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變頻就是改變供電頻率，從而調(diào)節(jié)負(fù)載，起到降低功耗，減小損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等作用。

變頻技術(shù)的核心是變頻器，通過(guò)對(duì)供電頻率的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，把50Hz的固定電網(wǎng)頻改為30—130 Hz的變化頻率。同時(shí)，還使電源電壓適應(yīng)范圍達(dá)到142—270V，解決了由于電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定而影響電器工作的難題。 通過(guò)改變交流電頻的方式實(shí)現(xiàn)交流電控制的技術(shù)就叫變頻技術(shù)。

要談變頻技術(shù)在空壓機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，那么我們就要首先得從空壓機(jī)說(shuō)起。

一、空壓機(jī)的運(yùn)行原理

就當(dāng)前主要設(shè)備而言，基本上都是傳統(tǒng)的螺桿式空壓機(jī)。空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的負(fù)載，其結(jié)構(gòu)是由一對(duì)平行嚙合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)螺桿空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過(guò)程。而主要驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)型有兩種：一是來(lái)自于柴油機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器經(jīng)齒輪偶合驅(qū)動(dòng);二是電動(dòng)機(jī)直接通過(guò)齒輪偶合驅(qū)動(dòng)。由于柴動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)受柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出功率曲線的影響而較難實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這里著重對(duì)電動(dòng)式空壓機(jī)進(jìn)行分析，柴動(dòng)機(jī)的節(jié)能暫放后敘。

二、一般電動(dòng)式空壓機(jī)的運(yùn)行分析

1、空壓機(jī)的動(dòng)力

空壓機(jī)動(dòng)力來(lái)自交流異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的能量來(lái)自電能，那就要從轉(zhuǎn)動(dòng)原理了解電動(dòng)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(duì)數(shù);

s為轉(zhuǎn)差率。

在工頻條件下，電動(dòng)機(jī)一般是經(jīng)星三角啟動(dòng)開關(guān)從靜態(tài)啟動(dòng)，十幾秒后才能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)。在這個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)和啟動(dòng)開關(guān)及導(dǎo)線要承受于電動(dòng)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(duì)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(shí)間約15秒,而啟動(dòng)電流則是額定電流的七倍(即：150×7=1050A)逐漸降至100A(即進(jìn)氣閥關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，負(fù)載率約為66%)。此時(shí)，表面上看電流是減小了，這時(shí)存在一種現(xiàn)象就是：大馬拉小車，即無(wú)功功率在增大，用電量=有功+無(wú)功。另一方面，考慮到空壓機(jī)時(shí)常在滿負(fù)荷的狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，因此，在設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)功率時(shí)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(wèn)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(shí)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(shí)進(jìn)氣閥打開，壓縮機(jī)進(jìn)入滿載運(yùn)行。由此看來(lái)，空壓機(jī)在正常的工作狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不會(huì)隨著壓力的變化而變化，也就是說(shuō)，電機(jī)是在額定的更高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行，其負(fù)載的輕重取決于進(jìn)氣閥的開閉。

(1)電動(dòng)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(lái)回變化。下限是更低壓力值，它是保證用戶工作狀態(tài)下的更低壓力。一般情況下，Pmax與Pmin之間關(guān)系可以用下式來(lái)表示：

Pmax=(1+δ)Pmin

δ是一個(gè)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(fèi)的能量主要在2個(gè)部分：

a.加載時(shí)的電能消耗

當(dāng)壓力降至更小值后，由于控制方式的決定，其壓力會(huì)繼續(xù)上升直到更大壓力值。在加壓過(guò)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(shí)的氣體在進(jìn)入(用戶)氣動(dòng)元件前，其壓力需要經(jīng)過(guò)減壓閥減壓，這一過(guò)程同樣是一個(gè)耗能過(guò)程。

b.卸載時(shí)電能的消耗

當(dāng)壓力升到更大值時(shí)，空壓機(jī)通過(guò)降壓來(lái)卸載：關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于輕載狀態(tài)，同時(shí)將分離桶中多余的壓縮空氣通過(guò)放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費(fèi)。經(jīng)估算，在卸載時(shí)間所占比例不大的工況下，空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的10%～25%。換言之，空壓機(jī)20%的時(shí)間處于空載狀態(tài)，是在作無(wú)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(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使供氣壓力無(wú)法平穩(wěn)。隨著用氣量不斷變化，供氣壓力隨之波動(dòng)。因此，用氣精度高的元件就達(dá)不到生產(chǎn)工藝要求。還會(huì)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(guò)程中，除了耗能外，還會(huì)發(fā)生以下幾大問(wèn)題：

1、由于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需大量的電能，此時(shí)，對(duì)供電條件要求偏高，當(dāng)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)或不足時(shí)，其啟動(dòng)電流會(huì)劇增，導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法正常啟動(dòng)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(wú)功損耗使電機(jī)溫升加劇，諧波干擾對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)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(guò)電流會(huì)產(chǎn)生過(guò)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(duì)開關(guān)觸點(diǎn)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)大的啟動(dòng)電流作用下，電機(jī)所產(chǎn)生的沖擊力對(duì)軸承造成加重磨損，定子繞組瞬時(shí)的過(guò)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力會(huì)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(wèn)題都會(huì)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，更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(shí)常要調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥的開閉，來(lái)達(dá)到一定壓力的氣體流量。進(jìn)氣閥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(dòng)機(jī)始終在更高額定的異步轉(zhuǎn)速中運(yùn)行，在無(wú)法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸出功率的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)不會(huì)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(méi)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(dòng)、消除諧波干擾、無(wú)功補(bǔ)償?shù)裙δ芗捌交冾l調(diào)速的特點(diǎn)對(duì)流量壓力進(jìn)行平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，用改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)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(shí)，減少啟動(dòng)時(shí)的磨損及沖擊對(duì)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(wèn)題。當(dāng)然，變頻器除了減小啟動(dòng)電流外，節(jié)能是有條件的，機(jī)組運(yùn)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?gòu)亩_(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(yùn)行特性，經(jīng)過(guò)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(shí)，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，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(dòng)慣量負(fù)載，啟動(dòng)時(shí)，很容易引起變頻器出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，因此，應(yīng)選用無(wú)速度傳感器矢量變頻器，它能保證機(jī)組工作的連續(xù)性，又能保證設(shè)備穩(wěn)定可靠的運(yùn)行;

2、空壓機(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間在低頻下運(yùn)行，由于轉(zhuǎn)速過(guò)低，其工作穩(wěn)定性差，壓縮機(jī)缸體的潤(rùn)滑變差，會(huì)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)選用帶交流電抗器輸出的變頻器，以減少高次諧波所引起的干擾;

4、對(duì)一些用氣要求高的客戶采用恒壓供氣方式;

5、控制線不應(yīng)超過(guò)30m為宜。

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