WZR无刷自控电机软起动器在球磨机上的应用

樊晓栋

（赣州有色冶金机械有限公司，江西 赣州 341000）

0引言

球磨机是有色金属矿山企业选矿流水线上的关键粉磨设备，同时也是耗电量较大的主机设备，如在选矿厂，球磨机耗电量通常占全厂总耗电量的50%以上。由于球磨机属于低速重载设备，起动力矩大，因此，一般球磨机都选用起动性能良好的绕线型异步电动机拖动。随着国民经济对有色金属需求的激增，矿山企业对于粉磨设备的需求也逐步转向大型化，因而用于传动电机的功率也越来越大，如何设计选配合理的起动装置，对于设备的正常运行和电网的安全维护均至关重要。目前，对球磨机电动机起动方式改良已引起不少同行的关注[1]。

作者对当前球磨机中使用的异步电机起动方式进行了分析，针对其存在的主要问题，进行了起动方式和电气控制系统的改进，安装WZR无刷自控电机软起动器的球磨机投入使用后，对提高矿山企业效能，节能减排，保障电机和电网的运行质量和安全产生了良好的效果。

1 频敏变阻器起动方法和存在的主要问题

球磨机的工作原理是球磨机转动时，筒体旋转产生离心力将研磨体（钢球）带到一定高度后落下，对物料产生重击和研磨作用[2]。由于矿山企业是流水线三班连续作业，一旦主要设备球磨机发生故障，生产线上的其他破碎机、螺旋分级机等设备也要相应停机，将造成较大的经济损失。

目前球磨机普遍使用的是JR、JZR、YR、YZR三相绕线转子交流异步电动机（又称滑环电动机），用于绕线型异步电动机起动方式一般有3种，即转子绕组串电阻、转子回路串频敏变阻器、转子串液体电阻等起动方式。这几种起动方式都需要将转子电流通过碳刷、滑环、电缆等引到地面控制柜与外电路连接，运行中出现的碳刷磨损带来的问题突出，一直没有得到解决，且所需的起动设备多、结构复杂、维修量大，起动完成后还需短接装置来切除起动器。在以上3种方式中，转子回路串频敏变阻器起动方式应用最为普遍，但频敏变阻器起动方式，由于其回路在该电动机的转轴上装有滑环、碳刷、刷盒、短路环等零件，作为这种电动机起动装置，存在如下问题：

（1）起动电流较大、起动转矩较小，对电网产生较大的冲击。这是由于频敏变阻器的电感特性所致[3]。

（2）低电压起动能力差。当电源电压低于电动机额定电压时，用频敏变阻器几乎都无法起动电机。尤其是矿山企业电网负载能力有限，对于重载起动的球磨机（起动电流约为3倍额定电流）时，往往不能顺利起动。

（3）不能满足负荷变化时的起动性能要求。因球磨机的起动负载不是常数，当磨机筒体内钢球和矿浆较少时，起动阻力矩较小，起动能获成功，如果磨机筒体内负荷增加较大，阻力矩增加了，起动随即发生困难，如不及时调整参数，频敏变阻器抽头引线连接处容易发热烧断[4]，力矩骤减，电机出现堵转，造成电机烧坏。

（4）电机碳刷与滑环长期摩擦，所产生碳粉会导致电机绝缘的降低，引发电动机故障[5]。且碳刷与滑环的摩擦还会增大接触电阻，引起电机温升过高。

同时，还存在起动平滑性较差、起动过程中发热现象严重和电机碳刷与滑环的摩擦容易产生火花，存在安全隐患等问题。

2 球磨机无刷自控电机软起动器的应用

为提高球磨机对矿山生产条件的适应性，针对上述频敏变阻器起动方式所存在的问题，研究了球磨机的软起动技术的应用。该项技术的核心是在球磨机中采用无刷自控电机软起动装置，去除了频敏变阻器和电机的碳刷与滑环，同时，对控制柜进行了优化设计。与频敏变阻器起动方式相比较，无刷自控电机软起动装置具有起动电流小且恒定、连续无级变阻、可低压起动、运行平稳、热容量大等优点。这种起动方式，起动控制能根据负载的大小，自动跟踪电机转速完成起动，从而彻底避免了频敏变阻器调节负载电流能力差的特性。同时，还具有能动态消除电机运行故障功能，如在电机出现堵转故障时，随着电机转速的降低，起动器会自动投入运行，达到增加电机转矩，减少起动电流的目的[6]。

无刷自控电机软起动器是将起动电阻直接安装在电动机的转轴上，利用电机旋转时产生的离心力作为动力，控制电阻的大小，达到减少电机起动电流、增加起动转矩，使实现无刷自控运行的装置[7]。当电机起动时，随着电机转速的升高，通过改变极板的距离和改变水电阻的温度调节水电阻大小，使电动机以恒定电流、恒定转矩起动。在电机转速达到额定转速后，自动打开排气阀，保证正常运行时，起动器内部的压力与大气压一致，尤其在因电机长时间堵转，电解液烧开、起动器内部压力升高时，安全阀及时打开，能够保证电机和起动器的安全。

起动装置采用电解质溶液导电，不存在电感，启动过程中功率因数可达0.9左右。起动转矩大，特别适用于球磨机、破碎机、大型风机、大型水泵（电机功率130～2 000 kW为宜）等设备重载起动。因为这种起动方式属于软起动方式之一，故可以称具有此起动性能的球磨机为软起动球磨机。

它主要由机壳、电解液、动极板、弹簧、接线柱、安全阀、排气阀等构成。电机软起动结构示意图（见图1）。

图1 电机软起动电气结构示意图

3 应用效果

根据以上设计，将无刷自控电机软起动装置应用到某企业生产的直径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种系列规格球磨机上，这类设备为目前中小型选厂的主流机型。经过2年多的产品跟踪，全部20余台设备运行稳定。根据使用情况反馈，应用WZR软启动器后，基本实现了对产品设计预期目标。

采用WZR无刷自控电机软起动器装置的球磨机，在供电条件差的矿山效果更为明显。许多中小型钨矿山，供电线路长，供电负荷配置小，通常采用高配电网的方式来保证矿山设备的正常运转，这种方式带来许多弊病。采用软起动装置的球磨机，不需要大电流起动，避免了重载起动时对电网的瞬间冲击，为矿山供电配载的合理设计提供了基础。

传统的绕线式异步电动机经过一段时间运行后，由于滑环和碳刷的磨损，容易形成积碳，需要停机清理，一般是一个月左右清理一次。近年来，因碳刷产品质量普遍下降等原因，停机清理次数更为频繁。球磨机是选厂流水线上的核心设备，其停机清理必然影响整条流水线的正常运行。采用WZR无刷自控电机软起动器装置的球磨机，因为在电机中去除了滑环、碳刷，它前述造成的缺点随之消除，减少了电工、钳工1/2的维修工作量。

设备的节能效果主要体现在三个方面，一是由于节省安装空间和二次回路电缆，减少了电控柜到电机转子的三根电缆线，减少了线路的功率消耗；二是减少了原设备中转子回路自身的能耗。该起动器使用后，已经去掉了的原起动器内继电器、接触器不再耗电，电机起动时转子回路在起动器内短接，节约了原消耗在转子回路的转差功率损耗（引起转子回路导线发热、短接接触器发热的功率损耗）；三是减少了重载起动产生的能耗。由于应用了软起动装置，可以确保一次起动成功，避免了再次起动产生的能耗。

4结语

无刷自控电机软起动装置，不仅使传统绕线转子电动机甩掉了庞大复杂的起动系统，而且它还解决了涡流损耗、漏电电抗、起动器发热，故障率高等几个最主要的问题，使绕线式异步电动机，实现了以额定电流、额定转矩起动的效果，比较适用需要大起动转矩、小起动电流的设备。将WZR电机起动装置运用于球磨机，可适应矿山供电环境，降低对电网的冲击，其优良的起动性能、对电源和负载自适应的能力、节能和运行维护方便等特点能为企业带来一定的经济效益。

[1] 石延平.球磨机软起动装置的研究与应用[J].化工矿物与加工，2003，（1）：26-29.

[2] 李 平，刘茂燧.球磨机理论转速的研究和最佳工作转速的探讨[J].中国钨业，2001，16（4）：27-29.

[3] 邹慧颖.浅谈无刷自控电机软起动器原理及应用[J].黑龙江科技信息，2009，（3）：62.

[4] 董志强，邸永明.频敏变阻器和液体电阻起动器在球磨机起动中的应用比较[J].山西建材，1999，（3）：22-23.

[5] 曾伟华.无刷自控软起动器在绕线式电机中的应用[J].涟钢科技与管理，2011，（1）：42-44.

[6] 汤海成，黄 平.无刷自控电机软起动器的工作原理与特点探析[J].黑龙江科技信息，2008，（12）：46.

[7] 张宏喜.浅谈无刷自控电机软起动器原理及应用[J].价值工程，2011，（3）：282.