其二是由磨內(nèi)物料和研磨體構(gòu)成的偏心載荷被提升而產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩，它隨著磨機筒體旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速的增加而增大。當旋轉(zhuǎn)的筒體達到某個角度和速度之后又會因為部分研磨體和物料被拋落而有所下降。 

2.2.3　磨機起動過程阻轉(zhuǎn)矩變化曲線的測量 
　　

筆者為了取得水泥工業(yè)常用球磨機起動加速過程中阻轉(zhuǎn)矩變化實際情況的第一手資料，曾經(jīng)研制成一套機電式隨動系統(tǒng)，它可以在不影響磨機正常生產(chǎn)的條件下在現(xiàn)場直接測量磨機電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和加速度，并能經(jīng)過簡單運算，直接畫出磨機靜阻轉(zhuǎn)矩曲線。用它測量哈爾濱水泥廠和大同水泥廠的多臺磨機，結(jié)果近似(見圖3)。 
　　 




　　圖3　球磨機起動過程阻轉(zhuǎn)矩變化曲線 

　　從圖3可知，球磨機起動過程中產(chǎn)生的最大靜阻轉(zhuǎn)矩尖峰接近，但未超過這臺電動機的額定轉(zhuǎn)矩。負載率較低的磨機當然會增大轉(zhuǎn)矩的裕度。 

2.2.4　球磨機電力拖動的最佳方案 
　　

如前所述，同步電動機有很多優(yōu)點，但是，因為它既要降壓起動，又要配備直流勵磁電源，還要外加電磁離合器等輔助環(huán)節(jié)以及這些環(huán)節(jié)的控制設備。所以許多人認為在磨機趨于大型化和采用中心傳動的情況下，同步電動機的起動電流大、起動轉(zhuǎn)矩小、控制系統(tǒng)復雜、投資高，一般不宜采用。 
　　

為了明確同步電動機的價格是否比同功率、同轉(zhuǎn)速的異步電動機高，筆者曾走訪過各大型電機生產(chǎn)廠和當時的有關(guān)部門。電機設計人員比較一致的看法是:“同步電動機的定子結(jié)構(gòu)基本與異步電動機相似，轉(zhuǎn)子的加工工藝比繞線型異步電動機簡單。所以，同步電動機的成本不應該高于異步電動機?！备鶕?jù)繞線型電動機需要配置起動變阻器以及進相機的實際情況，其投資應不會低于附帶勵磁裝置的同步電動機；同步電動機的勵磁系統(tǒng)都具備“強勵”功能，即當電源電壓短時低于額定電壓的85%時，可以使勵磁電流增加到額定值的1.2～1.8倍(根據(jù)訂貨要求)。這項功能一方面是為了防止運行中的同步電動機在電源電壓短時下降超過15%時失步，另一方面輸出相對超前的無功功率，制止電壓的下降。也就是說，運行中的同步電動機可以為起動中的同步電動機提供無功電流，從而減小另一臺電動機起動造成的電壓降。 
　　

圖4是5000kW高速同步電動機起動過程中的轉(zhuǎn)矩及電流特性。 
　　 




　　圖4　同步電動機起動過程的轉(zhuǎn)矩、電流特性 

　　

圖中的虛線表示因為起動電流較大導致電源電壓下降到標準值的85%時的數(shù)值。由此可知，雖然起動電壓降使電動機的起動轉(zhuǎn)矩從1.14降低到0.82，但是仍有足夠的剩余轉(zhuǎn)矩使磨機迅速加速。因此，只要供電系統(tǒng)容許，在邊緣傳動系統(tǒng)中采用低速同步電動機，在中心傳動系統(tǒng)中，采用高速同步電動機代替慣用的繞線型異步電動機和同步異步電動機，具有簡單、可靠、效率和功率因數(shù)高、投資少等優(yōu)點。然而，高達額定電流6倍以上的起動電流導致供電網(wǎng)絡電壓的下降，在磨機功率不斷增大的趨勢下，畢竟是令人擔心的問題。但是，配合改進輔助傳動裝置，充分利用球磨機的特點，就可以顯著降低其起動電流，改善其起動特性。 

2.2.5　輔助傳動的用途和改進 
　　

在向磨筒體內(nèi)裝載研磨體和更換襯板、維修隔倉板時，要求把筒體上人孔調(diào)節(jié)到指定的位置。熟練的操作人員可以根據(jù)經(jīng)驗找到停機的提前量，根據(jù)此提前量及時切斷電動機的電源，就能使磨機筒體在往復擺動之后，其人孔恰好停留在指定的位置。丹麥史密斯公司在20世紀40年代初供應的磨機就曾根據(jù)這種經(jīng)驗在中心傳動減速器低速軸上預裝一個角度可調(diào)的凸輪，用這個凸輪撥動限位開關(guān)遙控高壓斷路器使電動機斷電，就能達到定位停車的目的。在20世紀50年代以后進口的磨機傳動系統(tǒng)中，都帶有可以使磨機緩慢轉(zhuǎn)動的“輔助傳動”裝置。它由1臺小型電動機和減速器組成，當需要使磨機慢轉(zhuǎn)時，可以搬動杠桿使輔助傳動裝置減速器的低速輸出軸通過斜齒形離合器連接到主減速器的輸入軸或主電動機軸上，然后開動輔助傳動的電動機就能使磨機緩慢轉(zhuǎn)動。如果在輔助傳動裝置開動的狀態(tài)下起動主電動機，則因主電動機的轉(zhuǎn)速遠高于輔助傳動出軸的轉(zhuǎn)速，從而通過離合器斜齒的斜面作用將吻合在一起的兩片離合器推離。因為這種離合器可以把轉(zhuǎn)動力從甲軸傳到乙軸，當外力使乙軸同方向轉(zhuǎn)動的速度高于甲軸時，離合器就會自動使甲乙兩軸脫離，所以也叫做“超越離合器”。 
　　

由于這種離合器的功能特點，大多數(shù)水泥廠都在起動磨機之前都先開動輔助傳動裝置，待磨機緩慢轉(zhuǎn)動之后再起動主電動機，認為這樣可以幫助磨機起動。球磨機橫剖面示意如圖5。圖5A是停車后處于偏心狀態(tài)的研磨體和物料使磨筒體往復擺動幾次靜止后的狀態(tài)。圖5B是剛開始起動或用輔助傳動使筒體慢速轉(zhuǎn)動時的狀態(tài)。圖5C是筒體加速并轉(zhuǎn)動60°以上后，部分研磨體開始拋落的狀態(tài)。從圖5可知，當磨機中的研磨體和物料處于圖5A狀態(tài)時比較容易起動，因為這相當于汽車從坡底開始爬坡；處在圖5B狀態(tài)的磨機最難起動，因為這相當于把汽車推到坡上以后再讓它起動；還有一種看法認為:“先起動輔助傳動可以使磨機軸承建立起潤滑油膜，減小起動時的摩擦阻力?！睆谋?和圖3可知，磨機起動時的軸承摩擦阻力對起動的影響較小。而且輔助傳動運行時的磨機轉(zhuǎn)速只相當于正常運行轉(zhuǎn)速的1%左右，轉(zhuǎn)速在0.2r/min左右，根本起不到建立潤滑油膜的作用。仔細觀察用輔助傳動運行時的磨機，就能發(fā)現(xiàn)磨機筒體是在抖動著旋轉(zhuǎn)，可見潤滑狀態(tài)不佳。 
　　 


　　如果因勢利導，把斜齒離合器改為小型電磁離合器。起動之前先合上電磁離合器，用輔助傳動使磨機筒體向與主傳動相反的方向轉(zhuǎn)動，待筒體內(nèi)偏心載荷達到休止角之后(輔助傳動電動機的輸入電流會伴隨磨機筒體旋轉(zhuǎn)角度的增大而增加，當筒體內(nèi)的研磨體和物料達到休止角之后，電流就不再增加。所以，可以根據(jù)電流變化判斷是否已經(jīng)到達休止點。)再斷開電磁離合器，使磨機靠偏心載荷向正常方向轉(zhuǎn)動并在轉(zhuǎn)動到轉(zhuǎn)速最高狀態(tài)時及時合閘起動主電動機。因為定子電流是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，所以，這種起動方法可以明顯降低電動機的“起動電流”(嚴格地講，應是“初始電流”)和大電流的持續(xù)時間。 
　　

有人擔心采用這種起動方法會損壞減速器。其實，每次停磨時磨機筒體都會反復擺動幾次才能停穩(wěn)。具有偏心載荷的磨機筒體相當于物理學中的“復擺”，它擺動幅度的大小不影響擺動周期。當以正常轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磨機停車時，磨筒體中偏心載荷被提升的高度高于用輔助傳動所能達到的高度。因為它的擺動周期不變，較大幅度擺動時的加速度較大，所以，減速器齒輪因此而產(chǎn)生的正反向沖擊遠大于用上述方法起動時產(chǎn)生的沖擊?？梢哉f，減速器對這種沖擊是久經(jīng)考驗的。有的水泥廠因故被迫長時間停磨時，為了避免熱態(tài)的筒體弧垂變形和冷卻時軸向收縮擦傷軸瓦，在停磨初期都用輔助傳動使筒體轉(zhuǎn)動一些時間。但是，每次轉(zhuǎn)完切斷電源之后都會因為斜齒形離合器在這種情況下無法脫開，以致擺動的磨機帶動已經(jīng)斷電的輔助傳動電動機嚴重超速旋轉(zhuǎn)，發(fā)出類似防空汽笛般的強大叫聲，使人擔心輔助傳動設備受損，但是工廠的操作人員卻已習以為常?？梢?，用輔助傳動可通過偏心載荷積蓄相當大的能量。改用電磁離合器也可避免產(chǎn)生這種超速現(xiàn)象。但是要有可靠的聯(lián)鎖機構(gòu)，保證只有在電磁離合器脫開的條件下才能起動主電動機。 
　　

磨機采用簡單、可靠、高效的同步電動機替換繞線型電動機，采用用輔助傳動裝置反向轉(zhuǎn)動筒體積蓄位能的方法幫助起動，將會構(gòu)成性能價格比最高的拖動方案。而且從開動輔助傳動到同步電動機牽入同步運行的過程可以通過簡單的程控裝置使之自動化，從而簡化操作，為生產(chǎn)設備的集中控制創(chuàng)造有利條件。 

2.2.6　雙傳動的球磨機同樣可以采用同步電動機拖動 
　　

用于球磨機的大功率減速器為了降低齒輪嚙合的單位面積壓力，多采用雙路傳動方式:由高速輸入軸的小齒輪帶動左右兩側(cè)的大齒輪，再通過分別與大齒輪同軸的小齒輪從兩側(cè)帶動輸出軸的大齒輪。為了消除左右兩路傳動之間的偏差，輸出軸大齒輪軸的軸承支撐在能夠恰好平衡大齒輪重量的彈簧上并根據(jù)兩側(cè)小齒輪偏差的大小和方向上下微動。為了適應微動的需要，固定在減速器輸出長軸上的大齒輪采用多層薄鋼板構(gòu)成的柔性輪轂，長軸的另一端通過彈性聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接磨機的中空軸。 
　　

如果把這種減速器的輸入軸以及小齒輪從1組改為左右2組，用2臺電動機拖動，構(gòu)成雙傳動輸入，那么因為電動機的轉(zhuǎn)速會伴隨負載的輕重變化，所以能夠起到平衡作用。減速器就不必設置平衡機構(gòu)，輸出不必采用長軸聯(lián)接磨機。 
　　

當由負載產(chǎn)生的靜阻轉(zhuǎn)矩增大時，則同步電動機定、轉(zhuǎn)子之間的磁力線就會被拉長，使轉(zhuǎn)子相對于定子落后一定角度。落后角度的大小取決于靜阻轉(zhuǎn)矩增大的程度。這種情況好比是定子通過均勻分布在定子和轉(zhuǎn)子之間的多數(shù)彈簧拉動著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，二者的轉(zhuǎn)速是相同的，否則彈簧就會被拉斷。但是二者之間的聯(lián)接是彈性的。這就說明同步電動機同樣可以起到平衡兩路傳動力的作用。 

3　輔助設備和輸送設備電動機選型的合理化 

　　水泥廠的大多數(shù)中小型電動機都是用于拖動輸送顆粒狀和粉狀物料設備的。它們需要在車間控制室或中央控制室集中控制，嚴格按照物料運動的相反方向逐次起動。除了極特殊的設備以外，應該盡可能地采用具有封閉外殼的鼠籠型電動機并避免采用降壓起動、降壓運行(為了提高輕載電動機的功率因數(shù))等附加設備。維持生產(chǎn)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行是電動機選型的重點，因此要求系統(tǒng)簡單、可靠。 
　　

一般地說，異步電動機的效率和功率因數(shù)在負載率為75%左右時最高，低于50%時則急劇下降。因此，應該盡量避免大馬拉小車的現(xiàn)象。合理選擇配套電動機的容量不僅能夠降低設備的成本和基建投資，而且由于效率和功率因數(shù)的提高會明顯降低包括輸配電系統(tǒng)在內(nèi)的能量損耗，從而降低單位產(chǎn)品電耗。所以，恰當?shù)倪x定電動機容量既是設計部門提高設計水平的必由之路，也是水泥生產(chǎn)部門降低電耗的措施之一。然而，這也是一個老大難問題。因為: 
　　

1)1臺設備停轉(zhuǎn)就會導致整條生產(chǎn)線停工，所以從保證生產(chǎn)運行的角度出發(fā)，選配電動機容量就必然趨向于寧大勿小，而且層層增加保險系數(shù)。 
　　

2)斗式提升機和螺旋輸送機是使用數(shù)量最多的輸送設備，但是卻普遍存在著加工質(zhì)量差的問題，運行時消耗在克服摩擦的功率和用于提升物料的功率相差無幾的提升機在我國司空見慣。經(jīng)常看到有些螺旋輸送機的中心軸彎曲，導致螺旋葉片刮殼，懸臂的軸承伴隨彎軸晃動的現(xiàn)象，這些額外的功率消耗都是無法預測和計算的，只能靠加大保險系數(shù)解決。 
　　

3)我國幅員遼闊，南北氣候溫差很大。北方冬季時，設備軸承和減速器內(nèi)的潤滑油在停車后很快就凝結(jié)或粘稠化，電動機的容量裕度不夠就無法起動。南方夏季氣溫有時可能超過40℃，如果電動機的容量裕度不夠，溫升就可能超過容許值。但是，定型生產(chǎn)的設備不宜隨使用地區(qū)不同而任意改變配套電動機的功率。 
　　

4)有些輔助設備的負載會隨著使用條件的不同而產(chǎn)生很大差別，選用設備時很難事先估計到。例如，兩個濕法廠相同的掏泥機都配套110kW電動機，一個廠用自卸卡車卸料，池底布滿碎石，平時負載在70%左右，投料瞬間高達120%以上；另一廠通過喂料機均勻投料，及時清理碎石，電動機的輸入功率只有18kW。 
　　

5)因為除了配屬主機和功率較大設備的電動機以外，一般都不配備電流表，導致有關(guān)人員對數(shù)量較多的小功率電動機的負載情況心中無數(shù)；還因為電動機輸入電流的大小與負載輕重不是線性關(guān)系，在負載率低于50%時由于效率和功率因數(shù)下降的幅度增大，所以單純靠測量輸入電流難以準確判斷負載的具體數(shù)值，只能作為參考數(shù)據(jù)。 
　　

從上述情況可知，合理選擇電動機需要從事電力拖動、水泥設備、水泥工藝的設計、制造、使用、維修人員的共同協(xié)作和努力。 

4　物料輸送系統(tǒng)機電設備的過載和故障保護 

　　因為物料輸送系統(tǒng)中任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障都會導致整個輸送系統(tǒng)被迫停頓，處理不及時就會導致故障擴大或產(chǎn)生嚴重的物料堆積、堵塞，所以必須“聯(lián)鎖”。但是，如何正確及時地檢測出故障點卻是一個值得研究的課題。 
　　

對于中小型電動機，一般都采用帶熱繼電器(現(xiàn)在已由電子式過電流繼電器取代)的交流接觸器作為控制兼過電流保護設備。所以，聯(lián)鎖功能就是靠電動機的過電流保護裝置動作或維護人員按下安裝在相關(guān)設備附近的“原地停車按鈕”切斷相關(guān)電動機電源而檢測故障點的。但是，現(xiàn)代化水泥廠中的維護人員很少，不可能及時發(fā)現(xiàn)設備故障；因為電動機的容量裕度都比較大，所以，待到電動機因過載而停車，則機械故障或物料堵塞往往已經(jīng)發(fā)展到了相當嚴重的程度。何況當出現(xiàn)提升機斷鏈條、螺旋輸送機斷軸、傳動皮帶打滑或斷裂等性質(zhì)的故障時，只能使電動機的負載減輕。此外，也有不少電動機被燒毀的原因是保護裝置失靈或整定不當。 
　　

如果在輸送設備的終端軸上，例如，帶式輸送機的尾輪、提升機的下部張緊輪、螺旋輸送機軸的尾部等最能反映設備故障的處所裝上一個能夠根據(jù)設定的轉(zhuǎn)速值而通斷的開關(guān)裝置作為聯(lián)鎖系統(tǒng)的反饋單元，就能明顯提高對輸送系統(tǒng)的保護作用。 

5　水泥廠從石灰石礦山到廠區(qū)運輸系統(tǒng)的特點是重物下放 

　　水泥廠采用架空索道或長距離帶式運輸機運送礦石時，由于運輸系統(tǒng)的裝料端高于卸料端，是重物下放，系統(tǒng)運行于負力狀態(tài)。由圖2a可知，電動機處于發(fā)電機運行狀態(tài)時，電動機起著制動作用，加大轉(zhuǎn)子電阻會使被制動的設備轉(zhuǎn)速增加。忽視這個特點就會犯錯誤。利用好這個特點就能節(jié)電。 
　　

為了說明這個問題，就先從某水泥廠架空索道的事故教訓談起。該廠的架空索道用于把經(jīng)過破碎后的石灰石運輸?shù)綇S內(nèi)的原料庫。由于設計單位主觀地套用僅適用于重物提升的設計方案，使設計存在著幾項原則性錯誤: 
　　

1)拖動電動機為繞線型電動機，采用逐級短接轉(zhuǎn)子電阻的方式起動。因為電動機運行于異步發(fā)電機狀態(tài)，轉(zhuǎn)子接入電阻會降低它的制動轉(zhuǎn)矩(參見圖2)，所以，起動后運行轉(zhuǎn)速會很快超過它的同步轉(zhuǎn)速。如果不能及時將轉(zhuǎn)子短接，則會繼續(xù)加速，危及整個索道系統(tǒng)的運行安全。 
　　

2)索道的傳動系統(tǒng)中有2個制動裝置:一個是裝在電動機與減速器輸入軸之間聯(lián)軸節(jié)上的電磁制動器。另一個是裝在卷筒附近，直徑較大，帶木質(zhì)制動靴的機械制動器。電磁制動器用以保證在切斷電動機電源時立即剎車，并防止索道反轉(zhuǎn)。機械制動器是保險閘，是防止失控的最后一道防線。但實踐證明，這些按重物提升設計的制動系統(tǒng)在重物下放的條件下如果突然停電導致電動機失去制動作用時，2個制動器都起不了防止系統(tǒng)不斷加速的制動作用。 
　　

3)檢修線路時要求索道系統(tǒng)能夠低速運行。原設計采用加大繞線型電動機轉(zhuǎn)子電阻的方法降低運行速度，但是在重物下放的條件下這種控制方法反而會使運行速度不斷增加。 
　　

工廠建成后投產(chǎn)不久，架空索道便發(fā)生了1次重大事故:停電使系統(tǒng)不斷地加速，導致料斗堆積擠壓產(chǎn)生強大的拉力，拉倒了薄弱環(huán)節(jié)的支持物。位于高端支持導向輪的、邊長近2m的鋼筋混凝土方柱也被拉斷，可見拉力之強大。 
　　

從該廠架空索道事故的教訓可知，事故的原因源于設計錯誤。所以在設計從礦山到廠區(qū)的架空索道、長距離皮帶運輸機等輸送系統(tǒng)時，必須注意到大多數(shù)礦山比廠區(qū)高，運輸系統(tǒng)處于重物下放的狀態(tài)，因此必須保證在斷電的狀態(tài)下使系統(tǒng)具備均勻減速和停止運行的制動能力；有效利用物料的位能，能夠使輸送系統(tǒng)起到重力發(fā)電站的作用。 

6　結(jié)束語 

　　水泥廠電力拖動涉及的范圍很寬，限于篇幅，本文僅著重介紹了一些基本概念和回轉(zhuǎn)窯、球磨機等主要水泥設備特有的電力拖動特性；限于筆者的水平，有待修正和補充的內(nèi)容必然很多。例如，想要證實利用積蓄的位能，使磨機在達到一定轉(zhuǎn)速的條件下合閘通電，從而降低起動電流(嚴格地講，應是“合閘電流”)的起動方法是否可行，只需測量出磨機停車時的擺動周期、幅度，計算或測量出靠擺動可能達到的最高轉(zhuǎn)速，就能明確此方案的可行性。