螺桿空壓機變頻節(jié)能改造原理與應用對空壓機進行變頻改造具有改善電機的啟動和運行方式、減少設備的機械磨損、在一定范圍內節(jié)約電能等效果。 螺桿式空壓機廣泛地用于工業(yè)生產中，在其控制中采用加載-卸載閥來控......
對空壓機進行變頻改造具有改善電機的啟動和運行方式、減少設備的機械磨損、在一定范圍內節(jié)約電能等效果。
螺桿式空壓機廣泛地用于工業(yè)生產中，在其控制中采用加載-卸載閥來控制空壓機的供氣。由于用氣設備的工作周期或是生產工藝的差別，使得用氣量發(fā)生波動，有時會造成空壓機頻繁加載、卸載?？諌簷C卸載后電機仍然工頻運轉，不僅浪費電能而且增加設備的機械磨損；空壓機加載過程是突然加載，也會對設備和電網(wǎng)造成較大的沖擊。因此對空壓機進行變頻改造具有改善電機的啟動和運行方式、減少設備的機械磨損、在一定范圍內節(jié)約電能等效果。
以單螺桿空壓機為例說明空氣壓縮機工作原理，如圖1所示為單螺桿空氣壓縮機的結構原理圖。螺桿式空氣壓縮機的工作過程分為吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個過程。當螺桿在殼體內轉動時，螺桿與殼體的齒溝相互嚙合，空氣由進氣口吸入，同時也吸入機油，由于齒溝嚙合面轉動將吸入的油氣密封并向排氣口輸送；在輸送過程中齒溝嚙合間隙逐漸變小，油氣受到壓縮；當齒溝嚙合面旋轉至殼體排氣口時，較高壓力的油氣混合氣體排出機體。
二、壓縮氣供氣系統(tǒng)組成及空壓機控制原理
工廠空氣壓縮氣供氣系統(tǒng)一般由空氣壓縮機、冷干機、過濾器、儲氣罐、管路、閥門和用氣設備組成。如圖2所示為壓縮氣供氣系統(tǒng)組成示意圖。
在工廠的空氣壓縮機控制系統(tǒng)中，普遍采用后端管道上安裝的壓力繼電器來控制空氣壓縮機的運行。空壓機啟動時，加載閥處于不工作態(tài)，加載氣缸不動作，空壓機頭進氣口關閉，電機空載啟動。當空氣壓縮機啟動運行后，如果后端設備用氣量較大，儲氣罐和后端管路中壓縮氣壓力未達到壓力上限值，則控制器動作加載閥，打開進氣口，電機負載運行，不斷地向后端管路產生壓縮氣。如果后端用氣設備停止用氣，后端管路和儲氣罐中壓縮氣壓力漸漸升高，當達到壓力上限設定值時，壓力控制器發(fā)出卸載信號，加載閥停止工作，進氣口關閉，電機空載運行。圖3為某品牌空氣壓縮機的系統(tǒng)原理圖。
空壓機電機功率一般較大，啟動方式多采用空載（卸載）星-三角啟動，加載和卸載方式都為瞬時。這使得空壓機在啟動時會有較大的啟動電流，加載和卸載時對設備機械沖擊較大；不光引起電源電壓波動，也會使壓縮氣源產生較大的波動；同時這種運行方式還會加速設備的磨損，降低設備的使用年限。
對空壓機進行變頻改造，能夠使電機實現(xiàn)軟起軟停，減小啟動沖擊，延長設備使用年限；同時由于電機運行頻率可變，實現(xiàn)了空壓機根據(jù)用氣量的大小自動調節(jié)電機轉速，減少了電機頻繁的加載和卸載，使得供氣系統(tǒng)氣壓維持恒定，在一定程度上節(jié)約了電能。
以某品牌空壓機為例，圖4是其電路原理圖?？梢钥闯鲈撈放菩吞柕目諌簷C采用星-三角啟動方式，在主電路改造時，將變頻器串接進原有的電源進線中；斷開原加載閥控制回路，將原加載閥控制輸出改為一個時間繼電器JS，時間繼電器的線圈一端與220V控制電路零線接通，另一端連接到PLC的加載輸出點，將加載閥的一端直接和220V控制電路零線接通，另一端通過時間繼電器JS的一對常開觸點與220V控制電路火線接通，通過時間繼電器延長加載時間。變頻器的正轉信號端子FWD，通過電機主電路上的交流接觸器KM1的一對常開觸點，與變頻器公共控制端CM接通。變頻器的模擬量反饋信號C1和GND端子，與壓縮氣輸送管路上的壓力傳感器相連接。圖5是變頻改造后的電路原理圖。
空壓機變頻改造后，電機啟動時原有的交流接觸器仍然由其控制PLC按星-三角方式動作，但在交流接觸器連接為星型時，交流接觸器KM1的常開觸點沒有閉合，變頻器FWD端子與CM端子沒有接通，變頻器不啟動、無輸出；當PLC控制交流接觸器轉換為三角形接法后，KM1的常開觸點閉合，變頻器FWD端子與CM端子接通，時間繼電器JS處于延時狀態(tài)，加載閥不動作，變頻器開始空載變頻啟動電機。當變頻器啟動電機完成后，時間繼電器JS動作加載閥，變頻器自動變頻運行。
在進行變頻改造時應該注意，盡量保持原有設備主電路和控制電路的完整性，對其電路的改動越少越好；這有利于在變頻器發(fā)生故障或是檢修時，空壓機可以很方便地改動回到原有的控制方式上去，這保證了空壓機在變頻和工頻狀態(tài)下都可以運行，也使得改造時可以不用重新編寫PLC程序。
必須保留空壓機的工頻運行模式，萬一變頻器出出故障，可以直接切換到工頻模式下運行，不至對對生產造成影響。
變頻器的啟動信號由角形接法交流接觸器KM1控制，既在星形時變頻器不啟動無輸出。
時間繼電器JS的整定時間要大于等于變頻器的啟動時間，這保證變頻器空載變頻啟動，有效避免變頻器低頻啟動時過負荷跳閘。
變頻器的下限運行頻率一般要設在35赫茲或以上，如果赫茲數(shù)太低，可能會造成油氣分離器無法有效分離油氣，造成空壓機漏油現(xiàn)象。但要根據(jù)實際情況具體來考慮設定下限頻率值，因為不同的空壓機其機械配合磨損和效率不盡相同，其不漏油的下限頻率也不一定相同。
管路上的壓力傳感器的安裝位置要盡量靠近空壓機，不要安裝在過濾器或是閥門以后，同時切記壓力傳感器和空壓機之間的管路上不能安裝任何閥門元件，防止過濾器堵塞或是閥門關閉后，空壓機不停機并發(fā)生爆炸危險。還應該保留空壓機原來的壓力停機保護開關。
按生產工藝要求，變頻改造后，適當降低壓縮氣供氣系統(tǒng)的供氣壓力，將原來的高壓變流量供氣改變?yōu)樽冾l恒壓變流量供氣方式。
如以下公式所示拉力F與摩擦力F’大小相等、方向相反，拉力F在時間T內拉動物體做直線運動，移動位移S。拉力F在時間T內作的功率P為
由數(shù)學知識可知線速度v和旋轉角速度ω之間的關系如式2所示,式中f為旋轉體的旋轉頻率。
將式2代入式1可以求得旋轉物體摩擦阻力功率如式3所示
由式3可以知道,克服旋轉體的摩擦阻力使旋轉體勻速轉動,需要向旋轉體提供的功率按式3公式計算（忽略機械效率損失，認為η為1）。式3中F’為旋轉體的旋轉摩擦阻力，r為旋轉體的旋轉半徑，f為旋轉體的旋轉頻率。所以我們可以在忽略空氣壓縮機機械效率損失，同時忽略空壓機機械效率因為電機轉速變化而變化的情況下，即始終認為空壓機機械效率η為1，可以近似地認為變頻器的輸出功率與空壓機電機的轉速成正比，即成一次方正比例關系。
如圖7所示是螺桿式空壓機工頻運行時的轉速/功率-周期示意圖。t1是空壓機加栽運行時間，t2是空壓機卸栽運行時間，加栽/卸栽時的轉速和功率分別為P1/n1和P2/n2。忽略空壓機機械效率η的變化，W1和W2分別為空壓機加栽運行時間t1和卸栽運行時間t2中由電源輸送給空壓機電機的能量。其中W1轉換為壓縮空氣勢能、動能和熱能等形式的能量，供設備使用。而W2則轉換為機械的摩擦熱能和聲音、震動等形式的能量損失掉。
所以螺桿式空壓機經(jīng)過變頻改造后，由于電機處于變速運行情況下，而通過式3的推導知道電機的平均功率與電機的平均轉速成一次方正比例關系?？諌簷C變頻改造后，是根據(jù)用氣系統(tǒng)的用氣量恒壓變流供氣；所以變頻改造后，空壓機在周期T（t1+ t2）內所作的功W，等于同等工況下，空壓機工頻運行時，加載運行時間t1內所作的功W1。如圖8所示。
通過以上分析，可知只要知道螺桿式空壓機工頻改造前卸載運行時間和卸載電流，就可以大致計算出，相同工況下變頻改造后的節(jié)能功率和節(jié)能電量（忽略機械效率η的變化）。
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