電抗器在空壓機(jī)節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用

      摘　要：本文主要講敘了空壓機(jī)的運行原理、空壓機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能分析和節(jié)能工作原理，并利用帶進(jìn)線電抗器的變頻技術(shù)對空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以達(dá)到設(shè)備的自動運行、節(jié)約了大量電能的目的，加裝電抗器還能減少高次諧波引進(jìn)的電磁干擾。

       關(guān)鍵詞：橡膠硫化，變頻器，同步傳動，電抗器

      一、空壓機(jī)的運行原理與分析
　　空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動慣量的負(fù)載，其電抗器結(jié)構(gòu)是由一對平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒與槽之間的空間不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實現(xiàn)螺桿空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程。而主要驅(qū)動空壓機(jī)陰、陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的機(jī)型有兩種：一是來自于柴油機(jī)通過聯(lián)軸器經(jīng)齒輪偶合驅(qū)動，二是電動機(jī)直接通過齒輪偶合驅(qū)動。由于柴油機(jī)的工作狀態(tài)是受柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出功率曲線的影響而較難實現(xiàn)節(jié)能的主要原因。這里著重對電動式空壓機(jī)進(jìn)行分析，柴動機(jī)的節(jié)能暫放后敘。

       二、一般電動式空壓機(jī)的運行分析
      1、空壓機(jī)的動力　　  　　
      空壓機(jī)動力來自交流異步電動機(jī)，電動機(jī)的能量來自電能，那就要從轉(zhuǎn)動原理了解電動機(jī)與電能的關(guān)系，其轉(zhuǎn)速公式為: n=　60f　(1-s)/p　　其中： n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；　　f為供電頻率；　　P為電機(jī)極對數(shù)；　　s為轉(zhuǎn)差率�！　�  　　
   
       在工頻條件下，電動機(jī)一般是經(jīng)星——三角啟動開關(guān)從靜態(tài)啟動，十幾秒后才能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)。在這的啟動過程中，電機(jī)和啟動開關(guān)及電抗器要承受于電動機(jī)近七倍的額定電流。以P100的空壓機(jī)為例：其電機(jī)功率為75KW，三相380V，額定電流約為　150A　，四極（極對數(shù)為2），轉(zhuǎn)差率約2%，根據(jù)以上公式：異步轉(zhuǎn)速＝60×50Hz（1－2%）/ 2＝1470r/min從轉(zhuǎn)速0r/min至額定轉(zhuǎn)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(jìn)氣閥關(guān)閉狀態(tài)時，負(fù)載率約為55%），此時，表面上看電流是減小了，這時存在一種現(xiàn)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(jié)電。另一方面，考慮到空壓機(jī)時常在滿負(fù)荷的狀態(tài)下長時間的運行，因此，在設(shè)計電動機(jī)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(jī)加、卸載方式存在的問題：　　  　　
      加載、卸載控制方式即為進(jìn)氣開關(guān)控制方式，即達(dá)到壓力上限時關(guān)閉進(jìn)氣閥，壓縮機(jī)進(jìn)入輕載，當(dāng)壓力抵達(dá)下限時進(jìn)氣閥打開，電抗器與壓縮機(jī)進(jìn)入滿載運行。由此看來，空壓機(jī)在正常的工作狀態(tài)下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不會隨著壓力的變化而變化，也就是說，電機(jī)是在額定的最高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運行，其負(fù)載的輕重取決于進(jìn)氣閥的開閉。

      （1）電動機(jī)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(tài)的最低壓力。一般情況下，Pmax與Pmin之間關(guān)系可以用下式來表示:　 Pmax＝(1＋δ)Pmin  δ是一個百分?jǐn)?shù)，其數(shù)值大致在15%～30%之間。 在加、卸載供氣控制方式下的空壓機(jī)，所浪費的能量主要在2個部分：　　
  
      a、加載時的電能消耗　當(dāng)壓力降至最小值后，由于控制方式的決定，其壓力會繼續(xù)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(dǎo)致電抗器電能損失。另一方面，在壓力上限時的氣體在進(jìn)入（用戶）氣動元件前，其壓力需要經(jīng)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(dāng)壓力升到最大值時，空壓機(jī)通過降壓來卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于輕載狀態(tài)，同時將分離桶中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費。經(jīng)估算，在卸載時間所占比例不大的工況下，空壓機(jī)卸載時的能耗約占空壓機(jī)滿載運行時的10%～25%。換言之，空壓機(jī)20%的時間處于空載狀態(tài)，是在作無用功。以此工作原理，不難看出節(jié)能的空間較大。

      （2）設(shè)備的損耗　　  　　
      靠氣缸控制蝶閥來調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使供氣壓力無法平穩(wěn)。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(dá)不到電抗器生產(chǎn)工藝要求。還會加速氣缸、進(jìn)氣閥和放氣閥的磨損，增加維修量和維修成本，設(shè)備的安全性就得不到保障。

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

      1、由于啟動電動機(jī)所需大量的電能，此時，對供電條件要求偏高，當(dāng)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)或不足時，其啟動電流會劇增，導(dǎo)致機(jī)組無法正常啟動或只能放棄工作，并造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失； 　　
      2、感性負(fù)載所產(chǎn)生的無功損耗使電機(jī)溫升加劇，諧波干擾對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行會產(chǎn)生不良的影響；　　  　　
      3、導(dǎo)線在強(qiáng)大的電流作用下，由于過電流會產(chǎn)生過熱，使其加速老化；　　  　　
 
      4、開關(guān)在強(qiáng)大的電流作用下，所產(chǎn)生的電弧高溫，對開關(guān)觸點有很強(qiáng)燒蝕作用，使其熔化失去開關(guān)的持續(xù)性能，嚴(yán)重則使開關(guān)粘結(jié)短路造成事故的發(fā)生；　　  　
  　  5、在強(qiáng)大的電流作用下，電機(jī)所產(chǎn)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(fā)熱，從而，降低了電機(jī)的功率和性能，嚴(yán)重則使其燒毀；　　  　　

      6、由于啟動的時產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力會加重空壓機(jī)偶合齒輪及其他的機(jī)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(jī)組的性能及縮短機(jī)組使用壽命。

      三、空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能分析
　　前面提到空壓機(jī)在系統(tǒng)供氣中，最基本的條件是氣體的流量和壓力，傳統(tǒng)工藝的空壓機(jī)在工作中為了滿足用戶的供氣要求，時常要調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥的開閉，來達(dá)到一定壓力的氣體流量，進(jìn)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(jī)始終在最高額定的異步轉(zhuǎn)速中運行，在無法調(diào)節(jié)電動機(jī)的輸出功率的同時，電動機(jī)不會隨著負(fù)載變小而減少相應(yīng)的能耗，其能耗變化不明顯，因此，基本沒有節(jié)能效果。
　　
      而變頻器則是改變了傳統(tǒng)空壓機(jī)的工作原理，它采用的是：以軟啟動、消除諧波干擾、無功補(bǔ)償?shù)裙δ芗捌交�變頻調(diào)速的特點對流量壓力進(jìn)行平穩(wěn)的電抗器調(diào)節(jié)，用改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來取代閥門調(diào)節(jié)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(shè)備的傷害。變頻器不但節(jié)能卓有成效，還克服了傳統(tǒng)空壓機(jī)所產(chǎn)生的以上六大問題。當(dāng)然，變頻器節(jié)能是有條件的，機(jī)組運行負(fù)載率須在額定的氣體流量以下，而且用氣量變化越大節(jié)能越明顯。

      四、空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的工作原理
      采用變頻器控制空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速從而達(dá)到節(jié)能是一種較為科學(xué)的節(jié)能控制方式，根據(jù)空壓機(jī)變頻運行特性，經(jīng)過科學(xué)論證，現(xiàn)已知：　　Q1/Q2=n1/n2　　H1/H2=(n1/n2)2　　P1/P2=(n1/n2) 3　　式中：Q為空壓機(jī)供氣流量；H為管網(wǎng)壓力；P為電機(jī)消耗功率；n為空壓機(jī)轉(zhuǎn)速�！　�  　　
 
      由上式可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的80%時，則空壓機(jī)供給管網(wǎng)流量降為80%，管網(wǎng)壓力降為（80%）平方，電機(jī)消耗功率則降為80%的立方，即節(jié)能為51.2%，扣除電機(jī)機(jī)械損耗和電機(jī)銅損、鐵損等，其節(jié)能效率在40%左右。因此，電抗器調(diào)速是節(jié)能的所在。

      五、空壓機(jī)變頻改造及應(yīng)用、選型方案
      1、由于空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載，啟動時，很容易引起變頻器出現(xiàn)過流保護(hù)動作，因此，應(yīng)選用無速度傳感器矢量變頻器，他能保證機(jī)組工作的連續(xù)性，又能保證設(shè)備穩(wěn)定可靠的運行；　　  　　
   
      2、空壓機(jī)不允許長時間在低頻下運行，由于轉(zhuǎn)速過低，其工作穩(wěn)定性差，壓縮機(jī)的缸體的潤滑變差，會加重機(jī)械磨損，一般情況下不低于20Hz為佳；　　  　　
 
      3、在固定機(jī)的廠礦應(yīng)選用帶進(jìn)線電抗器的變頻器，以減少高次諧波引進(jìn)的電磁干擾。