水泥廠電力拖動(dòng)初探

“水泥廠電力拖動(dòng)”是使人們?cè)谏钊肓私怆妱?dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、水泥生產(chǎn)設(shè)備的特點(diǎn)、水泥生產(chǎn)工藝要求的基礎(chǔ)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(jī)、電設(shè)備的配套和運(yùn)行合理化的學(xué)問。但是，到目前為止，還沒看到過(guò)有關(guān)水泥廠電力拖動(dòng)的專著。水泥工業(yè)的電力拖動(dòng)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(shè)備在起動(dòng)過(guò)程中阻轉(zhuǎn)矩變化的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)，并據(jù)以改進(jìn)電力拖動(dòng)系統(tǒng)；其二是如何為生產(chǎn)設(shè)備選配額定功率恰如其分的電動(dòng)機(jī)，并使新建廠投產(chǎn)后的實(shí)際電力負(fù)荷與設(shè)計(jì)時(shí)負(fù)荷計(jì)算的結(jié)果基本相符并且具有較高的需要系數(shù)。這2個(gè)問題都需要進(jìn)行大量的測(cè)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(huì)。此外，本文提出幾個(gè)概念性問題以便解釋幾個(gè)看似簡(jiǎn)單的常見誤區(qū)。由于水泥廠中的電動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)都是異步電動(dòng)機(jī)，所以在本文內(nèi)容中除個(gè)別標(biāo)明者外，皆指異步電動(dòng)機(jī)。  

1　電力拖動(dòng)中幾個(gè)容易被誤解的基本概念 

　　電力拖動(dòng)中的基本概念在實(shí)際應(yīng)用中存在著一些誤區(qū)。例如，不少人根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的輸入電流隨負(fù)載輕重而改變大小的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為:“電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的大小也取決于負(fù)載的輕重”；曾經(jīng)有人用:“扛東西時(shí)有人幫忙抬一把，比自己直接從低處往起扛省勁兒”的體會(huì)認(rèn)為:“用輔助傳動(dòng)裝置先讓磨機(jī)慢慢地轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，可以減輕主電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)難度”。然而事實(shí)是，起動(dòng)電流的大小與負(fù)載輕重?zé)o關(guān)。先開輔助傳動(dòng)反而會(huì)增加起動(dòng)的難度。為了便于漸進(jìn)地說(shuō)明問題，先對(duì)電力拖動(dòng)中幾個(gè)基本概念做些提示。 
1.1　靜態(tài)和動(dòng)態(tài) 
　　“靜態(tài)”是指電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在恒定轉(zhuǎn)速時(shí)的狀態(tài)。在這種狀態(tài)中: 
　　電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=負(fù)載的靜阻轉(zhuǎn)矩 
　　也就是說(shuō)，在靜態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩只取決于負(fù)載的輕重。“靜阻轉(zhuǎn)矩”系指與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性無(wú)關(guān)的負(fù)載阻力。 
　　“動(dòng)態(tài)”是指電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行于加速、減速等轉(zhuǎn)速變化的狀態(tài)。在起動(dòng)過(guò)程中: 
　　電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=負(fù)載的靜阻轉(zhuǎn)矩+使機(jī)組加速的加速轉(zhuǎn)矩 
　　在動(dòng)態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩只取決于電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。 
　　掌握設(shè)備起動(dòng)過(guò)程中靜阻轉(zhuǎn)矩變化數(shù)據(jù)是正確選擇配套電動(dòng)機(jī)的重要依據(jù)。要想測(cè)量設(shè)備在起動(dòng)過(guò)程中負(fù)載靜阻轉(zhuǎn)矩的變化，除電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩之外，還必須同時(shí)測(cè)得使機(jī)組加速時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩。 

1.2　硬特性和軟特性 
　　

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

這個(gè)概念可以引申到某些生產(chǎn)設(shè)備。例如，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量基本上與它的轉(zhuǎn)速成比例，幾乎不受風(fēng)路阻力的影響，當(dāng)風(fēng)路阻力增大時(shí)，它就會(huì)自動(dòng)增大風(fēng)壓以維持風(fēng)量不變。如果風(fēng)路阻力過(guò)高，而風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的功率又不夠，就可能過(guò)載。所以它是具有硬特性的恒流型風(fēng)機(jī)。為了容易起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)必須全部打開放風(fēng)閥門。離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓受風(fēng)量變化的影響較小，當(dāng)風(fēng)路阻力降低時(shí)，它就會(huì)自動(dòng)增大風(fēng)量，以減輕風(fēng)壓的下降。風(fēng)路阻力過(guò)低就會(huì)因?yàn)轱L(fēng)量過(guò)大而造成風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重過(guò)載。所以可以看作是硬特性的恒壓型風(fēng)機(jī)。為了容易起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)必須全部關(guān)閉風(fēng)路中用以調(diào)節(jié)風(fēng)量的閥門，盡量增大風(fēng)路阻力。這兩種風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)與電學(xué)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)載輕重的變化而大幅度變化的特性。也就是說(shuō)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著負(fù)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(dòng)機(jī)(起重機(jī)專用鼠籠型電動(dòng)機(jī)、異步伺服電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)等)和轉(zhuǎn)子接有電阻的繞線型電動(dòng)機(jī)、直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)等都屬于軟特性的電動(dòng)機(jī)。專用的力矩電動(dòng)機(jī)即使長(zhǎng)期處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)也不會(huì)超過(guò)允許溫升。 
　　

大部分水泥生產(chǎn)設(shè)備幾乎都選配硬特性的電動(dòng)機(jī)。軟特性的電動(dòng)機(jī)只用于起重運(yùn)輸設(shè)備和個(gè)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(dòng)機(jī)”是由電磁耦合器同鼠籠型電動(dòng)機(jī)組合而成的，電磁耦合器是典型的軟特性電機(jī)，但是通過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)和電子自動(dòng)調(diào)節(jié)器控制它的勵(lì)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(fù)載輕重變化影響的硬特性電動(dòng)機(jī)。 
　　

立窯煅燒系統(tǒng)中，保持風(fēng)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(fēng)機(jī)作為鼓風(fēng)設(shè)備。常采取控制放風(fēng)閥門的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量，所以:  風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量=通過(guò)立窯的風(fēng)量+放風(fēng)風(fēng)量 
　　

在風(fēng)機(jī)選型時(shí)，為了顧及立窯最大風(fēng)量及惡劣工況，往往將風(fēng)機(jī)選的較大。如果采用放風(fēng)閥調(diào)節(jié)進(jìn)窯風(fēng)量，有的窯有時(shí)需要放風(fēng)30%～50%。這就不僅會(huì)增加電能損耗和噪聲，更重要的是會(huì)使羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量特性大幅度軟化。當(dāng)立窯因某種原因?qū)е赂G內(nèi)物料層的通風(fēng)阻力增加時(shí)，就會(huì)把風(fēng)擠向放風(fēng)閥，迫使通過(guò)放風(fēng)閥的風(fēng)量增加，從而相應(yīng)地減少了進(jìn)窯風(fēng)量。如果因?yàn)檫M(jìn)窯風(fēng)量的減少又會(huì)促使窯內(nèi)物料密結(jié)的程度增加，就會(huì)造成通風(fēng)不斷惡化的惡性循環(huán)，進(jìn)而嚴(yán)重影響立窯熱工狀態(tài)的穩(wěn)定。 
　　

離心式鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓比較穩(wěn)定，但是它的風(fēng)量受風(fēng)路阻力的影響很大。從風(fēng)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(fēng)機(jī)”取代羅茨風(fēng)機(jī)的觀點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了離心風(fēng)機(jī)噪聲和損耗小、系統(tǒng)簡(jiǎn)單和投資少等優(yōu)點(diǎn)，唯獨(dú)回避了離心風(fēng)機(jī)風(fēng)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(fēng)機(jī)取代羅茨風(fēng)機(jī)的可行性問題，這2篇文章都肯定了采用風(fēng)量特性硬的羅茨風(fēng)機(jī)對(duì)穩(wěn)定立窯的熱工狀態(tài)有利。其中一篇文章強(qiáng)調(diào)了離心風(fēng)機(jī)投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，認(rèn)為離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量特性軟的缺點(diǎn)可以用改變操作方法來(lái)彌補(bǔ)；另一篇文章特別提到:“風(fēng)機(jī)應(yīng)該為立窯穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)服務(wù)，而不是要求立窯生產(chǎn)適應(yīng)風(fēng)機(jī)性能”，認(rèn)為水泥立窯不宜使用離心風(fēng)機(jī)。然而，這2篇文章都忽略了采用放風(fēng)的方法調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量會(huì)使其風(fēng)量特性伴隨放風(fēng)風(fēng)量的增大而大幅度軟化，甚至不能明顯體現(xiàn)相對(duì)于離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。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(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，用調(diào)速的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量，就能夠充分發(fā)揮羅茨鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量特性硬和離心式風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓特性硬的特點(diǎn)。在風(fēng)路的截面積不變時(shí)，風(fēng)量與風(fēng)速成正比，風(fēng)壓與風(fēng)速的二次方成正比，則風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也同風(fēng)量的二次方成比例地變化，使得風(fēng)機(jī)的功率消耗與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。圖1說(shuō)明風(fēng)機(jī)采用不同調(diào)速方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)。從圖1可知，用調(diào)速法調(diào)節(jié)風(fēng)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(fèi)可以很快地抵消因?yàn)橘?gòu)買調(diào)速設(shè)備而投入的資金。 
　　 
       


　　圖1　風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的耗電功率特性曲線 

1.3　電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力和起動(dòng)特性 
　　

在電動(dòng)機(jī)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(shí)稱為堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，堵轉(zhuǎn)時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩稱為“起動(dòng)轉(zhuǎn)矩”，定子電流稱為“起動(dòng)電流”。 
　　

為了保證電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，要求其要有一定的抗過(guò)載能力。表達(dá)電動(dòng)機(jī)過(guò)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(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)子切割磁力線而產(chǎn)生反電勢(shì)，它的轉(zhuǎn)速會(huì)隨負(fù)載的輕重產(chǎn)生不同程度的下降。轉(zhuǎn)速下降使反電勢(shì)下降，導(dǎo)致輸入電流隨負(fù)載的加大而增大。但是電流的大小同負(fù)載的輕重不是線性關(guān)系，輕載時(shí)電流的下降會(huì)明顯減小。 
　　

人們往往根據(jù)電動(dòng)機(jī)靜態(tài)運(yùn)行時(shí)其輸入電流在一定范圍內(nèi)隨著負(fù)載輕重的變化而變化的現(xiàn)象，主觀地認(rèn)為它的起動(dòng)電流也應(yīng)該隨著負(fù)載起動(dòng)的難易而變化。實(shí)際上這是一種誤解。因?yàn)樵陔妱?dòng)機(jī)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(dòng)勢(shì)等于零，所以電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的大小只取決于電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部電阻(直流電動(dòng)機(jī))或阻抗(交流電動(dòng)機(jī))，與負(fù)載的輕重?zé)o關(guān)。但是，起動(dòng)靜阻轉(zhuǎn)矩和慣性較大的負(fù)載時(shí)會(huì)延長(zhǎng)機(jī)組的加速時(shí)間，從而增大加速過(guò)程中大電流的持續(xù)時(shí)間。如果用量程稍大于電動(dòng)機(jī)額定電流的電流表測(cè)量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的定子電流，就會(huì)因?yàn)檩p載和重載起動(dòng)時(shí)表針停留在刻度終點(diǎn)的時(shí)間明顯不同，使人產(chǎn)生重載起動(dòng)時(shí)電流較大的印象。只有用量程夠大，反應(yīng)快速的示波器才能測(cè)量到正確的結(jié)果。 
　　

處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的直流電動(dòng)機(jī)，它的內(nèi)部電阻包括電樞繞組電阻、與電樞串聯(lián)的勵(lì)磁和補(bǔ)償繞組電阻、電刷電阻和電刷與換向器間的接觸電阻等。因?yàn)檫@些電阻都很小，如果起動(dòng)時(shí)直接加上額定電壓，就會(huì)因?yàn)槠饎?dòng)電流過(guò)大而使電動(dòng)機(jī)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(guò)大的起動(dòng)電流。 
　　

處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的交流電動(dòng)機(jī)，可以把它看成是一臺(tái)空載電流和漏感都比較大，次級(jí)短路時(shí)初級(jí)電流也不會(huì)過(guò)大的變壓器。鼠籠型電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)額定電流的4.5～7倍。繞線型電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 
　　

異步電動(dòng)機(jī)在外加額定電壓運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)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(shí)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(shí)，因?yàn)橥饨与娮柚当入妱?dòng)機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流比鼠籠型電動(dòng)機(jī)小得多的特點(diǎn)。圖2b表明因?yàn)槭蠡\型電動(dòng)機(jī)不能外接電阻，起動(dòng)時(shí)感抗占主要成分，功率因數(shù)低(0.15～1.25)，表現(xiàn)出起動(dòng)電流的倍數(shù)比起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)大得多的特點(diǎn)。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(dòng)特性則處于繞線型電動(dòng)機(jī)與鼠籠型電動(dòng)機(jī)之間。 
　　 

(a)繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性 

(b)鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩電流特性 
圖2　電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 


2　水泥設(shè)備的特點(diǎn) 

　　 
2.1　回轉(zhuǎn)窯 
　　從電力拖動(dòng)的角度看，回轉(zhuǎn)窯的特點(diǎn)是: 
2.1.1　拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)必須有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 
　　

因?yàn)橥休喌妮S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(rùn)滑油。由于靜止?fàn)顟B(tài)下的托輪軸承與托輪軸之間沒有潤(rùn)滑油膜，所以必須有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩才能使它開始轉(zhuǎn)動(dòng)。一旦開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，就會(huì)因?yàn)闈?rùn)滑油膜的形成使阻轉(zhuǎn)矩迅速下降，快速地進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)筆者對(duì)用直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的回轉(zhuǎn)窯的觀察:必須在電動(dòng)機(jī)的電樞電流達(dá)到正常運(yùn)行電流的3倍左右時(shí)才能開始轉(zhuǎn)動(dòng)；在采用油馬達(dá)拖動(dòng)的窯上，也只有當(dāng)油壓上升到正常運(yùn)行時(shí)的3倍時(shí)才能開始轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)的電樞電流和加到油馬達(dá)的油壓都和負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩成正比，故可認(rèn)為:回轉(zhuǎn)窯需要的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不小于正常運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的3倍。 
2.1.2　回轉(zhuǎn)窯是低慣量的設(shè)備 
　　

回轉(zhuǎn)窯是一種細(xì)長(zhǎng)的圓筒形設(shè)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(dòng)機(jī)軸上的飛輪力矩則很小。也就是說(shuō)回轉(zhuǎn)窯電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)后具有較大的剩余轉(zhuǎn)矩用于加速，所以起動(dòng)時(shí)間很短，不會(huì)使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。 

2.1.3　回轉(zhuǎn)窯電動(dòng)機(jī)必須有較大的儲(chǔ)備功率 
　　

測(cè)量生產(chǎn)運(yùn)行中回轉(zhuǎn)窯電動(dòng)機(jī)的輸入功率發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)這種電動(dòng)機(jī)的實(shí)際負(fù)載都在額定功率的60%左右。這是因?yàn)? 
　　

1)可供選用的交、直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)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(dòng)機(jī)額定功率的方法來(lái)達(dá)到提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的目的。 
　

　Z4系列直流電動(dòng)機(jī)帶有匝數(shù)不多的串勵(lì)繞組，接線時(shí)應(yīng)該接成加復(fù)勵(lì)以增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，否則會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)失敗。 
　　

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

3)窯體表面的溫度較高，最高達(dá)400℃?？拷G體的電動(dòng)機(jī)、減速器等傳動(dòng)設(shè)備受輻射熱的影響很容易過(guò)熱。除了采取必要的隔熱、通風(fēng)措施和采用帶濾塵器的強(qiáng)迫通風(fēng)結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)之外，還必須采用額定功率較大的電動(dòng)機(jī)以補(bǔ)償高溫環(huán)境對(duì)電動(dòng)機(jī)溫升的影響以保證其運(yùn)行的可靠性。 

2.1.4　回轉(zhuǎn)窯的電動(dòng)機(jī)要有較寬的調(diào)速范圍 
　　

回轉(zhuǎn)窯的最高轉(zhuǎn)速是在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)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(zhǎng)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(dāng)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)。一般多用帶大電流觸頭的電動(dòng)凸輪控制器分級(jí)改變其轉(zhuǎn)子外接電阻調(diào)速。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)廉。因?yàn)樗D(zhuǎn)速越低，特性越軟，所以調(diào)速范圍不能太大。不過(guò)除了點(diǎn)火的初期和煅燒情況失常等場(chǎng)合外，大多數(shù)都用較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，所以特性的軟化對(duì)生產(chǎn)的影響還可以勉強(qiáng)容忍。 
　　

20世紀(jì)50年代以后，我國(guó)自行設(shè)計(jì)和定型化的回轉(zhuǎn)窯都采用了具有硬特性的拖動(dòng)系統(tǒng)。用硬特性的直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)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(lì)磁變速直流電動(dòng)機(jī)(這種電動(dòng)機(jī)變速時(shí)輸出功率不變，機(jī)重和售價(jià)較高)；其二是采用靠改變電樞電壓變速的電動(dòng)機(jī)(這種電動(dòng)機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比，適于拖動(dòng)具有恒轉(zhuǎn)矩特性的負(fù)載)，它的調(diào)速范圍理論上可達(dá)到1∶10以上，但是最低轉(zhuǎn)速時(shí)的特性會(huì)有所軟化。用于拖動(dòng)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(dòng)機(jī)，其控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，投資少。 
　　

回轉(zhuǎn)窯拖動(dòng)系統(tǒng)幾乎概括了所有的調(diào)速方式，但是到20世紀(jì)末為止，定型生產(chǎn)的大中型回轉(zhuǎn)窯主要采用直流電動(dòng)機(jī)。個(gè)別廠的國(guó)外進(jìn)口窯也有采用液壓傳動(dòng)的，即用高轉(zhuǎn)矩、慢轉(zhuǎn)速的“油馬達(dá)”取代電動(dòng)機(jī)和減速器。 
　　

近年來(lái)，回轉(zhuǎn)窯電力拖動(dòng)向鼠籠型電動(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)必須具有盡可能高的運(yùn)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(dòng)系統(tǒng)必須具有盡可能高的運(yùn)行可靠性。停窯時(shí)利用回轉(zhuǎn)窯的輔助傳動(dòng)裝置定時(shí)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(dòng)方案時(shí)必須力爭(zhēng)簡(jiǎn)單可靠。其供電系統(tǒng)最好有后備電源，輔助傳動(dòng)等的保安電源可采用柴油發(fā)電機(jī)。 

2.2　球磨機(jī) 
　　

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

2.2.1　磨機(jī)電力拖動(dòng)的歷史情況 
　　

過(guò)去人們?cè)?jīng)籠統(tǒng)地認(rèn)為磨機(jī)是起動(dòng)困難的設(shè)備。因此，多趨向于采用起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的繞線型電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。但是選用高轉(zhuǎn)速的異步電動(dòng)機(jī)就必須選配大功率、高減速比的減速器，而這種減速器當(dāng)時(shí)只有歐洲的少數(shù)國(guó)家才能生產(chǎn)。如果改用低轉(zhuǎn)速的異步電動(dòng)機(jī)，則因其功率因數(shù)和效率過(guò)低，造成經(jīng)濟(jì)上的不合理。 
　　

同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是:最低轉(zhuǎn)速可能降低到100r/min，從而簡(jiǎn)化了減速機(jī)構(gòu)；功率因數(shù)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，滿載時(shí)仍可達(dá)到超前10%；異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電源電壓的二次方成比例，同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電源電壓的一次方成比例，所以當(dāng)電源電壓下降時(shí)不容易顛覆；電動(dòng)機(jī)本身的運(yùn)行可靠性和壽命都高于異步電動(dòng)機(jī)。用于拖動(dòng)球磨機(jī)具有簡(jiǎn)單可靠、效率高的特點(diǎn)。一個(gè)廠的多數(shù)磨機(jī)采用同步電動(dòng)機(jī)，該廠的總降壓變電所就不必裝設(shè)改善功率因數(shù)用的靜電電容器。運(yùn)行實(shí)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(hù)比較麻煩，而且壽命短(編者:干式電容器、靜止式進(jìn)相機(jī)的出現(xiàn)及液體變阻器技術(shù)的進(jìn)步，使得“異步繞線電動(dòng)機(jī)+就地補(bǔ)償”和“繞線(鼠籠)電動(dòng)機(jī)+液體變阻器”成為當(dāng)今較常用的磨機(jī)傳動(dòng)方式)。 
　　

有的拖動(dòng)方案是在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間加上電磁離合器，待電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成、牽入同步運(yùn)行狀態(tài)并且加上額定電壓之后再用離合器把電動(dòng)機(jī)同磨機(jī)連接起來(lái)；還有一種稱為“超同步電動(dòng)機(jī)”的具有特殊結(jié)構(gòu)的同步電動(dòng)機(jī)，它是一種定子可以旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)時(shí)先使定子無(wú)拘束地反向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入同步運(yùn)行后再通過(guò)制動(dòng)機(jī)構(gòu)把定子剎住，使帶著磨機(jī)的轉(zhuǎn)子起動(dòng)。這2種拖動(dòng)方式的缺點(diǎn)是用于控制起動(dòng)的機(jī)、電系統(tǒng)比較復(fù)雜。長(zhǎng)期的運(yùn)行實(shí)踐表明，系統(tǒng)中的離合器和減壓起動(dòng)控制設(shè)備的故障較多。 
　　

對(duì)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(dòng)”的磨機(jī)，除了用繞線型電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)外，也有采用一種具有繞線型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，又有同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的“同步異步電動(dòng)機(jī)”拖動(dòng)的。它在失去直流勵(lì)磁電源的情況下也能作為異步電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，但因空氣隙比異步電動(dòng)機(jī)大，所以功率因數(shù)較低，導(dǎo)致帶負(fù)載的能力下降。一般高轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)很容易因?yàn)檩S承的磨損而產(chǎn)生定、轉(zhuǎn)子互擦的故障。所以從主要運(yùn)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(diǎn)。這種電動(dòng)機(jī)又名“感應(yīng)同步電動(dòng)機(jī)”，它的轉(zhuǎn)子電壓較高，超過(guò)了低壓電器的耐壓標(biāo)準(zhǔn)，還需配備非標(biāo)準(zhǔn)的低電壓大電流勵(lì)磁電源。所以給選配起動(dòng)設(shè)備造成了極大的困難。為此，上海電機(jī)廠打破“電機(jī)廠不生產(chǎn)控制設(shè)備”的常規(guī)，開發(fā)了液體變阻器等配套設(shè)備，并使之系列化。 
　　

伴隨磨機(jī)的大型化導(dǎo)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(jī)構(gòu)，把多極數(shù)的同步電動(dòng)機(jī)套裝在磨機(jī)筒體上，使磨機(jī)筒體成為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的組成部分的“直接傳動(dòng)”方式，別名“環(huán)形馬達(dá)”或“無(wú)齒輪傳動(dòng)”。但其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不合理，而未得到推廣。 

2.2.2　正確選擇磨機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵是要確定電動(dòng)機(jī)要具備多大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩才能保證球磨機(jī)順利起動(dòng) 
　　

在水泥工業(yè)，磨機(jī)被認(rèn)為是重載起動(dòng)的設(shè)備，必須采用既能降低起動(dòng)電流，又能增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的拖動(dòng)方案。哈爾濱大電機(jī)研究所在設(shè)計(jì)系列化的“磨機(jī)專用同步電動(dòng)機(jī)”之前，為搜集設(shè)計(jì)必需技術(shù)數(shù)據(jù)，曾經(jīng)測(cè)量過(guò)各種冶金礦山磨機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其測(cè)量結(jié)果如表1。  

表1 冶金礦山磨機(jī)起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)表(哈爾濱大電機(jī)研究所提供) 
從電力拖動(dòng)的角度看，“起動(dòng)轉(zhuǎn)矩”是指電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等于零時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，它只要大于表1中的“起始阻轉(zhuǎn)矩”就應(yīng)該能夠順利起動(dòng)。但是，在磨機(jī)的起動(dòng)加速過(guò)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(cè)量結(jié)果就是這種阻轉(zhuǎn)矩。一旦開始轉(zhuǎn)動(dòng)，這種阻轉(zhuǎn)矩就會(huì)因?yàn)闈?rùn)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(jī)筒體旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速的增加而增大。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的筒體達(dá)到某個(gè)角度和速度之后又會(huì)因?yàn)椴糠盅心ンw和物料被拋落而有所下降。 

2.2.3　磨機(jī)起動(dòng)過(guò)程阻轉(zhuǎn)矩變化曲線的測(cè)量 
　　

筆者為了取得水泥工業(yè)常用球磨機(jī)起動(dòng)加速過(guò)程中阻轉(zhuǎn)矩變化實(shí)際情況的第一手資料，曾經(jīng)研制成一套機(jī)電式隨動(dòng)系統(tǒng)，它可以在不影響磨機(jī)正常生產(chǎn)的條件下在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量磨機(jī)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和加速度，并能經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單運(yùn)算，直接畫出磨機(jī)靜阻轉(zhuǎn)矩曲線。用它測(cè)量哈爾濱水泥廠和大同水泥廠的多臺(tái)磨機(jī)，結(jié)果近似(見圖3)。 
　　 




　　圖3　球磨機(jī)起動(dòng)過(guò)程阻轉(zhuǎn)矩變化曲線 

　　從圖3可知，球磨機(jī)起動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的最大靜阻轉(zhuǎn)矩尖峰接近，但未超過(guò)這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。負(fù)載率較低的磨機(jī)當(dāng)然會(huì)增大轉(zhuǎn)矩的裕度。 

2.2.4　球磨機(jī)電力拖動(dòng)的最佳方案 
　　

如前所述，同步電動(dòng)機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是，因?yàn)樗纫祲浩饎?dòng)，又要配備直流勵(lì)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(shè)備。所以許多人認(rèn)為在磨機(jī)趨于大型化和采用中心傳動(dòng)的情況下，同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流大、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、控制系統(tǒng)復(fù)雜、投資高，一般不宜采用。 
　　

為了明確同步電動(dòng)機(jī)的價(jià)格是否比同功率、同轉(zhuǎn)速的異步電動(dòng)機(jī)高，筆者曾走訪過(guò)各大型電機(jī)生產(chǎn)廠和當(dāng)時(shí)的有關(guān)部門。電機(jī)設(shè)計(jì)人員比較一致的看法是:“同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)基本與異步電動(dòng)機(jī)相似，轉(zhuǎn)子的加工工藝比繞線型異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單。所以，同步電動(dòng)機(jī)的成本不應(yīng)該高于異步電動(dòng)機(jī)?！备鶕?jù)繞線型電動(dòng)機(jī)需要配置起動(dòng)變阻器以及進(jìn)相機(jī)的實(shí)際情況，其投資應(yīng)不會(huì)低于附帶勵(lì)磁裝置的同步電動(dòng)機(jī)；同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)都具備“強(qiáng)勵(lì)”功能，即當(dāng)電源電壓短時(shí)低于額定電壓的85%時(shí)，可以使勵(lì)磁電流增加到額定值的1.2～1.8倍(根據(jù)訂貨要求)。這項(xiàng)功能一方面是為了防止運(yùn)行中的同步電動(dòng)機(jī)在電源電壓短時(shí)下降超過(guò)15%時(shí)失步，另一方面輸出相對(duì)超前的無(wú)功功率，制止電壓的下降。也就是說(shuō)，運(yùn)行中的同步電動(dòng)機(jī)可以為起動(dòng)中的同步電動(dòng)機(jī)提供無(wú)功電流，從而減小另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)造成的電壓降。 
　　

圖4是5000kW高速同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩及電流特性。 
　　 




　　圖4　同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)矩、電流特性 

　　

圖中的虛線表示因?yàn)槠饎?dòng)電流較大導(dǎo)致電源電壓下降到標(biāo)準(zhǔn)值的85%時(shí)的數(shù)值。由此可知，雖然起動(dòng)電壓降使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)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(jī)迅速加速。因此，只要供電系統(tǒng)容許，在邊緣傳動(dòng)系統(tǒng)中采用低速同步電動(dòng)機(jī)，在中心傳動(dòng)系統(tǒng)中，采用高速同步電動(dòng)機(jī)代替慣用的繞線型異步電動(dòng)機(jī)和同步異步電動(dòng)機(jī)，具有簡(jiǎn)單、可靠、效率和功率因數(shù)高、投資少等優(yōu)點(diǎn)。然而，高達(dá)額定電流6倍以上的起動(dòng)電流導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)電壓的下降，在磨機(jī)功率不斷增大的趨勢(shì)下，畢竟是令人擔(dān)心的問題。但是，配合改進(jìn)輔助傳動(dòng)裝置，充分利用球磨機(jī)的特點(diǎn)，就可以顯著降低其起動(dòng)電流，改善其起動(dòng)特性。 

2.2.5　輔助傳動(dòng)的用途和改進(jìn) 
　　

在向磨筒體內(nèi)裝載研磨體和更換襯板、維修隔倉(cāng)板時(shí)，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(yàn)找到停機(jī)的提前量，根據(jù)此提前量及時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)的電源，就能使磨機(jī)筒體在往復(fù)擺動(dòng)之后，其人孔恰好停留在指定的位置。丹麥?zhǔn)访芩构驹?0世紀(jì)40年代初供應(yīng)的磨機(jī)就曾根據(jù)這種經(jīng)驗(yàn)在中心傳動(dòng)減速器低速軸上預(yù)裝一個(gè)角度可調(diào)的凸輪，用這個(gè)凸輪撥動(dòng)限位開關(guān)遙控高壓斷路器使電動(dòng)機(jī)斷電，就能達(dá)到定位停車的目的。在20世紀(jì)50年代以后進(jìn)口的磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，都帶有可以使磨機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的“輔助傳動(dòng)”裝置。它由1臺(tái)小型電動(dòng)機(jī)和減速器組成，當(dāng)需要使磨機(jī)慢轉(zhuǎn)時(shí)，可以搬動(dòng)杠桿使輔助傳動(dòng)裝置減速器的低速輸出軸通過(guò)斜齒形離合器連接到主減速器的輸入軸或主電動(dòng)機(jī)軸上，然后開動(dòng)輔助傳動(dòng)的電動(dòng)機(jī)就能使磨機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)。如果在輔助傳動(dòng)裝置開動(dòng)的狀態(tài)下起動(dòng)主電動(dòng)機(jī)，則因主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于輔助傳動(dòng)出軸的轉(zhuǎn)速，從而通過(guò)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?yàn)檫@種離合器可以把轉(zhuǎn)動(dòng)力從甲軸傳到乙軸，當(dāng)外力使乙軸同方向轉(zhuǎn)動(dòng)的速度高于甲軸時(shí)，離合器就會(huì)自動(dòng)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(diǎn)，大多數(shù)水泥廠都在起動(dòng)磨機(jī)之前都先開動(dòng)輔助傳動(dòng)裝置，待磨機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)之后再起動(dòng)主電動(dòng)機(jī)，認(rèn)為這樣可以幫助磨機(jī)起動(dòng)。球磨機(jī)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(fù)擺動(dòng)幾次靜止后的狀態(tài)。圖5B是剛開始起動(dòng)或用輔助傳動(dòng)使筒體慢速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)。圖5C是筒體加速并轉(zhuǎn)動(dòng)60°以上后，部分研磨體開始拋落的狀態(tài)。從圖5可知，當(dāng)磨機(jī)中的研磨體和物料處于圖5A狀態(tài)時(shí)比較容易起動(dòng)，因?yàn)檫@相當(dāng)于汽車從坡底開始爬坡；處在圖5B狀態(tài)的磨機(jī)最難起動(dòng)，因?yàn)檫@相當(dāng)于把汽車推到坡上以后再讓它起動(dòng)；還有一種看法認(rèn)為:“先起動(dòng)輔助傳動(dòng)可以使磨機(jī)軸承建立起潤(rùn)滑油膜，減小起動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。”從表1和圖3可知，磨機(jī)起動(dòng)時(shí)的軸承摩擦阻力對(duì)起動(dòng)的影響較小。而且輔助傳動(dòng)運(yùn)行時(shí)的磨機(jī)轉(zhuǎn)速只相當(dāng)于正常運(yùn)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(rùn)滑油膜的作用。仔細(xì)觀察用輔助傳動(dòng)運(yùn)行時(shí)的磨機(jī)，就能發(fā)現(xiàn)磨機(jī)筒體是在抖動(dòng)著旋轉(zhuǎn)，可見潤(rùn)滑狀態(tài)不佳。 
　　 


　　如果因勢(shì)利導(dǎo)，把斜齒離合器改為小型電磁離合器。起動(dòng)之前先合上電磁離合器，用輔助傳動(dòng)使磨機(jī)筒體向與主傳動(dòng)相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，待筒體內(nèi)偏心載荷達(dá)到休止角之后(輔助傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸入電流會(huì)伴隨磨機(jī)筒體旋轉(zhuǎn)角度的增大而增加，當(dāng)筒體內(nèi)的研磨體和物料達(dá)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(dá)休止點(diǎn)。)再斷開電磁離合器，使磨機(jī)靠偏心載荷向正常方向轉(zhuǎn)動(dòng)并在轉(zhuǎn)動(dòng)到轉(zhuǎn)速最高狀態(tài)時(shí)及時(shí)合閘起動(dòng)主電動(dòng)機(jī)。因?yàn)槎ㄗ与娏魇寝D(zhuǎn)速的函數(shù)，所以，這種起動(dòng)方法可以明顯降低電動(dòng)機(jī)的“起動(dòng)電流”(嚴(yán)格地講，應(yīng)是“初始電流”)和大電流的持續(xù)時(shí)間。 
　　

有人擔(dān)心采用這種起動(dòng)方法會(huì)損壞減速器。其實(shí)，每次停磨時(shí)磨機(jī)筒體都會(huì)反復(fù)擺動(dòng)幾次才能停穩(wěn)。具有偏心載荷的磨機(jī)筒體相當(dāng)于物理學(xué)中的“復(fù)擺”，它擺動(dòng)幅度的大小不影響擺動(dòng)周期。當(dāng)以正常轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磨機(jī)停車時(shí)，磨筒體中偏心載荷被提升的高度高于用輔助傳動(dòng)所能達(dá)到的高度。因?yàn)樗臄[動(dòng)周期不變，較大幅度擺動(dòng)時(shí)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(yuǎn)大于用上述方法起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊?？梢哉f(shuō)，減速器對(duì)這種沖擊是久經(jīng)考驗(yàn)的。有的水泥廠因故被迫長(zhǎng)時(shí)間停磨時(shí)，為了避免熱態(tài)的筒體弧垂變形和冷卻時(shí)軸向收縮擦傷軸瓦，在停磨初期都用輔助傳動(dòng)使筒體轉(zhuǎn)動(dòng)一些時(shí)間。但是，每次轉(zhuǎn)完切斷電源之后都會(huì)因?yàn)樾饼X形離合器在這種情況下無(wú)法脫開，以致擺動(dòng)的磨機(jī)帶動(dòng)已經(jīng)斷電的輔助傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重超速旋轉(zhuǎn)，發(fā)出類似防空汽笛般的強(qiáng)大叫聲，使人擔(dān)心輔助傳動(dòng)設(shè)備受損，但是工廠的操作人員卻已習(xí)以為常?？梢姡幂o助傳動(dòng)可通過(guò)偏心載荷積蓄相當(dāng)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(jī)構(gòu)，保證只有在電磁離合器脫開的條件下才能起動(dòng)主電動(dòng)機(jī)。 
　　

磨機(jī)采用簡(jiǎn)單、可靠、高效的同步電動(dòng)機(jī)替換繞線型電動(dòng)機(jī)，采用用輔助傳動(dòng)裝置反向轉(zhuǎn)動(dòng)筒體積蓄位能的方法幫助起動(dòng)，將會(huì)構(gòu)成性能價(jià)格比最高的拖動(dòng)方案。而且從開動(dòng)輔助傳動(dòng)到同步電動(dòng)機(jī)牽入同步運(yùn)行的過(guò)程可以通過(guò)簡(jiǎn)單的程控裝置使之自動(dòng)化，從而簡(jiǎn)化操作，為生產(chǎn)設(shè)備的集中控制創(chuàng)造有利條件。 

2.2.6　雙傳動(dòng)的球磨機(jī)同樣可以采用同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng) 
　　

用于球磨機(jī)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(dòng)方式:由高速輸入軸的小齒輪帶動(dòng)左右兩側(cè)的大齒輪，再通過(guò)分別與大齒輪同軸的小齒輪從兩側(cè)帶動(dòng)輸出軸的大齒輪。為了消除左右兩路傳動(dòng)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(dòng)。為了適應(yīng)微動(dòng)的需要，固定在減速器輸出長(zhǎng)軸上的大齒輪采用多層薄鋼板構(gòu)成的柔性輪轂，長(zhǎng)軸的另一端通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接磨機(jī)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(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，構(gòu)成雙傳動(dòng)輸入，那么因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)伴隨負(fù)載的輕重變化，所以能夠起到平衡作用。減速器就不必設(shè)置平衡機(jī)構(gòu)，輸出不必采用長(zhǎng)軸聯(lián)接磨機(jī)。 
　　

當(dāng)由負(fù)載產(chǎn)生的靜阻轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，則同步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的磁力線就會(huì)被拉長(zhǎng)，使轉(zhuǎn)子相對(duì)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(guò)均勻分布在定子和轉(zhuǎn)子之間的多數(shù)彈簧拉動(dòng)著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，二者的轉(zhuǎn)速是相同的，否則彈簧就會(huì)被拉斷。但是二者之間的聯(lián)接是彈性的。這就說(shuō)明同步電動(dòng)機(jī)同樣可以起到平衡兩路傳動(dòng)力的作用。 

3　輔助設(shè)備和輸送設(shè)備電動(dòng)機(jī)選型的合理化 

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

一般地說(shuō)，異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)在負(fù)載率為75%左右時(shí)最高，低于50%時(shí)則急劇下降。因此，應(yīng)該盡量避免大馬拉小車的現(xiàn)象。合理選擇配套電動(dòng)機(jī)的容量不僅能夠降低設(shè)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(huì)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(dāng)?shù)倪x定電動(dòng)機(jī)容量既是設(shè)計(jì)部門提高設(shè)計(jì)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(gè)老大難問題。因?yàn)? 
　　

1)1臺(tái)設(shè)備停轉(zhuǎn)就會(huì)導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停工，所以從保證生產(chǎn)運(yùn)行的角度出發(fā)，選配電動(dòng)機(jī)容量就必然趨向于寧大勿小，而且層層增加保險(xiǎn)系數(shù)。 
　　

2)斗式提升機(jī)和螺旋輸送機(jī)是使用數(shù)量最多的輸送設(shè)備，但是卻普遍存在著加工質(zhì)量差的問題，運(yùn)行時(shí)消耗在克服摩擦的功率和用于提升物料的功率相差無(wú)幾的提升機(jī)在我國(guó)司空見慣。經(jīng)?？吹接行┞菪斔蜋C(jī)的中心軸彎曲，導(dǎo)致螺旋葉片刮殼，懸臂的軸承伴隨彎軸晃動(dòng)的現(xiàn)象，這些額外的功率消耗都是無(wú)法預(yù)測(cè)和計(jì)算的，只能靠加大保險(xiǎn)系數(shù)解決。 
　　

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

4)有些輔助設(shè)備的負(fù)載會(huì)隨著使用條件的不同而產(chǎn)生很大差別，選用設(shè)備時(shí)很難事先估計(jì)到。例如，兩個(gè)濕法廠相同的掏泥機(jī)都配套110kW電動(dòng)機(jī)，一個(gè)廠用自卸卡車卸料，池底布滿碎石，平時(shí)負(fù)載在70%左右，投料瞬間高達(dá)120%以上；另一廠通過(guò)喂料機(jī)均勻投料，及時(shí)清理碎石，電動(dòng)機(jī)的輸入功率只有18kW。 
　　

5)因?yàn)槌伺鋵僦鳈C(jī)和功率較大設(shè)備的電動(dòng)機(jī)以外，一般都不配備電流表，導(dǎo)致有關(guān)人員對(duì)數(shù)量較多的小功率電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況心中無(wú)數(shù)；還因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)輸入電流的大小與負(fù)載輕重不是線性關(guān)系，在負(fù)載率低于50%時(shí)由于效率和功率因數(shù)下降的幅度增大，所以單純靠測(cè)量輸入電流難以準(zhǔn)確判斷負(fù)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(dòng)機(jī)需要從事電力拖動(dòng)、水泥設(shè)備、水泥工藝的設(shè)計(jì)、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(jī)電設(shè)備的過(guò)載和故障保護(hù) 

　　因?yàn)槲锪陷斔拖到y(tǒng)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)輸送系統(tǒng)被迫停頓，處理不及時(shí)就會(huì)導(dǎo)致故障擴(kuò)大或產(chǎn)生嚴(yán)重的物料堆積、堵塞，所以必須“聯(lián)鎖”。但是，如何正確及時(shí)地檢測(cè)出故障點(diǎn)卻是一個(gè)值得研究的課題。 
　　

對(duì)于中小型電動(dòng)機(jī)，一般都采用帶熱繼電器(現(xiàn)在已由電子式過(guò)電流繼電器取代)的交流接觸器作為控制兼過(guò)電流保護(hù)設(shè)備。所以，聯(lián)鎖功能就是靠電動(dòng)機(jī)的過(guò)電流保護(hù)裝置動(dòng)作或維護(hù)人員按下安裝在相關(guān)設(shè)備附近的“原地停車按鈕”切斷相關(guān)電動(dòng)機(jī)電源而檢測(cè)故障點(diǎn)的。但是，現(xiàn)代化水泥廠中的維護(hù)人員很少，不可能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障；因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的容量裕度都比較大，所以，待到電動(dòng)機(jī)因過(guò)載而停車，則機(jī)械故障或物料堵塞往往已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)嚴(yán)重的程度。何況當(dāng)出現(xiàn)提升機(jī)斷鏈條、螺旋輸送機(jī)斷軸、傳動(dòng)皮帶打滑或斷裂等性質(zhì)的故障時(shí)，只能使電動(dòng)機(jī)的負(fù)載減輕。此外，也有不少電動(dòng)機(jī)被燒毀的原因是保護(hù)裝置失靈或整定不當(dāng)。 
　　

如果在輸送設(shè)備的終端軸上，例如，帶式輸送機(jī)的尾輪、提升機(jī)的下部張緊輪、螺旋輸送機(jī)軸的尾部等最能反映設(shè)備故障的處所裝上一個(gè)能夠根據(jù)設(shè)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(duì)輸送系統(tǒng)的保護(hù)作用。 

5　水泥廠從石灰石礦山到廠區(qū)運(yùn)輸系統(tǒng)的特點(diǎn)是重物下放 

　　水泥廠采用架空索道或長(zhǎng)距離帶式運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送礦石時(shí)，由于運(yùn)輸系統(tǒng)的裝料端高于卸料端，是重物下放，系統(tǒng)運(yùn)行于負(fù)力狀態(tài)。由圖2a可知，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)起著制動(dòng)作用，加大轉(zhuǎn)子電阻會(huì)使被制動(dòng)的設(shè)備轉(zhuǎn)速增加。忽視這個(gè)特點(diǎn)就會(huì)犯錯(cuò)誤。利用好這個(gè)特點(diǎn)就能節(jié)電。 
　　

為了說(shuō)明這個(gè)問題，就先從某水泥廠架空索道的事故教訓(xùn)談起。該廠的架空索道用于把經(jīng)過(guò)破碎后的石灰石運(yùn)輸?shù)綇S內(nèi)的原料庫(kù)。由于設(shè)計(jì)單位主觀地套用僅適用于重物提升的設(shè)計(jì)方案，使設(shè)計(jì)存在著幾項(xiàng)原則性錯(cuò)誤: 
　　

1)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)為繞線型電動(dòng)機(jī)，采用逐級(jí)短接轉(zhuǎn)子電阻的方式起動(dòng)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行于異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)，轉(zhuǎn)子接入電阻會(huì)降低它的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩(參見圖2)，所以，起動(dòng)后運(yùn)行轉(zhuǎn)速會(huì)很快超過(guò)它的同步轉(zhuǎn)速。如果不能及時(shí)將轉(zhuǎn)子短接，則會(huì)繼續(xù)加速，危及整個(gè)索道系統(tǒng)的運(yùn)行安全。 
　　

2)索道的傳動(dòng)系統(tǒng)中有2個(gè)制動(dòng)裝置:一個(gè)是裝在電動(dòng)機(jī)與減速器輸入軸之間聯(lián)軸節(jié)上的電磁制動(dòng)器。另一個(gè)是裝在卷筒附近，直徑較大，帶木質(zhì)制動(dòng)靴的機(jī)械制動(dòng)器。電磁制動(dòng)器用以保證在切斷電動(dòng)機(jī)電源時(shí)立即剎車，并防止索道反轉(zhuǎn)。機(jī)械制動(dòng)器是保險(xiǎn)閘，是防止失控的最后一道防線。但實(shí)踐證明，這些按重物提升設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)在重物下放的條件下如果突然停電導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)失去制動(dòng)作用時(shí)，2個(gè)制動(dòng)器都起不了防止系統(tǒng)不斷加速的制動(dòng)作用。 
　　

3)檢修線路時(shí)要求索道系統(tǒng)能夠低速運(yùn)行。原設(shè)計(jì)采用加大繞線型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻的方法降低運(yùn)行速度，但是在重物下放的條件下這種控制方法反而會(huì)使運(yùn)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(dǎo)致料斗堆積擠壓產(chǎn)生強(qiáng)大的拉力，拉倒了薄弱環(huán)節(jié)的支持物。位于高端支持導(dǎo)向輪的、邊長(zhǎng)近2m的鋼筋混凝土方柱也被拉斷，可見拉力之強(qiáng)大。 
　　

從該廠架空索道事故的教訓(xùn)可知，事故的原因源于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。所以在設(shè)計(jì)從礦山到廠區(qū)的架空索道、長(zhǎng)距離皮帶運(yùn)輸機(jī)等輸送系統(tǒng)時(shí)，必須注意到大多數(shù)礦山比廠區(qū)高，運(yùn)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(yùn)行的制動(dòng)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(yǔ) 

　　水泥廠電力拖動(dòng)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(jī)等主要水泥設(shè)備特有的電力拖動(dòng)特性；限于筆者的水平，有待修正和補(bǔ)充的內(nèi)容必然很多。例如，想要證實(shí)利用積蓄的位能，使磨機(jī)在達(dá)到一定轉(zhuǎn)速的條件下合閘通電，從而降低起動(dòng)電流(嚴(yán)格地講，應(yīng)是“合閘電流”)的起動(dòng)方法是否可行，只需測(cè)量出磨機(jī)停車時(shí)的擺動(dòng)周期、幅度，計(jì)算或測(cè)量出靠擺動(dòng)可能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，就能明確此方案的可行性。