（中国铝业股份有限公司青海分公司 青海西宁 810108）
摘要：本文介绍了空压机作为铝电解生产中不可缺少的设备之一，它提供的风能由于没有很好的控制而造成浪费，从而导致了电能的巨大浪费。通过采用变频调速提高了能源的利用率，从而节约了电能，是一种广泛推荐的节能改造技术。
关键词：变频器；空压机；节能
一、概述
多功能天车是铝电解生产关键辅助设备，空压机作为多功能天车的一部分，是为天车进行出铝、阳极壳面边部加工和轨道清扫作业提供风源的设备。目前空压机主机都是以定速运转，通过改变空压机入口的蝶阀开度来调节风量，通过改变空压机出风口管路上的调节阀开度来调节给风量。空压机的最大特点是负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率与转速的立方成正比，因此如将电机的定速运转改为根据需要的流量来调节电机的转速就可节约大量的电能。
二、空压机工作原理
空压机主要由一对阴阳转子及壳体组成，属于容积式。如果把阴转子齿槽与壳体的构成的腔比做活塞式压缩机的气缸，那么阳转子的螺旋形齿在阴转子齿槽中的滑动就相当于活塞的往复运动。主机的工作过程分为三个阶段：吸气阶段、压缩阶段、排气阶段。当干净的空气在齿槽的啮合点进入吸气口，然后经过封闭腔随转子的连续转动向排气端移动，其容积不断缩小，因而气体受压缩。最后被压缩的油气混合物排到油气分离器中分离后给生产工艺提供风源。在生产过程中所需要的空压机是经常随工艺及操作的需要不同程度来调节的，传统的调节方案是通过放空阀来调节的，因为用来带动空压机的电动机本身转速是不可调节的，因此大量的风量通过放空阀放掉，间接造成电能的大量浪费。根据研究发现空压机技术参数与主轴输出转速有如下关系：
（1）空压机的风量和转速成正比关系
Q1/Q2=N1/N2
式中：Q1、Q2为转速快和慢的风量；
（2）空压机的风压和转速的平方成正比关系
P1/P2=（N1/N2）2
式中：P1、P2为转速快和慢的风压；
（3）空压机所需的功率与转速的立方成正比
W1/W2=（N1/N2）3
式中：W1、W2为转速快和慢所需功率KW。
从上述关系可知，如果我们使用改变转速来实现改变风量的方法，就不会造成大量风能的浪费，从而节约电能。
三、调速方案的选择
随着科学技术的进步，大功率的晶体管、电子技术的迅速的发展，大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，变频调速技术得到广泛的应用。目前改变空压机转速的方法是使用调速型液力耦合器和电动机变频调速器等，变频调速在变频范围、动态响应、工作效率、调整精度、功率因数、输出特性保护功能及可靠性方面，都达到了较为完美的程度。
变频调速的原理是根据异步电动机的转速：
N=60F（1-S）/P
式中F为电源频率，P为极对数，S为电机的转差率。
从上式可知改变供电频率，即可改变电机的转速。当转速稍降低时会获得很大的功率节省，改变电机运行频率与功率节省的关系见下表1：
表1 变频运行数据表
四、改造方案
从以上运行情况分析：要提高电动机的工作效率、节约电能，可在空压机电动机上装上调速装置。根据工作的情况调节调速器装置的速度可以满足工作状况的要求。另外，用变频器对空压机进行改造不必对原系统进行大改动。因此，变频器在空压机改造方面得到广泛的应用，在变频改造的过程中，当我们需要时，让电动机高速运行以达到我们的要求。当不在工作时，使电动机低速运转节约电能。同时，可根据我们的需要来调节变频器，以满足我们的工作要求。控制系统总体构成如下图1所示：
图1 控制系统总体构成
其中，控制器的输出信号将控制相关的变频器输出频率，以达到稳定工况及提高风压利用效率和节能之目的。对于给空压机变频器加减速时间的设定，应在保证正常供风的前提下，尽量设定时间长一点，这样对工艺管道有利。
五、改造效果
1、变频器在多功能天车空压机的改造应用中，具有以下优点：
（1）节电降耗效果显著，操作简便，调节平衡，尤其与微机控制相联更体现了优越性；
（2）平滑启动及电机转速下降，机械磨损减小，故障率降低，减少了停机、停风对生产的影响；
（3）档板和调节阀的机械磨损、卡死等故障不复存在了。
2、改造前与改造后的比较情况
以英格索兰XF-100型空压机为例
（1） 改造前电机铭牌上的数据
额定功率P=75 KW ；
额定转速n＝1480r/min；
额定电压U=380 V；
频率＝50Hz ；
改造前每年耗电量（全年运行330天计）
75KW×330×15（每天实际工作时间）=371250度
（2）改造后数据
改造后通过排气口压力传感器对变频实现闭环控制，根据实际生产中需要的风量进行供风。根据实际统计得出空压机在频率为40HZ的条件下运行，就能满足工况的部分需求。通过以下计算可知：
N0=60f/p=60×50/2=1500r/min;
S＝（N0- N1）/ N0＝（1500-1480）/1500＝0.013；
N2＝60f2（1-S）/2＝60×40（1-S）/2＝1184.4r/min；
再由公式：W1/W2=（N1/N2）3可得
W2=W1/（N1/N2）3 =75 KW/(1480/1184.4) 3 =38.5 KW
功率W2＝38.5 KW；
式中：N0为电动机同步转速；S为转差率；N1为电动机额定转速，N2为频率为40Hz时的转速，而在铝电解生产中，空压机只有在阳极壳面边部加工时需要全速运转，在添加阳极覆盖料，交换阳极等工作时只需40HZ频率下运转即可满足工况需求。据统计这种工作时间是每天实际工作时间的1/3，从而可得出：改造后每年耗电量（全年运行330天计，每天实际工作时间为15小时，那么频率在40HZ时的运转方式为实际工作时间的2/3，全速运转占实际工作时间的1/3）
38.5KW×10×330=127050度
75KW×5×330＝123750度
总耗电量为123750+127050＝250800度
（3）改造前与改造后相比较每年节省的电量为：
371250－250800=120450度
节电率：120450÷371250=32.4%
每年节约电费（按0.5元/度计）：
120450×0.5=60225元
变频调速技术先进、成熟，采用变频器对空压机进行节能改造，具有结构简单、改造方便、节能效果明显、投资回收期短的特点。同时，使用变频器后，空压机可软起软停、减少设备机械冲击、延长设备使用寿命、降低设备的维修费用。
参考文献：
[1]吴忠智 吴加林 变频器应用手册.机械工业出版社
[2]满永奎 通用变频器及其应用.机械工业出版社
[3]李发海 王岩 电机与拖动基础.清华大学出版社
[4]苏春模 罗茨鼓风机及其应用.中南工业大学出版社
论文作者:徐尚锴
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/2/25
标签：转速论文; 空压机论文; 变频器论文; 风量论文; 电能论文; 电动机论文; 频率论文; 《电力设备》2018年第25期论文;