变频技术在空压机系统应用中的浅析

一、     空压机的运行原理与分析
   我服务的一家企业是代理进口品牌空压机的专业企业，就当前主要设备而言，基本上都是传统的螺杆式空压机。空压机是大转动惯量的负载，其结构是由一对平行啮合的阴阳转子在气缸内转动，使转子齿与槽之间的空间不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆空压机的吸气、压缩和排气的全过程。而主要驱动空压机阴、阳转子转动的机型有两种：一是来自于柴油机通过联轴器经齿轮偶合驱动，二是电动机直接通过齿轮偶合驱动。由于柴油机的工作状态是受柴油机的转速与输出功率曲线的影响而较难实现节能的主要原因。这里着重对电动式空压机进行分析，柴动机的节能暂放后叙。
二、一般电动式空压机的运行分析
1、空压机的动力
   空压机动力来自交流异步电动机，电动机的能量来自电能，那就要从转动原理了解电动机与电能的关系，其转速公式为:
    n="60f"(1-s)/p
   其中： n为电机转速；
          f为供电频率；
          P为电机极对数；
          s为转差率。
    在工频条件下，电动机一般是经星——三角启动开关从静态启动，十几秒后才能达到额定转速的工作状态。在这的启动过程中，电机和启动开关及导线要承受于电动机近七倍的额定电流。以P100的空压机为例：其电机功率为75KW，三相380V，额定电流约为150A，四极（极对数为2），转差率约2%，根据以上公式：
    异步转速＝60×50Hz（1－2%）/ 2＝1470r/min
   从转速0r/min至额定转速1470r/min需时间约15秒,而启动电流则是额定电流的七
倍（即：150×7＝1050A）逐渐降至100A（即进气阀关闭状态时，负载率约为66%），此时，表面上看电流是减小了，这时存在一种现象就是：大马拉小车，即无功功率在增大，用电量＝有功＋无功。另一方面，考虑到空压机时常在满负荷的状态下长时间的运行，因此，在设计电动机拖动功率时余量一般要偏大，其能耗就更不容忽视了。
  2、空压机加、卸载方式存在的问题：
   加载、卸载控制方式即为进气开关控制方式，即达到压力上限时关闭进气阀，压缩机进入轻载，当压力抵达下限时进气阀打开，压缩机进入满载运行。由此看来，空压机在正常的工作状态下，电动机的转速不会随着压力的变化而变化，也就是说，电机是在额定的最高转速的状态下运行，其负载的轻重取决于进气阀的开闭。
 （1）电动机的能耗分析
  加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在上限～下限之间来回变化。下限是最低压力值，
它是保证用户工作状态下的最低压力。一般情况下，Pmax与Pmin之间关系可以用下式来表示:
   Pmax＝(1＋δ)Pmin 
   δ是一个百分数，其数值大致在15%～30%之间。   
   在加、卸载供气控制方式下的空压机，所浪费的能量主要在2个部分:
  a. 加载时的电能消耗
    当压力降至最小值后，由于控制方式的决定，其压力会继续上升直到最大压力值。在加压过程中,一定要向外界释放很多的热量，从而导致电能损失。另一方面，在压力上限时的气体在进入（用户）气动元件前，其压力需要经过减压阀减压,这一过程同样是一个耗能过程。
  b.  卸载时电能的消耗
    当压力升到最大值时，空压机通过降压来卸载:关闭进气阀使电机处于轻载状态，同时
将分离桶中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。经估
算，在卸载时间所占比例不大的工况下，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的
10%～25%。换言之，空压机20%的时间处于空载状态，是在作无用功。以此工作原理，不
难看出节能的空间较大。
 （2） 设备的损耗
靠气缸控制蝶阀来调节进气量，使供气压力无法平稳。随着用气量不断变化，供气压力随
之波动。因此，用气精度高的元件就达不到生产工艺要求。还会加速气缸、进气阀和放气阀的磨损，增加维修量和维修成本，设备的安全性就得不到保障。
   综上所述，空压机在此工作过程中，除了耗能外，还会发生以下几大问题：
1、由于启动电动机所需大量的电能，此时，对供电条件要求偏高，当电网电压不稳或不足 时，其启动电流会剧增，导致机组无法正常启动或只能放弃工作，并造成不应有的经济损失；
2、感性负载所产生的无功损耗使电机温升加剧，谐波干扰对电网的稳定运行会产生不良的影响；
3、导线在强大的电流作用下，由于过电流会产生过热，使其加速老化；
4、开关在强大的电流作用下，所产生的电弧高温，对开关触点有很强烧蚀作用，使其熔化失去开关的持续性能，严重则使开关粘结短路造成事故的发生；
5、在强大的启动电流作用下，电机所产生的冲击力对轴承造成加重磨损，定子绕组瞬时的过电流而大  量发热，从而，降低了电机的功率和性能，严重则使其烧毁；
6、由于启动的时产生强大的冲击力会加重空压机偶合齿轮及其他的机械磨损，造成的损害是不容低估的。
    综上所述，以上六大问题都会直接影响机组的性能及缩短机组使用寿命。
三、空压机系统节能分析
   前面提到空压机在系统供气中，最基本的条件是气体的流量和压力，传统工艺的空压机在工作中为了满足用户的供气要求，时常要调节进气阀的开闭，来达到一定压力的气体流量，进气阀是受到压差继电器控制，而压差继电器是工作在气体压力的上限、下限之间，上限和下限之间有几公斤压力的差值。因此，压力变化大而且频繁。在压力不断变化的气体流量供气中，电动机始终在最高额定的异步转速中运行，在无法调节电动机的输出功率的同时，电动机不会随着负载变小而减少相应的能耗，其能耗变化不明显，因此，基本没有节能效果。而变频器则是改变了传统空压机的工作原理，它采用的是：以软启动、消除谐波干扰、无功补偿等功能及平滑变频调速的特点对流量压力进行平稳的调节，用改变电动机的转速来取代阀门调节的供气方式，使其与流量、压力与其功率相匹配。同时，减少启动时的磨损及冲击对设备的伤害。变频器不但节能卓有成效，还克服了传统空压机所产生的以上六大问题。当然，变频器除了减小启动电流外，节能是有条件的，机组运行负载率须在额定的气体流量以下，而且用气量变化越大节能越明显。
四、空压机系统节能的工作原理
    采用变频器控制空压机的转速从而达到节能是一种较为科学的节能控制方式，根据空压机变频运行特性，经过科学论证，现已知：
    Q1/Q2=n1/n2
    H1/H2=(n1/n2)2
    P1/P2=(n1/n2) 3
   式中：Q为空压机供气流量；
        H为管网压力；
        P为电机消耗功率；
        n为空压机转速。
由上式可知，当电机转速降至额定转速的80%时，则空压机供给管网流量降为80%，管网压力降为（80%）平方，电机消耗功率则降为80%的立方，即节能为51.2%，扣除电机机械损耗和电机铜损、铁损等，其节能效率在40%左右。因此，调速是节能的所在。
五、空压机变频改造及应用、选型方案
1、由于空压机是大转动惯量负载，启动时，很容易引起变频器出现过流保护动作，因此，应选用无速度传感器矢量变频器，他能保证机组工作的连续性，又能保证设备稳定可靠的运行；
2、空压机不允许长时间在低频下运行，由于转速过低，其工作稳定性差，压缩机的缸体的润滑变差，会加重机械磨损，一般情况下不低于20Hz为佳；
3、在固定机的厂矿应选用带交流电抗器输出的变频器，以减少高次谐波所引起的干扰；
4、对一些用气要求高的客户采用恒压供气方式；
5、控制线不应超过30M为宜 。