广东XXX萨米特陶瓷有限公司

球磨机伺服配套节能改造

深圳市诺尔电气技术有限公司

2018年05月

目 录

一、概述…………………………………………………………………..1

二、球磨机的生产工艺 ……………………………………………..1

三、球磨机传统控制存在的问题 …………………………………3

四、节能改造技术路线 ………………………………………………3

五、节能改造方案内容 ………………………………………………4

七、公司简介……………………………………………………………. 5

附件： 15

一、概述

球磨机在水泥、陶瓷、冶金行业里被大量使用，是物料粉碎不可缺少的重要生产设备。球磨机一般功率大，工作效率低，在企业占据了总用电量的50%以上，成为上述行业最大的耗电设备之一；另外，陶瓷原料成品（瓷浆）的主要成本组分为：原料45%、电耗30%、人工15%、设备损耗5%、其他5%，因此降低球磨机的能耗是上述行业降低生产成本、提高产品竞争力的最有效途径。

二、球磨机的生产工艺

    球磨机主要由传动装置、筒体装置、加卸料装置及电气控制装置等组成，分给料部分、出料部分、传动部分、动力部分、电控部分等主要部分。球磨机由电动机通过减速机及周边大齿轮减速传动、或由低转速同步电机直接通过周边大齿轮减速传动，皮带带动球体转动。筒体内部装有球磨石，在离心力和摩擦力的作用下，球磨石被提升到一定的高度呈抛落或泄落状态落下，将陶瓷原料和水的混合物研磨成浆。

驱动部分是球磨机的关键：球磨机属于低速重载设备，装载量大，起动力矩也很大，一般需要加装液力耦合器来完成传动系统的启动和调速。球磨机启动对电网冲击大，而且启动完成后运转时所需的转矩减小，所以在能源节约方面有很大的空间。目前普遍采用的驱动方式是三相交流电动机—液力耦合器—齿轮减速器—皮带轮减速器。由于球磨机属恒转矩负载，在用液力耦合器调速时，其调速效率等于调速比，有很大一部分能量在液力耦合器中被浪费掉。

球磨机一般以固定转速运行，筒体的转速是由皮带轮或齿轮减速机构（也有用液力耦合器）决定的。球磨机的转速直接影响到钢球和物料的运动状况及物料的研磨过程，在不同的转速下，筒体内的球磨石和物料的运动状况如下图所示。

（1）泻落式状态：当转速较低时，球磨石和物料随筒体内壁上升，当球磨石和物料的倾角等于或大于自然倾角时，沿斜面滑下，不能形成足够的落差，钢球对物料的研磨作用很小，球磨机的效率很低。

（2）抛落式状态：当筒体的转速处于上述二者之间的某一转速时，球磨石被带到一定的高度后沿抛物线落下，对筒底物料的撞击作用最大，研磨效率最高，此时的转速称为最佳工作转速。

（3）离心式状态：如果筒体的转速很高，由于离心力的作用，以致使物料和球磨石不再脱离筒壁，而随其一同旋转，这时球磨石对物料已无撞击作用，研磨效率则更低。这种状态的最低转速称为临界转速。

三、球磨机传统控制存在的问题

传统球磨机一般采用简单的工频控制，存在以下突出的问题：

（1）效率低下，损耗比较大。 传统工频控制由于不能依照工况对转速进行调节，研磨周期较长，机械设备效率低下，单位产品功耗较大，并且在机械部件特别是传动减速器方面有很大的能量损耗。

（2）噪音严重。球磨机在工作时有很大的噪音，而且随着物料量的减少噪音将明显的加大。

（3）功率因素低下，一般轻载时功率因素很低。

（4）启动冲击电流大，停机有很大电流突变，易降低电机绝缘和损坏电气元件，设备维护成本高。

球磨机为大惯量恒扭矩负载，在工频时一般采用星三角和自耦降压启动，启动电流特别大。在停机时，过大的电压电流骤变将对降低电机和电气元件的性能，缩短其使用寿命，严重时将会直接导致电机的损坏。

（5）自动化程度相当低，不利于组建工厂自动化。大型机组实现自动化是装备管理的必然方向，特别是对机组较多、场地较大、控制对象和设备较多的装备区，实现自动化控制和管理将更加大大的提高作业效率、降低作业强度、加强装备规范管理等。

随着社会经济的发展及企业生产规模的扩大，直接工控球磨机的弊病已暴露无遗，并严重地阻碍了各工业企业快速发展。这就促使人们去研制启动平滑、研磨效率较高、产量大、能耗低的球磨机——矢量伺服控制驱动球磨机。

四、节能改造技术路线

采用超高效电机替换原有电机，并采用高性能矢量伺服驱动器对电机进行智能化节能控制，用弹性柱销联轴器替代现在使用的液力耦合器。

五、节能改造方案内容

1. 高耗能电机替换为高效电机

超高效电机适用于运行时间较长、负荷率较高的电力驱动系统。高效节能原理是降低电动机运行时机电能盘转换过程中电机内部产生的损耗，提高运行效率，大幅度节约电能。技术上通过科学的损耗分析，采用三相“正弦”绕组、再配合与槽形尺寸等设计技术、高效风扇。专门工艺与优质有效材料等综合节能技术，以降低电机内的铜(铝)耗、铁耗、机械风摩与杂散耗损，使电机总损耗降低(20%～30%)，效率提高2～5%。

	型号	YE3-315M-4
	额定功率(kW)	132
	额定转速(r/min)	236
	额定电流	1490
	效率Eff%	95.6
	功率因数P.F	0.89
	额定转矩N.M	851.7
	堵转转矩/额定转矩Tst/TN	2.0
	堵转电流/额定电流Ist/IN	7.0
	最大转矩/额定转矩Tmax/TN	2.2
	噪声dB(A)	88

目前我国广泛应用的Y系列电动机效率平均值为87.3%，高效电机的效率平均值为90.3%，超高效电动机的效率平均值为93.7%。比较如下：

因而，采用超高效电动机替换原有的低效电动机可获得明显的节能效果。

图2列举了YE3与Y3系列电动机中22kW～90kW效率的对比值，高出部分的效率所节约的电能费用，要远远超出所增加的费用。

2. 液力耦合器替换成弹性柱销联轴器

在球磨机的减速机与电机之间，采用弹性柱销联轴器可起到近似空载启动，减少冲击载荷、吸收反冲击、吸收传动系统振动的作用。

弹性柱销联轴器的主要特点:

1）软起动性好；原动机起动时，联轴器处于打滑状态，可将带载起动变为近似空载起动，实现原动机的软起动。

2）可靠的过载保护并可调节；当工作机过载或卡死时，联轴器打滑，限制了功率的增加，当异步电动机因过载导致转速下降时，联轴器可传递功率随转速迅速下降，有效保护电动机不被堵转。

3）节省能源；由于实现了软启动联轴器连接，降低了启动电流，缩短了峰值时间，降低了能耗，同时减小了设备的起动冲击。

4）节省设备维护成本；液力耦合器需要定期维护和保养，故障率高，每年需要投入大量的人力和物力进行维护和保养，更换弹性柱销联轴器连接后，因联轴器结构简单，不需要定期维护和保养，单台每年可以节省液力耦合器维护费用3000元以上。

3. 高性能矢量控制驱动系统

矢量控制驱动是当前电气自动化控制的最为重要的技术，已经在各行各业的装备控制发挥了重要的作用，对于球磨机特别是大型的球磨机来说，可以预见，它的应用是必然的发展趋势，而且必定会成为磨粉作业工艺控制自动化的最重要也是最核心的组成部分，球磨机采用矢量控制驱动技术将会带来以下革新：

矢量控制驱动器应用在球磨机上可以提高效率节约电能，减少运行成本，其节电主要体现在以下几方面：

1）动态调整节能：迅速适应负载变动，供给最大效率电压。矢量控制驱动器在软件上设有测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。

2）通过矢量控制驱动器自身的V/F功能节电：在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。

3) 驱动器自带软启动节能：在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收三倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。采用软启动后，启动电流可从零慢慢提升至电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

4) 提高功率因数节能：电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。

磨球机矢量控制驱动器节电中，通过自身的V/F功能节电的效果是占主要的，自身控制技术的特点产生的动态调节节能、软启动节能以及提高功率因数节能在球磨机的应用中占很小的部分，而主要节能依据球磨机的工作特性决定。

在研磨过程中，球磨原料及水的混合物在各阶段所需要的状态会随着研磨时间的变化改变，比如研磨开始的过程，最佳状态为抛落式状态，研磨了一定时间后，则最佳状态又变为泻落式状态。让球磨机始终保持在最佳状态，是球磨机节能改造的关键。

球磨机在刚开始运行时，由于物料破磨所需的撞击力比较大，驱动器的负载就比较重，此时节能效果不明显。但随着物料的破碎程度的不断加剧，所需力矩将减小，若用V/F方式控制球磨机，可以适当的降低转速，由于V/F控制时，恒扭矩负载的功率与转速基本成正比。具体需按工况来操作，以使球磨机工作在最佳转速范围为标准。预计使用矢量控制驱动器后整体节电率可达10%以上。

4. 设备选型

球磨机属于恒转矩负载，根据其工作特性，需要对其放大一档选型，以保证系统安全、稳定、快速运行。针对本项目方案设备选型如下：

5. 系统介绍

目前，公司针对于陶瓷行业的设备（球磨机），研发了柜式专用节能控制系统，这款机型能适用于高温、粉尘等恶劣的环境。

该机型柜机的门板上开关按钮主要包括主机开启、主机停止、辅机开启、辅机停止、程序复位、故障复位、紧急停止等按钮，也可以根据实际的应用要求增加相应的按钮、开关等电气元件；显示仪器包括电流表、电压表，也可以根据实际的应用要求增加相应的电气仪表、控制器等电气元件。门板上的PLC控制器可设置及监视运行程序的状态参数。

为确保系统在各种恶劣环境下稳定运行，针对工况环境问题加强多重保护，加大增厚柜体板材，加强三防漆；柜体设计独立风道，增强散热效果。

5.1 规格参数

电源：三相AC380V ±20%

功率范围：90kW---280kW

通讯协议：MODBUS，RTU格式

辅机功率范围：7.5kW---30kW

机种类型：带辅机控制和不带辅机控制（非标）

5.2 功能介绍

（1）运行监控：PLC控制器上能监视运行电压、电流、转速等参数；

（2） 多段转速运行：PLC上可任意修改最多六段的运行转速及其运行时间；

（3）一体化设计：可按需求将辅机控制整合到本节能控制柜，方便操作；

（4）切换功能：可根据用户要求，设置“常规”与“节能”两种运行模式，在节能控制系统出现故障时，切换回“常规”状态，确保可靠运行。

5.3 软件特点

（1）恒定转矩，低转速下保证满足重负载启动需求；

（2）具有自动转矩提升、固定转矩提升和自定义V/F曲线可选；

（3）稳定的电压和转速输出，电机启动后平稳运行，保证电机恒功率特性；

（4）可独立设定掉电时的减速时间和恢复上电后的加速时间欠压值和时间的单独设定。

6. 方案优势

本方案采用的矢量控制驱动控制系统具有以下特点：

(1)矢量伺服驱动器内置三相交流电抗器，有效限制电网电压突变和过压引起的电流冲击，有效抑制谐波电流，改善功率因素，削弱冲击电流，对电源侧尖峰电压起到缓冲作用，削弱三相电源电压不平衡带来的影响；

(2)实现软启动，替换原有自耦降压启动、星三角起动等起动方式，起动峰值电流小，对电网无冲击，降低机械振动，延长设备的使用寿命，增大装机容量；无需液力耦合器，降低能耗；

(3)跟踪控制研磨介质与物料的相互撞击或摩擦状况，在保证粉料细度和加工时间不变的前提下，实时调整输出功率，需大则大，需小则小，实现节能运行，节电率可达8%-15%。

根据以上内容，采用矢量伺服驱动系统（节能8~12%）+超高效节能电机（节能3~4%）+联轴器（2~3%），球磨机采用矢量伺服配套系统节能效果可达13%~19%。

六、项目效益分析

1. 节能效益

（1）以一台40吨球磨机为例，电动机功率为132 kW，电机负载87%,每天运行15h,每月运行28天，每年运行11个月，综合节电率按照14%计算，则收益表如下：

（2）通过矢量伺服+电机节能改造，节电率远远超过政府要求的10%的节电率，可以向政府申请100元/kW的节能补贴，以132kW球磨机为例，即可以获得13200元/台的节能补贴，进一步降低回收周期。

（3）按照设备6年最低使用寿命来算，以132KW球磨机改造为例，6年可以为企业节省30万以上的电费成本，改造20台每年可以节省电费约100万元，6年可以节约600万元，大大降低企业生产成本。

2.设备成本

（1）去除液力耦合器，消除漏油隐患，减少维护成本。

（2）更稳定可靠。与变频器相比，启动力矩更大。通过特殊启动算法控制，可以按匹配电机功率选择使用。

3.改善环境

球磨机通过矢量伺服配套改造，因使用软启动及矢量伺服输出，能有效减少球磨机噪音，改善了工作环境，有利于环保与保护员工健康。

4. 财政奖励

根据《肇庆市电机能效提升财政补贴申报细则》，更换后的低压电机符合GB18613-2012标准的能效等级2级及以上高效电机，符合2012版电机能效新标准或高压三相异步电机效率保证值的，补贴标准为改造前电机功率100元/千瓦。

根据《肇庆市工业企业技术改造事后奖补细则》第十七条奖励标准：

（一）从2015 年起，省、市、县财政通过预算安排，从完工下一年起连续3 年内，按企业技术改造对财政贡献增量额度中省级分成部分的60%、地市级分成部分的50%、县级分成部分的40%对企业进行事后奖补。

（二）企业技术改造后对财政贡献增量额度以企业技术改造后主体税种税收额（增值税、营业税和企业所得税合计，下同）相对于基数的增加部分为依据。

（三）以企业技术改造项目完工前一年主体税种税收额为基数。

（四）企业可获得的事后奖补资金=（企业申请奖补当年税收-基数）省级分成部分×60%+（企业申请奖补当年税收-基数）地市级分成部分×50%+（企业申请奖补当年税收-基数）县级分成部分×40%。

（五）市级事后奖补资金=（企业申请奖补当年税收-基数）对市级财政贡献部分×50%。

（六）企业获得事后奖补资金总额不超过企业技术改造固定资产投资总额。

5.售后及质保

球磨机通过矢量伺服改造，我们将提供为期2年的售后服务及技术指导，珠三角地区出现问题48小时内到达现场解决问题，质保期过后，将持续提供优质的售后服务及技术指导。

七、诺尔电气公司简介

诺尔电气是专业节能环保技术及产品的系统集成商、智能制造装备、节能改造项目总包商,致力于为客户提供量身定制的全方位的综合节能服务、综合智能制造装备。

    诺尔电气提供综合节能解决方案的咨询、开发、实施和运营服务。涵盖建筑、工业等领域，在中央空调系统节能、风机水泵系统节能、塑料机械系统节能、空压机系统节能、球磨机异步伺服节能改造、起重机系统节能、锅炉节能、电力节净、电源质量管理、宽频谐波治理技术、高低压无谐变频技术、电能的监督和管理系统、中高压变频节能积累了大量丰富、成熟的经验。

    诺尔电气与广东省科学院智能制造研究所合作；合作开发面向珠三角制造企业提供基于先进制造理念、先进视觉识别、先进机械手、先进基础自动化的全方位智能制造装备。

公司理念：引领控制节能技术新未来 提升环保产业价值

附件：

萨米特陶瓷厂球磨机节能测试报告

4、 测试结论

节能效果

20台球节能改造前后结果前16.30，改造后14.7降低1.6，节能效果 11％。

其它效益

1、维修成本降低，节省每年每台耦合器的平均维修费用（含液压油）约4000元。

2、减少现场耦合器运行是长生的噪音。

3、改善工作环境的现场卫生。

4、减少机修维修和人员清洁的劳动强度

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