空壓機的運行原理與分析  

空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量的負載，其結(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)螺桿空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。而主要驅(qū)動空壓機陰、陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的機型有兩種：一是來自于柴油機通過聯(lián)軸器經(jīng)齒輪偶合驅(qū)動，二是電動機直接通過齒輪偶合驅(qū)動。由于柴油機的工作狀態(tài)是受柴油機的轉(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進行分析，柴動機的節(jié)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(zhuǎn)動原理了解電動機與電能的關(guān)系，其轉(zhuǎn)速公式為: n= 60f (1-s)/p  其中： n為電機轉(zhuǎn)速；  f為供電頻率；  P為電機極對數(shù)；  s為轉(zhuǎn)差率。  

在工頻條件下，電動機一般是經(jīng)星——三角啟動開關(guān)從靜態(tài)啟動，十幾秒后才能達到額定轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)。在這的啟動過程中，電機和啟動開關(guān)及導(dǎo)線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(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 （即進氣閥關(guān)閉狀態(tài)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(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，考慮到空壓機時常在滿負荷的狀態(tài)下長時間的運行，因此，在設(shè)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(guān)控制方式，即達到壓力上限時關(guān)閉進氣閥，壓縮機進入輕載，當(dāng)壓力抵達下限時進氣閥打開，壓縮機進入滿載運行。由此看來，空壓機在正常的工作狀態(tài)下，電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的狀態(tài)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(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，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(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，空壓機通過降壓來卸載:關(guān)閉進氣閥使電機處于輕載狀態(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(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不到生產(chǎn)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(shè)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(fā)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(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)濟損失；  

2、  感性負載所產(chǎn)生的無功損耗使電機溫升加劇，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、  在強大的電流作用下，電機所產(chǎn)生的沖擊力對軸承造成加重磨損，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(tǒng)節(jié)能分析  

前面提到空壓機在系統(tǒng)供氣中，最基本的條件是氣體的流量和壓力，傳統(tǒng)工藝的空壓機在工作中為了滿足用戶的供氣要求，時常要調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速中運行，在無法調(diào)節(jié)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(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)空壓機的工作原理，它采用的是：以軟啟動、消除諧波干擾、無功補償?shù)裙δ芗捌交冾l調(diào)速的特點對流量壓力進行平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，用改變電動機的轉(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(jié)能越明顯。  

四、空壓機系統(tǒng)節(jié)能的工作原理  

采用變頻器控制空壓機的轉(zhuǎn)速從而達到節(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為空壓機供氣流量；H為管網(wǎng)壓力；P為電機消耗功率；n為空壓機轉(zhuǎn)速。  

由上式可知，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的80%時，則空壓機供給管網(wǎng)流量降為80%，管網(wǎng)壓力降為（80%）平方，電機消耗功率則降為80%的立方，即節(jié)能為51.2%，扣除電機機械損耗和電機銅損、鐵損等，其節(jié)能效率在40%左右。因此，調(diào)速是節(jié)能的所在http://www.bjwnxs.com。  

五、空壓機變頻改造及應(yīng)用、選型方案  

1、  由于空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量負載，啟動時，很容易引起變頻器出現(xiàn)過流保護動作，因此，應(yīng)選用無速度傳感器矢量變頻器，他能保證機組工作的連續(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(yīng)選用帶交流電抗器輸出的變頻器，以減少高次諧波引進的電磁干擾；

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