□ 杜巧連 □ 陳旭輝

1.浙江師范大學(xué) 行知學(xué)院 浙江金華 321004

2.浙江金華市技師學(xué)院 浙江金華 321000

變頻技術(shù)在螺桿空氣壓縮機中的應(yīng)用研究

□ 杜巧連1□ 陳旭輝2

1.浙江師范大學(xué) 行知學(xué)院 浙江金華 321004

2.浙江金華市技師學(xué)院 浙江金華 321000

以雙螺桿空氣壓縮機為研究對象，分析了變頻式螺桿空氣壓縮機的工作原理及結(jié)構(gòu)特點，闡述了變頻技術(shù)在傳統(tǒng)螺桿空氣壓縮機中的應(yīng)用，并對應(yīng)用變頻技術(shù)改造后的空氣壓縮機的性能進行了研究分析。研究表明，在空氣壓縮機中使用變頻技術(shù)有利生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運行，同時也會產(chǎn)生較好的節(jié)能效果。

空氣壓縮機 變頻技術(shù) 節(jié)能

空氣壓縮機是一種用以提高氣體壓力的機械，由于其動力的方便性和靈活性，用途極為廣泛，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、國防、科研乃至生活的許多領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟中占有相當(dāng)重要的地位。近幾年，國內(nèi)空氣壓縮機年銷售總量在120億元以上，并且連續(xù)數(shù)年均以20%以上的速度增長，廣闊的市場越來越受到國內(nèi)外廠商的密切關(guān)注。

我國是一個能源緊缺的國家，節(jié)能減排工作是我國長期而艱巨的任務(wù)，據(jù)不完全統(tǒng)計，在我國，電能的60%是被各行各業(yè)中廣泛使用的風(fēng)機、水泵等通用機械所消耗，而空氣壓縮機則占了其中的15%左右。廠家在設(shè)計空氣壓縮機系統(tǒng)的過程中，不能排除空氣壓縮機在滿負荷狀態(tài)下長時間運行的可能性，所以，只能按最大的需要來決定電動機的容量，為此設(shè)計余量一般偏大。而實際生產(chǎn)過程中，空氣壓縮機是處于變工況狀態(tài)，空氣壓縮機的負荷率平均約為67%，在這樣的工作負荷下，空氣壓縮機浪費了大量的電能。對空氣壓縮機進行變頻改造，能夠使電機實現(xiàn)軟啟軟停，減小啟動沖擊，延長設(shè)備使用年限；同時由于電機運行頻率可變，實現(xiàn)了空氣壓縮機根據(jù)用氣量的大小自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，減少了電機頻繁加載和卸載，使供氣系統(tǒng)氣壓維持恒定，在一定程度上節(jié)約了電能。

1 螺桿空氣壓縮機的工作原理

據(jù)統(tǒng)計，2010年國內(nèi)動力用雙螺桿壓縮機的銷售總量已達到80億元左右，占壓縮機銷售總量的40%多，空氣壓縮機在工業(yè)中用途的廣泛性，為變頻螺桿壓縮機的發(fā)展展示了一個美好的前景。

一般意義上的螺桿空氣壓縮機是指雙螺桿壓縮機，它誕生于20世紀30年代，由一對相互嚙合的轉(zhuǎn)子和機殼組成，依靠運轉(zhuǎn)時容積的變化來吸入、壓縮和排出空氣，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和動力平衡性好的特點，操作和維護也十分方便。螺桿空氣壓縮機是通過一對轉(zhuǎn)子在機殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動來改變工作容積，使氣體體積縮小、密度增加，從而提高氣體的壓力。

螺桿空氣壓縮機由螺桿機頭、電動機、油氣分離桶、冷卻系統(tǒng)、空氣濾清器、潤滑系統(tǒng)、安全閥和控制系統(tǒng)等組成，整機裝在一個箱體內(nèi)，自成一體，直接放在平整的水泥地面上即可，無需用地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上，如圖1所示。

螺桿機頭是一種雙軸容積式回轉(zhuǎn)型壓縮機頭，一對高精密主（陽）、副（陰）轉(zhuǎn)子平行地裝于機殼內(nèi)部，主（陽）轉(zhuǎn)子有4個齒，而副（陰）轉(zhuǎn)子有6個齒，主轉(zhuǎn)子直徑大，副轉(zhuǎn)子直徑小。齒為螺旋狀，兩者相互嚙合。主副轉(zhuǎn)子兩端分別由軸承支承定位，工作時電動機通過連軸器（或皮帶）直接帶動主轉(zhuǎn)子，由于兩轉(zhuǎn)子相互嚙合，主轉(zhuǎn)子直接帶動副轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。

螺桿式空氣壓縮機的工作原理為螺桿機頭、油氣分離桶通過吸氣過濾器和進氣控制閥吸氣，同時油注入空氣壓縮室，對機頭進行冷卻、密封以及對螺桿及軸承進行潤滑，空氣壓縮室產(chǎn)生壓縮空氣。壓縮后生成的油氣混合氣體排放到油氣分離桶內(nèi)，由于機械離心力和重力的作用，絕大多數(shù)的油從油氣混合體中分離出來?？諝饨?jīng)過由硅酸硼玻璃纖維制成的油氣分離筒芯，幾乎所有的油霧都被分離出來，從油氣分離筒芯分離出來的油通過回油管回到螺桿機頭內(nèi)。在回油管上裝有油過濾器，回油過濾后，潔凈的油流回至螺桿機頭內(nèi)。當(dāng)油被分離出來后，壓縮空氣經(jīng)過最小壓力控制閥離開油氣筒進入后冷卻器。后冷卻器把壓縮空氣冷卻后排到貯氣罐供各用氣單位使用，冷凝水則集中在貯氣罐內(nèi)，通過自動排水器或手動排出。

2 變頻技術(shù)在螺桿空氣壓縮機中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的螺桿空氣壓縮機存在的不足之處有：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，使空氣壓縮機在啟動時會有較大的啟動電流，加載和卸載時對設(shè)備機械沖擊較大，不僅會引起電源電壓波動，也會使壓縮氣源產(chǎn)生較大的波動，這種運行方式還會加速設(shè)備的磨損，降低設(shè)備的使用年限。以上這些因素嚴重制約了空氣壓縮機的進一步的發(fā)展，要想解決這些不足之處，需要對空氣壓縮機進行變頻改造。變頻器作為一種能將頻率固定的交流電（三相或單相）變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源的設(shè)備，用它來控制空氣壓縮機的電動機，能十分方便地改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量，使系統(tǒng)壓力始終維持在所要求的數(shù)值上，達到恒壓供氣的目的。一般而言，工業(yè)中常用的螺桿空氣壓縮機所配備的電動機小到22 kW，最大可達250 kW，以籠型異步電動機為主，屬于典型的中小型電動機范圍。變頻技術(shù)能夠通過控制電動機轉(zhuǎn)速進而改變壓縮機主機的速度來保證壓縮空氣的供氣與用氣相匹配，進而達到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，降低系統(tǒng)流量負荷的目的。因此，變頻技術(shù)不僅有利生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運行，而且會產(chǎn)生較好的節(jié)能效果。

▲圖1 螺桿空氣壓縮機機工作流程圖

2.1 變頻系統(tǒng)構(gòu)成

變頻控制系統(tǒng)由電源切換柜、變頻器、智能PID控制器、傳感器和空氣壓縮機等組成，系統(tǒng)中安裝電源切換柜是為了保證變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時仍能保證空氣壓縮機的正常運行。螺桿壓縮機采用變頻調(diào)速技術(shù)進行恒壓供氣控制，系統(tǒng)組成及原理框圖如圖2所示。

2.2 變頻工作原理

變頻控制系統(tǒng)是通過安裝在壓縮空氣系統(tǒng)總管上的壓力傳感器將檢測到的系統(tǒng)壓力變化傳給PID控制器，PID控制器按照設(shè)定壓力輸出一個電流信號送到變頻器。當(dāng)壓力傳感器檢測到的壓力信號大于目標壓力設(shè)定值時，PID控制器輸出的信號減弱，使變頻器輸出頻率降低，空氣壓縮機電動機轉(zhuǎn)速降低，輸送到管網(wǎng)的氣量減少，系統(tǒng)壓力降低；當(dāng)壓力傳感器檢測到的壓力信號小于目標壓力設(shè)定值時，PID控制器輸出的信號增強，使變頻器輸出頻率增加，空氣壓縮機電動機轉(zhuǎn)速上升，空氣壓縮機輸送到管網(wǎng)的氣量增加，系統(tǒng)壓力升高，從而達到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的目的。

空氣壓縮機變頻控制電動機轉(zhuǎn)速和電源頻率的關(guān)系可由下式表示：

式中：n為電動機轉(zhuǎn)速；s為電動機轉(zhuǎn)差率；f為電源頻率；p為電動機極對數(shù)。

▲圖2 系統(tǒng)組成及原理圖

2.3 變頻控制方案設(shè)計

變頻控制方案采用雙變頻控制設(shè)計，如圖3所示。主電動機變頻器作用有使氣壓穩(wěn)定、節(jié)能、啟動無沖擊、噪聲低、對儲氣罐容量要求小等特點；冷卻風(fēng)扇電機變頻器作用有使冷卻風(fēng)扇在所有的工況下都能安全可靠的工作，使系統(tǒng)溫度保持在最佳狀態(tài)等特點。

變頻啟動與運行情況為：空氣壓縮機啟動時，加載電磁閥處于失電狀態(tài)，進氣閥關(guān)閉，僅靠進氣閥閥片小孔進氣建立內(nèi)壓，機組空載啟動，運行頻率從0 Hz提升至50 Hz，緩緩加速啟動。一段時間（在此設(shè)置為10 s）后，加載電磁閥打開，空氣壓縮機開始加載運行。

如果用氣量較大，壓縮氣體壓力未達到壓力上限值，則機組會在50 Hz狀態(tài)下全速加載運行；如果用氣量稍少，則通過壓力檢測進行無級變速跟蹤產(chǎn)氣，頻率在下限（20 Hz）與上限（50 Hz）之間，在保持排氣壓力不變的狀況下，滿足僅需要的產(chǎn)氣量；如果用氣量較小或已不用氣，運行頻率下降至下限頻率，當(dāng)壓力達到上限設(shè)定值時，加載電磁閥停止工作，進氣閥關(guān)閉，電機空載運行，進入停機模式。

當(dāng)空氣壓縮機連續(xù)運行，壓縮機主體溫度升高，當(dāng)溫度達到一定程度時，風(fēng)扇變頻器啟動風(fēng)機，進入機組恒溫控制運行狀態(tài)。

2.4 變頻改造后的應(yīng)用效果分析

（1）供氣壓力穩(wěn)定。變頻螺桿空氣壓縮機利用變頻器的無級調(diào)速特點，根據(jù)用戶設(shè)定期望壓力和實際用氣量進行無級變速產(chǎn)氣，對壓力實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)恒定排氣壓力目的。圖4為變頻后供氣壓力圖。

（2）節(jié)約電能。原來的系統(tǒng)當(dāng)儲氣罐內(nèi)的氣體壓力達到設(shè)定壓力值后，一般有兩種節(jié)能方法：一種是空氣壓縮機卸荷運行，不產(chǎn)生壓縮氣體，電機處于空載運行，其用電量仍為滿負載的30%～60%，這部分電能被白白浪廢掉。另一種方法是停止空氣壓縮機運行，等氣壓不夠時再啟動空氣壓縮機，這樣就帶來了電動機的頻繁啟動，空氣壓縮機的空載啟動電流大約是額定電流的5～7倍，對電網(wǎng)及其它用電設(shè)備沖擊較大，電能損耗較大，同時使空氣壓縮機的使用壽命也會縮短。采用改造后的系統(tǒng)解決了上述問題，節(jié)約了大量的電能，節(jié)電效果大概在30%以上。盡管工頻螺桿空氣壓縮機采取了各種節(jié)能措施，但變頻螺桿機是根據(jù)用戶實際用氣量來實時調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速，用氣量低的時候空氣壓縮機自動進入休眠狀態(tài)，因此大大減少了能源的浪費。

（3）啟動無沖擊。變頻器是一個軟啟動裝置，啟動電流最大在額定電流的兩倍左右，與工頻啟動（額定電流的4～6倍）相比，對電網(wǎng)的沖擊及整個機械系統(tǒng)的沖擊將大大減少。圖5為工頻控制與變頻控制電流特性對比圖。

（4）降低噪聲。穩(wěn)定運行時，頻率一般都小于工頻50 Hz，沒有加卸載伺服系統(tǒng)，機械噪聲下降，機械磨損小。若風(fēng)機也采用變頻驅(qū)動，能顯著降低空氣壓縮機工作時的噪聲。

（5）交流電源的電壓適應(yīng)性更好。由于變頻器采用的過調(diào)制技術(shù)，在交流電源電壓稍低時仍可輸出足夠的力矩，驅(qū)動電動機工作；當(dāng)電壓稍高時，也不會導(dǎo)致輸出到電動機的電壓偏高。

（6）對儲氣罐容量要求小，節(jié)省成本。變頻螺桿壓縮機和普通螺桿壓縮機相比具有一定的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在空載耗電和壓差耗電兩個部分：①壓縮機處于變工況的工作狀態(tài)，按平均67%的負荷率運行，其中33%為空載卸荷；② 普通壓縮機卸荷運行過程中，為了避免壓縮機進氣閥的頻繁調(diào)節(jié)，供氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力要求一個上限控制值，一般高出1 bar，增加了因壓縮比增大而消耗的功。以37 kW機組為例，機組平均負荷率為：一年運行8 000 h，其空載耗電4.4萬kW·h，壓差耗電2.8萬kW·h，單臺 37 kW變頻螺桿壓縮機和普通機組相比，每年可直接節(jié)電7.2萬kW·h；③機組可靠性得到提高，供氣壓力系統(tǒng)維持穩(wěn)定，噪聲降低，熱排放量減少。

▲圖3 變頻驅(qū)動系統(tǒng)圖

▲圖4 變頻后供氣壓力圖

▲圖5 工頻控制與變頻控制電流特性對比圖

3 結(jié)束語

研究表明，空氣壓縮機使用變頻技術(shù)不僅有利生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運行，而且會產(chǎn)生較好的節(jié)能效果。此外，采用變頻技術(shù)還需注意的幾個問題：① 空氣壓縮機是大轉(zhuǎn)動慣量負載，這種負載的啟動容易引起變頻器在啟動時出現(xiàn)過載保護，若采用具有高啟動轉(zhuǎn)矩的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）變頻器，具有轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快且無超調(diào)、控制結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，既能實現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又可保證設(shè)備穩(wěn)定的運行；②空氣壓縮機不允許長時間在低頻下運行，工作下限應(yīng)不低于20 Hz；③建議功率選用比空氣壓縮機功率大一等級的變頻器，以免空氣壓縮機啟動時出現(xiàn)頻繁跳閘的情況；④為了有效濾除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器濾波，還可以減少電動機運行的噪聲。

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（編輯 丁 罡）

TH113.2+3；TP272

A

1000-4998（2015）02-0068-04

2014年8月