球磨机是水泥厂中功率最大的主机,为了减轻起动电流对电源电压的影响,多采用绕线型异步电动机传动。为了发挥这种电动机起动转矩大、起动电流小的优点,应根据使用单位的具体条件和客观可能选配各种纯电阻性变阻器作为它的起动器,但从60年代末期以来在我国开始普遍采用频敏起动器,它的普及并不是它的性能和性价比比其它起动变阻器高出一筹,而是由于当时的特定社会条件和片面宣传造成的。近年来,又出现了一种否定频敏起动器,提倡液体变阻器的趋向,大有取代频敏起动器之势。鉴于各种起动器都分别具有不同的特点和适用范围,应该根据各自的不同具体条件选用,本文将就此谈谈绕线型异步电动机起动设备的选型问题。此外再介绍一些磨机电力传动的一般情况和存在问题。
1 起动器的选用
在现代的工业生产中,用得最多的电动机是鼠笼型异步电动机。因为它具有简单、可靠、价廉的优点;并且在大多数情况下只需外装一个电源开关就能随意开停。采用比它复杂、价昂的绕线型异步电动机,是因为它能通过选择外接电阻人为地设定和改变其起动转矩和电流,从而能在大幅度地降低起动电流的同时,得到使设备加速所需的起动转矩。简言之,绕线型电动机比鼠笼型异步电动机的起动转矩大、起动电流小。降低起动电流的目的是为了减轻大电流冲击对电源电压的影响。所以在选择其起动设备时,必须以能更好地实现上述目的为准绳,按各种起动器的特点,根据具体条件和目的选用。
1.1 频敏起动器
频敏起动器的优点是:可使起动过程自动化、没有可动部件、结构相对简单以及制造时对加工条件的要求低,可以手工生产,容易普及等。缺点是:因为它本质上是一个品质因数极低的电抗器,有电感成分,起动时的功率因数低,所以采用频敏起动器的绕线型异步电动机的起动特性介于鼠笼型异步电动机与转子接上纯电阻起动器的绕线型异步电动机之间;起动电流较大、起动转矩较小。且因它的结构是把绝缘层容许温度有限的绕组套在故意使涡流损失特大以致温升较高的铁心上,所以不容许在短时间内多次起动。对于电源容量较大的大、中型水泥厂磨机的绕线型异步电动机采用频敏起动器起动是比较合适的。例如:较早采用频敏起动器起动1000kW磨机电动机的耀县水泥厂,该厂系由靠近厂区的进线电压为110kV,单台变压器容量为10000kVA的区域变电站以6 kV直接供电,因而不但可以用频敏起动器,甚至直接起动1000kW鼠笼型异步电动机也毫无问题。在70年代,天津市一个生产频敏起动器的厂曾对用频敏起动器起动磨机电动机作过试验,发现要使起动转矩等于额定转矩的1.2倍,起动电流不大于额定电流的2.5倍而又只用一级时,因为最后能够达到的转速偏低,而且负载越重,转速越是低得多,所以短接时的定子电流高达额定电流的4倍,往往因此导致电动机电源的断路器跳闸,造成起动失败。所以,起动级数不宜少于两级。由此可知,对于供电条件较好、较大的起动电流也不会使母线电压下降超过15%的厂,采用合理组配的频敏起动器可以发挥其操作及维修简易的优点。如果不管具体供电条件如何都选用频敏起动器,且无第二级,当然就难免“经常发生起动不成功现象”。如果“起动不成功现象”是因为在起动过程中开关跳闸造成的,还应该检查一下是否是最后短接时冲击电流太大或者是否是电动机和配电站的继电保护装置按既能满足系统短路保护的要求、又能保证不会因为电动机的正常起动电流而动作的原则整定的,不能笼统地都归疚于频敏起动器。
1.2 油浸起动变阻器
油浸起动变阻器的优点是起动时的功率因数高,因而在起动转矩相同时,起动电流比频敏起动器小得多。油浸起动变阻器把转换器与电阻器集中装在一个油箱里,级数多,因而切换时的电流冲击小;机构紧凑,外形比风冷式起动变阻器小。缺点是现有产品皆为手动操作;检查和维修时必须借助滑轮等设备把内芯从油箱中抽出来。当电动机的功率在500kW以下不需要自动操作,着眼于简单可靠,并希望起动电流小的小型水泥厂,采用油浸起动变阻器,并按起动电流为额定电流的1～1.2倍选配电阻值,则是较佳的方案之一。我国仿苏产品只能用于500kW以下的电动机,可能和前苏联提倡采用同步电动机,380kW以上的磨机一律采用磨机专用高起动转矩低速同步电动机有关。油浸起动变阻器是欧洲的传统产品,例如峨嵋水泥厂的设备是由丹麦成套供应的,该厂的绕线型异步电动机一律采用油浸起动变阻器起动,其中最大的用于功率为两千多千瓦的同步异步电动机。但是对于这样一个大型水泥厂,把一些本来应该选用鼠笼型异步电动机的设备改用绕线型异步电动机,又是手动操作油浸起动变阻器,因而降低了操作的自动化水平,可见这种设计是明显的不合理。此外,在配套供应的电动机中,滑动轴承的采用比例比当时的国产电动机高,而且大部分电动机的铭牌都被换成没有电机厂名称和出厂日期的、只有配套公司名称的铭牌。这就不能不令人怀疑是否把三、四十年代的积压物资都清给了我们?
1.3 接触器屏式起动器
用铸铁电阻栅和接触器组成的起动器虽然外形较大、电路比较复杂,但是可以满足各种自动化要求。对于500kW以上的电动机,在没有其他适用的起动设备可选时,采用这种起动器是能够发挥大型绕线型电动机特长的唯一方案。它的优点是可以用产量最大的通用接触器根据需要设计组装,在控制电器品种比较少的条件下也能满足不同企业的各种要求。而且现代国产接触器的外形比老产品已经缩小很多,有的接触器还可附加机械锁定机构;硅整流器的发展使采用直流控制电源消除交流接触器的振动噪声和节电成为轻而易举的措施;甚至可以挪用油浸起动变阻器的特点,采用外形更小的单极直流接触器,每次只短接一相以便用相同的空间增加起动级数,从而组配出性价比较高的绕线型异步电动机起动器。
1.4 电动凸轮控制器式起动器
国外用于大型绕线型电动机的起动设备常采用带大电流触头的电动凸轮控制器,级数可达十多级、每级只轮流短接一相,并且带有只能在全部触头都开路的条件下才能接通定子电源的联锁触点;机构紧凑、外形小;既无接触器电磁铁的噪音、起动后也不耗电;不必另配短接用的交流接触器;控制电路也比接触器屏简单的多。虽然也有通过大电流的触头,但因它和电阻并联,几乎没有烧蚀现象,可以随时打开外盖检查,维修比较方便,虽有因切换产生的电流起伏,但是日常的维护工作量较小。因为须要外配电阻栅,所以占地面积稍大。但是多占几平方米的地方对一个装有几台磨机的厂房有多大影响呢?只是目前国内尚无这种产品。当采用进口设备时,这也是可供选择的方案之一。有人在介绍液体起动变阻器的优点之一是起动平滑,没有机械和电的冲击时,过分强调了其它型式起动器有级起动对被传动设备的损伤作用。其过分之处在于:磨机停机时反复摆动,并经减速机构增速后造成的碰撞,对传动系统的损伤作用远大于起动冲击的影响,与此相比,有级起动产生的冲击对设备的寿命影响甚微。
1.5 液体起动变阻器
液体起动变阻器不是新技术,但在我国却是新产品。日本于40年代初在我国东北建设的水泥厂中已经普遍采用,习惯上称为“水电阻”。一般是在充满液体的圆桶形容器内有三组可以改变距离的动、静电极,用小形伺服电动机通过传动机构改变动、静电极间的距离,使电阻值从大到小地变化。作为大型绕线型异步电动机的起动器,因为电阻的变化是无级的,所以起动平滑;最后用接触器短接,使电动机进入运行状态。短接时有一次不大的电流冲击。整个起动过程都可在合上电动机的电源开关后自动完成。在伺服电动机出故障时,也可手动操作。它的优点是电阻值是无级变化的，没有切换时的电流冲击;简单易制，消耗的金属材料少；只要改变电阻液的浓度就能很方便地改换电阻值。但是这项优点恰好也是它的缺点,因而须要经常注意检查电阻液的蒸发、结冰、沉淀、浓度变化造成的电阻值变化以及经年累月的电极腐蚀等问题。
除了起动用的水电阻之外,还有用于调速的水电阻。它利用水电阻的电阻值可以无级变化的特点,配以根据被控电动机的转速反馈信号、按给定转速运行的自动稳速环节,克服了绕线型电动机用转子电阻调速时转速随负载轻重变化较大的缺点,既可调速又具备较硬的机械特性。用以传动回转窑和大功率的窑尾排风机,具有简单可靠、投资少、易维修的特点。虽然它的效率与转速成正比,是个缺点,但在生产正常时,回转窑长期在较高转速运行,且其实需功率多在磨机的1/10以下,因而这个缺点不突出。排风机的实需功率与转速的三次方成比例,用此法调速和调阀门相比,节能效果比较明显,而且具有稳定风量从而稳定窑内热工制度的作用。虽然在运行效率方面不如某些电子式的调速系统,但因熟料烧成系统最怕突然性的被迫停窑;所以主要矛盾是可靠性而不是效率。维持烧成系统长期稳定运行是取得高效益的基本条件,注重局部设备的可靠性,正是为了满足这个基本条件。从70年代日本水泥协会的刊物上看到,具有先进电子技术的日本的某些水泥厂仍在使用此种调速设备。我国以前无此类产品的原因主要是在建国后强调仿苏,而前苏联的工业产品基本是欧洲型的。在70年代,上海电机厂为给本厂生产的球磨机用800kW同步异步电动机配套(亦称感应同步电动机,这种电动机转子电压较高),在各电器厂都不愿供应的情况下,曾参考日本产品试制了起动用的水电阻。80年代从日本成套引进的水泥厂的电器设备中也有水电阻,被不了解情况的人视为新事物。因为它结构简单,容易自制,所以有的水泥厂除了自制自用之外,还对外出售。
2 绕线型异步电动机起动器电阻值的正确选择前提是要掌握磨机加速过程的阻转矩特性
在为绕线型电动机选择起动器时首先必须处理好两个互相矛盾的关系:既要尽量减小起动电流,又要使起动转矩满足磨机顺利起动的要求;矛盾的主要方面是要掌握磨机转速从零加速到运行转速时的阻转矩变化规律和数据。笔者曾起动过用各种起动方法起动的异步和同步电动机传动的磨机近千次,收获有两点,其一是:看准断电瞬间磨筒体上人孔盖的位置与筒体经过摆动停止后人孔盖位置的角度关系明确拉闸断电的提前量,操作熟练后可以做到只起动一次、就能使人孔停留在所要求的位置。对于没有辅助传动装置(也称“慢传动装置”)的磨机,这是避免为了使人孔停留在指定位置而不得不多次起动导致起动器过热的窍门。其二是:根据用特制的、电阻值可调范围大且容许长时间通过大电流的水电阻起动磨机时,其起动电流等于或稍小于额定电流,并且起伏很小的现象;又从加速过程、筒体加速度的变化中感觉到磨机在起动初期的阻转矩不大。因为即使人为地加大起动电阻值,使起动电流降低到实际运行电流的0.8,电动机也能顺利地开始转动。但伴随筒体旋转角度的增大,加速度有所下降,如果转矩不够,就会中途停滞,进入堵转状态。这是因为阻转矩随着磨内研磨体提升高度的增加而增大。超过某个角度之后,筒体的加速度又突然增大,磨机迅速进入运行转速。这是因为研磨体开始抛落,使阻转矩突然下降造成的。由此可以定性地认识到:过去冶金部和一机部协商制定的:“磨机属于重载起动设备,磨机专用同步电动机的起动转矩不得小于额定转矩的1.7倍”的提法只能认为是针对冶金矿山棒磨机的,不一定符合水泥厂球磨机的实际情况。后来又用特制的仪器测出了“磨机加速过程中的阻转矩变化曲线”取得了定量的数据(参见本刊1990年6期17页《也谈磨机慢传动装置的用途》)。由此得到的一个重要的经验是:在了解生产系统时,不要把自己局限在所从事的专业范围内。只有在各种专业互相渗透的气氛中,才能得到更符合实际的认识。
3 在磨机电动机选型方面存在的问题
在工业企业中,选择电动机的原则是:除了需要变速等特殊要求的电动机以外,在电源容量容许的前提下,应该力争采用鼠笼型异步电动机;对磨机等用的大型电动机,应该尽可能地选用同步电动机。我国在40年代及以前建设的水泥厂磨机采用低速同步电动机传动的比较多。因为当时的电网容量比较小,所以这些同步电动机都是采用空载降压起动,待牵入同步运行状态之后再通过电磁离合器或空气离合器起动磨机。还有一种“超同步电动机”,它的定子也能旋转。起动时先使定子同步旋转,然后用刹车慢慢地把定子刹停,在定、转子之间保持同步转速的状态下,转子带动磨机加速到正常运行状态。凡是参与过这类电动机维护工作的人,都对这种电动机故障率之低,印象深刻。其故障都出在减压起动设备和电磁离合器方面。建国后新建水泥厂的磨机则较多地采用了绕线型异步电动机,这是因为当时国产电机和电器设备供应紧张,国内还没有生产成套水泥设备的能力,水泥厂的建设也不包括在前苏联援建范围之内,所以只好从前东德等东欧国家进口。根据当时的报价,进口一台带电磁离合器的低速同步电动机比绕线型异步电动机加上减速机还贵得多,国内的电机厂都不肯接受大型电磁离合器的订货。在前一机部统一制定的价格表上,硅钢片用量少、制造省工的同步电动机也比同功率、同转速的绕线型异步电动机价格高,为了节省外汇,只好采用绕线型异步电动机加减速机的方案。但在试生产过程才发现这些进口的减速机质量低劣,给有关工厂生产留下了后患。所以其后从前东德进口的磨机有些就改为用低速同步电动机加电磁离合器的传动方式。但在同一时期由前苏联援建的冶金企业的磨机则一律用“磨机专用同步电动机”传动,这种电动机不需附加电磁离合器之类的附属设备,可以全电压直接起动;运行时功率因数可以达到超前0.9,额定转速多在100～167r/min之间,定、转子之间的空气隙比异步电动机大得多,很少产生“扫膛”故障,配合边缘传动的磨机使传动系统非常简单,运行可靠性很高。热电厂的球磨机一律用鼠笼型异步电动机传动,因为电动机和控制设备都很简单,所以故障很少。虽然这两种电动机的起动电流皆为额定电流的6.5～7倍,但是这些企业都具备电源容量大的优势,一两千千瓦电动机的起动电流冲击对全厂电源电压的影响很小。冶金厂磨机同步电动机的控制设备中还有当电源电压的下降超过10%～15%时自动短时加强励磁的电路,目的是既能保持同步电动机不会因而失步,且能借助同步电动机向电源短时反馈电能的作用减轻电压下降的趋势。也就是使正在运行的同步电动机短时输出超前无功电流的方法减轻其它同步电动机起动时滞后无功电流冲击对电源电压的影响。有些大型水泥厂本来也具备这种优势,但因有些磨机设计人员认为:采用进口或引进技术制造的大功率、高质量减速机的中心传动方案比边缘传动方案的效率高、寿命长;边缘传动机构敞露在多灰尘的环境中,振动大、寿命短;而且用低速同步电动机的边缘传动比有减速机的边缘传动的减速比大,当需要比现有磨机规格更大的磨机时,则其小齿轮和大齿圈在设计和制造方面有难点。在中心传动的磨机上采用高速的鼠笼型异步电动机或同步电动机的方案,虽然在热电厂等企业已是“司空见惯”,但在水泥厂除了煤磨以外却是“史无前例”,想要打破传统的习惯势力是很不容易的。此外,从设备设计和生产供应的角度看,进行一项磨机定型设计和选择配套电动机时,总是要考虑使它具有对环境条件尽可能广泛的适应性,丹麦史密斯公司的磨机大多配套供应同步异步电动机的主要原因就在于此。因为这种电动机的起动特性与绕线型异步电动机相同,运行特性与同步电动机相同,具有起动电流小和功率因数高的双重优点,符合该公司的产品须要面向全世界的特点。采用的数量多了还会因为电动机生产成本的下降而部分地抵消价格偏高的缺陷。在国内也有个别厂采用同步异步电动机。上海和兰州两个电机厂也都生产过这种电动机。但因价格较高,未被普遍采用。如果考虑到采用这种电动机可以省掉在厂区配电站装设改善功率因数的电容器柜及其开关控制设备以及建筑物投资等因素,这种方案还是可取的。所以从工厂电力传动系统设计的角度看,则应根据不同电网容量和供电条件,具体情况具体对待。尽可能采用运行特性好的同步电动机。不得已时才采用绕线型异步电动机。冶金部门常用的磨机专用同步电动机起动电流之所以高达额定电流的7倍,是因为要求其起动转矩不得小于额定转矩的1.7倍造成的,按电机厂设计人员的说法:“如果按照水泥厂磨机的实际情况,只要求其起动转矩不小于额定转矩,则把起动电流降到5倍左右是可能的”。目前普遍采用的,给绕线型异步电动机加装进相机的方法对于已经建成的厂作为一项提高功率因数的补救措施尚可,但对于新建的大中型厂就不合理了。因为生产同步电动机的原材料成本和加工的成本都比绕线型异步电动机低,虽然还要配置可控硅励磁装置,总成本还是比绕线型异步电动机加上进相机低。但是同步电动机功率因数可根据需要调节和运行可靠性高的优点却是前者无法比拟的。由此可知,从技术经济角度上看,磨机电动机的选型还是一个值得继续深入探讨的问题。打破行业界限,加强技术交流,将有利于取得进一步的认识。
4 结束语
本文的目的是为了说明绕线型异步电动机的起动设备除了频敏起动器和油浸起动变阻器之外还应该有其它品种,磨机也不是只能用绕线型异步电动机传动。在磨机电动机和绕线型异步电动机起动设备的选型中存在着很多矛盾和客观条件的制约。只有在充分了解有关机、电设备的技术特点,掌握包括价格在内的供应情况等的基础上,经过客观的、实事求是的、反复深入比较作出的决择,才能少犯和不犯错误。在水泥工业电力传动的领域中的类似问题还有很多,有待有心人去探讨。但是,在家用电器产品琳琅满目的今天,绕线型异步电动机起动设备的品种却少的可怜。当频敏起动器流行的时候,油浸起动变阻器的名字就在《控制电器产品手册》中消失了;看来,液体起动变阻器的复兴,将会使频敏起动器的地位岌岌可危。地位最稳固的是接触器屏式起动器,因为它可根据各种订货要求随时用标准电器组装而不必担心积压,它还比较适用于频繁开停和反向的设备,用途比较广泛。产品品种少,选择的余地就小,这是一种不正常现象。和这种现象有联系的是大多数介绍新产品、新技术的文章都是只谈优点,不谈或很少谈及缺点。如果这些文章都是来自设备制造厂家,好象还情有可原,然而不少这类文章却出自用户,这就令人感到不可思议了。最后,欢迎具有不同意见的文章使本文中的缺陷和错误得到充实和修正。
1 起动器的选用
在现代的工业生产中,用得最多的电动机是鼠笼型异步电动机。因为它具有简单、可靠、价廉的优点;并且在大多数情况下只需外装一个电源开关就能随意开停。采用比它复杂、价昂的绕线型异步电动机,是因为它能通过选择外接电阻人为地设定和改变其起动转矩和电流,从而能在大幅度地降低起动电流的同时,得到使设备加速所需的起动转矩。简言之,绕线型电动机比鼠笼型异步电动机的起动转矩大、起动电流小。降低起动电流的目的是为了减轻大电流冲击对电源电压的影响。所以在选择其起动设备时,必须以能更好地实现上述目的为准绳,按各种起动器的特点,根据具体条件和目的选用。
1.1 频敏起动器
频敏起动器的优点是:可使起动过程自动化、没有可动部件、结构相对简单以及制造时对加工条件的要求低,可以手工生产,容易普及等。缺点是:因为它本质上是一个品质因数极低的电抗器,有电感成分,起动时的功率因数低,所以采用频敏起动器的绕线型异步电动机的起动特性介于鼠笼型异步电动机与转子接上纯电阻起动器的绕线型异步电动机之间;起动电流较大、起动转矩较小。且因它的结构是把绝缘层容许温度有限的绕组套在故意使涡流损失特大以致温升较高的铁心上,所以不容许在短时间内多次起动。对于电源容量较大的大、中型水泥厂磨机的绕线型异步电动机采用频敏起动器起动是比较合适的。例如:较早采用频敏起动器起动1000kW磨机电动机的耀县水泥厂,该厂系由靠近厂区的进线电压为110kV,单台变压器容量为10000kVA的区域变电站以6 kV直接供电,因而不但可以用频敏起动器,甚至直接起动1000kW鼠笼型异步电动机也毫无问题。在70年代,天津市一个生产频敏起动器的厂曾对用频敏起动器起动磨机电动机作过试验,发现要使起动转矩等于额定转矩的1.2倍,起动电流不大于额定电流的2.5倍而又只用一级时,因为最后能够达到的转速偏低,而且负载越重,转速越是低得多,所以短接时的定子电流高达额定电流的4倍,往往因此导致电动机电源的断路器跳闸,造成起动失败。所以,起动级数不宜少于两级。由此可知,对于供电条件较好、较大的起动电流也不会使母线电压下降超过15%的厂,采用合理组配的频敏起动器可以发挥其操作及维修简易的优点。如果不管具体供电条件如何都选用频敏起动器,且无第二级,当然就难免“经常发生起动不成功现象”。如果“起动不成功现象”是因为在起动过程中开关跳闸造成的,还应该检查一下是否是最后短接时冲击电流太大或者是否是电动机和配电站的继电保护装置按既能满足系统短路保护的要求、又能保证不会因为电动机的正常起动电流而动作的原则整定的,不能笼统地都归疚于频敏起动器。
1.2 油浸起动变阻器
油浸起动变阻器的优点是起动时的功率因数高,因而在起动转矩相同时,起动电流比频敏起动器小得多。油浸起动变阻器把转换器与电阻器集中装在一个油箱里,级数多,因而切换时的电流冲击小;机构紧凑,外形比风冷式起动变阻器小。缺点是现有产品皆为手动操作;检查和维修时必须借助滑轮等设备把内芯从油箱中抽出来。当电动机的功率在500kW以下不需要自动操作,着眼于简单可靠,并希望起动电流小的小型水泥厂,采用油浸起动变阻器,并按起动电流为额定电流的1～1.2倍选配电阻值,则是较佳的方案之一。我国仿苏产品只能用于500kW以下的电动机,可能和前苏联提倡采用同步电动机,380kW以上的磨机一律采用磨机专用高起动转矩低速同步电动机有关。油浸起动变阻器是欧洲的传统产品,例如峨嵋水泥厂的设备是由丹麦成套供应的,该厂的绕线型异步电动机一律采用油浸起动变阻器起动,其中最大的用于功率为两千多千瓦的同步异步电动机。但是对于这样一个大型水泥厂,把一些本来应该选用鼠笼型异步电动机的设备改用绕线型异步电动机,又是手动操作油浸起动变阻器,因而降低了操作的自动化水平,可见这种设计是明显的不合理。此外,在配套供应的电动机中,滑动轴承的采用比例比当时的国产电动机高,而且大部分电动机的铭牌都被换成没有电机厂名称和出厂日期的、只有配套公司名称的铭牌。这就不能不令人怀疑是否把三、四十年代的积压物资都清给了我们?
1.3 接触器屏式起动器
用铸铁电阻栅和接触器组成的起动器虽然外形较大、电路比较复杂,但是可以满足各种自动化要求。对于500kW以上的电动机,在没有其他适用的起动设备可选时,采用这种起动器是能够发挥大型绕线型电动机特长的唯一方案。它的优点是可以用产量最大的通用接触器根据需要设计组装,在控制电器品种比较少的条件下也能满足不同企业的各种要求。而且现代国产接触器的外形比老产品已经缩小很多,有的接触器还可附加机械锁定机构;硅整流器的发展使采用直流控制电源消除交流接触器的振动噪声和节电成为轻而易举的措施;甚至可以挪用油浸起动变阻器的特点,采用外形更小的单极直流接触器,每次只短接一相以便用相同的空间增加起动级数,从而组配出性价比较高的绕线型异步电动机起动器。
1.4 电动凸轮控制器式起动器
国外用于大型绕线型电动机的起动设备常采用带大电流触头的电动凸轮控制器,级数可达十多级、每级只轮流短接一相,并且带有只能在全部触头都开路的条件下才能接通定子电源的联锁触点;机构紧凑、外形小;既无接触器电磁铁的噪音、起动后也不耗电;不必另配短接用的交流接触器;控制电路也比接触器屏简单的多。虽然也有通过大电流的触头,但因它和电阻并联,几乎没有烧蚀现象,可以随时打开外盖检查,维修比较方便,虽有因切换产生的电流起伏,但是日常的维护工作量较小。因为须要外配电阻栅,所以占地面积稍大。但是多占几平方米的地方对一个装有几台磨机的厂房有多大影响呢?只是目前国内尚无这种产品。当采用进口设备时,这也是可供选择的方案之一。有人在介绍液体起动变阻器的优点之一是起动平滑,没有机械和电的冲击时,过分强调了其它型式起动器有级起动对被传动设备的损伤作用。其过分之处在于:磨机停机时反复摆动,并经减速机构增速后造成的碰撞,对传动系统的损伤作用远大于起动冲击的影响,与此相比,有级起动产生的冲击对设备的寿命影响甚微。
1.5 液体起动变阻器
液体起动变阻器不是新技术,但在我国却是新产品。日本于40年代初在我国东北建设的水泥厂中已经普遍采用,习惯上称为“水电阻”。一般是在充满液体的圆桶形容器内有三组可以改变距离的动、静电极,用小形伺服电动机通过传动机构改变动、静电极间的距离,使电阻值从大到小地变化。作为大型绕线型异步电动机的起动器,因为电阻的变化是无级的,所以起动平滑;最后用接触器短接,使电动机进入运行状态。短接时有一次不大的电流冲击。整个起动过程都可在合上电动机的电源开关后自动完成。在伺服电动机出故障时,也可手动操作。它的优点是电阻值是无级变化的，没有切换时的电流冲击;简单易制，消耗的金属材料少；只要改变电阻液的浓度就能很方便地改换电阻值。但是这项优点恰好也是它的缺点,因而须要经常注意检查电阻液的蒸发、结冰、沉淀、浓度变化造成的电阻值变化以及经年累月的电极腐蚀等问题。
除了起动用的水电阻之外,还有用于调速的水电阻。它利用水电阻的电阻值可以无级变化的特点,配以根据被控电动机的转速反馈信号、按给定转速运行的自动稳速环节,克服了绕线型电动机用转子电阻调速时转速随负载轻重变化较大的缺点,既可调速又具备较硬的机械特性。用以传动回转窑和大功率的窑尾排风机,具有简单可靠、投资少、易维修的特点。虽然它的效率与转速成正比,是个缺点,但在生产正常时,回转窑长期在较高转速运行,且其实需功率多在磨机的1/10以下,因而这个缺点不突出。排风机的实需功率与转速的三次方成比例,用此法调速和调阀门相比,节能效果比较明显,而且具有稳定风量从而稳定窑内热工制度的作用。虽然在运行效率方面不如某些电子式的调速系统,但因熟料烧成系统最怕突然性的被迫停窑;所以主要矛盾是可靠性而不是效率。维持烧成系统长期稳定运行是取得高效益的基本条件,注重局部设备的可靠性,正是为了满足这个基本条件。从70年代日本水泥协会的刊物上看到,具有先进电子技术的日本的某些水泥厂仍在使用此种调速设备。我国以前无此类产品的原因主要是在建国后强调仿苏,而前苏联的工业产品基本是欧洲型的。在70年代,上海电机厂为给本厂生产的球磨机用800kW同步异步电动机配套(亦称感应同步电动机,这种电动机转子电压较高),在各电器厂都不愿供应的情况下,曾参考日本产品试制了起动用的水电阻。80年代从日本成套引进的水泥厂的电器设备中也有水电阻,被不了解情况的人视为新事物。因为它结构简单,容易自制,所以有的水泥厂除了自制自用之外,还对外出售。
2 绕线型异步电动机起动器电阻值的正确选择前提是要掌握磨机加速过程的阻转矩特性
在为绕线型电动机选择起动器时首先必须处理好两个互相矛盾的关系:既要尽量减小起动电流,又要使起动转矩满足磨机顺利起动的要求;矛盾的主要方面是要掌握磨机转速从零加速到运行转速时的阻转矩变化规律和数据。笔者曾起动过用各种起动方法起动的异步和同步电动机传动的磨机近千次,收获有两点,其一是:看准断电瞬间磨筒体上人孔盖的位置与筒体经过摆动停止后人孔盖位置的角度关系明确拉闸断电的提前量,操作熟练后可以做到只起动一次、就能使人孔停留在所要求的位置。对于没有辅助传动装置(也称“慢传动装置”)的磨机,这是避免为了使人孔停留在指定位置而不得不多次起动导致起动器过热的窍门。其二是:根据用特制的、电阻值可调范围大且容许长时间通过大电流的水电阻起动磨机时,其起动电流等于或稍小于额定电流,并且起伏很小的现象;又从加速过程、筒体加速度的变化中感觉到磨机在起动初期的阻转矩不大。因为即使人为地加大起动电阻值,使起动电流降低到实际运行电流的0.8,电动机也能顺利地开始转动。但伴随筒体旋转角度的增大,加速度有所下降,如果转矩不够,就会中途停滞,进入堵转状态。这是因为阻转矩随着磨内研磨体提升高度的增加而增大。超过某个角度之后,筒体的加速度又突然增大,磨机迅速进入运行转速。这是因为研磨体开始抛落,使阻转矩突然下降造成的。由此可以定性地认识到:过去冶金部和一机部协商制定的:“磨机属于重载起动设备,磨机专用同步电动机的起动转矩不得小于额定转矩的1.7倍”的提法只能认为是针对冶金矿山棒磨机的,不一定符合水泥厂球磨机的实际情况。后来又用特制的仪器测出了“磨机加速过程中的阻转矩变化曲线”取得了定量的数据(参见本刊1990年6期17页《也谈磨机慢传动装置的用途》)。由此得到的一个重要的经验是:在了解生产系统时,不要把自己局限在所从事的专业范围内。只有在各种专业互相渗透的气氛中,才能得到更符合实际的认识。
3 在磨机电动机选型方面存在的问题
在工业企业中,选择电动机的原则是:除了需要变速等特殊要求的电动机以外,在电源容量容许的前提下,应该力争采用鼠笼型异步电动机;对磨机等用的大型电动机,应该尽可能地选用同步电动机。我国在40年代及以前建设的水泥厂磨机采用低速同步电动机传动的比较多。因为当时的电网容量比较小,所以这些同步电动机都是采用空载降压起动,待牵入同步运行状态之后再通过电磁离合器或空气离合器起动磨机。还有一种“超同步电动机”,它的定子也能旋转。起动时先使定子同步旋转,然后用刹车慢慢地把定子刹停,在定、转子之间保持同步转速的状态下,转子带动磨机加速到正常运行状态。凡是参与过这类电动机维护工作的人,都对这种电动机故障率之低,印象深刻。其故障都出在减压起动设备和电磁离合器方面。建国后新建水泥厂的磨机则较多地采用了绕线型异步电动机,这是因为当时国产电机和电器设备供应紧张,国内还没有生产成套水泥设备的能力,水泥厂的建设也不包括在前苏联援建范围之内,所以只好从前东德等东欧国家进口。根据当时的报价,进口一台带电磁离合器的低速同步电动机比绕线型异步电动机加上减速机还贵得多,国内的电机厂都不肯接受大型电磁离合器的订货。在前一机部统一制定的价格表上,硅钢片用量少、制造省工的同步电动机也比同功率、同转速的绕线型异步电动机价格高,为了节省外汇,只好采用绕线型异步电动机加减速机的方案。但在试生产过程才发现这些进口的减速机质量低劣,给有关工厂生产留下了后患。所以其后从前东德进口的磨机有些就改为用低速同步电动机加电磁离合器的传动方式。但在同一时期由前苏联援建的冶金企业的磨机则一律用“磨机专用同步电动机”传动,这种电动机不需附加电磁离合器之类的附属设备,可以全电压直接起动;运行时功率因数可以达到超前0.9,额定转速多在100～167r/min之间,定、转子之间的空气隙比异步电动机大得多,很少产生“扫膛”故障,配合边缘传动的磨机使传动系统非常简单,运行可靠性很高。热电厂的球磨机一律用鼠笼型异步电动机传动,因为电动机和控制设备都很简单,所以故障很少。虽然这两种电动机的起动电流皆为额定电流的6.5～7倍,但是这些企业都具备电源容量大的优势,一两千千瓦电动机的起动电流冲击对全厂电源电压的影响很小。冶金厂磨机同步电动机的控制设备中还有当电源电压的下降超过10%～15%时自动短时加强励磁的电路,目的是既能保持同步电动机不会因而失步,且能借助同步电动机向电源短时反馈电能的作用减轻电压下降的趋势。也就是使正在运行的同步电动机短时输出超前无功电流的方法减轻其它同步电动机起动时滞后无功电流冲击对电源电压的影响。有些大型水泥厂本来也具备这种优势,但因有些磨机设计人员认为:采用进口或引进技术制造的大功率、高质量减速机的中心传动方案比边缘传动方案的效率高、寿命长;边缘传动机构敞露在多灰尘的环境中,振动大、寿命短;而且用低速同步电动机的边缘传动比有减速机的边缘传动的减速比大,当需要比现有磨机规格更大的磨机时,则其小齿轮和大齿圈在设计和制造方面有难点。在中心传动的磨机上采用高速的鼠笼型异步电动机或同步电动机的方案,虽然在热电厂等企业已是“司空见惯”,但在水泥厂除了煤磨以外却是“史无前例”,想要打破传统的习惯势力是很不容易的。此外,从设备设计和生产供应的角度看,进行一项磨机定型设计和选择配套电动机时,总是要考虑使它具有对环境条件尽可能广泛的适应性,丹麦史密斯公司的磨机大多配套供应同步异步电动机的主要原因就在于此。因为这种电动机的起动特性与绕线型异步电动机相同,运行特性与同步电动机相同,具有起动电流小和功率因数高的双重优点,符合该公司的产品须要面向全世界的特点。采用的数量多了还会因为电动机生产成本的下降而部分地抵消价格偏高的缺陷。在国内也有个别厂采用同步异步电动机。上海和兰州两个电机厂也都生产过这种电动机。但因价格较高,未被普遍采用。如果考虑到采用这种电动机可以省掉在厂区配电站装设改善功率因数的电容器柜及其开关控制设备以及建筑物投资等因素,这种方案还是可取的。所以从工厂电力传动系统设计的角度看,则应根据不同电网容量和供电条件,具体情况具体对待。尽可能采用运行特性好的同步电动机。不得已时才采用绕线型异步电动机。冶金部门常用的磨机专用同步电动机起动电流之所以高达额定电流的7倍,是因为要求其起动转矩不得小于额定转矩的1.7倍造成的,按电机厂设计人员的说法:“如果按照水泥厂磨机的实际情况,只要求其起动转矩不小于额定转矩,则把起动电流降到5倍左右是可能的”。目前普遍采用的,给绕线型异步电动机加装进相机的方法对于已经建成的厂作为一项提高功率因数的补救措施尚可,但对于新建的大中型厂就不合理了。因为生产同步电动机的原材料成本和加工的成本都比绕线型异步电动机低,虽然还要配置可控硅励磁装置,总成本还是比绕线型异步电动机加上进相机低。但是同步电动机功率因数可根据需要调节和运行可靠性高的优点却是前者无法比拟的。由此可知,从技术经济角度上看,磨机电动机的选型还是一个值得继续深入探讨的问题。打破行业界限,加强技术交流,将有利于取得进一步的认识。
4 结束语
本文的目的是为了说明绕线型异步电动机的起动设备除了频敏起动器和油浸起动变阻器之外还应该有其它品种,磨机也不是只能用绕线型异步电动机传动。在磨机电动机和绕线型异步电动机起动设备的选型中存在着很多矛盾和客观条件的制约。只有在充分了解有关机、电设备的技术特点,掌握包括价格在内的供应情况等的基础上,经过客观的、实事求是的、反复深入比较作出的决择,才能少犯和不犯错误。在水泥工业电力传动的领域中的类似问题还有很多,有待有心人去探讨。但是,在家用电器产品琳琅满目的今天,绕线型异步电动机起动设备的品种却少的可怜。当频敏起动器流行的时候,油浸起动变阻器的名字就在《控制电器产品手册》中消失了;看来,液体起动变阻器的复兴,将会使频敏起动器的地位岌岌可危。地位最稳固的是接触器屏式起动器,因为它可根据各种订货要求随时用标准电器组装而不必担心积压,它还比较适用于频繁开停和反向的设备,用途比较广泛。产品品种少,选择的余地就小,这是一种不正常现象。和这种现象有联系的是大多数介绍新产品、新技术的文章都是只谈优点,不谈或很少谈及缺点。如果这些文章都是来自设备制造厂家,好象还情有可原,然而不少这类文章却出自用户,这就令人感到不可思议了。最后,欢迎具有不同意见的文章使本文中的缺陷和错误得到充实和修正。
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