電抗器在空壓機節能系統中的應用

      摘　要：本文主要講敘了空壓機的運行原理、空壓機系統的節能分析和節能工作原理，并利用帶進線電抗器的變頻技術對空壓機系統進行改造，可以達到設備的自動運行、節約了大量電能的目的，加裝電抗器還能減少高次諧波引進的電磁干擾。

       關鍵詞：橡膠硫化，變頻器，同步傳動，電抗器

      一、空壓機的運行原理與分析
　　空壓機是大轉動慣量的負載，其電抗器結構是由一對平行嚙合的陰陽轉子在氣缸內轉動，使轉子齒與槽之間的空間不斷地產生周期性的容積變化，空氣則沿著轉子軸線由吸入側輸送至輸出側，實現螺桿空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。而主要驅動空壓機陰、陽轉子轉動的機型有兩種：一是來自于柴油機通過聯軸器經齒輪偶合驅動，二是電動機直接通過齒輪偶合驅動。由于柴油機的工作狀態是受柴油機的轉速與輸出功率曲線的影響而較難實現節能的主要原因。這里著重對電動式空壓機進行分析，柴動機的節能暫放后敘。

       二、一般電動式空壓機的運行分析
      1、空壓機的動力　　  　　
      空壓機動力來自交流異步電動機，電動機的能量來自電能，那就要從轉動原理了解電動機與電能的關系，其轉速公式為: n=　60f　(1-s)/p　　其中： n為電機轉速；　　f為供電頻率；　　P為電機極對數；　　s為轉差率。　　  　　
   
       在工頻條件下，電動機一般是經星——三角啟動開關從靜態啟動，十幾秒后才能達到額定轉速的工作狀態。在這的啟動過程中，電機和啟動開關及電抗器要承受于電動機近七倍的額定電流。以P100的空壓機為例：其電機功率為75KW，三相380V，額定電流約為　150A　，四極（極對數為2），轉差率約2%，根據以上公式：異步轉速＝60×50Hz（1－2%）/ 2＝1470r/min從轉速0r/min至額定轉速1470r/min需時間約10秒,而啟動電流則是額定電流的七倍（即150×7＝　1050A　）逐漸降至　80A　（即進氣閥關閉狀態時，負載率約為55%），此時，表面上看電流是減小了，這時存在一種現象就是：大馬拉小車，即無功功率在增大，用電量＝有功＋無功，即沒有節電。另一方面，考慮到空壓機時常在滿負荷的狀態下長時間的運行，因此，在設計電動機拖動功率時余量一般要偏大，其能耗就更不容忽視了。　

      2、空壓機加、卸載方式存在的問題：　　  　　
      加載、卸載控制方式即為進氣開關控制方式，即達到壓力上限時關閉進氣閥，壓縮機進入輕載，當壓力抵達下限時進氣閥打開，電抗器與壓縮機進入滿載運行。由此看來，空壓機在正常的工作狀態下，電動機的轉速不會隨著壓力的變化而變化，也就是說，電機是在額定的最高轉速的狀態下運行，其負載的輕重取決于進氣閥的開閉。

      （1）電動機的能耗分析 　　  　　
      加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在上限～下限之間來回變化。下限是最低壓力值，它是保證用戶工作狀態的最低壓力。一般情況下，Pmax與Pmin之間關系可以用下式來表示:　 Pmax＝(1＋δ)Pmin  δ是一個百分數，其數值大致在15%～30%之間。 在加、卸載供氣控制方式下的空壓機，所浪費的能量主要在2個部分：　　
  
      a、加載時的電能消耗　當壓力降至最小值后，由于控制方式的決定，其壓力會繼續上升直到最大壓力值。在加壓過程中,一定要向外界釋放很多的熱量，從而導致電抗器電能損失。另一方面，在壓力上限時的氣體在進入（用戶）氣動元件前，其壓力需要經過減壓閥減壓,這一過程同樣是一個耗能過程。　　
 
      b、卸載時電能的消耗　當壓力升到最大值時，空壓機通過降壓來卸載:關閉進氣閥使電機處于輕載狀態，同時將分離桶中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。經估算，在卸載時間所占比例不大的工況下，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%～25%。換言之，空壓機20%的時間處于空載狀態，是在作無用功。以此工作原理，不難看出節能的空間較大。

      （2）設備的損耗　　  　　
      靠氣缸控制蝶閥來調節進氣量，使供氣壓力無法平穩。隨著用氣量不斷變化時，供氣壓力隨之波動。因此，用氣精度高的元件就達不到電抗器生產工藝要求。還會加速氣缸、進氣閥和放氣閥的磨損，增加維修量和維修成本，設備的安全性就得不到保障。

      綜上所述，空壓機在此工作過程中，除了耗能外，還會發生以下幾大問題：　　  　　 

      1、由于啟動電動機所需大量的電能，此時，對供電條件要求偏高，當電網電壓不穩或不足時，其啟動電流會劇增，導致機組無法正常啟動或只能放棄工作，并造成不應有的經濟損失； 　　
      2、感性負載所產生的無功損耗使電機溫升加劇，諧波干擾對電網的穩定運行會產生不良的影響；　　  　　
      3、導線在強大的電流作用下，由于過電流會產生過熱，使其加速老化；　　  　　
 
      4、開關在強大的電流作用下，所產生的電弧高溫，對開關觸點有很強燒蝕作用，使其熔化失去開關的持續性能，嚴重則使開關粘結短路造成事故的發生；　　  　
  　  5、在強大的電流作用下，電機所產生的沖擊力對電抗器軸承造成加重磨損，定子繞組瞬時的過電流而大  量發熱，從而，降低了電機的功率和性能，嚴重則使其燒毀；　　  　　

      6、由于啟動的時產生強大的沖擊力會加重空壓機偶合齒輪及其他的機械磨損，造成的損害是不容低估的。　　  　　
      綜上所述，以上六大問題都是直接影響機組的性能及縮短機組使用壽命。

      三、空壓機系統節能分析
　　前面提到空壓機在系統供氣中，最基本的條件是氣體的流量和壓力，傳統工藝的空壓機在工作中為了滿足用戶的供氣要求，時常要調節進氣閥的開閉，來達到一定壓力的氣體流量，進氣閥是受到壓差繼電器控制，而壓差繼電器是工作在氣體壓力的上限、下限之間，上限和下限之間有幾公斤壓力的差值。因此，壓力變化大而且頻繁。在壓力不斷變化的氣體流量供氣中，電動機始終在最高額定的異步轉速中運行，在無法調節電動機的輸出功率的同時，電動機不會隨著負載變小而減少相應的能耗，其能耗變化不明顯，因此，基本沒有節能效果。
　　
      而變頻器則是改變了傳統空壓機的工作原理，它采用的是：以軟啟動、消除諧波干擾、無功補償等功能及平滑變頻調速的特點對流量壓力進行平穩的電抗器調節，用改變電動機的轉速來取代閥門調節的供氣方式，使其與流量、壓力與其功率相匹配。同時，減少啟動時的磨損及沖擊對電抗器設備的傷害。變頻器不但節能卓有成效，還克服了傳統空壓機所產生的以上六大問題。當然，變頻器節能是有條件的，機組運行負載率須在額定的氣體流量以下，而且用氣量變化越大節能越明顯。

      四、空壓機系統節能的工作原理
      采用變頻器控制空壓機的轉速從而達到節能是一種較為科學的節能控制方式，根據空壓機變頻運行特性，經過科學論證，現已知：　　Q1/Q2=n1/n2　　H1/H2=(n1/n2)2　　P1/P2=(n1/n2) 3　　式中：Q為空壓機供氣流量；H為管網壓力；P為電機消耗功率；n為空壓機轉速。　　  　　
 
      由上式可知，當電機轉速降至額定轉速的80%時，則空壓機供給管網流量降為80%，管網壓力降為（80%）平方，電機消耗功率則降為80%的立方，即節能為51.2%，扣除電機機械損耗和電機銅損、鐵損等，其節能效率在40%左右。因此，電抗器調速是節能的所在。

      五、空壓機變頻改造及應用、選型方案
      1、由于空壓機是大轉動慣量負載，啟動時，很容易引起變頻器出現過流保護動作，因此，應選用無速度傳感器矢量變頻器，他能保證機組工作的連續性，又能保證設備穩定可靠的運行；　　  　　
   
      2、空壓機不允許長時間在低頻下運行，由于轉速過低，其工作穩定性差，壓縮機的缸體的潤滑變差，會加重機械磨損，一般情況下不低于20Hz為佳；　　  　　
 
      3、在固定機的廠礦應選用帶進線電抗器的變頻器，以減少高次諧波引進的電磁干擾。