水泥厂电力拖动初探

“水泥厂电力拖动”是使人们在深入了解电动机的运行特性、水泥生产设备的特点、水泥生产工艺要求的基础上，综合平衡包括供电系统在内各方面的要求，使水泥生产机、电设备的配套和运行合理化的学问。但是，到目前为止，还没看到过有关水泥厂电力拖动的专著。水泥工业的电力拖动系统存在着两大关键问题:其一是掌握主要的、典型的水泥设备在起动过程中阻转矩变化的动态特性数据，并据以改进电力拖动系统；其二是如何为生产设备选配额定功率恰如其分的电动机，并使新建厂投产后的实际电力负荷与设计时负荷计算的结果基本相符并且具有较高的需要系数。这2个问题都需要进行大量的测量和归纳、分析工作才能取得初步成果。本文介绍一些与此有关的体会。此外，本文提出几个概念性问题以便解释几个看似简单的常见误区。由于水泥厂中的电动机绝大多数都是异步电动机，所以在本文内容中除个别标明者外，皆指异步电动机。  

1　电力拖动中几个容易被误解的基本概念 

　　电力拖动中的基本概念在实际应用中存在着一些误区。例如，不少人根据电动机运行时的输入电流随负载轻重而改变大小的经验认为:“电动机起动电流的大小也取决于负载的轻重”；曾经有人用:“扛东西时有人帮忙抬一把，比自己直接从低处往起扛省劲儿”的体会认为:“用辅助传动装置先让磨机慢慢地转动起来，可以减轻主电动机的起动难度”。然而事实是，起动电流的大小与负载轻重无关。先开辅助传动反而会增加起动的难度。为了便于渐进地说明问题，先对电力拖动中几个基本概念做些提示。 
1.1　静态和动态 
　　“静态”是指电动机拖动负载运行在恒定转速时的状态。在这种状态中: 
　　电动机的输出转矩=负载的静阻转矩 
　　也就是说，在静态时电动机的输出转矩只取决于负载的轻重。“静阻转矩”系指与机组转动部分的惯性无关的负载阻力。 
　　“动态”是指电动机拖动负载运行于加速、减速等转速变化的状态。在起动过程中: 
　　电动机的输出转矩=负载的静阻转矩+使机组加速的加速转矩 
　　在动态时，电动机的输出转矩只取决于电动机的固有机械特性。 
　　掌握设备起动过程中静阻转矩变化数据是正确选择配套电动机的重要依据。要想测量设备在起动过程中负载静阻转矩的变化，除电动机的输出转矩之外，还必须同时测得使机组加速时的加速转矩。 

1.2　硬特性和软特性 
　　

在电力拖动中，“硬特性”一般是指电动机的转速不受负载轻重变化影响的特性。比较典型的是同步电动机。通用的鼠笼型电动机、转子绕组被短接的绕线型电动机、直流并励和它励型电动机等在负载从空载到满载之间变化时，其转速变化都不大于1.5%～5.0%(大型电动机比小型电动机转速变化小)，所以也被看作是具有硬特性的电动机。这类电动机的输入电流和输出转矩会随着转速的微小变化而急剧地升降。当负载的阻力超过它的最大转矩时，它就会“颠覆”，也就是转矩下降导致转速急速下降甚至停止转动，定子电流增大到堵转电流。如不及时切断电源，就会有烧毁电动机的危险。 
　　

这个概念可以引申到某些生产设备。例如，罗茨鼓风机的风量基本上与它的转速成比例，几乎不受风路阻力的影响，当风路阻力增大时，它就会自动增大风压以维持风量不变。如果风路阻力过高，而风机电动机的功率又不够，就可能过载。所以它是具有硬特性的恒流型风机。为了容易起动，起动时必须全部打开放风阀门。离心风机的风压受风量变化的影响较小，当风路阻力降低时，它就会自动增大风量，以减轻风压的下降。风路阻力过低就会因为风量过大而造成风机电动机的严重过载。所以可以看作是硬特性的恒压型风机。为了容易起动，起动时必须全部关闭风路中用以调节风量的阀门，尽量增大风路阻力。这两种风机的特点与电学中由稳压器构成的恒压源、由稳流器构成的恒流源颇为相似。 
　　

“软特性”一般是指电动机的转速随负载轻重的变化而大幅度变化的特性。也就是说，电动机的转速会随着负载的加重而明显下降。但是，它的输入电流和输出转矩则随着转速的降低而大致成比例的平缓上升，不易颠覆。具有高电阻鼠笼转子的电动机(起重机专用鼠笼型电动机、异步伺服电动机、力矩电动机等)和转子接有电阻的绕线型电动机、直流串励电动机等都属于软特性的电动机。专用的力矩电动机即使长期处于堵转状态也不会超过允许温升。 
　　

大部分水泥生产设备几乎都选配硬特性的电动机。软特性的电动机只用于起重运输设备和个别有特殊要求的地方。 
　　

硬特性和软特性是可能或可以互相转化的。例如，“电磁调速异步电动机”是由电磁耦合器同鼠笼型电动机组合而成的，电磁耦合器是典型的软特性电机，但是通过测速发电机和电子自动调节器控制它的励磁电流就使它成为既可根据需要调节转速，且转速又几乎不受负载轻重变化影响的硬特性电动机。 
　　

立窑煅烧系统中，保持风量的稳定是稳定窑内热工状态的重要因素之一，因而多采用具有恒流特性的罗茨风机作为鼓风设备。常采取控制放风阀门的方法调节风量，所以:  风机的输出风量=通过立窑的风量+放风风量 
　　

在风机选型时，为了顾及立窑最大风量及恶劣工况，往往将风机选的较大。如果采用放风阀调节进窑风量，有的窑有时需要放风30%～50%。这就不仅会增加电能损耗和噪声，更重要的是会使罗茨风机的风量特性大幅度软化。当立窑因某种原因导致窑内物料层的通风阻力增加时，就会把风挤向放风阀，迫使通过放风阀的风量增加，从而相应地减少了进窑风量。如果因为进窑风量的减少又会促使窑内物料密结的程度增加，就会造成通风不断恶化的恶性循环，进而严重影响立窑热工状态的稳定。 
　　

离心式鼓风机的风压比较稳定，但是它的风量受风路阻力的影响很大。从风量的角度看，它的特性更软。主张用“水泥立窑专用高压离心风机”取代罗茨风机的观点，强调了离心风机噪声和损耗小、系统简单和投资少等优点，唯独回避了离心风机风量特性软的关键性问题。《水泥》杂志1997年第1期有2篇文章探讨立窑用离心风机取代罗茨风机的可行性问题，这2篇文章都肯定了采用风量特性硬的罗茨风机对稳定立窑的热工状态有利。其中一篇文章强调了离心风机投资少、运行费用低、噪声低等优点，认为离心风机风量特性软的缺点可以用改变操作方法来弥补；另一篇文章特别提到:“风机应该为立窑稳产、高产、优产服务，而不是要求立窑生产适应风机性能”，认为水泥立窑不宜使用离心风机。然而，这2篇文章都忽略了采用放风的方法调节罗茨风机的风量会使其风量特性伴随放风风量的增大而大幅度软化，甚至不能明显体现相对于离心风机的优势。采用配备“变频调速器”等具有特性硬、效率高的可调速系统控制风机电动机的转速，用调速的方法调节风量，就能够充分发挥罗茨鼓风机风量特性硬和离心式风机的风压特性硬的特点。在风路的截面积不变时，风量与风速成正比，风压与风速的二次方成正比，则风机电动机的输出转矩也同风量的二次方成比例地变化，使得风机的功率消耗与转速的三次方成比例。图1说明风机采用不同调速方法的技术经济特点。从图1可知，用调速法调节风量虽然初期投资较高，但因节电效果好，所以节省的电费可以很快地抵消因为购买调速设备而投入的资金。 
　　 
       


　　图1　风机电动机的耗电功率特性曲线 

1.3　电动机的过载能力和起动特性 
　　

在电动机处于停顿的状态下，给定子加上额定电压和额定频率电源时称为堵转状态，堵转时的输出转矩称为“起动转矩”，定子电流称为“起动电流”。 
　　

为了保证电动机能够稳定运行，要求其要有一定的抗过载能力。表达电动机过载能力的参数是最大转矩，即临界转矩。一般最大转矩约为额定转矩的2倍左右。 
　　

电动机在旋转时会因为转子切割磁力线而产生反电势，它的转速会随负载的轻重产生不同程度的下降。转速下降使反电势下降，导致输入电流随负载的加大而增大。但是电流的大小同负载的轻重不是线性关系，轻载时电流的下降会明显减小。 
　　

人们往往根据电动机静态运行时其输入电流在一定范围内随着负载轻重的变化而变化的现象，主观地认为它的起动电流也应该随着负载起动的难易而变化。实际上这是一种误解。因为在电动机的转子不转，亦即转速等于零的堵转状态下的反电动势等于零，所以电动机起动电流的大小只取决于电动机的内部电阻(直流电动机)或阻抗(交流电动机)，与负载的轻重无关。但是，起动静阻转矩和惯性较大的负载时会延长机组的加速时间，从而增大加速过程中大电流的持续时间。如果用量程稍大于电动机额定电流的电流表测量电动机起动时的定子电流，就会因为轻载和重载起动时表针停留在刻度终点的时间明显不同，使人产生重载起动时电流较大的印象。只有用量程够大，反应快速的示波器才能测量到正确的结果。 
　　

处于堵转状态的直流电动机，它的内部电阻包括电枢绕组电阻、与电枢串联的励磁和补偿绕组电阻、电刷电阻和电刷与换向器间的接触电阻等。因为这些电阻都很小，如果起动时直接加上额定电压，就会因为起动电流过大而使电动机受到损伤。所以，一般都采取在电枢电路中串接限流电阻或降低电源电压的方法限制过大的起动电流。 
　　

处于堵转状态的交流电动机，可以把它看成是一台空载电流和漏感都比较大，次级短路时初级电流也不会过大的变压器。鼠笼型电动机的堵转电流可达额定电流的4.5～7倍。绕线型电动机则可用改变接在转子上的外接电阻的方法改变它的堵转电流。 

1.4　异步电动机的机械特性 
　　

异步电动机在外加额定电压运行时的各项参数的变化如图2。图2a的曲线1是在转子绕组被短路时自然特性曲线，曲线2、3是在其转子电路中串接电阻后的人为特性曲线，这时，因为外接电阻值比电动机的阻抗大得多，功率因数很高，所以它的输入电流与额定电流的比值只略高于输出转矩与额定转矩的比值。表现出起动转矩大，起动电流比鼠笼型电动机小得多的特点。图2b表明因为鼠笼型电动机不能外接电阻，起动时感抗占主要成分，功率因数低(0.15～1.25)，表现出起动电流的倍数比起动转矩的倍数大得多的特点。如果接在转子电路中的不是电阻，而是带有电感成分的“频敏变阻器”，它的起动特性则处于绕线型电动机与鼠笼型电动机之间。 
　　 

(a)绕线型异步电动机转速—转矩特性 

(b)鼠笼型异步电动机转速—转矩电流特性 
图2　电动机机械特性 


2　水泥设备的特点 

　　 
2.1　回转窑 
　　从电力拖动的角度看，回转窑的特点是: 
2.1.1　拖动电动机必须有较高的起动转矩 
　　

因为托轮的轴承承受回转窑的重力很大，所以轴和轴瓦必须有足够大的接触面积，并且采用粘度较大的润滑油。由于静止状态下的托轮轴承与托轮轴之间没有润滑油膜，所以必须有足够的起动转矩才能使它开始转动。一旦开始转动后，就会因为润滑油膜的形成使阻转矩迅速下降，快速地进入运行状态。根据笔者对用直流电动机传动的回转窑的观察:必须在电动机的电枢电流达到正常运行电流的3倍左右时才能开始转动；在采用油马达拖动的窑上，也只有当油压上升到正常运行时的3倍时才能开始转动。因为直流电动机的电枢电流和加到油马达的油压都和负载的阻转矩成正比，故可认为:回转窑需要的起动转矩不小于正常运行转矩的3倍。 
2.1.2　回转窑是低惯量的设备 
　　

回转窑是一种细长的圆筒形设备，虽然飞轮力矩较大，但转速低，若按照减速比的平方换算到电动机轴上的飞轮力矩则很小。也就是说回转窑电动机开始转动后具有较大的剩余转矩用于加速，所以起动时间很短，不会使电动机过热。 

2.1.3　回转窑电动机必须有较大的储备功率 
　　

测量生产运行中回转窑电动机的输入功率发现，大多数这种电动机的实际负载都在额定功率的60%左右。这是因为: 
　　

1)可供选用的交、直流电动机的起动转矩一般都在额定转矩的1.5倍左右，所以只好用增大电动机额定功率的方法来达到提高起动转矩的目的。 
　

　Z4系列直流电动机带有匝数不多的串励绕组，接线时应该接成加复励以增加起动转矩，否则会导致起动失败。 
　　

2)回转窑的热工状态不正常时，如物料过多或窑皮脱落，都显著增大偏心重量，造成电动机负载大幅度增加。为此，电动机的功率必须有足够的裕度。 
　　

3)窑体表面的温度较高，最高达400℃。靠近窑体的电动机、减速器等传动设备受辐射热的影响很容易过热。除了采取必要的隔热、通风措施和采用带滤尘器的强迫通风结构的电动机之外，还必须采用额定功率较大的电动机以补偿高温环境对电动机温升的影响以保证其运行的可靠性。 

2.1.4　回转窑的电动机要有较宽的调速范围 
　　

回转窑的最高转速是在设备设计时根据工艺要求决定的，一般干法中空窑的转速不大于2.0r/min，湿法长窑不大于1.4r/min，窑外分解窑则为3.2r/min左右。它们的调速范围当然在可能范围内越宽越好。早期建成的干法和半干法水泥厂中，回转窑大部分都采用绕线型电动机拖动。一般多用带大电流触头的电动凸轮控制器分级改变其转子外接电阻调速。优点是简单、可靠、价廉。因为它转速越低，特性越软，所以调速范围不能太大。不过除了点火的初期和煅烧情况失常等场合外，大多数都用较高的转速运行，所以特性的软化对生产的影响还可以勉强容忍。 
　　

20世纪50年代以后，我国自行设计和定型化的回转窑都采用了具有硬特性的拖动系统。用硬特性的直流电动机拖动回转窑有2种可采用的方案，其一是采用调速范围为1∶3的调励磁变速直流电动机(这种电动机变速时输出功率不变，机重和售价较高)；其二是采用靠改变电枢电压变速的电动机(这种电动机的输出功率与转速成正比，适于拖动具有恒转矩特性的负载)，它的调速范围理论上可达到1∶10以上，但是最低转速时的特性会有所软化。用于拖动回转窑，1∶5的调速范围足够满足要求了；有些小型回转窑采用电磁调速异步电动机，其控制系统比较简单，投资少。 
　　

回转窑拖动系统几乎概括了所有的调速方式，但是到20世纪末为止，定型生产的大中型回转窑主要采用直流电动机。个别厂的国外进口窑也有采用液压传动的，即用高转矩、慢转速的“油马达”取代电动机和减速器。 
　　

近年来，回转窑电力拖动向鼠笼型电动机加电子变频调速技术的方向发展。 

2.1.5　回转窑的电力拖动系统必须具有尽可能高的运行可靠性 
　　

为减少停窑及保证产质量，回转窑的电力拖动系统必须具有尽可能高的运行可靠性。停窑时利用回转窑的辅助传动装置定时断续地使窑体低速旋转，可以减轻热窑停窑造成的筒体变形，所以选择电力拖动方案时必须力争简单可靠。其供电系统最好有后备电源，辅助传动等的保安电源可采用柴油发电机。 

2.2　球磨机 
　　

磨机是水泥厂中功率最大的设备(世界最大磨机的功率已达10000kW以上)，也是转速最快的横着转的圆筒形设备。常用的机械传动系统有2种，即“边缘传动”和“中心传动”。 

2.2.1　磨机电力拖动的历史情况 
　　

过去人们曾经笼统地认为磨机是起动困难的设备。因此，多趋向于采用起动电流小、起动转矩大的绕线型电动机拖动。但是选用高转速的异步电动机就必须选配大功率、高减速比的减速器，而这种减速器当时只有欧洲的少数国家才能生产。如果改用低转速的异步电动机，则因其功率因数和效率过低，造成经济上的不合理。 
　　

同步电动机的优点是:最低转速可能降低到100r/min，从而简化了减速机构；功率因数可根据需要调节，满载时仍可达到超前10%；异步电动机的输出转矩和电源电压的二次方成比例，同步电动机的输出转矩和电源电压的一次方成比例，所以当电源电压下降时不容易颠覆；电动机本身的运行可靠性和寿命都高于异步电动机。用于拖动球磨机具有简单可靠、效率高的特点。一个厂的多数磨机采用同步电动机，该厂的总降压变电所就不必装设改善功率因数用的静电电容器。运行实践表明:这种电容器容易产生渗油、鼓肚子、短路等故障，维护比较麻烦，而且寿命短(编者:干式电容器、静止式进相机的出现及液体变阻器技术的进步，使得“异步绕线电动机+就地补偿”和“绕线(鼠笼)电动机+液体变阻器”成为当今较常用的磨机传动方式)。 
　　

有的拖动方案是在电动机和负载之间加上电磁离合器，待电动机起动完成、牵入同步运行状态并且加上额定电压之后再用离合器把电动机同磨机连接起来；还有一种称为“超同步电动机”的具有特殊结构的同步电动机，它是一种定子可以旋转的电动机，起动时先使定子无拘束地反向旋转，进入同步运行后再通过制动机构把定子刹住，使带着磨机的转子起动。这2种拖动方式的缺点是用于控制起动的机、电系统比较复杂。长期的运行实践表明，系统中的离合器和减压起动控制设备的故障较多。 
　　

对于采用由高品质、大功率、高减速比减速器构成“中心传动”的磨机，除了用绕线型电动机拖动外，也有采用一种具有绕线型电动机的起动特性，又有同步电动机运行特性的“同步异步电动机”拖动的。它在失去直流励磁电源的情况下也能作为异步电动机继续运行，但因空气隙比异步电动机大，所以功率因数较低，导致带负载的能力下降。一般高转速异步电动机很容易因为轴承的磨损而产生定、转子互擦的故障。所以从主要运行于同步状态的角度看，定、转子之间的空隙大也是它的优点。这种电动机又名“感应同步电动机”，它的转子电压较高，超过了低压电器的耐压标准，还需配备非标准的低电压大电流励磁电源。所以给选配起动设备造成了极大的困难。为此，上海电机厂打破“电机厂不生产控制设备”的常规，开发了液体变阻器等配套设备，并使之系列化。 
　　

伴随磨机的大型化导致减速器制造上的困难以及成本的增加，在70年代初出现了干脆革除减速机构，把多极数的同步电动机套装在磨机筒体上，使磨机筒体成为电动机转子的组成部分的“直接传动”方式，别名“环形马达”或“无齿轮传动”。但其技术经济性不合理，而未得到推广。 

2.2.2　正确选择磨机电力拖动系统的关键是要确定电动机要具备多大的起动转矩才能保证球磨机顺利起动 
　　

在水泥工业，磨机被认为是重载起动的设备，必须采用既能降低起动电流，又能增大起动转矩的拖动方案。哈尔滨大电机研究所在设计系列化的“磨机专用同步电动机”之前，为搜集设计必需技术数据，曾经测量过各种冶金矿山磨机的起动转矩，其测量结果如表1。  

表1 冶金矿山磨机起动阻转矩数据表(哈尔滨大电机研究所提供) 
从电力拖动的角度看，“起动转矩”是指电动机转速等于零时的输出转矩，它只要大于表1中的“起始阻转矩”就应该能够顺利起动。但是，在磨机的起动加速过程中，须要克服2种阻转矩:其中之一是由于轴承与轴之间尚未形成油膜之前产生的起始阻转矩，表1的测量结果就是这种阻转矩。一旦开始转动，这种阻转矩就会因为润滑油膜的形成而迅速地大幅度下降。其二是由磨内物料和研磨体构成的偏心载荷被提升而产生的阻转矩，它随着磨机筒体旋转角度和转速的增加而增大。当旋转的筒体达到某个角度和速度之后又会因为部分研磨体和物料被抛落而有所下降。 

2.2.3　磨机起动过程阻转矩变化曲线的测量 
　　

笔者为了取得水泥工业常用球磨机起动加速过程中阻转矩变化实际情况的第一手资料，曾经研制成一套机电式随动系统，它可以在不影响磨机正常生产的条件下在现场直接测量磨机电动机的输出转矩和加速度，并能经过简单运算，直接画出磨机静阻转矩曲线。用它测量哈尔滨水泥厂和大同水泥厂的多台磨机，结果近似(见图3)。 
　　 




　　图3　球磨机起动过程阻转矩变化曲线 

　　从图3可知，球磨机起动过程中产生的最大静阻转矩尖峰接近，但未超过这台电动机的额定转矩。负载率较低的磨机当然会增大转矩的裕度。 

2.2.4　球磨机电力拖动的最佳方案 
　　

如前所述，同步电动机有很多优点，但是，因为它既要降压起动，又要配备直流励磁电源，还要外加电磁离合器等辅助环节以及这些环节的控制设备。所以许多人认为在磨机趋于大型化和采用中心传动的情况下，同步电动机的起动电流大、起动转矩小、控制系统复杂、投资高，一般不宜采用。 
　　

为了明确同步电动机的价格是否比同功率、同转速的异步电动机高，笔者曾走访过各大型电机生产厂和当时的有关部门。电机设计人员比较一致的看法是:“同步电动机的定子结构基本与异步电动机相似，转子的加工工艺比绕线型异步电动机简单。所以，同步电动机的成本不应该高于异步电动机。”根据绕线型电动机需要配置起动变阻器以及进相机的实际情况，其投资应不会低于附带励磁装置的同步电动机；同步电动机的励磁系统都具备“强励”功能，即当电源电压短时低于额定电压的85%时，可以使励磁电流增加到额定值的1.2～1.8倍(根据订货要求)。这项功能一方面是为了防止运行中的同步电动机在电源电压短时下降超过15%时失步，另一方面输出相对超前的无功功率，制止电压的下降。也就是说，运行中的同步电动机可以为起动中的同步电动机提供无功电流，从而减小另一台电动机起动造成的电压降。 
　　

图4是5000kW高速同步电动机起动过程中的转矩及电流特性。 
　　 




　　图4　同步电动机起动过程的转矩、电流特性 

　　

图中的虚线表示因为起动电流较大导致电源电压下降到标准值的85%时的数值。由此可知，虽然起动电压降使电动机的起动转矩从1.14降低到0.82，但是仍有足够的剩余转矩使磨机迅速加速。因此，只要供电系统容许，在边缘传动系统中采用低速同步电动机，在中心传动系统中，采用高速同步电动机代替惯用的绕线型异步电动机和同步异步电动机，具有简单、可靠、效率和功率因数高、投资少等优点。然而，高达额定电流6倍以上的起动电流导致供电网络电压的下降，在磨机功率不断增大的趋势下，毕竟是令人担心的问题。但是，配合改进辅助传动装置，充分利用球磨机的特点，就可以显著降低其起动电流，改善其起动特性。 

2.2.5　辅助传动的用途和改进 
　　

在向磨筒体内装载研磨体和更换衬板、维修隔仓板时，要求把筒体上人孔调节到指定的位置。熟练的操作人员可以根据经验找到停机的提前量，根据此提前量及时切断电动机的电源，就能使磨机筒体在往复摆动之后，其人孔恰好停留在指定的位置。丹麦史密斯公司在20世纪40年代初供应的磨机就曾根据这种经验在中心传动减速器低速轴上预装一个角度可调的凸轮，用这个凸轮拨动限位开关遥控高压断路器使电动机断电，就能达到定位停车的目的。在20世纪50年代以后进口的磨机传动系统中，都带有可以使磨机缓慢转动的“辅助传动”装置。它由1台小型电动机和减速器组成，当需要使磨机慢转时，可以搬动杠杆使辅助传动装置减速器的低速输出轴通过斜齿形离合器连接到主减速器的输入轴或主电动机轴上，然后开动辅助传动的电动机就能使磨机缓慢转动。如果在辅助传动装置开动的状态下起动主电动机，则因主电动机的转速远高于辅助传动出轴的转速，从而通过离合器斜齿的斜面作用将吻合在一起的两片离合器推离。因为这种离合器可以把转动力从甲轴传到乙轴，当外力使乙轴同方向转动的速度高于甲轴时，离合器就会自动使甲乙两轴脱离，所以也叫做“超越离合器”。 
　　

由于这种离合器的功能特点，大多数水泥厂都在起动磨机之前都先开动辅助传动装置，待磨机缓慢转动之后再起动主电动机，认为这样可以帮助磨机起动。球磨机横剖面示意如图5。图5A是停车后处于偏心状态的研磨体和物料使磨筒体往复摆动几次静止后的状态。图5B是刚开始起动或用辅助传动使筒体慢速转动时的状态。图5C是筒体加速并转动60°以上后，部分研磨体开始抛落的状态。从图5可知，当磨机中的研磨体和物料处于图5A状态时比较容易起动，因为这相当于汽车从坡底开始爬坡；处在图5B状态的磨机最难起动，因为这相当于把汽车推到坡上以后再让它起动；还有一种看法认为:“先起动辅助传动可以使磨机轴承建立起润滑油膜，减小起动时的摩擦阻力。”从表1和图3可知，磨机起动时的轴承摩擦阻力对起动的影响较小。而且辅助传动运行时的磨机转速只相当于正常运行转速的1%左右，转速在0.2r/min左右，根本起不到建立润滑油膜的作用。仔细观察用辅助传动运行时的磨机，就能发现磨机筒体是在抖动着旋转，可见润滑状态不佳。 
　　 


　　如果因势利导，把斜齿离合器改为小型电磁离合器。起动之前先合上电磁离合器，用辅助传动使磨机筒体向与主传动相反的方向转动，待筒体内偏心载荷达到休止角之后(辅助传动电动机的输入电流会伴随磨机筒体旋转角度的增大而增加，当筒体内的研磨体和物料达到休止角之后，电流就不再增加。所以，可以根据电流变化判断是否已经到达休止点。)再断开电磁离合器，使磨机靠偏心载荷向正常方向转动并在转动到转速最高状态时及时合闸起动主电动机。因为定子电流是转速的函数，所以，这种起动方法可以明显降低电动机的“起动电流”(严格地讲，应是“初始电流”)和大电流的持续时间。 
　　

有人担心采用这种起动方法会损坏减速器。其实，每次停磨时磨机筒体都会反复摆动几次才能停稳。具有偏心载荷的磨机筒体相当于物理学中的“复摆”，它摆动幅度的大小不影响摆动周期。当以正常转速旋转的磨机停车时，磨筒体中偏心载荷被提升的高度高于用辅助传动所能达到的高度。因为它的摆动周期不变，较大幅度摆动时的加速度较大，所以，减速器齿轮因此而产生的正反向冲击远大于用上述方法起动时产生的冲击。可以说，减速器对这种冲击是久经考验的。有的水泥厂因故被迫长时间停磨时，为了避免热态的筒体弧垂变形和冷却时轴向收缩擦伤轴瓦，在停磨初期都用辅助传动使筒体转动一些时间。但是，每次转完切断电源之后都会因为斜齿形离合器在这种情况下无法脱开，以致摆动的磨机带动已经断电的辅助传动电动机严重超速旋转，发出类似防空汽笛般的强大叫声，使人担心辅助传动设备受损，但是工厂的操作人员却已习以为常。可见，用辅助传动可通过偏心载荷积蓄相当大的能量。改用电磁离合器也可避免产生这种超速现象。但是要有可靠的联锁机构，保证只有在电磁离合器脱开的条件下才能起动主电动机。 
　　

磨机采用简单、可靠、高效的同步电动机替换绕线型电动机，采用用辅助传动装置反向转动筒体积蓄位能的方法帮助起动，将会构成性能价格比最高的拖动方案。而且从开动辅助传动到同步电动机牵入同步运行的过程可以通过简单的程控装置使之自动化，从而简化操作，为生产设备的集中控制创造有利条件。 

2.2.6　双传动的球磨机同样可以采用同步电动机拖动 
　　

用于球磨机的大功率减速器为了降低齿轮啮合的单位面积压力，多采用双路传动方式:由高速输入轴的小齿轮带动左右两侧的大齿轮，再通过分别与大齿轮同轴的小齿轮从两侧带动输出轴的大齿轮。为了消除左右两路传动之间的偏差，输出轴大齿轮轴的轴承支撑在能够恰好平衡大齿轮重量的弹簧上并根据两侧小齿轮偏差的大小和方向上下微动。为了适应微动的需要，固定在减速器输出长轴上的大齿轮采用多层薄钢板构成的柔性轮毂，长轴的另一端通过弹性联轴节联接磨机的中空轴。 
　　

如果把这种减速器的输入轴以及小齿轮从1组改为左右2组，用2台电动机拖动，构成双传动输入，那么因为电动机的转速会伴随负载的轻重变化，所以能够起到平衡作用。减速器就不必设置平衡机构，输出不必采用长轴联接磨机。 
　　

当由负载产生的静阻转矩增大时，则同步电动机定、转子之间的磁力线就会被拉长，使转子相对于定子落后一定角度。落后角度的大小取决于静阻转矩增大的程度。这种情况好比是定子通过均匀分布在定子和转子之间的多数弹簧拉动着转子旋转，二者的转速是相同的，否则弹簧就会被拉断。但是二者之间的联接是弹性的。这就说明同步电动机同样可以起到平衡两路传动力的作用。 

3　辅助设备和输送设备电动机选型的合理化 

　　水泥厂的大多数中小型电动机都是用于拖动输送颗粒状和粉状物料设备的。它们需要在车间控制室或中央控制室集中控制，严格按照物料运动的相反方向逐次起动。除了极特殊的设备以外，应该尽可能地采用具有封闭外壳的鼠笼型电动机并避免采用降压起动、降压运行(为了提高轻载电动机的功率因数)等附加设备。维持生产系统的长期稳定运行是电动机选型的重点，因此要求系统简单、可靠。 
　　

一般地说，异步电动机的效率和功率因数在负载率为75%左右时最高，低于50%时则急剧下降。因此，应该尽量避免大马拉小车的现象。合理选择配套电动机的容量不仅能够降低设备的成本和基建投资，而且由于效率和功率因数的提高会明显降低包括输配电系统在内的能量损耗，从而降低单位产品电耗。所以，恰当的选定电动机容量既是设计部门提高设计水平的必由之路，也是水泥生产部门降低电耗的措施之一。然而，这也是一个老大难问题。因为: 
　　

1)1台设备停转就会导致整条生产线停工，所以从保证生产运行的角度出发，选配电动机容量就必然趋向于宁大勿小，而且层层增加保险系数。 
　　

2)斗式提升机和螺旋输送机是使用数量最多的输送设备，但是却普遍存在着加工质量差的问题，运行时消耗在克服摩擦的功率和用于提升物料的功率相差无几的提升机在我国司空见惯。经常看到有些螺旋输送机的中心轴弯曲，导致螺旋叶片刮壳，悬臂的轴承伴随弯轴晃动的现象，这些额外的功率消耗都是无法预测和计算的，只能靠加大保险系数解决。 
　　

3)我国幅员辽阔，南北气候温差很大。北方冬季时，设备轴承和减速器内的润滑油在停车后很快就凝结或粘稠化，电动机的容量裕度不够就无法起动。南方夏季气温有时可能超过40℃，如果电动机的容量裕度不够，温升就可能超过容许值。但是，定型生产的设备不宜随使用地区不同而任意改变配套电动机的功率。 
　　

4)有些辅助设备的负载会随着使用条件的不同而产生很大差别，选用设备时很难事先估计到。例如，两个湿法厂相同的掏泥机都配套110kW电动机，一个厂用自卸卡车卸料，池底布满碎石，平时负载在70%左右，投料瞬间高达120%以上；另一厂通过喂料机均匀投料，及时清理碎石，电动机的输入功率只有18kW。 
　　

5)因为除了配属主机和功率较大设备的电动机以外，一般都不配备电流表，导致有关人员对数量较多的小功率电动机的负载情况心中无数；还因为电动机输入电流的大小与负载轻重不是线性关系，在负载率低于50%时由于效率和功率因数下降的幅度增大，所以单纯靠测量输入电流难以准确判断负载的具体数值，只能作为参考数据。 
　　

从上述情况可知，合理选择电动机需要从事电力拖动、水泥设备、水泥工艺的设计、制造、使用、维修人员的共同协作和努力。 

4　物料输送系统机电设备的过载和故障保护 

　　因为物料输送系统中任何一个环节发生故障都会导致整个输送系统被迫停顿，处理不及时就会导致故障扩大或产生严重的物料堆积、堵塞，所以必须“联锁”。但是，如何正确及时地检测出故障点却是一个值得研究的课题。 
　　

对于中小型电动机，一般都采用带热继电器(现在已由电子式过电流继电器取代)的交流接触器作为控制兼过电流保护设备。所以，联锁功能就是靠电动机的过电流保护装置动作或维护人员按下安装在相关设备附近的“原地停车按钮”切断相关电动机电源而检测故障点的。但是，现代化水泥厂中的维护人员很少，不可能及时发现设备故障；因为电动机的容量裕度都比较大，所以，待到电动机因过载而停车，则机械故障或物料堵塞往往已经发展到了相当严重的程度。何况当出现提升机断链条、螺旋输送机断轴、传动皮带打滑或断裂等性质的故障时，只能使电动机的负载减轻。此外，也有不少电动机被烧毁的原因是保护装置失灵或整定不当。 
　　

如果在输送设备的终端轴上，例如，带式输送机的尾轮、提升机的下部张紧轮、螺旋输送机轴的尾部等最能反映设备故障的处所装上一个能够根据设定的转速值而通断的开关装置作为联锁系统的反馈单元，就能明显提高对输送系统的保护作用。 

5　水泥厂从石灰石矿山到厂区运输系统的特点是重物下放 

　　水泥厂采用架空索道或长距离带式运输机运送矿石时，由于运输系统的装料端高于卸料端，是重物下放，系统运行于负力状态。由图2a可知，电动机处于发电机运行状态时，电动机起着制动作用，加大转子电阻会使被制动的设备转速增加。忽视这个特点就会犯错误。利用好这个特点就能节电。 
　　

为了说明这个问题，就先从某水泥厂架空索道的事故教训谈起。该厂的架空索道用于把经过破碎后的石灰石运输到厂内的原料库。由于设计单位主观地套用仅适用于重物提升的设计方案，使设计存在着几项原则性错误: 
　　

1)拖动电动机为绕线型电动机，采用逐级短接转子电阻的方式起动。因为电动机运行于异步发电机状态，转子接入电阻会降低它的制动转矩(参见图2)，所以，起动后运行转速会很快超过它的同步转速。如果不能及时将转子短接，则会继续加速，危及整个索道系统的运行安全。 
　　

2)索道的传动系统中有2个制动装置:一个是装在电动机与减速器输入轴之间联轴节上的电磁制动器。另一个是装在卷筒附近，直径较大，带木质制动靴的机械制动器。电磁制动器用以保证在切断电动机电源时立即刹车，并防止索道反转。机械制动器是保险闸，是防止失控的最后一道防线。但实践证明，这些按重物提升设计的制动系统在重物下放的条件下如果突然停电导致电动机失去制动作用时，2个制动器都起不了防止系统不断加速的制动作用。 
　　

3)检修线路时要求索道系统能够低速运行。原设计采用加大绕线型电动机转子电阻的方法降低运行速度，但是在重物下放的条件下这种控制方法反而会使运行速度不断增加。 
　　

工厂建成后投产不久，架空索道便发生了1次重大事故:停电使系统不断地加速，导致料斗堆积挤压产生强大的拉力，拉倒了薄弱环节的支持物。位于高端支持导向轮的、边长近2m的钢筋混凝土方柱也被拉断，可见拉力之强大。 
　　

从该厂架空索道事故的教训可知，事故的原因源于设计错误。所以在设计从矿山到厂区的架空索道、长距离皮带运输机等输送系统时，必须注意到大多数矿山比厂区高，运输系统处于重物下放的状态，因此必须保证在断电的状态下使系统具备均匀减速和停止运行的制动能力；有效利用物料的位能，能够使输送系统起到重力发电站的作用。 

6　结束语 

　　水泥厂电力拖动涉及的范围很宽，限于篇幅，本文仅着重介绍了一些基本概念和回转窑、球磨机等主要水泥设备特有的电力拖动特性；限于笔者的水平，有待修正和补充的内容必然很多。例如，想要证实利用积蓄的位能，使磨机在达到一定转速的条件下合闸通电，从而降低起动电流(严格地讲，应是“合闸电流”)的起动方法是否可行，只需测量出磨机停车时的摆动周期、幅度，计算或测量出靠摆动可能达到的最高转速，就能明确此方案的可行性。